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BIM及CA技术在水利工程安全 管理中的应用研究

   日期:2022-11-11     来源:www.jiuzhicao.com    作者:未知    浏览:991    评论:0    
核心提示:1.绪论11.1研究背景、目的及意义11.1.1研究背景11.1.2研究目的及意义31.2国内外研究近况41.2.1危险源辨别研究近况41.2.2BIM技术国内外研究近况51.2.3职员疏散模拟研究近况61.3主要研究办法、内容与技术路线71.3.1研究内容71.3.2研究办法
1.绪论 11.1研究背景、目的及意义 11.1.1研究背景 11.1.2研究目的及意义 31.2国内外研究近况 41.2.1危险源辨别研究近况 41.2.2BIM技术国内外研究近况 51.2.3职员疏散模拟研究近况 61.3主要研究办法、内容与技术路线 71.3.1研究内容 71.3.2研究办法 81.3.3技术路线 92.基于BIM的危险源辨别基本理论 102.1水利施工现场安全管理基本理论 102.1.1危险源的定义、构成要点及特点 102.1.2水利工程危险源的类别 112.1.3施工现场容易见到的危险源 122.1.4事故发生机理 132.1.5现阶段工程安全管理体系的近况剖析 142.2施工现场危险源辨识理论 142.2.1危险源辨别的定义及原则 152.2.2危险源辨别的依据 152.3.4危险源辨别的办法 152.3 BIM技术在危险源辨别中的应用 172.3.1BIM技术在施工安全管理中的优势 182.3.2BIM技术在安全管理中的应用 182.3.3BIM技术的适合性剖析 202.4基于BIM技术的危险源辨别办法 222.5本章小结 233.基于BIM的危险源辨别系统 243.1水利工程施工危险源辨别系统策略设计 243.2危险源辨别信息数据库的构建 253.3基于BIM技术危险源辨别系统模块构建 303.4基于BIM技术的危险源辨别 333.5本章小结 364.职员疏散模拟研究基本理论 374.1职员应对疏散模拟研究 374.1.1职员应对疏散模拟的定义 374.1.2职员疏散场地选取及特征 374.1.3职员疏散的主要影响原因 384.1.4疏散指示灯的设计理念 384.2疏散模型的选取 394.2.1现阶段常用疏散模型 394.2.2元胞自动机模型 394.2.3经典元胞自动机模型——生命游戏模型 414.3本章小结 425水电站厂房疏散指示灯优化布置 435.1疏散模型的打造 435.1.1模型的基本假设 : 435.1.2疏散速度与时间 445.1.3职员疏散的基本运动规则 445.1.4疏散照明指示灯引入剖析 455.1.5疏散模拟步骤图 465.2典型案例剖析465.2.1水电站厂房介绍 465.2.2水电站厂房职员疏散模拟及剖析475.3本章小结526.结论与展望 536.1结论 536.2展望 53参考文献55作者介绍 59致谢 601-1研究背景、目的及意义1.1.1研究背景目前世界不少国家都在修建各种水利工程解决人口增长过快、可借助水资源不足、 城镇供水紧张、能源短缺等重大问题,同时水利工程在防洪、供水、灌溉、发电等多 方面起着举足轻重有哪些用途。国内在水利建设固定资产投资总体也呈上升趋势。依据全 国水利进步统计公报信息可得,2018年水利建设完成投资6602.6亿元,其中建筑工 程完成投资4877.2亿元,安装工程完成投资280.9亿元,机电设施及各类工器具购置 完成投资214.4亿元,其他投资(包含移民征地补偿等)1230.1亿元,近年来水利固 定资产完成投资状况详见表1.1和图l.lo表1.1水利固定资产完成投资状况表Tab. 