基于BIM 與AHP 的地下綜合管廊深基坑支護安全風(fēng)險研究

陸婷 LU Ting

（湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411100；中南大學(xué)，長沙 410083）

0 引言

地下綜合管廊的建設(shè)是新型城市發(fā)展的大勢所趨，是新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程實施推進(jìn)的重要舉措。相對于其他工程的深基坑施工，城市地下綜合管廊深基坑支護工程由于對周圍環(huán)境環(huán)保要求較高、地處城市繁華地段對于變形控制要求嚴(yán)格等特點，一直屬于綜合管廊項目管理中風(fēng)險較大、難度較高的施工環(huán)節(jié)，也是地下綜合管廊施工管理過程中事故頻出的節(jié)點之一。目前，國內(nèi)外在地下綜合管廊深基坑施工管理研究領(lǐng)域，針對深基坑支護結(jié)構(gòu)選型方法的研究較多，但基于深基坑開挖節(jié)點和風(fēng)險因素的較少；單純依靠BIM 技術(shù)進(jìn)行施工模擬建模分析的研究不少，但結(jié)合數(shù)值方法對確定新風(fēng)險指標(biāo)的研究與深基坑支護施工進(jìn)行實時動態(tài)風(fēng)險管理的較少。因此，為了更好地識別地下綜合管廊深基坑支護風(fēng)險，文章提出了基于AHP 構(gòu)建風(fēng)險評價指標(biāo)體系并采用BIM 平臺進(jìn)行集成管理地下綜合管廊支護風(fēng)險的研究思路，旨在為城市地下綜合管廊的深基坑支護施工管理提出更為科學(xué)有效、提質(zhì)降本的風(fēng)險管理實施方案。

1 基于AHP 建立地下綜合管廊深基坑支護安全風(fēng)險評價方法

1.1 構(gòu)造判斷矩陣aij

式中：aij為風(fēng)險因素Xi、Xj的重要性之比，；1、3、5、7、9 表示因素Xi比因素Xj同等、略微、明顯、強烈、極端重要。

1.2 計算指標(biāo)權(quán)重

文章選取特征向量法計算指標(biāo)權(quán)重，具體操作如下：

式中：特征向量對應(yīng)的是n 個風(fēng)險因素的權(quán)重。

1.3 進(jìn)行一致性檢驗

首先，計算CI 一致性指標(biāo)：

其次，查找隨機一致性指標(biāo)RI，見表1。

表1 平均隨機一致性指標(biāo)

最后，計算一致性比率CR：

當(dāng)CR 小于0.1 時，矩陣一致性檢驗通過，否則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。

2 地下綜合管廊深基坑支護安全風(fēng)險評價AHP 應(yīng)用實例

文章以C 市地下綜合管廊項目為例，該項目位于湘府路濱河段，管廊布置在繁華主干道路北側(cè)綠化帶下，管廊共長2.96 千米。管廊斷面形式為三艙，內(nèi)部凈空尺寸為（2.7 米+2.95 米+1.9 米）*3 米，施工現(xiàn)場周邊毗鄰高層建筑物。

2.1 識別深基坑支護安全風(fēng)險影響因素

本項目所處位置為地面交通繁忙的主干道，周邊動載較大，基坑開挖深度范圍內(nèi)以粗砂、卵石層為主，地層地質(zhì)情況一般，存在著圍護結(jié)構(gòu)透水、基坑失穩(wěn)等風(fēng)險。通過項目實地調(diào)查、專家調(diào)研，并參考了理論文獻(xiàn)和深基坑常見風(fēng)險事故等資料，形成了本項目適用的深基坑支護安全風(fēng)險評價的指標(biāo)體系。具體見表2。

表2 地下綜合管廊深基坑支護安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系

2.2 確定地下管廊深基坑支護風(fēng)險因素的層次排序指標(biāo)權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗

邀請10 位工程專家及同類工程經(jīng)驗豐富的施工人員出具評判意見，采用1-9 標(biāo)度法對準(zhǔn)則層及指標(biāo)層的風(fēng)險因素進(jìn)行打分，得到判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗，繼而對該項目的各類風(fēng)險因素進(jìn)行評級。本項目深基坑支護風(fēng)險判斷矩陣見表3。

