基于BIM的深基坑施工安全风险智能识别研究

笔者结合深基坑施工安全风险知识库的存储功能及 Revit API 二次开技术，在施工前期对活动对象进行安全风险识别，并将安全知识可视化，为安全施工提供数据支持。为了提高深基坑施工现场安全管理水平，本文根据风险因素识别相关理论对深基坑施工现场存在的安全风险进行识别，并总结出相应的施工安全风险预控措施；其次，依据知识库相关理论，对上述安全风险知识进行分类构建深基坑事故安全风险知识库；最后，利用 Revit 二次开发技术，提出了基于BIM 的深基坑施工安全风险识别系统，以实现对安全风险知识库的充分利用，并用实例验证了风险识别系统的可行性。

1 绪论

1.1 研究背景
1.1.1 深基坑工程数量和体量不断增大
随着我国城市化的不断深入，城市建设空间日益紧张，为了使城市土地得到最大化的利用，高层建筑的建设成为城市建设的主旋律，且绝大多数高层建筑的基础埋置深度较深，而且越来越深，如上海中心、北京中国尊等深基坑近 30 米，我国近年来高层建筑的深基坑工程概况具体如表 1-1 所示。

同时，人们也越来越意识到城市地下空间的重要性，各城市对地下空间展开发掘并加以利用，进行了大规模的地铁车站、地下停车场等地下工程建设。此外，根据国务院对全国主要城市城市化进程的最新要求，一线、新一线及部分二线城市都在开展轨道交通建设及地铁换乘空间等大规模的市政工程建设，由此伴随着出现了大量的深基坑工程。
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1.2 问题提出
目前深基坑安全检查研究多集中在安全规划设计阶段，并且研究事故类型单一，较少针对全面动态的施工过程进行安全风险自动识别。此外，BIM 技术在设计、施工、运营等领域得到大量的运用和实践，取得了良好的效果，但针对其在建筑安全管理领域的应用研究并不十分成熟[5]，频繁发生的深基坑支护体系破坏、土方坍塌等安全事故时刻威胁着建筑工人的生命安全，因此，如何利用 BIM技术并将其与深基坑施工流程相结合，以此对施工过程的安全风险因素进行智能识别，并针对安全风险采取有效的控制措施，尽可能的降低安全事故发生率，是一个需要迫切解决的课题。
本研究提出基于安全事故案例和工作安全分析等对深基坑施工安全风险进行识别，并通过 BIM 技术来集成各工程对象的动态物理信息，将其转换成空间拓扑关系来识别关联工程对象间的安全风险因素，然后将上述安全知识存入深基施工安全风险知识库，最后利用 BIM 二次开发技术针对性的查询知识库中的安全知识并进行可视化展示，从而实现动态全面的安全管理。故本文的研究问题大致有以下三点：
（1）如何将造成深基坑安全风险的动态物理环境转换成空间拓扑关系?
明确深基坑各活动的施工步骤、施工过程中可能出现的安全风险以及安全控制措施，考虑如何对施工过程中的作业步骤进行分解以便实施工作安全分析（JSA，Job Safety Analysis）分析，并在 JSA 基础上构建深基坑 BIM 模型，提取建筑信息模型的动态物理信息并将其转换成空间拓扑关系，首先需选择建筑信息模型中某一施工场景，其次考虑提取建筑信息模型中的哪些信息并思考如何对提取的模型信息进行处理，使之能够合理准确的表达出建筑信息模型的空间拓扑关系。
（2）如何构建深基坑施工安全风险知识库?
首先要明确深基坑安全风险知识库中需要哪些知识、知识的分类以及不同类别知识的表示方法，然后选择合适的知识库构建工具，从知识库需求角度出发，考虑如何对知识库的逻辑结构、存储结构及查询机制进行设计，以便构建深基坑施工安全风险知识库。
（3）如何实现基于 BIM 技术的深基坑施工安全风险智能识别?
首先要明确需实现什么样的功能，探索选用哪种合适的方法对安全风险因素进行识别，然后构建基于 BIM 技术的深基坑施工安全风险识别系统，其中关键在于如何查询知识库中的安全知识并将查询结果在 Revit 平台中进行可视化展示，使之能够为施工人员提供实时全面的安全施工指导。
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2 深基坑施工安全风险识别