1J A statement of completed investment in water conservancy fixed assets2011 年(亿元) 2012 年(亿元) 2013 年(亿元) 2014 年(亿元) 2015 年(亿元) 2016 年(亿元) 2017 年(亿元) 2018 年(亿元) 2018 年 比上年增 加比率%全年完成 3086. 0 3964. 2 3757. 6 4083. 1 5452. 2 6099. 6 7132.4 6602. 6 -7.4建筑工程 2103.2 2736. 5 2782.8 3086.4 4150.8 4422.0 5069.1 4877. 2 -3.8安装工程 121.7 237.8 173.6 185.0 228.8 254.5 265.8 280.9 5.7设施及各 类工器具 购置 115.2 17& 1 161. 1 206.1 198.7 172.8 211.7 214.4 1.3图1.1水利固定资产完成投资状况Fig. 1.1 Completed investment in water conservancy fixed assets近年来国内愈加看重工程建设的进步,同时,水利工程的安全运行也需要 得到大家的看重。不同于建筑行业、挖掘行业等事故多发行业,水利工程一旦发生事 故,将会导致很大的影响。三峡水电站开工建设以来,施工事故致死150人,伤2080 余人,就水利工程发生事故的种类分为以下几类:高空坠落、物体打击、坍塌、起重 机械伤害、触电等,事故大概占比状况见图1.2o导致事故的重要原因多为施工现场 的安全监督不到位,出现违规操作的状况;现场施工职员安全专业常识不足;各单位 职责不清,有关安全保障体系不健全等。这样来看,水利水电工程在施工安全管理方 面依然形式严峻⑴。图1.2水利工程生产安全事故种类状况Fig. 1.2 Types of production safety accidents in water conservancy projects国内水利部颁布的《关于2014年水利生产安全事故状况的通报》,2014年水利 行业共发生生产安全事故12起,死亡18人,其中发生较大事故2起,死亡6人;未 发生重特大生产安全事故。与2013年发生的22起死亡事故、死亡36人(其中,较 大事故6起、死亡16人)相比,事故起数降低10起,死亡人数降低18人(其中, 较大事故降低4起,死亡人数降低10人)。2015年到今天,未再出现重大伤亡事故, 但国内对引发事故的危险源依然高度看重。2020年12月水利部制定了《水利水电工 程(水电站、泵站)运行危险源辨识与风险评价导则(试行)》进一步加大对危险源 的控制,以便于水利工程的安全管理与运行。工程的安全管理包含对危险源的辨别与掌控、事故发生时的职员疏散与施工安 全交底等。在建筑、水利等行业内,BIM (Builpng Information Modeling,建筑信息 模型)技术的进步和应用推进有关行业发生一场技术革命。BIM技术应用在工程全生 命周期,摆脱了设计阶段的二维图纸,施工阶段可以动态演示施工进程以保证工程的 顺利进行。同时BIM信息平台改变了以往多使用口头形式或文本形式的信息交流与 传播,解决了“信息孤岛”和“信息中断”两个重要问题%在BIM技术中,Revit三 维建模摆脱了平立剖的图纸,不仅能够将王程模型直观展示出来,还可以保存模型信 息。VR (VirtualReality,虚拟现实)技术结合BIM5D可以将工程在设计阶段完美模 拟,Navisworks与Revit模型进行碰撞测试,可对设计策略进行查漏补缺,BIM技术 为危险源辨别提供更高的平台。水利工程建设需要很多的人力、物力、财力的支持,投入用可以为国内带来巨 大的经济效益,保证水利工程如期完工是重中之重。