基于建筑信息模型的鐵路工程安全管理體系研究*

張欽禮，王　雅

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0　引言

隨著我國鐵路事業(yè)的高速發(fā)展，鐵路建設(shè)趨于精細(xì)化、復(fù)雜化，對于工期、質(zhì)量、技術(shù)和協(xié)調(diào)性的要求越來越高，安全管理的要求也越來越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的施工管理手段存在著安全管理強(qiáng)度大、差錯率高、計劃信息整理、共享程度低等困難，不能適應(yīng)現(xiàn)階段施工安全管理的需要[1]。建筑信息模型(BIM)以包含多層信息的三維模型為基礎(chǔ)，通過模型與設(shè)計人員、管理人員、施工人員的信息交流實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，能夠滿足復(fù)雜工程項目安全管理的要求[2]。主要應(yīng)用于建筑行業(yè)各個單位對項目的全生命周期管理，也可用于對橋梁工程的全壽命期管理[3]，結(jié)合DFCS模型實現(xiàn)不安全因素的自動識別[4]，結(jié)合定位系統(tǒng)建立工人安全行為預(yù)警系統(tǒng)[5]等。建筑信息模型的特點能夠很好地應(yīng)用于當(dāng)今不斷發(fā)展的鐵路施工，實現(xiàn)各部門間的信息共享，及時同步施工方案與安全性施工、更新掌握各部分的施工安全與質(zhì)量情況，增強(qiáng)各部門協(xié)調(diào)性，有助于保證項目全過程的安全進(jìn)行。本文設(shè)計的鐵路工程安全管理體系首先根據(jù)外業(yè)勘察的情況用Revit設(shè)計并構(gòu)建鐵路的三維模型，然后將模型導(dǎo)入廣聯(lián)達(dá)BIM5D，實現(xiàn)云管理，同時進(jìn)行施工模擬、安全教育、質(zhì)量安全管理與后期運行維護(hù)，以較簡單、易實現(xiàn)的方式達(dá)到使用建筑信息模型對鐵路工程進(jìn)行安全管理的目的。

1　Revit三維建模

Revit系列軟件主要用于建筑信息模型(BIM)的構(gòu)建與協(xié)調(diào)，能夠很好地幫助建筑設(shè)計師設(shè)計、建造和維護(hù)復(fù)雜性高、規(guī)模大的建筑，是BIM平臺下最具代表性的設(shè)計軟件之一。參數(shù)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)設(shè)計、參數(shù)驅(qū)動形體設(shè)計和協(xié)作設(shè)計是該軟件的主要特征[6]，在鐵路工程的安全管理中得到很好地應(yīng)用。

1.1　鐵路工程族的創(chuàng)建

在Revit軟件中，族是組成項目的構(gòu)件，同時也是參數(shù)信息的載體[7]。鐵路工程的結(jié)構(gòu)族可以有效地提高模型構(gòu)建的效率，有助于管理數(shù)據(jù)和進(jìn)行修改。在鐵路工程的建筑信息模型應(yīng)用中，Revit族有很大的優(yōu)勢，主要有：

1)復(fù)雜構(gòu)件的重復(fù)性使用

在進(jìn)行三維建模時，對于多次使用的構(gòu)件如樁徑相同的樁基、截面相同的墩柱、尺寸一致的軌道等，可以事先建立好結(jié)構(gòu)族文件，通過調(diào)整樁基的長度、墩柱的高度、軌道的長度來適應(yīng)不同的變化，屬性相同的構(gòu)件也可以通過復(fù)制、陣列、鏡像等快速創(chuàng)建，大大提高了建模的效率。

2)構(gòu)件屬性信息的傳遞

鐵路工程中用到的構(gòu)件、屬性、結(jié)構(gòu)等具有相似性，可以廣泛地應(yīng)用同一類型的建筑信息模型工程項目，既可以減少工作量，也可以為新建項目提供可靠的設(shè)計依據(jù)。

目前比較缺乏鐵路工程結(jié)構(gòu)族，也沒有相應(yīng)的族樣板去創(chuàng)建對應(yīng)的族，需要首先構(gòu)建路基、橋梁、隧道等工程中需要的結(jié)構(gòu)族?？梢允褂谩肮瞥Ｒ?guī)模型.rft”族樣板創(chuàng)建需要用到的各部分結(jié)構(gòu)族并設(shè)置相應(yīng)的材質(zhì)屬性，從而在應(yīng)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，可以快速高效地構(gòu)建貼近現(xiàn)實的模型，如圖1。

