BIM+VR技术在燃气场站安全管理中的应用研究

李燕芳 LI Yan-fang；王勇华 WANG Yong-hua；张冰 ZHANG Bing；刘延 LIU Yan；张博 ZHANG Bo

（①唐山学院土木工程学院，唐山 063000；②唐山市工程精益建造与信息化重点实验室，唐山 063000；③河北科技学院艺术学院，唐山 063015；④北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082）

0 引言

燃气场站中涉及的管线和设备种类繁多，目前在进行安全管理时仍是基于二维图纸、垂直的安全管理模式和缺乏交互的信息化手段，二维的设计图纸存在不能反映燃气场站的全貌、可视化程度低的局限性，且在进行安全培训和消防演练时存在员工理解不清楚等问题[1]。需要应用更新的技术和管理方式来提升燃气场站的安全管理水平。BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等特点[2]，VR（Virtual Reality）即虚拟现实，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术，是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，让用户感觉仿佛身历其境，可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物[3]。BIM技术强调模型的建立、可视化和信息的附加，而VR技术强调虚拟交互与虚拟体验，BIM技术为VR技术提供了必要的场景资源及数据信息，VR技术为BIM推广应用提供了可视化的交互应用平台[4]。

1 BIM研究现状、水平与发展趋势

BIM作为一种可以完全替代CAD传统设计理念的新型技术，其巨大的应用价值已经得到国内外的重视。了解和学习BIM技术研究现状及发展趋势，对实现BIM技术在燃气场站工程安全管理中的应用具有重要意义。

中国从2002年开始引入BIM技术，并一直在探索BIM技术的应用，制定相关政策措施以促进BIM技术的发展。2011年，在住建部颁布的《2011-2015建筑业信息化发展纲要》中，为推动和实现我国信息化标准建设，要求不断加强建筑信息模型等新技术在工程中的应用，该纲要的发布对于BIM技术在我国的阶段性发展起到了促进作用。2012年，随着工程建设标准规范制定计划的发布，我国开始制定适合我国国情和发展需要的中国BIM标准，这对于推动BIM技术在我国标准化实施起到了决定性的作用。2013年成立了中国BIM标准委员会，对于加快我国BIM国家标准体系的建设步伐具有重要的意义[4-8]。2014年，在住建部颁布的《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》中，为提高建筑工程领域的综合效益，应扩大建筑信息模型等信息技术的应用范围，有利于利用BIM技术推动建筑业技术能力，转变建筑业发展方式。2015年，为指导和推动建筑信息模型的应用，住建部研究制定了《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，指出了建筑业相关企业和相关项目在2020年末应用BIM技术的发展目标。2016年，在住建部公布的《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中，为实现全面提高建筑业信息化水平的发展目标，提出加快BIM技术的普及和应用，加强BIM技术的应用能力，充分肯定了BIM技术的作用，推动了BIM技术在我国的应用。2022年上半年北京、四川、浙江等地均发布了关于BIM的政策标准等，如表1所示。

表1 近三年各地BIM政策标准统计

目前，BIM技术主要应用在模型维护、场地分析、建筑策划、方案论证、可视化设计、协同设计、性能化分析、工程量统计、管线综合碰撞调整、施工进度模拟、施工组织模拟、数字化建造、物料跟踪、施工现场配合、竣工模型交付、BIM维护计划设定、资产管理、空间管理、建筑系统分析、灾害应急模拟等方面。但是国内BIM与VR技术结合研究仍处初步发展阶段[9]。BIM及VR技术应用到轨道交通车站客流疏散仿真、公路工程、隧道设计仿真、商业公共空间、铁路施工、智慧工地等方面[10]。但是BIM+VR技术在建筑设计、施工及运维中的使用时间较长、使用难度较大、还需通过在应用过程中进行完善和成熟。尤其是在建筑、设备的安全管理应用中，还需要得到运维阶段管理企业对技术的认可，从而尝试应用，不断发展和成熟。

2 传统燃气场站安全管理中存在的问题

传统的燃气场站安全运维管理要求二十四小时三人值守，四班三运转模式，至少需要十二名员工进行生产调度、事故预警、灾害处理、数据记录及台账管理等工作。工作效果完全依赖于员工的负责任态度，且多数以纸质版记录为主，造成信息传递不及时、不准确等问题。燃气场站安全管理及运维过程中通常面临如下问题。

①安全管理流程不合理。燃气场站虽然存在流程的局部差异，但却存在巡查线路缺少规划、信息流转处理迟缓等共性的问题，延长了不安全状态的存续时间，增大了事故发生的概率[11]。

②安全信息缺乏标准。由于所有的安全信息均为动态的，会定期或者不定期发生变化，所以安全信息的采集工作也是动态的，但是目前信息采集标注途径和表述方式缺乏标准，且没有数据监管机制，数据实时监测和变化曲线统计有困难[11]。

