基于BIM与物联网的地下工程施工安全风险预警与实时控制研究

基于BIM与物联网的地下工程施工安全风险预警与实时控制研究

张印涛

建研凯勃建设工程咨询有限公司宁夏银川750001

摘要：以地下工程施工为依托，通过采集的多源信息进行分析，通过BIM系统可视化显现，构建地下工程施工前风险预警模型；在此基础上，提出地下施工过程中地质环境条件与既有结构的安全状态实时感知方法，利用光纤光栅传感技术，构建施工过程中安全风险实时预警系统，并将安全风险预警信号实时传输到施工人员的定位节点上，实现地下工程施工安全风险施工前识别与预防、施工中实时预警与控制。

关键词：BIM与物联网；地下工程；施工安全；风险预警；实时控制

1地下工程施工安全风险管理特点分析

1.1风险分析内容比较复杂

对于任何一个工项目而言，其施工过程中存在的风险都比较客观，这种风险不会受到人的意志影响而发生改变，但又超越了人类的意志。在地下工程的施工中，随时都可能会发生安全风险，由于地下工程大部分都需要在十分复杂的地层或地质体开展施工，工程施工风险也比较复杂，且隐蔽性与不确定性比较强，因此，难以采用准确的风险分析方法对施工过程中存在的风险进行分析和处理。

1.2安全事故的可控制性

约翰逊认为，在实际的工程施工中，发生安全事故主要是由一些意外的能量释放造成的，而这种意外能量释放的原由主要是管理者或者操作者没有及时感觉到工程中的异常变化，进而在施工决策计划时未能考虑到这些因素而导致的错误或者是人为失误，最终导致在施工过程中无法对各类不安全的行为或状态进行有效的控制或者屏蔽，进而引发安全事故。而在地下工程施工安全风险管理系统的实践过程中，难免会发生无法预料的变化，这种变化虽然不一定完全是有害的，但还是需要对这类安全风险进行及时考虑，并及时采取合理的对策进行处理。

1.3风险因素的突发性

与其他的工程施工中的风险相比，地下工程施工的风险更具突发性，由于在工程中，安全风险不是在风险源最初出现时发生，而是在所有的风险源都积聚到一起或者一定程度上才爆发出来，导致管理人员无法对事件进行提前预知，因此，施工管理人员在日常的施工中，应该把握住各类施工细节，以便将施工安全风险始终控制在可以接受的范围之内。

2地下工程施工中安全风险实时感知与预警

地下工程施工过程中安全风险较高，传统施工安全控制技术难以满足施工安全控制的综合性和实时性的要求，冻胀、开挖、支护及冻融等不可预见风险因素多，地下结构、初期支护和二次衬砌受力体系不断发生变化，一旦发生安全隐患和险情，常会引发不可估计的灾难性后果。因此，为了降低地下工程施工中安全事故发生概率，需实时感知安全风险，以便及时防范事故发生。

2.1安全风险实时感知系统

为了实现地质环境条件与结构的多物理量连续实时感知，提高地下工程施工过程应力、应变、温度和渗流等安全信息的采集和传输能力，将传感技术引入到地下工程施工中，利用传感器具有多物理场耦合监测、高精度、自动连续、抗电磁干扰、不受水和潮湿环境影响以及其存活率高、可靠性强及可远距离传输等优点，分别进行周围地质环境条件、初期支护和既有结构的温度、应变、周围土体渗流情况等进行监测，构建基于BIM与物联网的地下工程施工多场耦合实时感知系统，实现施工过程中自动连续采集数据，实时分析与并通过BIM系统实时显示与预警。施工中安全风险实时感知系统如图1所示。

图1安全风险实时感知与预警系统

安全传感布设方案中，预先将光纤光栅传感器安装在小导管内壁，利用小导管保护，提高传感器成活率，减少零点漂移。再利用钻孔设备将预先安装好光纤传感器的小导管分段打入土层，在小导管中按2m左右间隔布置一个温度补偿传感器，保证小导管中的传感器与结构、周边土体耦合良好。数据采集时，由数据采集器以低频率例如10Hz对传感器进行扫描采集，获得应变、温度、流量等相关数据信息，将数据上传至地面服务器进行运算分析，计算得到应力、变形、地下水位与渗流情况等安全相关数据，与BIM模型数据进行比对，获得安全分析数据，同时通过BIM系统进行多维显示与风险预警。

