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1引言

近年來隨著我國地鐵工程建設規模的不斷擴大，地鐵工程施工安全事故也時有發生。由于地鐵工程施工環境復雜，可以利用的空間十分有限，密集的施工機具，以及施工人員、建筑材料和作業內容容易導致安全隱患。傳統的安全管理技術難以滿足地鐵工程的施工過程，需要更加高效，高科技的集成管理技術對地鐵施工項目進行全面的、系統的、現代化的安全管理與控制。建筑信息模型(BuildingInformationModeling，BIM)是以工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性等特點。BIM可以為地鐵施工的信息化提供基礎，讓地鐵施工控制更加信息化、自動化、科學化和標準化，在帶動地鐵施工效率提升的同時，也能降低施工安全隱患。基于建筑信息模型的地鐵施工安全技術創新不僅可為施工作業的全面管理提供依據，而且對提升施工現場安全水平、消除施工中的安全隱患具有積極的意義。但是，與一般技術創新活動不同，地鐵工程施工的安全技術創新需要業主、設計院、施工企業等多個參與者的共同努力才有可能取得良好的效果。BIM技術的應用是一個復雜的系統，不能在單個企業內部完成，只有依靠業主、設計院、施工企業和其他機構之間的技術合作才能取得成功。因此地鐵施工安全技術創新績效具有較高的不確定性，它不僅僅依靠BIM技術支持，同時與所有參與者的技術與管理水平有關，具有一定的風險，需要采取一種適當的方法對地鐵施工安全技術創新績效進行分析和評估，但是目前國內外關于該方法的研究還十分缺乏。貝葉斯信念網絡(BayesianBeliefNetwork，BBN)作為不確定性知識表達和推理的主導技術，近年來在風險分析和績效評價等方面得到了比較廣泛的應用。Martin等通過識別建筑工地上空高處墜落事故的風險因素，構建了墜落安全風險的貝葉斯網絡模型，主要采用問卷調查建筑工人的方式來分析工程施工的不安全因素。Matias等人比較了貝葉斯網絡和其他專家系統技術在風險分析和預測方面的功能，得到貝葉斯網絡具備相對更好的風險預測和解釋能力。EunchangLee等將貝葉斯網絡運用到造船工程的風險分析，提出一套基于貝葉斯網絡的評價流程。周國華等人以京滬高鐵工程為例，采用貝葉斯網絡對工程項目的質量控制因素進行了分析。汪濤等人通過分析風險事件與風險因素之間的關系，并結合施工現場的安全管理能力，采用貝葉斯網絡來評估安全風險事件發生的概率。但是，對于貝葉斯網絡在技術創新績效分析與評價方面的研究，目前還非常缺乏，僅僅針對狹義的技術創新方式提出了一種基于動態樸素貝葉斯網的風險識別方法，而貝葉斯網絡在工程建設技術創新績效分析領域的研究，目前國內外尚未有其他相關文獻報道，我們前期曾利用貝葉斯網絡提出一種建筑技術創新風險評估方法，但還有待進一步的研究。本文采用將專家先驗知識與數據學習相結合的方法，建立地鐵施工安全技術創新的貝葉斯信念網絡模型，為安全績效分析提供一種新方法。