圖1　箱梁族構(gòu)件Fig.1　Box girderfamily

1.2　三維模型的構(gòu)建

Revit創(chuàng)建的三維模型具有信息量大、聯(lián)動性協(xié)調(diào)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)高效等特點，便于優(yōu)化和升級。根據(jù)鐵路工程模型建設(shè)的特點，在進(jìn)行信息模型建立時，主要分為創(chuàng)建、檢查、修改和提交4個階段。

1)創(chuàng)建模型

首先需要對照設(shè)計圖紙，通過手工、族庫與自動化3種方式創(chuàng)建工程項目的BIM模型，還需要針對鐵路工程各個部分的特點在各自的模型中對模型信息進(jìn)行匹配。

2)檢查模型

通過現(xiàn)有的一些插件，結(jié)合自己開發(fā)的插件，對建立好的模型進(jìn)行全面的檢查，檢查內(nèi)容一般包括：構(gòu)件、管線等碰撞檢測、族、模型的規(guī)范性檢測等。

3)修改模型

根據(jù)檢查出的模型的不足，可以手動修改或者通過插件進(jìn)行優(yōu)化，不斷調(diào)整直到通過檢查。

4)提交模型

檢查合格的各類族庫、模板以及屬性等信息齊全的鐵路工程項目各部分BIM模型需上傳至以Vault Server為資料管理核心、分布式Web系統(tǒng)為平臺的集成系統(tǒng)中進(jìn)行管理和利用[8]。

1.3　三維模型的應(yīng)用

對比傳統(tǒng)CAD二維圖紙，構(gòu)建完善的鐵路工程建筑信息模型在安全管理中能夠得到很好的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下3個方面。

1)過程控制

結(jié)合Revit實時設(shè)計可視化與實時分析的特點，可以在設(shè)計階段就獲得更直觀、更及時的信息，從而選取最符合安全目標(biāo)的設(shè)計方案與施工方案，通過三維剖面或動畫腳本功能，實時引導(dǎo)作業(yè)人員對應(yīng)工作，也可實現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)施工。

2)模型與進(jìn)度關(guān)聯(lián)

將建筑信息模型與施工進(jìn)度信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以方便施工人員、管理人員及時獲取各個工程的進(jìn)度信息，具體包括施工日報表、計劃時間、實際完成時間、現(xiàn)場進(jìn)度照片等信息，從而可以及時發(fā)現(xiàn)施工過程中出現(xiàn)的問題并整改。

3)進(jìn)行安全教育與技術(shù)交底

建筑信息模型具有信息完備性和可視化的特點，可將其作為安全教育培訓(xùn)的數(shù)據(jù)庫，施工人員可以在逼真的環(huán)境中了解施工過程中的危險源、注意事項等等，能夠提高安全培訓(xùn)的效果與效率[9]。同時可結(jié)合三維模型制作指導(dǎo)動畫，實現(xiàn)技術(shù)交底。

2　BIM5D綜合管理

廣聯(lián)達(dá)BIM5D在鐵路工程的安全管理中，能夠發(fā)揮很大的作用，通過廣聯(lián)達(dá)的Revit導(dǎo)入插件，可以將Revit建立的模型導(dǎo)入到BIM5D施工管理軟件中，實現(xiàn)綜合性安全管理。

2.1　施工過程模擬

廣聯(lián)達(dá)BIM5D具有強(qiáng)大的施工模擬功能，可以讓鐵路工程項目的安全管理人員在施工開始之前規(guī)劃項目建設(shè)過程當(dāng)中的各個重要節(jié)點的施工現(xiàn)場布置、大型機(jī)械與車輛的運行安排以及措施布置方案，提前發(fā)現(xiàn)問題，制定相應(yīng)的改進(jìn)方案進(jìn)行優(yōu)化。該施工模擬可以運用在整個施工建造階段，前期指導(dǎo)施工、過程把控施工、結(jié)果校核施工，實現(xiàn)項目精細(xì)化管理[10]。使用效果對比見表1。