2.1 相关理论概述
2.1.1 扎根理论
扎根理论是美国社会学家 Glazes B G 等于 1967 年提出的一种非常有效的质性研究方法，该方法不主张预设假设，而是从真实生活中、实际观察中获取经验事实等原始资料，通过文本分析提取概念并归纳出对应的范畴，通过层层提炼，逐级编码，形成自下而上的新的理论，从而对问题进行更全面的描述[93]。
扎根理论的研究流程如下图 2-1 所示，开放性编码主要对原始资料进行初步分析，主轴编码进行概括性范畴的分类，选择性编码通过逻辑关系对主轴编码的结构进行关联，最后的饱和度检验保证了结果的完整性。不断分析归纳以建立各类别之间的关系，直到形成新的理论模型并用其能够全面反映现象本质为止。

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2.2 基于事故的深基坑施工安全风险识别
从典型事故案例中分析原因，总结经验，是人们获取安全知识的有效来源。多年来，深基坑工程土方坍塌、围护桩失效等施工安全事故时有发生，有时会造成人员伤亡、财产损失等，给国家和社会造成非常不好的影响。本文基于此收集了 2008-2019 年 12 年间所发生的深基坑施工安全事故，了解事故发生经过，分析事故发生原因，总结经验教训，继续开展安全风险因素分析和防范，采取有效的控制措施，提升相关单位应对突发情况的处理能力及对安全事故的应急能力，避免类似事故的发生。
2.2.1 深基坑施工事故统计
本节将以深基坑工程施工事故案例作为分析对象，从中识别出深基坑工程在施工过程中存在的安全风险。深基坑工程安全事故案例的分布较散，一般情况下较难获取完整资料，本文用于深基坑施工事故统计分析的工程事故案例主要来源于住房与城乡建设部发布的事故快报、应急管理部门发布的安全事故信息和事故调查报告、安全管理网发布的事故案例、主流媒体发布事故新闻及近年来在论文集、专著或公开期刊中引用或发表的事故案例等。
基于此，本文共收集整理出 2008 年以来基坑施工过程中发生的 136 起安全事故数据，其中深基坑事故有 83 起，约占 61%，因而深基坑施工安全风险尤其需要重视。本节主要是识别深基坑施工过程中的安全风险因素，故只对 83 起深基坑安全事故进行统计分析。
从所收集的深基坑安全事故进行分类汇总来看，深基坑工程事故类型主要分为：支护体系破坏事故、土体渗透破坏事故、周边环境破坏事故和其他原因事故四类，其中支护体系破坏事故有 41 例，土体渗透破坏事故 10 例、周边环境破坏事故 13 例、其他原因事故 19 例，具体分布如图 2-3 所示。其中事故发生起数最多的是支护体系破坏事故，占比接近 50%，其次是其他原因，如临时材料、土方的违规堆载等，所以有必要对造成深基坑安全事故的原因进行分析并总结，将不利因素转为有利因素以供参考借鉴。

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3 基于 BIM 的深基坑空间拓扑关系构建 .........................41
3.1 BIM 概述..........................41
3.2 BIM 模型工程对象分类与表达...................48
4 深基坑施工安全风险知识库构建 ......................61
4.1 知识库理论 ...................61
4.2 安全知识分类与表达 .....................64
5 深基坑施工安全风险识别系统 .................................79
5.1 基于 BIM 的施工安全风险识别系统概述.....................79
5.2 基于 BIM 的施工安全风险识别插件开发............................81

