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4D可视化技术在地铁建设中的应用
Y. Zhou, L.Y. Ding ⁎, L.J. Chen
华中科技大学土木工程与力学学院，武汉，430074
华中科技大学湖北省控制结构重点实验室，武汉430074
摘要
由于地下施工的复杂性，在地铁施工中安全事故频发。由于地铁建设施工是在很拥挤的城市，所以这些安全事故造成的损失非常巨大。因此安全管理在地铁建设中是重中之重。本文提出了一种使用可视化技术进行安全管理的方法，在项目整个生命周期中，将安全管理与施工管理流程相结合，将设计中的建筑施工组件与进度相结合以制定4D模型。 在项目开始实施前，用既定规则的工具分析这些组合信息，自动分析检测出潜在的不安全活动和因素，并提供更正说明。更重要的是，在施工过程中，将现场的实际监测数据与4D模型不断比较，实际现场监测数据在施工过程中与4D模型不断比较。 因此，安全情况的影响条件能够随着状态的改变和潜在的安全风险演变在系统中持续可视。本文表述了一个基于已建成的真实工程项目的研究，研究结果表明，提出的方法可以是一个合成的虚拟分析工具，设计师的预测，现场项目经理，安全工程师和其他参与者。通过实时安全数据分析，能够在项目实施前和实施过程中发现安全风险并且提出预防措施。因此，即时的决策能够避免事故，这也有助于地铁建设项目管理的成功。
第1章 引言
1.1地铁施工现场安全管理
中国地铁建设行业的事故率高，安全问题会带来死亡和经济损失，进度落后，同时也会对社会产生不利影响。据中国财产保险公司统计，截至2006年，中国地铁建设事故的财务损失总计超过8亿元，其中包括2003年由于上海地铁四号线大事故造成的巨大损失。当这一事故发生时，地铁建设事故的经济损失上升至850多万元。由于地铁建设快速发展，近年来事故发生率有所提高。因此，地铁施工中的安全问题成为施工管理研究中的一个非常重要的课题。事故发生的原因主要有工人技术不熟练，忽视安全规定，多变的工作环境，最重要的是缺乏可识别危险行为和不稳定结构要素的先进的安全控制技术和工具。
对地铁施工安全风险评估研究已由世界各地的学者进行。一种基于事件树的研究提出了在设计阶段量化地下施工风险的分析方法。第二基于模拟的安全性评价模型通过将日程管理安全和每项工作的危险度评价相结合识别危险工作。在第三项研究中，对数据进行数值分析被认为是预测挖掘或隧道施工安全状况的有效途径。 另外，研究人员重点关注如何改善现场工作人员的安全环境。但在在中国地铁建筑业的事故率仍然很高。
地铁施工过程中的复杂活动包括以下特点：
- 由于地铁施工现场总是位于拥挤城市的中心，经常会发生相邻建筑物和埋地管道的安全问题; 2）因为地铁施工是在地下区域工作，所以地铁施工的安全状况受地质条件和地下土地行为的影响; 3）地铁建设涉及的建设周期较长，建设的参与者专业不同，彼此间的关系复杂; 4）由于在施工过程中，安全风险程度和受影响的工作区域在不断变化，因此安全控制需要基于空间和时间数据。这些因素的复杂性表明，在地铁施工中应采用4维（3D模型加时间因子，4D）可视化技术进行安全评估。
1.2 可视化技术在安全管理中的应用
可视化技术已被广泛应用于整个生命周期的施工管理研究，研究项目包括：1）向施工队提供解释交底，提高决策能力; 2）明确计划工作和实际实施工作之间的差距; 3）验证现场信息的完整性和准确性。根据Kamat及其同事的研究，建设项目可视化研究主要根植于进度。对于安全控制研究，可视化已被应用到设计阶段，以帮助所有参与者识别施工问题。通过应用于检测工作空间拥挤度的4D CAD技术4D 可以确定潜在的现场安全隐患。一些研究表明，在设计过程中创建的基于BIM的4D模型可以用于在项目后期阶段现场安全规划。此外，虚拟施工模拟可用于施工阶段的碰撞检测。关于运行安全问题，提出了一种将施工中起重机操作可视化和仿真结合起来的实用方法，以帮助操作人员制定规划。一个由4D模型和现场照片组成的4D现实增强模型能够通过提供有益的空间信息和辅助安全培训来促进现场工作人员和管理人员之间的沟通。
其他研究包括Talmaki在AR中使用可视化地下基础设施来避免碰撞提高开挖施工的安全性的研究。 同时，可视化技术也被认为是帮助各种现场工作人员克服文化和语言障碍挑战并监测现场工作人员行为的有效工具。
