地铁施工安全技术创新论文

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1引言

近年来随着我国地铁工程建设规模的不断扩大，地铁工程施工安全事故也时有发生。由于地铁工程施工环境复杂，可以利用的空间十分有限，密集的施工机具，以及施工人员、建筑材料和作业内容容易导致安全隐患。传统的安全管理技术难以满足地铁工程的施工过程，需要更加高效，高科技的集成管理技术对地铁施工项目进行全面的、系统的、现代化的安全管理与控制。建筑信息模型(BuildingInformationModeling，BIM)是以工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等特点。BIM可以为地铁施工的信息化提供基础，让地铁施工控制更加信息化、自动化、科学化和标准化，在带动地铁施工效率提升的同时，也能降低施工安全隐患。基于建筑信息模型的地铁施工安全技术创新不仅可为施工作业的全面管理提供依据，而且对提升施工现场安全水平、消除施工中的安全隐患具有积极的意义。但是，与一般技术创新活动不同，地铁工程施工的安全技术创新需要业主、设计院、施工企业等多个参与者的共同努力才有可能取得良好的效果。BIM技术的应用是一个复杂的系统，不能在单个企业内部完成，只有依靠业主、设计院、施工企业和其他机构之间的技术合作才能取得成功。因此地铁施工安全技术创新绩效具有较高的不确定性，它不仅仅依靠BIM技术支持，同时与所有参与者的技术与管理水平有关，具有一定的风险，需要采取一种适当的方法对地铁施工安全技术创新绩效进行分析和评估，但是目前国内外关于该方法的研究还十分缺乏。贝叶斯信念网络(BayesianBeliefNetwork，BBN)作为不确定性知识表达和推理的主导技术，近年来在风险分析和绩效评价等方面得到了比较广泛的应用。Martin等通过识别建筑工地上空高处坠落事故的风险因素，构建了坠落安全风险的贝叶斯网络模型，主要采用问卷调查建筑工人的方式来分析工程施工的不安全因素。Matias等人比较了贝叶斯网络和其他专家系统技术在风险分析和预测方面的功能，得到贝叶斯网络具备相对更好的风险预测和解释能力。EunchangLee等将贝叶斯网络运用到造船工程的风险分析，提出一套基于贝叶斯网络的评价流程。周国华等人以京沪高铁工程为例，采用贝叶斯网络对工程项目的质量控制因素进行了分析。汪涛等人通过分析风险事件与风险因素之间的关系，并结合施工现场的安全管理能力，采用贝叶斯网络来评估安全风险事件发生的概率。但是，对于贝叶斯网络在技术创新绩效分析与评价方面的研究，目前还非常缺乏，仅仅针对狭义的技术创新方式提出了一种基于动态朴素贝叶斯网的风险识别方法，而贝叶斯网络在工程建设技术创新绩效分析领域的研究，目前国内外尚未有其他相关文献报道，我们前期曾利用贝叶斯网络提出一种建筑技术创新风险评估方法，但还有待进一步的研究。本文采用将专家先验知识与数据学习相结合的方法，建立地铁施工安全技术创新的贝叶斯信念网络模型，为安全绩效分析提供一种新方法。

