基于BIM的地铁盾构吊装风险预控技术研究

宗秋雷 杨杨 张雨果 毛思晴 何华刚

(1.中国水利水电第七工程局有限公司 成都 610000； 2.中国地质大学(武汉) 武汉 430074)

0 引言

近年来我国地铁工程建设呈现蓬勃发展态势，截止2019年1月，中国大陆轨道总运营距离为5 027.36 km[1]。然而随着工程建设的发展，地铁施工安全事故也呈上升趋势。其中，盾构吊装作业作为施工过程中不可回避的施工难题之一，存在作业环境复杂、交叉作业多、作业盲区多的特点，致使盾构吊装作业风险较高，一旦发生事故必将造成严重的人员伤亡和财产损失。而BIM技术具有可视性好、模拟性强、共享性高的特点，通过三维建模进行施工模拟和建筑构件参数化设计，可以预先获得吊装作业的风险信息，完成基于BIM平台的风险预先评估，从而实现盾构吊装作业风险预控目标。

1 盾构吊装风险辨识

风险辨识是风险评估的基础，为全面辨识盾构吊装作业中的各项风险，本文采用WBS-RBS风险耦合矩阵方法进行风险辨识。WBS(Work Breakdown Structure)是指工作分解结构，RBS(Risk Breakdown Structure)是指风险分解结构，将二者交叉构建形成耦合矩阵，能够对每项作业存在的风险进行一一辨识[2]，风险耦合矩阵如图1所示。

图1中将盾构吊装作业进行工序拆分，共拆分得出包括端头加固、拖车吊装等20道工序。同时，将盾构吊装作业风险划分为设计风险、管理风险、技术风险、环境风险，以作业工序为行，风险为列，形成矩阵。矩阵中的“1”表示该作业与该风险呈现相关性，“0”表示呈现弱相关或无关，如第一行第一列表示端头加固存在环境地质风险。

图1 耦合矩阵

2 盾构吊装风险清单

基于WBS-RBS的风险辨识方法给出了盾构吊装作业风险辨识清单的总纲，为进一步细化作业风险清单，本文对近年来我国发生的246起地铁施工事故进行事故类型分析，如表1所示，同时对上述事故中与盾构吊装作业有关的事故调查报告进行分析，在总体地铁安全事故的背景下提炼吊装安全事故风险因素。

表1 事故类型

表1表明地铁安全事故类型近一半为坍塌，其次为高处坠落、物体打击等。因此在吊装作业中需要着重关注吊车倾覆以及基坑结构破坏等风险因素。在事故类型分析的基础上，通过对事故调查报告进行调研得出吊装作业的风险清单如表2所示。

表2 盾构吊装典型风险

通过事故调查报告调研分析，在W11—W15中选中部分典型风险因素进行清单展示，结果显示吊装作业中典型的坍塌、高处坠物等事故与地铁施工事故类型统计较为符合。

3 基于BIM参数化设计的风险评估

为便于对吊装作业中存在的风险进行高效防控，需要对作业风险进行评估并分级，以便于采取有的放矢的防控策略。本文采用改进LEC方法进行风险定量评估。如下式所示：

D=L×E×C×R

式中，D为作业过程对象的风险值；L为事故发生的可能性分值；E为在危险环境中暴露的频繁程度分值；C为可能发生的事故严重程度的分值；R为修正系数，与工程项目规模、现场负责程度以及风险承受相关。

在确定风险定量评估方式之后，进行基于BIM平台的参数化设计，即在三维模型构建完毕后，对每项作业活动对象进行L、E、C、R的参数设计，使得项目管理人员能够对作业对象进行参数赋值，作业对象在BIM平台中具有与风险因素相关的类型参数，如表3所示。

表3 刀盘参数化设计

表3中以刀盘构件为例进行了参数化设计，当项目管理人员根据项目实际情况进行参数评估之后，刀盘对应的风险值信息自动生成，实现BIM平台上的风险信息集成，在信息录入之后可利用BIM明细表功能生成施工场地内所有风险信息明细表，实现风险信息的明细化管理。图中分值依据参照现有LEC评价法研究[3]。

4 基于BIM平台的风险预控

在完成盾构吊装作业分析、风险清单辨识、风险评估工作后，为有效预防吊装作业中的潜在重大风险，将构建的三维模型导入Navisworks中，建立BIM 4D模拟平台，实现对吊装作业全过程的施工模拟[4]。同时，针对上述风险评估结果，对各项作业可能导致的事故做出预先防控措施，以文本文档、图片、视频等信息形式，借助BIM中的外部链接功能实现吊装作业风险与BIM平台的结合，如图2所示。

图2 BIM 4D风险预控平台

图中以刀盘为例，左侧为盾构机三维模型，右侧包括外部链接下的刀盘实图、风险控制措施信息以及Navisworks中构建的吊装作业时间序列，上述模块共同构成了BIM 4D风险预控平台。结果显示，该平台在施工模拟模块驱动下实现了吊装全过程模拟，在模拟过程中通过外部链接模块实现了施工工艺、盾构体实图以及风险信息的查阅，据此能够发现现有风险控制方案的不足，完善相应控制手段，实现BIM平台上的风险预先控制目标。

5 结论

(1)运用WBS-RBS风险耦合矩阵法对盾构吊装的风险清单进行了系统的辨识，同时对地铁施工事故案例与调查报告进行分析，细化了盾构吊装风险辨识清单，为基于BIM平台的吊装作业风险评估奠定了基础。

(2)利用BIM参数化设计完成了对三维模型的风险评估信息集成，同时搭建BIM 4D平台完成了对盾构吊装作业的施工模拟，通过预先演练相应的施工流程，优化盾构吊装施工组织及流程，完善现有风险防控方案存在的缺陷与不足，完成对吊装作业风险的预先防控，为做好信息化风险防控指明了方向。