尽管通过使用可视化技术对建筑设计和施工安全管理的优化进行了一些研究，但这些技术不能直接应用于地铁施工中的安全控制。一个原因在地铁施工中拥挤的市中心环境对于地铁施工的安全评估非常重要。邻近建筑物的结构稳定对施工安全有重要影响。然而，目前的研究只关注建筑物的结构稳定。此外，由于地铁施工过程的动态特性，难以使用和定制可视化工具。而且，在中国地铁施工中大多数事故是塌方。在这种情况下，在进度计划中应对工作场地进行安全评估，以防止重型设备被置于或经过脆弱地区造成地面下沉。此外，不同于其他类似高层建筑的项目建设，地铁建设的风险水平在整个施工过程中是波动的。例如，基坑开挖时的安全风险总是很高，但是在基板施工完成后，其安全风险急剧下降。此外，随着地铁沿线的开挖，受影响地区沿着地铁线不断变化。应用可视化技术来证明安全风险发展模式的研究不多。
本文通过介绍了4D模型的应用和现场安全管理的可视化框架，进而探讨了有助于改善动态地铁施工环境安全管理的可视化技术。此模型应用于作者与施工现场管理人员合作的武汉地铁2号线的施工。有关施工进度的数据和信息是从武汉地铁项目业主方建立的综合信息系统中收集的。 3D模型是根据包括地质报告，建筑图纸和施工图纸的设计图构建的。主要结果表明，安全问题的可视化可以有以下用途：1）促进现场工作人员和管理人员之间互动的沟通渠道;
2）一个用于识别处于危险状态的建筑元素和危险工作区域位置的有效的虚拟工具；
3）一个引入安全监控的新范例的仪表板，他能够通过提供直观的信息来帮助现场工作人员确定哪些结构元件不稳定以及在当前状态下应该避免什么样的行为。
2 研究方法
基于4D模型将施工现场的安全状况可视化，采用案例研究方法，从文献综述和现场调查综合评估出发，对动态可视化框架的潜在应用进行了说明。数据来自日常监测报告、施工方案和客户与承包商提供的CAD文件。
本研究采用四步建模方法：1）通过现场勘测调查城市地铁施工安全控制策略; 2）根据理论研究和现场监测数据，对不同施工程序中的主要风险类别进行分析，对每种风险演变模式进行描述; 3）AutoDeskRevit软件和Navisworks软件建立地铁基坑4D模型; 4）探究4D模型与风险信息之间的关系。
武汉明都地铁站项目用于验证提出的方案。此地铁站在施工阶段未发生重大安全事故。
以下部分将简要介绍四步法的说明和应用。
3 地铁施工安全控制策略
地铁施工安全控制包括一系列措施，包括：1）施工开始前的风险识别; 2）施工过程中的监测，分析和纠正工作; 3）施工完成后风险分析规则的更新。地铁施工安全控制策略框架如图1所示。
根据施工方式、项目方案和施工工序对受影响部件和活动的潜在风险进行分析。初步分析基于专家的经验或历史数据。由于建筑活动与结构要素之间的关系已经纳入4D模型，因此可以将施工过程中各部件的潜在风险严重程度及其不断变化的性质可视化，以显示最危险的部件和受影响的工作区域。因此，现场管理人员和工作人员可以很容易地确定哪些组件和活动有可能导致事故，并能够提前采取行动。考虑到地铁施工的特点，4D模型应显示项目的结构元素和其他受影响部位（如邻近建筑物和地下管道）的实时安全状态和结果警报。在施工过程中，应当进行现场监测，以便通过将项目的监测价值数据与已发布的指南进行比较来评估安全状态。每个组件风险的可视化可以通过将当前相对风险水平高的组件标记为“红色”显示其高风险情况。另外，施工完成后，可以调整风险参数的理论模型来改进模型。
4 基坑施工工序风险分析
地铁建设包括基坑施工和隧道施工。本文对基坑施工的风险分析进行了评估。 基坑施工中存在的主要风险可分为以下几种：1）持力桩基下沉; 2）开挖过程中的滑坡危害; 3）开挖过程中支撑结构变形; 4）地下水冲洗; 5）对相邻建筑物的损坏; 6）断裂保留桩引起的渗流; 7）承压水造成的底部隆起; 8）起重机操作故障。 这些事故的主要原因是施工工序不正确和结构缺陷。
4.1、对缺陷施工操作的风险控制
主要类型的缺陷施工操作包括：1）未按照公布的施工方针进行操作;和2）由空间和资源限制引起的不安全活动。