2地铁施工安全技术创新绩效的系统分析

对于地铁施工安全技术创新而言，通常不能由单个施工企业完成，它不仅受到业主的极大影响，而且还受到其他参与者的影响。目前我国实际工程中一般由一家专业技术咨询公司提供BIM技术支持，业主负责地铁项目的全面管理，设计院、施工企业等其他单位各司其职，共同完成地铁项目建设与技术创新任务。BIM技术通过三维可视化功能再加上时间维度，可以对地铁工程进行虚拟施工，及时发现安全隐患，同时进行有效协同，设计、施工和业主都可以对工程项目的各种安全问题和情况及时掌握和沟通协调。业主是技术创新的首倡者、投资者和主导者，同时也是地铁工程技术创新的直接和主要受益者。业主一般出于提高地铁工程安全性的考虑开展技术创新活动并提供资金支持。业主在技术创新活动中具有主导作用，其他技术创新参与者一般都由业主选定，业主在地铁施工技术方案比较等关键事件上都具有决定权，主导技术创新的全过程。因此，业主的技术能力和管理能力对BIM技术的应用效果具有重要的影响。但是业主通常并不能承担BIM技术创新的具体事务，具体工作必须依赖设计院、施工企业、BIM技术咨询公司等技术创新主体来完成。设计院在技术创新过程中发挥着非常重要的作用，设计院是地铁工程技术创新中多种技术的集成者，一般情况下，不同的专业技术难题分别由不同的参与企业或机构来负责，但这些不同的技术成果都需要通过设计院的设计方案来集成和综合，并转化为设计图纸才能应用于地铁工程实践。就BIM技术而言，BIM最直观的特点在于三维可视化，利用BIM的三维技术在前期可以进行碰撞检查，优化工程设计，减少在施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性，而且优化净空，优化管线排布方案。此外，设计院还必须解决地铁施工安全技术创新过程中与设计相关的重要技术问题，设计院不仅要对设计文件的安全、经济等合理性负责，还需要提出相应的质量控制指标，指导和配合施工企业。因此，设计院的技术能力和管理能力对技术创新绩效具有重要的影响。施工企业是技术创新活动的具体实施者，地铁施工人员需要利用碰撞检查和优化后的三维设计方案进行地铁施工交底和施工模拟，提高地铁施工安全性和与其他参与者的沟通能力。对于地铁工程施工来说，空间是有限的，每一个施工工序在进行的时候必须有足够的空间来进行施工活动，如机械臂长的旋转半径，施工人员的活动半径，如果这两者在作业时的空间上产生了冲突，就容易导致安全事故。因此在开工之前可以利用BIM进行动态施工模拟，预测可能存在的问题，优化机械行进路线和人员活动范围，减少安全事故发生的可能性。通过BIM技术结合施工方案、施工模拟和现场视频监测，减少地铁工程质量和安全问题。BIM新技术的应用效果最终还要取决于施工企业技术能力和管理能力的水平。BIM技术咨询公司是该项技术创新活动最为重要的技术支持者，一般是接受业主的委托创建BIM数据库，为业主、设计院和施工企业提供支撑地铁施工安全管理所需的数据信息。BIM数据库包括大量的工程相关信息，可以为地铁工程施工提供数据后台的巨大支撑，BIM中的项目基础数据可以在各参与企业之间进行协同和共享，地铁施工工程信息可以根据时空维度、构件类型等进行汇总、拆分、对比分析等，保证地铁施工基础数据及时、准确地提供。为施工企业制定精确的安全控制计划提供有效的支撑，使业主、设计院和施工企业的工程技术人员对各种施工工程信息做出正确理解和高效应对，为参建各方提供协同工作的技术基础，从而减小安全风险，实现对施工安全风险的有效控制。因此，BIM技术创新绩效在很大程度上还取决于BIM技术咨询公司的技术支持水平。根据以上分析，并结合我们前期相关的研究成果，本文提出13个地铁施工安全技术创新绩效影响因素，见表1。其中安全技术创新绩效是目标变量，它是希望通过技术创新活动影响的最终变量，是希望改进的目标。“干预变量”是为了达到目标变量而施行的技术创新活动，即BIM技术支持，包括无BIM技术支持、一般的BIM技术支持和良好的BIM技术支持水平三个等级。“实施因素”是直接影响安全技术创新活动是否成功施行的变量，包括业主、设计院和施工企业的技术能力和管理能力，他们的影响会通过中介因素作用于目标变量。“中介因素”是联系实施因素、干预变量和目标变量的因素，即实施因素和干预变量要通过中介因素传导其作用，而中介因素对目标变量有直接影响。就BIM技术创新而言，它对安全绩效的作用主要通过优化设计方案，优化施工组织和加强沟通协调来完成。“控制因素”是外生变量，不随干预而改变，但它对于目标变量具有重要的影响，包括项目规模和项目复杂性，在模型中需要加以体现