表3 項目深基坑支護風(fēng)險判斷矩陣

2.3 結(jié)果分析及風(fēng)險防范措施

計算特征向量相對權(quán)重見表4。

表4 深基坑支護風(fēng)險評價層次總排序指標(biāo)權(quán)重

①由表4 可知，施工風(fēng)險X2對本項目影響最大，此指標(biāo)的四個二級指標(biāo)中影響力從大到小為：圍護結(jié)構(gòu)施工技術(shù)風(fēng)險X24、支護不及時X23、土方開挖X21、圍護結(jié)構(gòu)透水引起的事故風(fēng)險X22，特征向量權(quán)重均大于0.1。因此，現(xiàn)場管理中，應(yīng)嚴(yán)格把握圍護結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，切實落實技術(shù)質(zhì)量責(zé)任制，遵循“分層開挖、先撐后挖、隨挖隨支”的準(zhǔn)則，及時支護，避免違規(guī)操作。澆筑樁體、地下連續(xù)墻的混凝土強度必須達(dá)到設(shè)計要求，重點監(jiān)測好圍護結(jié)構(gòu)形變、支撐內(nèi)力、基坑內(nèi)外地下水位、地下管線滲漏情況等，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析與風(fēng)險預(yù)測。②影響其次的是管理風(fēng)險X1，該指標(biāo)的二級指標(biāo)中設(shè)計風(fēng)險X12、勘察風(fēng)險X11影響相對較大（特征向量權(quán)重分別為0.0825、0.0811）；人員安全意識風(fēng)險X13、交叉施工風(fēng)險X15、組織協(xié)調(diào)及應(yīng)急能力風(fēng)險X14影響相對較?。ㄌ卣飨蛄繖?quán)重分別為0.0627、0.0622、0.06171）?？辈煸O(shè)計出現(xiàn)問題對深基坑支護的影響主要存在于設(shè)計圖紙與現(xiàn)場施工情況不完全符合，造成設(shè)計可能達(dá)不到既定的受力要求，這就更需要施工方做好施工現(xiàn)場的深基坑結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測，有疑義之處及時與監(jiān)理、勘察設(shè)計方進(jìn)行溝通，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險源頭進(jìn)行防控。③環(huán)境因素風(fēng)險X3是三個一級指標(biāo)中影響最小的，附近環(huán)境擾動風(fēng)險X33、不良地質(zhì)條件風(fēng)險X32、自然災(zāi)害和不可抗力風(fēng)險X31的影響遞減（特征向量權(quán)重分別為0.0781、0.0682、0.04040）。環(huán)境因素風(fēng)險中，應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注附近環(huán)境擾動風(fēng)險，對周邊距離建筑物較近的基坑邊緣及附近擾動土層進(jìn)行技術(shù)處理加固；探查基坑周邊的管線，對基坑周圍管線進(jìn)行保護。

3 建立基于BIM 的AHP 風(fēng)險管理信息系統(tǒng)

在深基坑結(jié)構(gòu)支護施工過程中，使用BIM 技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場管理，不僅能加強業(yè)主方、勘察設(shè)計方、施工監(jiān)理方的技術(shù)交流與協(xié)同，也能讓現(xiàn)場的施工管理方更好地進(jìn)行精細(xì)化管理，把控風(fēng)險、預(yù)防事故。

3.1 創(chuàng)建深基坑BIM 三維模型

首先可利用主流BIM 軟件如Revit 軟件對項目進(jìn)行BIM 三維建模：先進(jìn)行參數(shù)化族庫的創(chuàng)建，為深基坑的各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的創(chuàng)建打好基礎(chǔ)；再分別進(jìn)行周邊環(huán)境建模、地質(zhì)建模和項目主體建模。項目主體模型應(yīng)包括管廊主體結(jié)構(gòu)、各個獨立分艙，且模型精度等級必須達(dá)到LOD300以上（住建部《建筑工程施工信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51235-2017）。為了更好地反應(yīng)深基坑支護的施工全過程，BIM 模型應(yīng)該細(xì)化到鋼筋混凝土支撐建模、圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻建模、格構(gòu)柱建模等，必要時可結(jié)合具體項目對BIM 模型進(jìn)行深化和二次開發(fā)。

3.2 搭設(shè)BIM 集成信息平臺

完成BIM 三維模型后，進(jìn)一步集成各方數(shù)據(jù)，搭設(shè)BIM 集成信息平臺。地下綜合管廊施工涉及到的技術(shù)方案復(fù)雜、交叉施工多、參與人員眾多，BIM 集成信息平臺與云計算技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)項目生命周期各個階段的全程管理與應(yīng)用整合，除最核心的施工模擬（生成施工模擬動畫視頻、VR 體驗施工現(xiàn)場等）、物資管理（物資材料二維碼溯源追蹤與出入庫等）、進(jìn)度管理（實時監(jiān)控計劃進(jìn)度與實際進(jìn)度差值等）、現(xiàn)場施工質(zhì)量管理（施工平面布置、可視化施工安全交底等）、成本管理（BIM5D 實時成本管控）、安全管理之外，還可以集成GIS 攝影數(shù)據(jù)，形成包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、報表數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的項目工程信息數(shù)據(jù)庫。