需要检测出在公布的地铁施工指引中造成项目完成失败的活动。例如在地铁施工开挖后6〜8 h内应竖立钢结构支撑。因此，“竖立第一层钢支撑”活动应确定为安全控制活动，以便系统能够检测何时不发生。图2说明了地铁施工现场发生的一些典型错误。图片由与作者合作的网站工程师拍摄。在施工期间，应对这些确定的活动进行监测，一旦活动偏离了安全规范，相应的3D模型将以特定的颜色标记，以便项目经理可以在施工开始之前轻松识别存在最大风险的地方。该框架如图3所示。
由空间和资源限制引起的危险情况在建筑业中很常见。 一个典型的冲突就是挖掘机的工作区域和现场工作人员的工作区域之间冲突，示例如图4所示。这张照片也是由作者与现场工程师一起拍摄的。对此问题进行研究，提出了时空碰撞检测模型来优化施工方案。这样就可以通过模拟施工过程来检测风险。
4.2、结构性缺陷的安全风险控制
地铁建设中的结构性缺陷风险是随时间和空间演变。每种风险的演变模式是不同的。然而，分析过程是一样的。以下段落详细分析了“挖掘程序中的滑坡危害”和“开挖程序中的支撑结构变形”的可能性增长曲线。
所采用的挖掘方法是在挖掘过程中将基坑分为几层的分层分割开挖（见图5）。通常，在具有支撑结构的基坑中，使用开放式施工方法。施工阶段始终分为四个阶段：1）施工排水阶段；2）土方阶段；3）结构施工阶段；4）结构施工后阶段。因此，可以通过这些共同的施工阶段来分析风险不断变化的模式。当然，将这种类型的分析应用于其他类似的项目时，每个阶段都可以更具体地细分。
开发了一种分析每种风险发展模式的方法。 该方法包括以下步骤：1）按照国家安全生产法规和公式计算结构稳定性; 2）研究计算公式中的变量; 3）分析整个施工阶段不同变量的变化趋势; 4）计算每个风险的可能性，考虑每个变量的趋势; 5）根据发生的可能性论证风险模式的增长曲线的变化趋势。
4.2.1、 地下开挖中的滑坡危害
由于排水能力差，负荷超载和其他因素，在基坑施工过程中存在滑坡危害。 根据建筑基础设计规范（GB50007-2002），应计算滑动安全系数。该原理如图6所示。
其中：
-滑动安全系数（应不小于1.2）
C0-土壤内聚力
phi;0-内摩擦角
W-挡土墙的重力
B-挡土墙宽度
-主动土压力
-被动土压力
在基坑施工过程中，除了其他因素保持不变。 因此，是最重要的因素，它影响了KHL的值。单层土壤的被动土压力可以
由公式 计算得到。
其中：
D-基坑底部深度 -基坑内土的重量 静止土压力系数
对挖掘程序中滑坡危害概率的理论分析如下：
（1）排水阶段
在基坑排水阶段，由于水已被泵出井外，土壤的重力和被动土压力将会降低。因此，滑坡危害的可能性将显着增加。
（2）土石方
在图6中，h代表挖掘深度。随着h的增加，D将不断下降。同时，gamma;和Kp保持恒定。因此，Ep和KHL值都下降，导致滑坡危害的可能性增加。显然，在第一层挖掘过程中，滑坡危害的可能性迅速增加，然后在架设钢架后加速得更慢。当结构工程开始时，D值达到最小值，因此滑坡危害的风险达到最大值。
3）结构施工阶段
在结构工作阶段，基坑结构的完整性得到提高。 同时，由于重力的增加，Ep的值增加。 因此，滑坡危害的风险逐渐降低。
（4）结构施工后阶段
结构工程完成后，基坑底部将产生较大压力，该载荷转化为土压力，基坑结构稳定。 因此，滑坡灾害的风险消失。
根据理论分析，可以得到滑坡危害概率的增长曲线，如图7所示。
然而，在实际施工过程中，由于材料堆积、起重机和工地上的车辆、恶劣天气等因素引起的荷载改变，主动土压力不断变化。因此，在施工过程中应持续监测主动土压力值 。 例如，在基坑施工过程中应监测垂直位移、水平位移和土体压力，以避免地铁施工中的滑坡危害。对于每种类型的监测项目，可以根据监测值绘制变化曲线（见图8）。 当实际监测值接近预警值时，表示风险较高。 因此，可以通过每个项目监测数据修改不利风险的临界增长曲线。
4.2.2 基坑开挖中支撑结构变形的风险
基坑开挖的不同施工方法产生支撑结构变形风险的不同增长模式。 开式方法的分析如下所示。 由于轴向预应力，偏心载荷，设计缺陷或其他原因，支撑结构可能会变形，弯曲或塌陷。 根据“钢结构设计规范”（GB 50017-2003），可以计算钢支
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