表1　施工模擬效果對比

2.2　質(zhì)量安全管理

由于城市軌道交通工程建設(shè)風(fēng)險大等諸多因素，傳統(tǒng)質(zhì)量安全管理手段難以滿足城市軌道交通工程覆蓋的要求，迫切需要利用信息化手段提高城市軌道交通工程的質(zhì)量安全管理水平[12]。鐵路工程同樣需要協(xié)同性、同步性更好的質(zhì)量安全管理方式。廣聯(lián)達(dá)BIM5D可以基于建筑信息模型對鐵路工程項目進(jìn)行質(zhì)量安全管理。多方協(xié)作平臺廣聯(lián)云能夠在云端存儲和管理整個項目生命周期中的全部信息。當(dāng)在施工過程中進(jìn)行安全檢查發(fā)現(xiàn)問題時，可以通過手機(jī)對質(zhì)量安全內(nèi)容進(jìn)行拍照、錄音和文字記錄，并與三維模型建立關(guān)聯(lián)，上傳到云端，實現(xiàn)電腦和手機(jī)數(shù)據(jù)同步，在模型中以文檔圖釘?shù)男问秸宫F(xiàn)，協(xié)助生產(chǎn)人員對質(zhì)量安全問題進(jìn)行管理，手機(jī)端管理流程如圖2。

圖2　BIM 5D手機(jī)端管理流程Fig.2　BIM 5D mobile management process

2.3　竣工驗收與運營維護(hù)

在鐵路工程項目建設(shè)中，經(jīng)常因為管理或者人員存在的問題，設(shè)備檢驗與維護(hù)落實不到位，未能有效及時地發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此需要采取合適的方法，有效地管理設(shè)備，做到故障的預(yù)知與及時維修維護(hù)，避免事故的發(fā)生[13]。廣聯(lián)達(dá)BIM5D可以通過對模型導(dǎo)入運維信息，包括廠商信息、設(shè)備信息等，結(jié)合預(yù)設(shè)的使用規(guī)范與期限同對應(yīng)設(shè)備、構(gòu)件建立關(guān)聯(lián)。在施工過程中，管理人員可以將施工時間、質(zhì)檢情況、使用說明等信息關(guān)聯(lián)到構(gòu)件上并存儲在云端，通過建筑信息模型對鐵路工程中的隱蔽工程、機(jī)電管線、閥組等的定位、安裝時間、使用年限等數(shù)據(jù)與信息，實現(xiàn)對項目的運維管理。

3　鐵路工程安全管理體系的構(gòu)建

本文構(gòu)建的鐵路工程安全管理體系主要是基于Revit軟件和廣聯(lián)達(dá)BIM5D平臺，實現(xiàn)對鐵路工程項目進(jìn)行全生命周期、實時性安全管理。主要分為3個階段：設(shè)計階段、施工階段與運維階段。利用建筑信息模型構(gòu)建新型鐵路工程安全管理體系。

3.1　主要內(nèi)容與整體構(gòu)架

保證地鐵工程施工安全的關(guān)鍵在于預(yù)先或及時發(fā)現(xiàn)危險源并采取相應(yīng)的安全措施防止事故的發(fā)生。充分發(fā)揮建筑信息模型可視化、定量化、全面化、可協(xié)調(diào)化等特點，可以為鐵路工程安全管理提供更為及時、準(zhǔn)確的信息，使管理人員能直觀地了解施工全過程，便于找出各個階段的安全隱患與風(fēng)險，制定出合理可行的安全防范措施，也可以實時對工程進(jìn)行檢查與整改，及時調(diào)整施工方案。鐵路工程建筑信息模型安全管理體系的構(gòu)建主要從3個階段分析，其構(gòu)成框架如圖3所示。

圖3　安全管理系統(tǒng)框架Fig.3　Safety management system frame diagram

3.2　設(shè)計階段

鐵路設(shè)計一般分為初步設(shè)計和施工圖設(shè)計兩階段，通常涉及到地質(zhì)、線路、站場、橋梁、隧道、通信等二十多個專業(yè)，各專業(yè)間需要進(jìn)行頻繁和海量的設(shè)計信息溝通[14]。Revit軟件可以實現(xiàn)不同專業(yè)之間通過工作集協(xié)調(diào)作業(yè)，達(dá)到互通互聯(lián)，資源共享的目的。在設(shè)計橋梁、隧道、線路等鐵路主要結(jié)構(gòu)時，由于其密切相關(guān)，因此可以將這些設(shè)計工作整合到同一個三維平臺中，設(shè)計時可直接調(diào)用外業(yè)勘測數(shù)據(jù)庫，設(shè)計成果上傳至統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，便于各單位協(xié)調(diào)與改進(jìn)。

