BIM技术在公路隧道工程施工进度风险管理中的应用

张国兴 王 宇 许 彬* 莫盛杰 李家豪 王 珑

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.张家口市BIM工程技术研究中心,河北 张家口 075000;3.张家口市建筑产业管理数字化技术创新中心,河北 张家口 075000)

0 引 言

根据国家统计局公布的数据表明,在2018年这一年中,全国建筑业企业首次突破20万亿元,达到211992亿元,创造了历史最高水平,与2013年相比,增长39.0%,年均增长6.8%.2016年8月份,中国住建部公布的《住房城乡建设部关于印发2016-2020年建筑业信息化发展纲要的通知》明确指出要更进一步提升建筑业信息化的水平.近几年,房建工程在成本、质量、安全、进度等管理方面BIM技术的应用越来越成熟,但是在隧道工程上BIM技术的研究和应用相对较少.本文通过查阅国内外相关文献资料,以公路隧道工程施工阶段为例,分析和论证基于BIM技术构建公路隧道施工进度风险管理模型,利用BIM协同平台实现进度风险管理,从而缩短公路隧道工程建设周期.

1 公路隧道工程施工项目的特点

(1)项目施工环境复杂.一方面公路隧道工程通常都是在野外的山体中施工,公路隧道需要穿过很多山体岩石,而复杂的山体岩石状况则会给施工带来很多的不可预知的风险,另一方面公路隧道施工场地比较狭小、内部结构比较复杂、管综分布密集等,这种条件对施工作业人员和项目管理人员都提出了较高的要求.

(2)公路隧道工程参建单位较多,涉及到的各相关专业较复杂,项目管理挑战大.公路隧道施工涉及到业主、监理、施工、设计、采购等单位,各参与方之间的信息有效传递和沟通难度较大,对项目的工程管理协调能力要求较高.

(3)项目施工作业风险大.公路隧道施工场地相对封闭独立,不同的山体区域的水文地质情况并不一致,因此,在现场施工中,往往会遇到塌方、透水甚至毒气等状况,以上问题不可避免会对施工作业人员带来安全隐患问题.一旦发生安全事故往往会带来人员伤亡、工程停工和经济损失.

2 影响公路隧道工程施工进度的主要风险及其发生机理

2.1 影响公路隧道施工进度的主要风险因素

风险识别是识别公路隧道项目施工过程中可能存在的风险因素和项目内外部相互作用产生的风险.通过风险的识别、分析和评估后,并且采取相应的有效措施,从而降低该风险发生的概率或者减少该风险发生后的损失[5].本篇文章通过查阅收集大量的相关文献资料,通过运用归纳总结法,寻找影响公路隧道施工进度的主要风险因素.

表1 公路隧道施工进度的主要风险因素

2.2 公路隧道工程施工风险发生机理

(1)孕险环境.孕险环境是指与发生意外事故相关的环境,在工程项目中指复杂的施工环境、施工场地等,被称为风险的内因.对于公路隧道工程来说,它的施工场地和一般施工场地对比,环境将更为恶劣,风险的可控系数更高.所以,公路隧道施工中的孕险环境需要重点关注.

(2)致险因子.致险因子是导致实际工程事故的风险的各种操作、技术、行为,致险因子通过将施工过程中各种的操作、技术、行为与孕险环境结合起来,诱导不安全事故发生,增大项目施工风险.

(3)风险事故.在孕险环境与致险因子的双重作用下,将有极大的概率发生风险事故.工程上一旦发生风险事故,就会带来经济的损失和人员的伤亡.

(4)承险体.承险体是指在遇到风险事故的时候,遭受或承担风险损失的对象.公路隧道中的承载体需要有承担风险和抵抗风险的能力.

(5)风险损失.风险事故发生后,其承险体被破坏,风险损失被用来衡量风险事故发生后导致的后果或者损失的程度.

图1 公路隧道工程施工风险发生机理

3 基于BIM技术的公路隧道工程进度风险管理模型的构建

公路隧道工程施工进度风险管理模型的构建是以BIM数据库为基础,依托BIM信息模型,接入视频监控、各种物理感应器、VR等相关硬件,在公路隧道施工作业过程中动态地进行风险因素智能分析,并实时地对风险因素进行风险识别、风险评估、风险预警.以此来降低施工作业返工率,避免风险事故发生从而提高公路隧道施工进度.

图2 基于BIM的公路隧道施工进度风险管理模型

(1)BIM基础信息数据库中心的建立.通过查阅国内外相关文献资料并收集已完工的公路隧道施工案例经验或者企业自有资料信息库,形成BIM数据库、安全隐患库、质量问题库、视频数据库、人员信息库等基础信息.

