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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陈永高，单豪良（浙江工业职业技术学院，浙江绍兴312000）摘要：地下工程建设具有投资大、周期长、技术复杂、不可预见风险因素多和对社会环境影响大等特点，是一项高风险建设工程，如何建立地下工程施工安全预警体系已经成为安全管理的重要课题。本文讨论了物联网和BIM技术在地下工程施工中的适应性，提出了基于物联网和BIM的安全预警管理框架。针对施工前安全风险，提出地下工程施工安全风险识别方法，能有效定位危险施工工序及部位；针对施工时安全风险，开发集自动监测、实时预警于一体的地下施工安全集成控制技术，将预警信息及时发送给现场施工人员，便于及时有效地采取施工控制和应急措施，保障施工安全。关键词：物联网；建筑信息模型；风险预警；地下工程施工；实时控制中图分类号：TU94文献标识码：A文章编号：1001-7119（2016）07-0094-05ResearchonSafetyRiskEarly-warningandReal-timingSafetyControlofUndergroundEngineeringConstructionBasedonTheInternetofThingsandBIMChenYonggao，ShanHaoliang（ZhejiangIndustryPolytechnicCollege，ShaoxingZhejiang312000，China）Abstract：Undergroundprojectisahigh-riskandcomplexprojectwithvastconstructioninvestment，long-termconstruction，complexityofconstructiontechnology，andunpredictabilityofriskfactorsandsocialcharacteristicsoftheenvironmentalimpact.Accordingtothecurrentsituationofsecurityriskmanagementinundergroundengineeringconstruction，thepaperanalysestheproblemsexistingintheundergroundengineering，discussestheadaptabilityoftheInternetofThings(IoT）andBuildingInformationModeling(BIM）withthecharacters，andputsforwardasystemframeworkforthesafetyriskmanagementofundergroundengineering.Forsafetyriskidentificationbeforeconstruction,webroughtupanapproachbasedonInternetofThingsandBIMforundergroundengineeringconstruction,whichisabletoeffectivelyidentifyandtrackdangerousconstructionprocessandlocations.Forriskearly-warningduringconstruction,wedevelopedtheintegratedcontroltechniquesofautomaticmonitoringandreal-timeearly-warningforundergroundengineeringconstruction.Thesystemsendanyearly-warninginformationtoconstructionworkersonsite,sothatcontrollingmethodsandemergencymovescanbeappliedinrealtimetoensureconstructionsafety.Keywords：internetofthings（IoT）；buildinginformationmodeling（BIM）；undergroundengineeringconstruction；safetyriskearly-warning；real-timingsafetycontrol收稿日期：2015-08-10基金项目：浙江省教育厅科研项目（Y201432555）；绍兴市科技计划项目（2014B70003）；浙江省住建厅科研项目（2014Z126）。作者简介：陈永高（1984-），男，江苏盐城人，硕士，讲师，主要从事土木工程建造与管理方面的研究。E-mail：higaoge@163.com。第32卷第7期2016年7月科技通报科技通报BULLETINOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.32No.7Jul.2016DOI:10.13774/j.cnki.kjtb.2016.07.019第7期物联网技术与建筑施工信息技术已经在土木工程施工中得到一些应用，如无线电射频识别RFID技术、全球定位系统（GPS）、无线传感网络、Zigbee、激光扫描技术、掌上电脑（PDA）以及建筑信息模型（BIM）等。