3模型构建

3．1数据采集

为了确定各因素和节点之间的因果关系，我们采用结构性问卷调查来获取相关数据。调查以地铁工程项目为单位，采取邮寄或E-mail的方式来发放调查问卷或收集调研数据，然后通过半结构访谈的形式进行补充。调查对象主要是具有5年以上工程实践经验的业主、施工企业、设计院和咨询公司的相关工程技术人员，包括全面了解地铁施工安全技术创新整体状况的高层管理人员(如总工程师)，以及与工程新技术直接相关的管理人员或技术人员(如工程技术部经理或工程师等)。调查对象的构成为业主方占15%、设计方占18%、施工方占37%、技术服务方占16%、其他占14%。本次调查共发放问卷136份，在剔除了连续雷同或人为固定模式答案等无效的问卷后，共取得有效问卷63份，问卷的有效回收率为46．3%。

3．2贝叶斯网络结构的建立

相关研究表明，利用专家先验知识的临时因果关系图与相关性分析相结合能够较为有效的构建系统要素之间的因果关系。我们借鉴这种方法来确定技术创新贝叶斯网络的系统结构，首先以文献调研与专家调查为基础来建立系统要素之间的初步因果关系图，然后采用数据样本进行相关性分析，依据相关系数的大小来鉴别要素间的强联系。虽然相关性分析结果不能直接判定因果关系，但可以作为旁证来降低系统网络的复杂性。我们通过调查地铁施工技术创新的专家知识为基础，对各个因素的逻辑关系进行了判断，建立了系统各个要素之间的初步因果关系。

3．3贝叶斯网络的数据学习

在确定了贝叶斯网络的结构以后，采用NETI-CA软件提供的案例学习功能进行案例学习，获得各个节点之间的条件概率分布，然后得到完整的贝叶斯网络模型。

4案例分析

4．1案例背景

某市地铁1号线某标段工程建设拟采用BIM技术。该标段中的车站工程为该城市轨道交通1号线一期工程的中间站。车站沿街南北方向呈“一”字型布置，道路宽度约为20m，周边主要为商业建筑，基本临街建立，人流量大。有效站台长118m，标准段总宽为18．7m，车站形式为地下2层9m岛式车站，还设有降压变电所。车站主体的建筑面积为8342m2。基坑埋深18．75m，顶板覆土厚1．5m，不设中柱，横向为两层单框架结构。车站工程的主体采用盖挖逆筑法施工，维护结构工程采用800mm的地下连续墙，与400mm厚的侧墙叠合形成永久性结构侧墙。车站主体结构的各层板同时作为基坑开挖期间的内支撑体系。根据区域地质资料和前期岩土工程勘察报告，拟建车站工程的场地断裂和褶皱不发育，岩层主要是较缓的单斜构造，岩层层面比较稳定，产状比较平缓。该地铁项目由该市轨道交通集团有限公司投资建设管理，工程设计由中铁建设集团所属专业设计院完成，土建和安装工程由中国中铁集团所属工程公司承担，由专业技术咨询公司提供BIM技术支持。

4．2根节点参数确定

该标段工程总投资超过3亿元，工期约3年，其中车站总建筑面积超过1万平方米，项目规模较大。基坑工程等技术要求高，施工难度大，岩层层面比较稳定、产状比较平缓，工程地质条件较好，项目复杂度一般。该项目业主为城市轨道交通集团公司，承担该市轨道交通项目的融资、投资、建设、运营、管理，设立工程建设部、合约部等专业部门，能适应地铁建设、管理和投融资工作的需要，管理能力较强。但业主单位的专业技术人员数量不多，且相关经验不足，技术能力一般。工程设计方为铁路工程专业设计院，从事过大量同类工程设计，设计人员技术水平高，经验丰富，而且在项目前期初步设计阶段就明确将BIM应用于三维综合管线等设计内容，并成立了相应的BIM技术支持部门，与设计人员共同研究技术方案，对重要技术问题进行三维虚拟，进行优化和改进，因此设计方的技术能力较强。但该设计团队的组织结构较为松散，内外部协同不够，设计部门与技术支持部门缺乏统一的组织和沟通，管理能力一般。工程施工方为中国中铁所属工程局，承担过多个同类地铁项目的工程施工，技术力量强，施工经验丰富，安全管理能力强，但由于首次采用BIM技术支持，缺乏相应的经验，普通工程技术人员对BIM技术的熟悉和应用能力还需要提高。施工单位为此组织进行了多次BIM技术知识培训和技术交底，增强了相应的技术能力，因此施工企业的技术和管理能力一般。技术咨询方是一家专业致力于BIM技术研究的企业，主要以地铁和大型建筑的三维综合设计、施工组织优化，三维虚拟，碰撞检查等技术咨询为主要经营方向，承接过多项铁路和地铁行业的三维建模和综合设计项目，承担过地铁工程三维虚拟和设计优化相关科研项目并通过专家验收，能够解决管线碰撞、检修空间、调优、施工工序、运行维护等难题，因此该技术咨询公司的BIM技术支持水平较高。