只有提升水利工程施工安全性, 才能降低事故的发生,因此预防事故的发生或减少其带来的伤亡看上去特别重要。但事 故的发生具备不确定性与突发性,当发生紧急状况时,尽快引导职员疏散才能最大 限度的保障职员生命财产安全,防止产生更紧急的后果。对于传统的疏散研究是大家 进行大规模演习,结果不准确的同时还会耗费巨大的人力物力。伴随电子信息技术的 进步,学者们研究出不少成熟的疏散算法与模型,如元胞自动机模型⑶、社会力模型、 格子气模型等,其中元胞自动机模型演化规则与疏散个体在疏散时的运动观则相似。 因此本文借助元胞自动机模型对事故发生时的职员疏散状况进行模拟,提髙大家安全 疏散意识,减少事故发生时所带来的损失。因此,在BIM技术进行危险源辨别基础 上,借助计算机自动化办法对水利工程在突发状况下的职员紧急疏散进行有效模拟优 化,可以大大提升工程的安全管理水平。1-1.2研究目的及意义现在国内水利工程施工安全性没办法得到充分保证,缘由之一便是使用CAD设计 二维图纸,导致数据记录不便捷,纠错困难,应用于施工时,没办法提前辨识危险源。 BIM技术具备强大的信息处置能力和有关软件,可以解决CAD中数据记录不便捷、 图纸数据不直观等问题,借助revit对工程进行三维建模,将工程模型直观展示出来, Navisworks可以达成对工程全生命周期进行模拟,对各模块进行碰撞测试,可对设计 策略进行查漏补缺,BIM技术为危险源辨别提供更高的平台。水利工程一旦发业务外,不只会对周围环境导致破坏,还会使工人群体陷入危险, 混乱的施工现场会使工人逃离危险的几率大大减少,更好更快更安全的疏散人群、保 证职员安全、将损失降到最低是重中之重。在紧急状况下,疏散环境与职员的特质会 对疏散个体产生很大的影响,疏散个体的特质不同,便会对逃生做出不一样的反应。元 胞自动机(CA)是概念在在一个由具备离散、有限状况的元胞组成的元胞空间上,并 根据肯定局部规则,在离散的时间维上演化的动力学系统⑷,它的运动规则更符合人 员疏散的规律与特质,通过用元胞自动机模型可以使职员疏散得到更好的优化,从 而大大提升职员的安全意识,可以针对模拟所展示的问题提前做出改进手段,以减少 事故导致的损失。综上所述,应用BIM和数据库技术辨别复杂水利工程危险源,用元胞自动机 进行应对疏散模拟,对提升水利工程施工安全性和优化水利工程突发事件应对模拟具 有要紧的实用价值及意义。1.2国内外研究近况1.2.1危险源辨别研究近况1.2.1.1海外危险源安全管理研究近况关于危险源辨别和风险评价的研究,海外发达国家研究较早,并且获得了较大的 收获,他们在危险源管理方面的研究也较为成熟。早年美国的约翰逊等人提出并打造 系统安全理论,他们觉得世界上没绝对安全的事物,任何的活动和行为都会有危险 原因存在。他们将可能给人带来伤害或者致使事物损毁的各种原因成为危险源,其造 成的损伤称为危险性,用危险度来衡量[%美国学者Hinze通过统计剖析美国20年 的建筑事故数据发现一些规律,觉得高处坠落是建筑业的最重要危险源,加大防范是提 高建筑安全的要紧渠道⑹;同时他还指出大家更应该看重建筑行业的危险源及辨识, 并且准时解决产生的问题,建议将传统意义上引发事故的物种原因扩展到二十种⑺。 美国学者Petersen提出了复核因果论,并在模型中发现了不少不健全的地方,如管理 中的规章规范、程序、职员培训等方面,这类方面比较容易致使安全事故发生〔^Swanson 等觉得,危险源可能存在于人类的各项活动中,预防事故的最好的方法就是控制危险 源[9〕。海外不少国家早在上世纪就已经提出重大危险源的有关定义。1974年,一场重 大安全事故发生在英国的弗克斯堡工厂,导致了很大的损失[⑼。英国健康和安全委员 会为了可以更好的完成对重大危险源的辨识、风险评价和管控等工作〔⑴,专 门成立了重大危险源咨询委员会。