③安全检查缺乏标准。安全检查缺乏Plan（计划）、Do（执行）、Check（检查）和Act（处理）的闭环流程。

④安全运行状态难控。计量撬系统故障无法预判，控制系统依赖站内紧急报警装置、PLC控制系统等指令系统，运行过程中大多需要人工进行手动控制，安全值班人员如果无法第一时间发现安全事故并进行及时处置，会造成安全隐患。

⑤安全管理考核机制不合理。传统安全管理绩效的考核多以员工是否按时到岗，安全管理资料是否齐全等考核员工的安全管理工作，对工作过程的质量没有监督考核机制。

3 BIM+VR技术应用在燃气场站安全管理中的应用

BIM+VR技术结合应用到燃气场站安全管理中，可以通过构建三维虚拟展示和沉浸式的体验加强可视化和具象性，可以通过模拟发生火灾、大风等不安全情况下，对计量撬等高压管道系统的影响，从而进行燃气场站全员定期安全疏散教育、救援等模拟，为燃气场站安全管理提供平台。同时针对BIM+VR技术的应用，制定安全管理流程，制定燃气场站应急预案。

BIM+VR技术应用到燃气场站的安全管理中需要以下几个方面的流程：基于BIM的燃气场站运维模型构建；基于BIM和VR虚拟交换场景的燃气场站模型渲染及优化；基于BIM的燃气场站安全管理流程的制订；燃气场站应急预案制定和模拟；基于BIM与VR交互的三维模型进行燃气场站安全培训等，如图1所示。

图1 基于BIM+VR安全管理体系的构建

3.1 BIM模型的建立

BIM与VR在燃气场站安全管理中的应用，必须结合具体的燃气场站工程项目。本文以唐山市丰润区天然气干线输配工程配套的调压站工程为研究案例。工程位于唐山市丰润区小张各庄镇大张各庄村北侧丰津线西侧，临近大张各庄村。工程设计压力为4.0MPa，运行压力为3.6MPa，设计规模为1.45×105Nm3/h。工程内容主要包括综合办公楼、柴油发电机房、锅炉与门卫用房等建筑物，以及调压计量撬、放散塔、加臭撬等生产设施和场区给排水、消防、放散、安防监控、可燃气体监测、火灾报警等生产辅助设施，场区占地总面积约为5280m2。

Revit软件是一款参数化的建筑图元设计与管理软件平台，具有强大的BIM模型构建能力，能够精确地构建建筑、结构、场地、机电、管线等不同专业工程的三维可视化模型，并集成相应的属性信息[1]。本工程利用Revit2018软件建立完整的燃气场站BIM综合模型，以下展示电气及自控专业模型、及燃气站场地综合模型，如图2所示。

图2 燃气场站燃气专业BIM模型及综合BIM模型

3.2 BIM模型的渲染和优化及安全疏散模拟视频的制作

目前常用的BIM模型渲染软件有3D Studio Max、Lumion、SketchUp、Enscape等，3D Studio Max软件功能强大，但是操作太复杂，不具有普适性；Lumion软件操作相对简单，但是渲染效果不佳；SketchUp软件操作相对简单，普适性较强，但是无法与VR设备直接实现互联。Enscape软件是一款在Autodesk Revit内部的实时显示3D效果的集成插件，学习时间短、成效快、而且效果逼真能够做出精美的效果图，同时还支持VR与全景渲染，导出EXE独立运行包和漫游视频，方便在团队或客户中轻松地展示和沟通设计。BIM模型渲染效果图如图3所示。

图3 渲染之后的BIM模型

3.3 制作VR视频模拟逃生路线

将渲染后的BIM模型导入FUZOR视频模拟软件，制定逃生路线，摆放消防器具，模拟灾害场景，为后期消防疏散模拟演练提供素材。在模拟逃生中进一步对拥堵的节点进行预判，进一步优化逃生路线。最后制作出能通过VR设备观看的模拟视频。（图4）

图4 模拟逃生路线

4 基于BIM+VR技术安全管理流程的制定

针对传统燃气场站安全管理中的弊端，BIM+VR技术可以实现安全检查信息标准化、安全疏散模拟演练日常化、安全检查流程和制度标准化、安全运行监测标准化、安全管理考核标准化。PDCA循环提供的是一种系统性的、周期性的、可持续改性的、螺旋形上升的闭环管理思路。PDCA原理的计划、实施、检查纠偏、再实施四个过程周而复始的循环进行，每次循环都把目标或标准带到一个新的高度[12]。因此，从PDCA循环理论视角，建立基于BIM+VR的科学、规范、可操作、行之有效的燃气场站安全管理流程，能为改善燃气场站安全管理提供可行的方式方法，通过规范化的流程降低风险事件的发生、提高安全效率。

4.1 安全管理制度流程的优化

根据PDCA的循环原理优化安全管理制度流程，主要包括制定基于BIM+VR的安全管理计划、模拟实施燃气场站运行中的安全管理过程、检查漏洞、纠偏后再实施。如图5所示。