BIM5D的施工模擬也是安全管理中的重要一環(huán)，可以利用軟件制作專項方案的動畫模擬，從不同的角度、距離向管理人員與施工人員展示不同項目的施工進(jìn)度，也可以對比計劃與實際時間節(jié)點的工況，施工現(xiàn)場的布置，施工方案的安排等等，實現(xiàn)三維可視化交底。通過對模擬過程的觀察，對需要改進(jìn)內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)注，可以輸出為專項方案施工模擬視頻，以此為參考，設(shè)計單位可以劃分風(fēng)險等級，制定技術(shù)措施；建設(shè)單位組織風(fēng)險評估并制定高風(fēng)險防范管理專項機(jī)制；監(jiān)理單位全過程觀察，發(fā)現(xiàn)不足及時完善。

3.3　施工階段

施工階段的安全管理直接關(guān)系到工程建設(shè)的安全水平。結(jié)合BIM5D軟件首先可以實現(xiàn)對鐵路工程項目的日常安全管理，在進(jìn)行安全檢查時，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個部位存在安全隱患或者質(zhì)量問題時，可以在手機(jī)端的三維模型對應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)注，注明問題所在的位置、檢查時間、應(yīng)對措施等信息，自動同步到云端與PC端，方便管理人員查看任意節(jié)點、施工段及構(gòu)件的質(zhì)量安全狀況。根據(jù)一段時間的安全檢查情況，軟件可以自動生成工程質(zhì)量安全統(tǒng)計分析報表。

工地安全監(jiān)測工作可以與建筑信息模型相結(jié)合，實現(xiàn)安全風(fēng)險預(yù)警。例如隧道工程中，當(dāng)拱頂下沉等監(jiān)測數(shù)據(jù)或安全步距等施工數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)定的閾值后，自動報警，并會在BIM模型中對應(yīng)的危險區(qū)域發(fā)出紅色預(yù)警[15]。

管理人員與施工人員的安全教育是安全施工的重要保障，結(jié)合三維可視化模型與施工模擬動畫，安全管理人員能夠直觀地找出容易發(fā)生事故的危險區(qū)域、導(dǎo)致事故的危險狀態(tài)，引起足夠的重視并采取措施保證施工安全；施工人員能夠充分了解生產(chǎn)原理、工藝流程、設(shè)備構(gòu)造等知識，從而能更方便地對其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)、故障排除、事故處理等安全教育。對于專項施工人員，如橋梁、路基、高空等的安全培訓(xùn)也可以通過建筑信息模型了解項目施工特點和安全防范重點，提高安全意識與技能，保障人員安全、設(shè)備安全和施工安全。應(yīng)用過程見圖4。

圖4　施工階段BIM 5D應(yīng)用Fig.4　Application of BIM 5D in construction phase

3.4　運維階段

鐵路工程的運行維護(hù)對于后期鐵路的正常運行至關(guān)重要。現(xiàn)階段鐵路企業(yè)運維過程不統(tǒng)一，管理執(zhí)行力不強(qiáng)，運維效率偏低，成本居高不下[16]。利用BIM5D軟件可以在鐵路運營階段，在模型中輸入列車運行數(shù)據(jù)，通過與各項設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行對比，實時調(diào)整列車的運行；及時在BIM模型中更新設(shè)備信息與維修信息，便于檢查與維護(hù)，設(shè)備到達(dá)使用年限時提前預(yù)警，制定養(yǎng)護(hù)維修計劃；運維信息與三維模型直接匹配，清晰地顯示設(shè)備通路，當(dāng)發(fā)生故障時能夠迅速分析出影響范圍及解決方案。

4　結(jié)論

1)通過Revit與BIM5D軟件結(jié)合的方式能夠簡單高效地實現(xiàn)建筑信息模型對鐵路項目的安全管理，構(gòu)建信息化管理系統(tǒng)。

2)相比于傳統(tǒng)的鐵路工程安全管理，結(jié)合建筑信息模型的安全管理體系能夠?qū)崿F(xiàn)各個階段各單位信息的及時共享與更新，避免了管理過程中信息滯后的問題，增強(qiáng)了各部門的聯(lián)系與協(xié)作，共同實現(xiàn)安全管理。

3)建筑信息模型的可視化設(shè)計、施工模擬等特點能在施工前驗證方案的可行性，預(yù)先采取安全措施保障安全施工；移動端與云平臺實現(xiàn)了質(zhì)量安全管理的隨時性與同步性，同時也便于鐵路工程后期運維管理，構(gòu)成全生命周期的安全管理體系。

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