2地鐵施工安全技術創新績效的系統分析

對于地鐵施工安全技術創新而言，通常不能由單個施工企業完成，它不僅受到業主的極大影響，而且還受到其他參與者的影響。目前我國實際工程中一般由一家專業技術咨詢公司提供BIM技術支持，業主負責地鐵項目的全面管理，設計院、施工企業等其他單位各司其職，共同完成地鐵項目建設與技術創新任務。BIM技術通過三維可視化功能再加上時間維度，可以對地鐵工程進行虛擬施工，及時發現安全隱患，同時進行有效協同，設計、施工和業主都可以對工程項目的各種安全問題和情況及時掌握和溝通協調。業主是技術創新的首倡者、投資者和主導者，同時也是地鐵工程技術創新的直接和主要受益者。業主一般出于提高地鐵工程安全性的考慮開展技術創新活動并提供資金支持。業主在技術創新活動中具有主導作用，其他技術創新參與者一般都由業主選定，業主在地鐵施工技術方案比較等關鍵事件上都具有決定權，主導技術創新的全過程。因此，業主的技術能力和管理能力對BIM技術的應用效果具有重要的影響。但是業主通常并不能承擔BIM技術創新的具體事務，具體工作必須依賴設計院、施工企業、BIM技術咨詢公司等技術創新主體來完成。設計院在技術創新過程中發揮著非常重要的作用，設計院是地鐵工程技術創新中多種技術的集成者，一般情況下，不同的專業技術難題分別由不同的參與企業或機構來負責，但這些不同的技術成果都需要通過設計院的設計方案來集成和綜合，并轉化為設計圖紙才能應用于地鐵工程實踐。就BIM技術而言，BIM最直觀的特點在于三維可視化，利用BIM的三維技術在前期可以進行碰撞檢查，優化工程設計，減少在施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性，而且優化凈空，優化管線排布方案。此外，設計院還必須解決地鐵施工安全技術創新過程中與設計相關的重要技術問題，設計院不僅要對設計文件的安全、經濟等合理性負責，還需要提出相應的質量控制指標，指導和配合施工企業。因此，設計院的技術能力和管理能力對技術創新績效具有重要的影響。施工企業是技術創新活動的具體實施者，地鐵施工人員需要利用碰撞檢查和優化后的三維設計方案進行地鐵施工交底和施工模擬，提高地鐵施工安全性和與其他參與者的溝通能力。對于地鐵工程施工來說，空間是有限的，每一個施工工序在進行的時候必須有足夠的空間來進行施工活動，如機械臂長的旋轉半徑，施工人員的活動半徑，如果這兩者在作業時的空間上產生了沖突，就容易導致安全事故。因此在開工之前可以利用BIM進行動態施工模擬，預測可能存在的問題，優化機械行進路線和人員活動范圍，減少安全事故發生的可能性。通過BIM技術結合施工方案、施工模擬和現場視頻監測，減少地鐵工程質量和安全問題。BIM新技術的應用效果最終還要取決于施工企業技術能力和管理能力的水平。BIM技術咨詢公司是該項技術創新活動最為重要的技術支持者，一般是接受業主的委托創建BIM數據庫，為業主、設計院和施工企業提供支撐地鐵施工安全管理所需的數據信息。BIM數據庫包括大量的工程相關信息，可以為地鐵工程施工提供數據后臺的巨大支撐，BIM中的項目基礎數據可以在各參與企業之間進行協同和共享，地鐵施工工程信息可以根據時空維度、構件類型等進行匯總、拆分、對比分析等，保證地鐵施工基礎數據及時、準確地提供。為施工企業制定精確的安全控制計劃提供有效的支撐，使業主、設計院和施工企業的工程技術人員對各種施工工程信息做出正確理解和高效應對，為參建各方提供協同工作的技術基礎，從而減小安全風險，實現對施工安全風險的有效控制。因此，BIM技術創新績效在很大程度上還取決于BIM技術咨詢公司的技術支持水平。根據以上分析，并結合我們前期相關的研究成果，本文提出13個地鐵施工安全技術創新績效影響因素，見表1。其中安全技術創新績效是目標變量，它是希望通過技術創新活動影響的最終變量，是希望改進的目標。“干預變量”是為了達到目標變量而施行的技術創新活動，即BIM技術支持，包括無BIM技術支持、一般的BIM技術支持和良好的BIM技術支持水平三個等級。“實施因素”是直接影響安全技術創新活動是否成功施行的變量，包括業主、設計院和施工企業的技術能力和管理能力，他們的影響會通過中介因素作用于目標變量。“中介因素”是聯系實施因素、干預變量和目標變量的因素，即實施因素和干預變量要通過中介因素傳導其作用，而中介因素對目標變量有直接影響。就BIM技術創新而言，它對安全績效的作用主要通過優化設計方案，優化施工組織和加強溝通協調來完成。“控制因素”是外生變量，不隨干預而改變，但它對于目標變量具有重要的影響，包括項目規模和項目復雜性，在模型中需要加以體現