图5 PDCA循环原理在燃气场站安全管理流程中的应用

首先制定安全管理分级目标，包括总经理、安全管理部分负责人、专职安全管理人员的分级目标分别是什么，并且要和安全管理考核机制及绩效工资直接关联，督促安全管理相关人员各尽其责。然后根据安全管理目标制定安全管理计划（P），参照安全管理法律法规、安全生产责任制等的要求制定基于BIM+VR的燃气场站安全管理方案，并进一步规范安全管理流程。（D）之后按照前一步制定的安全管理方案，模拟风险事件的发生，在风险事件中各部门各类人员如何进行风险处置，并制作VR视频模拟逃生路线，对员工进行定期安全疏散模拟演练。在风险事件处置过程中重点强调各部门的协调配合，以及如何有效地防范内、外部风险和扩大化风险。（C）模拟运行之后，广泛采纳各部分各级人员的反馈意见，改进安全管理流程和方案。并且模拟监控系统的运行，检验各个监控设备的辐射范围，消除监控盲区。利用pathfinder软件计算人员疏散密度，检验是否符合疏散要求。（A）最后根据检查结果，优化安全管理方案，并进行新方案实施验证，根据新方案实施结果对安全管理计划进行进一步优化，重新修订安全管理目标，实现安全管理流程的不断改进和优化。

4.2 安全管理信息标准的优化

建立燃气场站BIM三维可视化数据共享平台后，可在其中不断完善各类信息，如设备管道信息、安全管理人员信息、建筑物中各种材料信息及管线分布详细信息等，根据燃气场站运行过程中的实际情况记录各系统的详细信息，各个部门在平台中可以直观性了解不同运维工作的实施进度、设备维修状况、各个部分的养护状况等，部门之间相互沟通共享协同性地应对问题[12]。与此同时在使用BIM技术期间，还可以创建信息化的工作模式与数字化工作体系，提前识别可能会出现的风险问题，保证安全管理工作的可行性、前瞻性。目前安全管理的信息标准需要进一步进行精细化管理。“精”即确保对计量撬系统每一环节维护维修的质量进行上报[12]，并在BIM系统中完善相关信息，“细”即将每个环节细化，并由工作人员落到实处保证信息的准确度，由安全管理人员定期复核相关数据的准确性。同时利用PDCA循环原理，对信息标准进一步进行提升优化，达到标准的一致性。

4.3 安全检查标准的优化

安全检查标准以安全检查表为基本方法和形式，以安全管理流程为主线，明确燃气场站检查的项目、内容、时机、要求和具体方式，制定并宣贯实施以“燃气场站技术安全检查规程”为代表的对象明确、适用性强的安全检查标准。基于BIM+VR的安全检查标准，首先在BIM模型平台中输入预检查项目，以及检查内容、时间、人员，然后利用VR模拟漫游系统进行预检查项目讨论及演练，之后进行详细检查，检查完之后将检查结果在BIM平台中进行详细登记，并共享信息。

4.4 安全运行状态监测系统优化

优化安全运行状态监测系统需要将监测全景化，建立基于5G+AI技术，实现全景监控、周界报警及反恐保障[12]。在场站内安装5G摄像机实现360度无死角全景监控可以准确识别场站进出人员身份、车辆信息；设置光纤等先进的电子报警系统，全面保护燃气场站运行的安全；设置防车辆冲撞装置，完善场站反恐保障体系。视频监控系统是智能安全防范系统的重要部分，对重点场所发生的事件进行视频图像信息显示与记录，如发生事件可启动联动报警和语音对讲系统，以帮助有关人员现场应急处理和事后分析。将全景监控系统与BIM平台相关联，实现点对点定位，及时向全员发布安全监测状态，以便于及时处置相关事件。

4.5 安全管理考核机制的优化

基于BIM+VR的燃气场站安全管理考核机制，要以BIM平台中的实际记录为依据，不再仅仅以各类手写登记表、检查表等为依据，而是与安全管理制度、方案、信息登记表、运行状态监测等以上系统中的记录为依据，设置分级指标，分享详细考核各级各类安全管理人员的工作质量和绩效。

5 结语

综上所述，在信息技术快速发展的时代，研究如何利用信息技术提升燃气场站的安全管理水平具有很重要的现实意义和应用价值。基于BIM+VR的燃气场站安全管理将BIM三维可视化模型与VR虚拟交互技术相结合，对传统燃气场站安全管理进行提升改造，优化了安全管理的流程和标准，实现燃气场站安全管理信息共享与全景化监测，可以在不影响燃气场站运行的情况下随时进行可视化模拟疏散演练，并帮助燃气场站工作人员全方位实时了解整个场站内外的安全状况，将安全管理人员的考核标准化，从而激励安全管理人员工作的积极性，有效提高燃气场站安全管理效率，保障燃气场站的安全运行。