3.3 BIM 集成平臺嵌入兩個業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行風(fēng)險管控

為了更便于項目管理方管控施工風(fēng)險，除BIM5D 常規(guī)核心功能外，在深基坑支護BIM 信息平臺上可再嵌入兩個模塊：深基坑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、深基坑支護風(fēng)險分析評估模塊。

3.3.1 深基坑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊 通過在施工現(xiàn)場設(shè)置傳感設(shè)備及人工儀器檢測等方式，選取基坑周邊合適的觀測點位，統(tǒng)計不同工況下的項目周邊環(huán)境安全、巖土勘測、支護結(jié)構(gòu)形變、裂縫、位移、工程材料管理等實際觀測數(shù)據(jù)，并將其錄入系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，再進(jìn)行數(shù)值分析、模擬計算與狀態(tài)實時監(jiān)控。鑒于BIM 技術(shù)的可視性，項目管理方通過BIM 平臺，能采用觀察模型的方式，實時監(jiān)測施工現(xiàn)場各部位的數(shù)據(jù)信息。不同的構(gòu)件在BIM 模型中也都有獨立的編碼可定位和查詢。通過對實測數(shù)值與BIM 平臺模擬數(shù)值的比較，施工方可預(yù)測基坑及支護變形發(fā)展，通過結(jié)果來預(yù)估基坑事故易發(fā)時間點和支護薄弱點，指導(dǎo)工程安全進(jìn)行。通過實時監(jiān)測，施工方也可以科學(xué)地分析數(shù)值優(yōu)選支護方案的實際效果，及時調(diào)整施工方案。

當(dāng)施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)高于閾值時候，BIM平臺可自動發(fā)出預(yù)警提示信息，這也將成為風(fēng)險分析模塊風(fēng)險因素識別的依據(jù)。BIM 平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警機制可以實現(xiàn)對關(guān)鍵技術(shù)施工環(huán)節(jié)、關(guān)鍵節(jié)點、高頻出現(xiàn)事故施工環(huán)節(jié)的重點監(jiān)控，能有效地識別風(fēng)險源頭，及早進(jìn)行干預(yù)，防止風(fēng)險擴大，確保風(fēng)險處于可控狀態(tài)之中。

3.3.2 深基坑支護風(fēng)險分析模塊 深基坑支護風(fēng)險分析模塊則是提供風(fēng)險分析的功能，施工方可在BIM 平臺數(shù)據(jù)庫各方信息（包括數(shù)據(jù)預(yù)警信息）基礎(chǔ)上，綜合專家、施工經(jīng)驗豐富技術(shù)人員的意見，錄入風(fēng)險因素指標(biāo)，平臺可按照上文中所述的層次分析法自動構(gòu)建判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗，給出風(fēng)險因素相對權(quán)重，為施工方提供深基坑支護風(fēng)險監(jiān)測參考。施工方可通過風(fēng)險分析評估結(jié)果，對施工方案進(jìn)行調(diào)整、對管理措施進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)問題并第一時間進(jìn)行整改。通過整改措施，降低安全風(fēng)險，并更新BIM 平臺結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如此反復(fù)循環(huán)，再進(jìn)行下一輪的風(fēng)險分析，以形成實時的、動態(tài)的長效監(jiān)控機制閉環(huán)?；贐IM 的AHP 風(fēng)險管理信息管理系統(tǒng)的具體路徑如圖1 所示。

圖1 深基坑BIM 信息管理系統(tǒng)工作路徑圖

4 結(jié)語

影響地下綜合管廊深基坑支護安全的風(fēng)險因素非常多，錯綜復(fù)雜。項目所選取的支護方案不同、項目所處于的施工環(huán)境不同、項目的設(shè)計和施工單位技術(shù)實力不同，都會成為影響深基坑支護安全的不穩(wěn)定因素。文章所構(gòu)建的一套基于BIM 和AHP 進(jìn)行地下管廊深基坑風(fēng)險分析評估信息系統(tǒng)，可針對不同的項目構(gòu)建安全風(fēng)險指標(biāo)評價體系，對地下綜合管廊深基坑支護結(jié)構(gòu)風(fēng)險因素進(jìn)行實時評估分析，并得到相應(yīng)的技術(shù)與管理對策，可更有效率地為地下綜合管理深基坑支護項目管理方提供建議與參考。