城市轨道交通工程的安全风险管理逐步走向体系化, 对建设方的施工安全管理提供巨大帮助。然而, 基于二维信息来源的风险识别方法和管理手段大大约束了管理人员的风险识别、监管效率。近年来, 我国城市轨道交通建设速度持续加快, 造成了建设管理经验相对不足、专业技术人才资源相对匮乏的局面, 安全形势非常严峻, 迫切需要更高效的风险识别和管理手段。

住房和城乡建设部颁布的《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》明确要求加快BIM技术在城市轨道交通工程设计、施工中的应用, 推动各参建方共享多维建筑信息模型进行工程管理。全国20余个城市已开展城市轨道交通工程不同深度、不同规模的BIM技术应用, 且逐步向基于BIM技术的建设管理应用过渡。BIM和GIS两者有效结合, 在轨道交通规划选线、设计、施工、竣工验收交接、运营维护管理等不同阶段能发挥巨大作用^[1]。已有学者开展了利用模型自动生成施工质量检查点和基于虚拟地理环境进行选线设计的技术研究, 实现了施工质量验收数据采集标准化、线路优化设计等目标, 提高了设计效率、施工管理水平^[2,3]。基于BIM技术进行安全风险管理将成为重点应用方向之一, 通过建立三维虚拟环境, 实现风险精确、高效识别管理。

目前, 我国城市轨道交通工程领域安全风险管理工作已取得一些成绩, 大部分轨道交通建设针对城市建设特点和地质条件积极开展风险管理工作。北京市利用第三方监测数据和专业化风险管理咨询机构, 通过调整内部组织结构, 形成以业主掌控和监督管理为主导、施工方负责的三级管理模式^[4]。

针对施工前的风险识别管理, 北京市轨道交通建设管理有限公司制定了《北京轨道交通工程风险工程分级、控制标准和保护措施参考图表》, 对全线网风险识别等级划分规则和治理措施进行统一。其中, 工程自身风险等级根据基坑开挖深度、隧道埋深和断面尺寸等进行划分^[5] (见表1) ;周边环境影响的风险等级根据工程与周边环境的邻近关系 (空间位置关系) 、周边环境重要性进行划分 (见表2、图1) 。

1) 风险识别手段落后初步设计阶段设计人员需整理自身风险和环境风险工程分级清单表。其中, 环境风险工程分级清单表需设计人员梳理环境风险的基本信息, 包括基础信息 (风险工程名称、修建时间、位置或范围、结构形式、层数、基础形式、工程地质、重要性等) 和空间信息 (与地铁位置关系、拱顶埋深、开挖边线与基础水平距离、接近关系) 。

基础信息主要从环境调查单位提供的实景照片、图纸等获取;地质剖面信息需通过对比地质纵、剖面图及总平面图进行查询;空间关系的获取更为复杂, 需通过环境模型的三维重构、线路平 (纵) 面比对测量。

关键信息分析手段落后, 依赖于设计人员对环境调查资料的理解、对相对空间关系的构建抽象, 信息获取过程复杂、难度较大, 且存在对空间关系误判的风险。

2) 风险识别成果信息传递效率低风险识别过程中需与勘察单位、环境调查单位进行频繁信息交流;风险识别成果需设计单位负责人、线路总体设计单位、项目管理部门和管理公司技术部门逐级审核;风险管理过程中需与风险评估单位、监测单位、施工单位、风险管理部门进行风险设计的交底、交流。

风险识别和管理工作中信息交流需求频繁, 各级审核人员快速获取工程风险关键信息的问题有待解决。

3) 方案变更增加风险识别工作量初步设计阶段轨道交通的线站位方案基本稳定, 但随着设计逐步深入, 线站位将不可避免地发生调整, 导致风险识别成果调整、甚至返工, 给设计人员带来新的挑战。

结合工程实际和BIM技术特点及优势, 北京市轨道交通工程风险识别管理问题的解决方向如下。

1) 实现风险工程的三维可视化依托BIM技术建立包含安全风险管理所需信息的虚拟三维环境, 实现快速获取风险识别所需信息。

2) 推动风险识别手段智能化提供基于BIM三维场景下的风险辅助判别工具, 辅助风险识别快速决策。

3) 提高风险识别成果管理信息化程度创新风险识别成果管理方法, 保障设计意图高效传递。

以BIM技术为基础, 结合GIS技术模拟城市轨道交通工程建设的虚拟三维场景。精确表达地铁结构本体与环境建 (构) 筑物的空间关系, 实现安全风险识别所需信息的集中管理, 辅助安全风险识别与管理, 探索基于空间计算和逻辑分析的风险识别自动化技术 (见图2) 。