5 深基坑施工安全风险识别系统

5.1 基于 BIM 的施工安全风险识别系统概述
BIM 虚拟建模技术能够反映出整个工程周期内各项建筑信息，或者对各项建筑信息进行详细描述，利用 BIM 技术能够提取各工程对象本身的属性信息，以及基于 BIM 可视化技术提取一定范围内与其存在关联关系的其他工程对象，然后识别工程对象自身在施工过程中的安全风险和在特定场景中施工可能会存在的安全风险，而施工安全风险知识库中包含大量的安全信息如工程对象的施工步骤及在施工每一步骤时可能带来的安全风险，两者结合能够有效的减少安全风险问题的发生，故本文利用计算机技术设计基于 BIM 模型的施工安全风险知识库的应用系统，为安全施工提供指导。
5.1.1 识别系统框架
基于 BIM 模型的深基坑施工安全风险识别系统框架主要由以下两部分组成：
一是对工程对象、工作安全分析、事故经验总结、规范条文等安全施工的相关知识进行系统地存储，构建深基坑施工安全风险知识库，此知识库已在本文第四章构建完成；
二是在 BIM 技术的基础上，将施工安全风险知识库与 BIM 模型对接，实现对构建的深基坑施工安全风险知识库的具体应用，其实质是在施工前期，基于施工方案等利用 BIM 技术构建深基坑三维模型，然后应用施工安全风险知识库中知识或规则检查优化调整施工方案，识别深基坑工程中某工程对象本身在施工过程中存在的安全风险因素及特定场景下的工程对象和关联工程对象之间可能存在的安全风险因素，其中有些是在施工过程中无法避免的，这时我们应该提前做好预控措施尽量将风险控制在最小范围内，还有一些施工安全风险因素可能时由于施工方案自身缺陷导致的，这时我们可以针对 BIM 识别结果对施工方案进行调整优化，避免在施工过程中出现此类风险。在识别安全风险这个过程中，关键在于针对某一工程对象，如何对施工安全风险知识库中的相关安全知识进行查询提取，并将识别结果进行可视化展示。本章主要是利用 Revit 二次开发平台 VisualStudio，通过提取工程对象的属性信息和空间拓扑关系信息，来实现识别结果的可视化，并在此基础上，调整和优化施工方案，指导安全施工。
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6 结论与展望

6.1 结论
本文主要从集成 BIM 技术与深基坑施工现场安全管理的角度进行分析和研究，通过研究扎根理论、拓扑关系等相关理论，总结出深基坑施工过程中的各类安全风险因素，结合深基坑施工安全风险知识库的存储功能及 Revit API 二次开技术，在施工前期对活动对象进行安全风险识别，并将安全知识可视化，为安全施工提供数据支持。为了提高深基坑施工现场安全管理水平，本文根据风险因素识别相关理论对深基坑施工现场存在的安全风险进行识别，并总结出相应的施工安全风险预控措施；其次，依据知识库相关理论，对上述安全风险知识进行分类构建深基坑事故安全风险知识库；最后，利用 Revit 二次开发技术，提出了基于BIM 的深基坑施工安全风险识别系统，以实现对安全风险知识库的充分利用，并用实例验证了风险识别系统的可行性。本文主要研究结论归纳如下：
（1）本文在分析工作安全分析、扎根理论的基础上，通过施工安全规范分析、工作安全分析及安全事故统计分析相结合的方法对深基坑施工安全风险进行识别，能够较为全面的得出工程对象在施工过程中因其自身因素及动态施工环境因素造成的安全风险，并结合工作安全分析等多种风险识别方法对深基坑施工过程中的安全风险进行识别能够使识别结果更全面，更有利于指导安全施工。
（2）为了适应深基坑工程动态变化的施工过程，降低一定范围内其他工程对象施工对本工程对象施工造成的影响，本文提出了面向空间拓扑关系的安全风险识别，将造成安全风险的动态物理信息转化成空间拓扑关系，在此基础上结合相关规范等总结出相应的施工安全风险预控措施，能够在一定程度上控制不同施工阶段、不同施工范围内的安全风险。
（3）文章对总结出的安全知识进行分类并选择合适的知识表示方法，利用Microsoft Access 2019 数据库对安全事故案例、工程对象拓扑关系等安全知识进行存储，并对知识存储型数据表及表间关系进行设计，构建了深基坑施工安全风险知识库。该知识库的构建能够辅助项目人员在施工过程中根据不同条件进行查询调用，以指导施工现场安全施工，为深基坑安全管理提供数据支撑。
参考文献（略）