3模型構建

3．1數據采集

為了確定各因素和節點之間的因果關系，我們采用結構性問卷調查來獲取相關數據。調查以地鐵工程項目為單位，采取郵寄或E-mail的方式來發放調查問卷或收集調研數據，然后通過半結構訪談的形式進行補充。調查對象主要是具有5年以上工程實踐經驗的業主、施工企業、設計院和咨詢公司的相關工程技術人員，包括全面了解地鐵施工安全技術創新整體狀況的高層管理人員(如總工程師)，以及與工程新技術直接相關的管理人員或技術人員(如工程技術部經理或工程師等)。調查對象的構成為業主方占15%、設計方占18%、施工方占37%、技術服務方占16%、其他占14%。本次調查共發放問卷136份，在剔除了連續雷同或人為固定模式答案等無效的問卷后，共取得有效問卷63份，問卷的有效回收率為46．3%。

3．2貝葉斯網絡結構的建立

相關研究表明，利用專家先驗知識的臨時因果關系圖與相關性分析相結合能夠較為有效的構建系統要素之間的因果關系。我們借鑒這種方法來確定技術創新貝葉斯網絡的系統結構，首先以文獻調研與專家調查為基礎來建立系統要素之間的初步因果關系圖，然后采用數據樣本進行相關性分析，依據相關系數的大小來鑒別要素間的強聯系。雖然相關性分析結果不能直接判定因果關系，但可以作為旁證來降低系統網絡的復雜性。我們通過調查地鐵施工技術創新的專家知識為基礎，對各個因素的邏輯關系進行了判斷，建立了系統各個要素之間的初步因果關系。

3．3貝葉斯網絡的數據學習

在確定了貝葉斯網絡的結構以后，采用NETI-CA軟件提供的案例學習功能進行案例學習，獲得各個節點之間的條件概率分布，然后得到完整的貝葉斯網絡模型。

4案例分析

4．1案例背景

某市地鐵1號線某標段工程建設擬采用BIM技術。該標段中的車站工程為該城市軌道交通1號線一期工程的中間站。車站沿街南北方向呈“一”字型布置，道路寬度約為20m，周邊主要為商業建筑，基本臨街建立，人流量大。有效站臺長118m，標準段總寬為18．7m，車站形式為地下2層9m島式車站，還設有降壓變電所。車站主體的建筑面積為8342m2。基坑埋深18．75m，頂板覆土厚1．5m，不設中柱，橫向為兩層單框架結構。車站工程的主體采用蓋挖逆筑法施工，維護結構工程采用800mm的地下連續墻，與400mm厚的側墻疊合形成永久性結構側墻。車站主體結構的各層板同時作為基坑開挖期間的內支撐體系。根據區域地質資料和前期巖土工程勘察報告，擬建車站工程的場地斷裂和褶皺不發育，巖層主要是較緩的單斜構造，巖層層面比較穩定，產狀比較平緩。該地鐵項目由該市軌道交通集團有限公司投資建設管理，工程設計由中鐵建設集團所屬專業設計院完成，土建和安裝工程由中國中鐵集團所屬工程公司承擔，由專業技術咨詢公司提供BIM技術支持。