(2)建立BIM信息模型,识别风险因素.各利益相关方使用同一个BIM信息模型,然后将各种风险问题挂接在BIM信息模型之中,根据BIM信息中心对各个挂接信息进行相关的模拟、分析.第一,先构建全面性的BIM模型,能够直观的了解实际施工的情况,从而优化进度,第二,建立信息化BIM的参数模型,将各个参数结合起来,具有汇总和数据处理作用.第三,建立场站BIM参数模型,提高材料和施工设备的利用率,避免材料的多次运输,节约成本.第四,建立隧道监控测量BIM参数模型,根据现场布置的监控设备和UWB技术的标签信号,实现动态预警和实时监控,避免风险发生[8].

(3)智能决策.在识别到风险因素时,计算机自动根据基础库里面的基础信息来算法的分析,评估风险事件发生的概率与风险级别,严重时将发出预警,从而使相关的项目管理或着施工作业人员及时能够及时的作出应对风险的反应,保证自身的安危,避免延误工期,从而提高施工效率、缩短工期.

4 BIM技术公路隧道工程施工进度管理中的应用研究

4.1 BIM信息集成加强公路隧道施工中各利益相关方协同工作

公路隧道施工过程中主要涉及到业主、设计单位、施工单位、监理单位、采购等多个单位,建筑、结构、岩土、机电、暖通等多个专业[6].BIM技术具有信息集成功能,能构建一个平台,各相关人员可以在同一个BIM信息模型上查看相关的信息,及时将信息进行共享和传递.

4.2 BIM技术对公路隧道工程施工风险信息进行动态跟踪

公路隧道工程一般工程量较大,传统的管理方式无法对施工现场的每一种材料进行直观的跟踪管理.通过UWB技术在施工现场工人安全帽,车辆上等安装定位标签,每个标签都有独立的标签号,用来区分彼此,所有的标签实时位置坐标都能由UWB系统采集得到.UWB技术是一种高频率、高宽带的无线通信技术,这项技术主要是由三部分组成：基站、定位标签和系统处理平台.传统的技术是基站发射出信号,定位标签接收信号,从而知道位置与信息,新型的UWB技术为标签直接发射出信号供基站接收,来达到精准定位,减少了一个标签接收的过程,即减少了浪费,又提高了定位效率,实现了绿色智能定位.这种定位标签除了能发射信号外,还有抗干扰能力强、穿透力强、传输速率高、制作成本低等优点,通过在隧道中部署定位基站,可以将佩带标签的工人们的定位精度控制在15～30cm以内[7].另外,标签号还分为几个等级,来表示施工工人身边的危险系数,当贴有标签号的工人存在危险的情况下,标签号的预警系统将会响起,传送出来此时的风险状况.通过BIM模型实时读取接口接收的位置数据和状态数据,可以清晰的掌握工程的动态信息,并反馈给管理平台,从而加强对现场的管理.

图3 UWB系统实时监控预警

4.3 BIM技术有助于合理安排施工计划

公路隧道的施工项目不仅规模庞大,周围环境恶劣,交通不便,路线复杂,而且内部作业的场地因素将受限制,许多工种需要在有限的空间里面完成不同的任务.传统的施工计划因为是相关人员的编制,不能对整体的进度有直观的判断,对进度控制的干扰性较高.而采用BIM技术,通过Autodesk Navisworks对项目进行辅助进度编制,或者通过Asta Powerproject BIM直接编制施工进度计划.运用BIM4D技术将时间因素加入空间模型中,从3D的基础上形成4D,利用BIM4D可视化动态模拟公路隧道的施工过程,有效的避免施工计划的不足.通过碰撞检查,将模拟情况与施工进度进行对比,不断优化方案,及时采取措施消除风险.通过运用BIM技术与其他信息技术的结合,能够充分发挥各自优点及特长,帮助工程更有效的完成和进行,大大加快施工效率,节约工期.

4.4 BIM技术对模型及构件信息的现场管理

公路隧道项目场地大,各构件材料多,传统的二维图纸对于现场施工人员可能会有困难以及对构建辨识不准确的情况出现,而通过BIM模型的可视化技术,能比二维图纸更直观的反响映出该模块的设计效果,也可以纠正设计不合理的因素,及时纠正,避免返工.模块的管理可以用目前主流的BIM模型轻量化浏览,按照分部分项工程查看模型的材质,剖切和属性.构件的查看可以利用二维码的方式,通过手机扫描二维码来获取构件的基本信息,使得现场材料可以合理安排,方便管理与操作.

5 结束语

为了加快我国的经济发展,国家大力发展公路隧道的建设,但由于施工进度的滞后,不仅施工中的交通运输比较困难,而且容易延误工期增加施工成本.公路隧道工程进度风险管理是公路隧道工程全生命周期的重要部分,本文是基于BIM技术构建BIM的公路隧道施工进度风险管理模型,利用BIM协同平台实现进度风险管理.采用UWB技术对施工过程进行动态跟踪,利用BIM平台对风险因素进行识别,对风险因素进行分析、量化、评价并做出智能决策,进而对进度风险进行预警.通过BIM技术与其他关键技术的结合,能更科学的进行风险管理,有效缓解施工周期的压力,加快建筑业的发展,降低成本,提高工程质量.