4．3结果分析

将案例工程的根节点状态分析结果输入已经建立好的贝叶斯网络分析模型后，结果如图4所示，BIM技术创新对项目组织沟通和协调的改善效果为H的概率是42．7%，M的概率是35．5%，L的概率是21．8%，效果良好;对设计优化为H的概率是63.2%，M的概率是28．4%，L的概率是8．4%，很有效。对施工组织优化为H的概率是37．9%，M的概率是50．6%，L的概率是11．5%，有一定效果。案例工程的技术创新绩效为H的概率是53．3%，M的概率是30．9%，L的概率是15．7%，因此综合评估结果为High，绩效良好。实际情况是该工程在建设过程中，在业主单位的主导下，一直严格按照BIM技术要求和安全管理规范控制施工安全。技术咨询公司创建的BIM数据库为业主、设计院和施工企业提供支撑项目安全管理所需的数据信息，项目组织利用BIM数据库提供的协同工作为基础，对工程的进展情况和各种安全问题及时掌握和沟通协调，有效的改善了项目组织的沟通和协调水平。设计单位利用BIM的三维技术在设计阶段就进行了碰撞检查，优化净空，优化管线排布方案，优化工程设计，减少了在施工阶段可能存在的安全隐患。施工单位通过BIM三维可视化功能再加上时间维度，在开工前和施工过程中不断进行动态施工模拟，预测可能存在的问题，优化机械的行进路线和人员活动的范围，减少了安全事故发生的可能性。虽然在项目前期由于各参与方对BIM技术的理解与应用水平不齐，在基坑开挖过程中曾经出现安全管理问题，但通过及时协调业主、设计和施工企业的技术合作以及BIM咨询公司的持续改进和技术支持，这些问题都已顺利解决，同时还也培养了一批专业技术人员。目前该项目已经进入工程收尾阶段，并即将组织工程验收，在工程施工过程中没有出现大的安全事故，贝叶斯网络模型分析的结果与实际情况相比具有较好的符合性。

5结语

本文引入基于贝叶斯网络的知识表达和不确定性推理，构建了地铁工程施工安全技术创新绩效分析的贝叶斯网络模型，并通过问卷调查数据的拟合得到了模型各节点的后验概率分布，模型分析结果与案例工程实际具有较好的符合性，研究表明:

1)基于贝叶斯网络的地铁施工安全技术创新绩效分析方法以网络节点的概率来表达技术创新影响因素的不确定性，从而能够非常直观和明确地推导出地铁施工安全技术创新绩效的定量分析结果。该方法可以比较充分地利用专家的先验知识和地铁施工数据，能够使推理在工程施工数据不完备的基础上进行，具有良好的工程应用前景。

2)BIM技术支持水平对安全技术创新绩效的产生最为重要的影响，对目前我国地铁工程施工安全控制具有重要的改善作用;施工企业的技术能力、业主的管理能力和设计院的技术能力对安全技术创新绩效产生比较重要的影响;施工方的管理能力、业主的技术能力和设计方的管理能力也对安全技术创新绩效产生一定影响，他们在一定程度上影响了BIM新技术的创新效果。

作者:陈帆谢洪涛单位:湖南科技大学昆明理工大学