4．2根節點參數確定

該標段工程總投資超過3億元，工期約3年，其中車站總建筑面積超過1萬平方米，項目規模較大。基坑工程等技術要求高，施工難度大，巖層層面比較穩定、產狀比較平緩，工程地質條件較好，項目復雜度一般。該項目業主為城市軌道交通集團公司，承擔該市軌道交通項目的融資、投資、建設、運營、管理，設立工程建設部、合約部等專業部門，能適應地鐵建設、管理和投融資工作的需要，管理能力較強。但業主單位的專業技術人員數量不多，且相關經驗不足，技術能力一般。工程設計方為鐵路工程專業設計院，從事過大量同類工程設計，設計人員技術水平高，經驗豐富，而且在項目前期初步設計階段就明確將BIM應用于三維綜合管線等設計內容，并成立了相應的BIM技術支持部門，與設計人員共同研究技術方案，對重要技術問題進行三維虛擬，進行優化和改進，因此設計方的技術能力較強。但該設計團隊的組織結構較為松散，內外部協同不夠，設計部門與技術支持部門缺乏統一的組織和溝通，管理能力一般。工程施工方為中國中鐵所屬工程局，承擔過多個同類地鐵項目的工程施工，技術力量強，施工經驗豐富，安全管理能力強，但由于首次采用BIM技術支持，缺乏相應的經驗，普通工程技術人員對BIM技術的熟悉和應用能力還需要提高。施工單位為此組織進行了多次BIM技術知識培訓和技術交底，增強了相應的技術能力，因此施工企業的技術和管理能力一般。技術咨詢方是一家專業致力于BIM技術研究的企業，主要以地鐵和大型建筑的三維綜合設計、施工組織優化，三維虛擬，碰撞檢查等技術咨詢為主要經營方向，承接過多項鐵路和地鐵行業的三維建模和綜合設計項目，承擔過地鐵工程三維虛擬和設計優化相關科研項目并通過專家驗收，能夠解決管線碰撞、檢修空間、調優、施工工序、運行維護等難題，因此該技術咨詢公司的BIM技術支持水平較高。

4．3結果分析

將案例工程的根節點狀態分析結果輸入已經建立好的貝葉斯網絡分析模型后，結果如圖4所示，BIM技術創新對項目組織溝通和協調的改善效果為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;對設計優化為H的概率是63.2%，M的概率是28．4%，L的概率是8．4%，很有效。對施工組織優化為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。案例工程的技術創新績效為H的概率是53．3%，M的概率是30．9%，L的概率是15．7%，因此綜合評估結果為High，績效良好。實際情況是該工程在建設過程中，在業主單位的主導下，一直嚴格按照BIM技術要求和安全管理規范控制施工安全。技術咨詢公司創建的BIM數據庫為業主、設計院和施工企業提供支撐項目安全管理所需的數據信息，項目組織利用BIM數據庫提供的協同工作為基礎，對工程的進展情況和各種安全問題及時掌握和溝通協調，有效的改善了項目組織的溝通和協調水平。設計單位利用BIM的三維技術在設計階段就進行了碰撞檢查，優化凈空，優化管線排布方案，優化工程設計，減少了在施工階段可能存在的安全隱患。施工單位通過BIM三維可視化功能再加上時間維度，在開工前和施工過程中不斷進行動態施工模擬，預測可能存在的問題，優化機械的行進路線和人員活動的范圍，減少了安全事故發生的可能性。雖然在項目前期由于各參與方對BIM技術的理解與應用水平不齊，在基坑開挖過程中曾經出現安全管理問題，但通過及時協調業主、設計和施工企業的技術合作以及BIM咨詢公司的持續改進和技術支持，這些問題都已順利解決，同時還也培養了一批專業技術人員。目前該項目已經進入工程收尾階段，并即將組織工程驗收，在工程施工過程中沒有出現大的安全事故，貝葉斯網絡模型分析的結果與實際情況相比具有較好的符合性。

5結語

本文引入基于貝葉斯網絡的知識表達和不確定性推理，構建了地鐵工程施工安全技術創新績效分析的貝葉斯網絡模型，并通過問卷調查數據的擬合得到了模型各節點的后驗概率分布，模型分析結果與案例工程實際具有較好的符合性，研究表明:

1)基于貝葉斯網絡的地鐵施工安全技術創新績效分析方法以網絡節點的概率來表達技術創新影響因素的不確定性，從而能夠非常直觀和明確地推導出地鐵施工安全技術創新績效的定量分析結果。該方法可以比較充分地利用專家的先驗知識和地鐵施工數據，能夠使推理在工程施工數據不完備的基礎上進行，具有良好的工程應用前景。

2)BIM技術支持水平對安全技術創新績效的產生最為重要的影響，對目前我國地鐵工程施工安全控制具有重要的改善作用;施工企業的技術能力、業主的管理能力和設計院的技術能力對安全技術創新績效產生比較重要的影響;施工方的管理能力、業主的技術能力和設計方的管理能力也對安全技術創新績效產生一定影響，他們在一定程度上影響了BIM新技術的創新效果。

作者:陳帆謝洪濤單位:湖南科技大學昆明理工大學