目前这些前沿技术在地下工程施工安全管理领域的理论研究和工程应用还相对缺乏。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。1地下工程施工安全控制关键技术体系地下工程施工出现安全事故的原因复杂多样。首要问题是施工安全信息采集、传输、分析、处理不及时和充分，以及最终结果形象显示不足，地下工程施工全过程安全风险控制难度仍较大，表现在：地下工程施工安全风险多种多样，施工前安全风险识别主要由有一定经验的技术人员查阅工程资料，根据以往经验预测等人工方式完成，主观性较大；施工中未能建立充分信息条件下的动态综合预警方法，而且缺乏在时间和三维空间上进行可视化实时显示的技术手段。地下工程施工所引发的各种灾害后果严重，对社会环境影响大，在施工过程中迫切需要根据施工现场情况提供实时的安全状态分析结果，并能及时有效地采取施工控制和应急措施，因此建立基于物联网与BIM技术的集施工前自动监测、施工中人员跟踪定位、实时预警于一体的安全风险控制系统尤为迫切。建筑信息模型（buildinginformationmodel⁃ing，BIM）能够集成土木工程设计与建造的各种实体和功能相关信息的工程数据模型，对建筑物或建筑构件赋予属性信息，并有机关联这些信息，提供虚拟实境模型，降低工程信息的遗漏和以及显示不直观的问题。其能够解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建筑全生命期动态的工程信息，应该包括构件材料、力学性能、施工资源等许多其他信息。具有可视性、可模拟性等特点，并纳入协同作业的理念。近年来国内外陆续开展了物联网在土木工程建造等方面的应用研究。地下工程施工安全风险管理具有多主体，多目标等特征，成为BIM与物联网应用的新领域和重要发展方向。为此，本文提出基于BIM与物联网的地下工程施工安全风险识别与预警技术，建立一套从风险识别、预警到控制的地下工程施工安全控制关键技术体系，包括施工前安全风险识别与预防、施工中风险实施感知与预警和控制等关键技术，以实现复杂环境下地下工程施工周期中安全风险动态控制。安全风险控制体系如图1所示。图1地下工程施工安全风险控制体系Fig.1Systemoftheundergroundengineeringconstructionsafetycontrol2地下工程施工前安全风险识别与预警地下工程施工前的安全识别和预警是控制风险、预防安全事故发生的重要手段。地下工程施工的安全风险发生机理、与时间耦合的空间变化规律都难以准确的描述。最大限度地利用施工前的设计文件和施工现场的各类信息、资源，尽早建立安全风险评估模型，对提高安全预警的科学性和可靠性意义重大。此外，地下工程施工安全风险随着时间的推移、地质环境条件的变化，在空间上是不断变化的，借助BIM技术和监测信息，建立基于时间和空间的4D模型，对地下工程施工危险工序、部位进行动态标示及跟踪，陈永高等.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95第32卷科技通报能有效提高安全风险识别和预警的准确性。以此为思路提出地下工程施工前安全风险识别与预警方法。以往人工进行地下工程施工安全预警，都由经验丰富的地下施工工程师或专家研究各种工程资料和数据，以及进行现场实地踏勘和巡视，然后施工组织设计进度内判断地下工程施工中各种结构体、机械、材料、设备及周边环境等不安全因素的状态，做出预警决策。为了建立一个能够辅助和替代地下工程施工前安全风险人工识别的集成化、自动化、智能化预警模型，需要模拟人工预警过程对获得的信息进行搜集、加工、筛选、提炼、综合的过程，同时提高预警模型的精度和可靠性，设计基于多源信息融合的地下工程施工前安全风险识别与预警模型，主要由三方面构成：（1）根据地下工程施工监测数据，利用主成分分析、小波聚类分析等数据处理方法，快速有效地实现监测数据的降噪去伪。以BIM模型为载体，监测信息为核心，构建时间、空间、情境相融合的多维模型，建立地下工程综合情境信息的数据库，对施工安全风险数据信息进行系统化处理和结构化存储，实现监测数据与情境的信息关联。（2）通过模拟专家法进行地下工程施工警情的决策过程，基于地质环境条件、地下管线、周边建筑物、机械、设备、人员、结构本身、及其他巡视信息的监测数据和巡视数据，利用径向基函数神经网络（RBFANN）智能集成多源信息与智能警情决策，实现充分信息条件下的快速安全预警。（3）针对目前施工安全风险信息只能体现在二维平面的弊端，开发基于BIM的安全风险识别三维可视化技术，通过地下工程模型与进度计划相链接，形成地下工程施工的4D模型。以时间为控制轴，将各种安全风险按施工进度进行叠加演化，得到不同施工行为、结构和地质环境条件等综合作用下的时间和空间耦合结果，形成基于BIM的安全风险识别系统，从而在空间上定位危险部位，时间上跟踪危险工序。施工前安全风险识别与预警技术如图2所示。3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。3.1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3所示。图3安全风险实时感知与预警系统Fig.3Systemofthesafetyriskreal-timesensingandearly-warning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。再利用钻孔设备将图2