以BIM模型为数据来源和分析对象, 以GIS作为数据存储、展示和分析工具, 开发BIM与GIS技术融合的数据集成与管理平台。

1) 数据集成要求该BIM平台应能集成常规格式BIM数据, 可通过开发中间格式实现数据集成。

2) 基本功能要求该BIM平台应具备满足安全风险识别所需的基本工具, 包含剖切、量测、标注、查询、检索、热点添加、视口保存、视频输出表等。

1) 建模范围至少应涵盖城市轨道交通工程控制保护区。

2) 建模内容至少应包括既有地铁及铁路线、市政道路及桥梁与附属设施、高压供电设施、民用住宅及文物保护设施、河湖、渠、过街天桥及地下通道、市政管线、工程地质及水文地质等。

3) 模型名称应与环境调查资料保持一致, 简洁明了、便于识别。

4) 模型信息应包含风险识别所必须的结构形式、建设年代、产权单位、土层编号等信息;应结合风险工程分类方法对所有周边环境BIM模型进行编码 (各单体编码唯一) , 编码应体现环境对象的类别、重要性等级、对应工程部位 (车站或区间编号) 等。

1) 建模范围车站、区间、车辆段工程本体结构。

2) 建模内容围护桩、地下连续墙、暗挖初支结构等临时结构;底板、侧墙、隧道二衬等永久结构;地铁结构接近关系分区模型 (见图3) 。其中, 区间隧道BIM模型宜精确至最小施工单元。

3) 模型名称应与设计资料保持一致, 简洁明了、便于识别。

4) 模型信息应包含结构构件尺寸、材质等信息;区间隧道应包含施工单元编号、里程信息;应结合工程部位 (车站或区间) 、施工形式对地铁结构、环境风险分区进行编码。

BIM模型采用的高程和坐标系与BIM平台保持一致, 所有BIM模型通过高程坐标在平台中自动定位 (见图4) 。

若采用中间数据格式实现数据集成, 需保证完整解析原BIM模型的属性信息。

1) 风险工程信息查询利用BIM数据集成与管理平台的剖切、量测功能查看环境建 (构) 筑物空间信息、穿越地质条件等;利用查询功能获取环境建 (构) 筑物基本信息;利用检索功能重点审核同一类型的风险工程。

2) 风险工程等级判别基于查询获取的环境风险基本信息, 结合风险工程BIM模型与接近关系分区BIM模型的空间关系, 判定自身风险工程和环境风险工程等级。桥梁桩基 (重要等级为“重要”) 位于穿越盾构施工“接近关系分区”的DD区域 (较接近) 和DF区域 (一般接近) , 综合评定为二级环境风险工程 (见图5) 。

城市轨道交通工程自身风险等级评价依据中, 开挖深度、施工方法、交叉情况等能做到自动识别, 但断面尺寸、开挖坡度、中板数量等信息自动获取难度较大, 且自身风险工程在结构设计时能同步确定, 实现自动化识别有一定难度且意义不大。

城市轨道交通工程环境风险等级评价依据主要为接近关系和重要性程度。其中, 重要性程度可由环境建 (构) 筑物基本属性获取 (通过类型编码判别其重要程度) , 接近关系可根据环境建 (构) 筑物BIM模型与空间分区BIM模型的布尔运算结果得出, 实现自动化识别难度较小、意义重大, 设计方案改变时风险识别工作量将大大减小。其中, 环境模型类型编码应包含建筑物类别、重要性程度等信息, 编码原则应兼顾施工过程风险管理基本需求, 遵循系统性、稳定性、唯一性、通用性等原则^[6]。

基于BIM平台基本功能, 在风险识别过程中添加一系列标注、标识并保存视图信息, 形成风险工程视图集。在方案论证、交流时, 通过快速调取相关视图实现信息高效交流;将图档资料上传至平台并关联到相关模型, 实现关键数据快速调取。

1) 风险识别图片和视频BIM平台中保存的视图集能导出为图片, 作为方案汇报、设计交底资料。将视图集拟合成模拟视频, 作为风险工程专项汇报、交流或交底的基础资料。

2) 风险工程列表完成风险识别工作后, 将所有自身风险工程和环境风险工程的基本信息、风险等级和位置描述以表格形式输出, 作为风险评估报告成果提交。

我国城市轨道交通工程中BIM技术快速推广, 为基于BIM的安全风险识别管理提供数据来源、创造有利条件。以BIM为基础建立三维虚拟现场, 建立安全风险管理信息的集中管理和共享机制, 将大大提高风险识别的精度和工作效率, 实现风险识别成果信息高效共享, 为安全风险综合评估提供精确辅助决策。