2.2安全风险实时预警系统

地下工程施工埋深大，距离长，且不可预测的地质环境条件、多专业的同时施工及采用多样的施工方法，使得地下工程项目的风险较高。因此，地下工程施工中，除了建立“物的状态”（温度、应力、位移场）实时感知系统外，“人的行为”（身份、位置信息）的实时预警也尤为重要。在实时感知系统的基础上，通过无线传感网络（WSN）、Zigbee射频识别（RFID）等传输技术建立施工人员实时定位系统。将数据连接在中间服务器上，基于各种对数据的分析，实现人员实时定位、移动目标实时跟踪，并将施工过程中地质环境、结构和人的安全信息综合起来进行安全分析判断。同时人员定位等信息在BIM模型中显示，及时准确地发布预警信息，并及时通知现场作业人员采取应急措施，并启动相应的应急预案，实现安全控制实时化。基于物联网和BIM的施工现场人员实时定位系统的组成如图2所示。

图2现场人员实时定位系统架构

（1）地下部分

在地下工程中每隔50m布置一个定位探测器，用通讯电缆将其连接，使其信号均匀覆盖到地下施工区域。施工人员随身佩戴RFID识别卡和便携式预警终端，RFID识别卡主要负责人员实时定位信息进行采集、预处理，通过定位探测器识别施工人员携带的RFID识别卡，比对系统中的识别卡参数，识别施工人员的姓名，类型，职能等信息。通过探测器建立的跟踪区域，获得施工人员的实际位置和行动轨迹等动态信息便携式预警装置和RFID阅读器用Zigbee技术连接，实现数据的交换。然后通过WSN将RFID阅读器、RFID识别卡、便携式报警装置等信息传输在数据收集终端，存储、计算、分析后在BIM系统中实时显示。

（2）风井部分

风井兼作数据垂直传输的通道，将在地下采集到的数据信号，通过数据电缆可靠地传输到地面。为方便物联网信息传输，通过串口服务器将各类传感器信息转换为基于TCP/IP协议的网络通讯数据，将RS-232等串口转换为网络结构，并与无线AP相连，极大地扩大了数据传输距离，便于远程监控。

（3）地面部分

地面部分是由远程计算机，应用服务器和数据库服务器等硬件系统和GIS系统处理、BIM施工信息处理等软件系统组成。结合了物联网的数据通讯、数据处理及BIM的可视化多维显示技术，能够及时、有效地将地下工程施工过程中各个区域人员动态地反映到地面控制中心，使地面管理人员能够随时掌握地下施工人员的总数及分布情况，下井、出井时间及运动

轨迹，以便更加合理地掌控人员的实时动态信息。

利用BIM技术建立地下结构和环境的模型，并采用反分析技术，计算、分析和比对各项数据，评估在地下施工过程中的安全风险。通过物联网数据通讯，及时地将安全警示信息发送到便携式报警装置，根据施工人员的位置信息，分析出最合理的应对策略，安全事故防范从被动管理转为主动管理。

（4）便携式预警终端

预警终端装置可以随身携带，主要由芯片、蜂鸣器、指示灯和震动器组成，可以提高现场施工人员的应急处置能力。

结束语：

地下工程施工安全管理包括施工前和施工中的安全控制。在施工前安全风险识别的基础上，在施工过程中将地下结构、支护和周边地质环境的等物的安全状态数据和人的安全行为数据无缝对接，包括实时感知和安全风险实时预警。预警系统用于提高施工现场安全信息的共享和利用程度，实现地下工程复杂施工环境下实时跟踪施工人员，并将地下工程施工过程中地质环境条件、结构和人的安全信息进行综合分析判断，在建筑信息模型BIM系统中实时显示，及时有效地发布预警信息，并及时通知地下施工人员采取应急措施，实现安全风险识别、感知与预警，提高施工人员的安全意识和水平，保障地下施工安全。

参考文献：

[1]钱七虎，戎晓力.中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议[J].岩石力学与工程学报，2008，27（4）：649-655.

[2]丁烈云，周诚.复杂环境下地铁施工安全风险自动识别与预警研究[J].中国工程科学，2012，14（12）：85-93.