早在1988年《重大危险源控制手册》中就规定了 危险源的辨别办法与评价标准[⑵。1993年国际劳工大会在《预防重大工业事故》公 约和建议书中提出了得到很多国家认同的“重大风险设施”的概念[⑶。伴随工程安全 标准的提升与研究的深入,危险源辨别与评价也渐渐走向成熟。1.2.1.2国内危险源安全管理研究近况国内对安全系统管理的研究比海外发达国家开始较晚,20世纪80年代初期国内 才开始对危险源的辨识、评价和管控工作进行研究[⑷。在此之后,国内各安全部门相 继颁布了关于危险源辨识和评价的规范,降低了事故的发生,也保障了生命和财产安 全[⑸。同时,《重大危险源辨识》及《职业健康安全管理体系规范》 的颁布推行,使得危险源的辨识、评价和管控工作有了肯定的 依据[⑹。现在,危险源的辨识与评价愈加被安全管理部门所看重,理论也愈加成熟, 获得的成效渐渐趋于显著,其成就的应用开始得到有关部门的看重和强调,使得危险 源的研究可以得到更好的拓展。陈宝智教授等人在1995年提出了两类危险源的定义、 划分理论和原则,为日后危险源的研究工作奠定了基础[⑺;罗云教授在陈宝智教授的 理论基础航又提出了致使事故发生的四种危险原因〔冈;田水承教授则提出了三类危 险源理论,为危险源的辨识研究提供指导[闵。建筑企业打造安全管理体系的要紧原因之一是对危险源进行有效准确的辨别,所 以不少学者就此提出了不少建议与建议。清华大学的华燕等人觉得有必要在企业的总 部和项目部打造安全管理标准化,并提出了打造安全管理标准化的具体办法〔2叭黄福 艺觉得在施工危险源辨别过程中应考虑如职业健康安全法律法规、类似已发生事故的 信息、事故事件信息、施工现场物理和化学方面的问题0】。本文基于对危险源有关数 据的整理,通过对Navisworks的开发完成与Access数据库的对接,并达成对危险源 的辨别与记录,加大了危险源辨别的全方位性与准确性。1.2.2 BIM技术国内外研究近况美国对建筑信息化的研究开始较早,有关BIM的研究与应用也坐落于世界前茅。 2007年BIM在工程建设行业用比率是28%,到2012年已经增长到了 71%,同时 用BIM的承包商比率高达74%,超越了用建造师和机电工程师的比率。BIM技术与建筑结构安全方面,Debra等国〕确定一种新的钢结构构件模型打造的 办法,通过扫描钢结构构件来获得其数据并与BIM相匹配,从而打造模型产该办法 所需时间比现在所用的构件模型办法缩短不少,同时也保证了模型的准确性。Wu 等[23]设计了一个数据交换系统,使数据可以在BIM与CFAST之间动态交换,同时对 烟雾和失火进行模拟,为日后建筑物在防火性能反面提供了数据基础。廖思博等Bl使 用Navisworks软件设计了风险剖析与风险报警模块,通过BIM达成了对风险信息的 剖析与处置,构建了安全风险预警系统,并且在郑州综合交通枢纽地下工程中得到了 应用。李海涛等a〕研究怎么样通过BIM对施工过程进行安全管理,减少项目的风险。 同时打造了施工安全管理模型的框架,并以塔吊为例重点剖析了基于BIM的安 全管理应用和坠落风险的控制。BIM技术与安全规则方面,Wetzel等还〕人参照肯定的规范开发了一种安全框架, 其通过用BIM技术来辨别和分类设施的属性,并在管理阶段进行维护和维修。 Jennifer Downey等〔勿开发了一种名叫Model Checker的软件用来消除施工过程中可 能出现的风险。这款软件可以剖析设计的模型尺寸等方面是不是符合规范的需要,若有安 全隐患就会在施工过程中标出,一旦辨别出风险或致使风险的原因,就能依据所提 供的数据资料通过经验变更设计或改变施工工艺等从而达到消除风险的目的。这款软件 已经成功的帮忙建筑模型确定不同等级灭火器的布置。樊超SI对高层建筑施工中常 见的危险源进行辨别同时应用BIM技术对施工安全管理进行剖析,得出准确辨别和 控制危险源的办法。BIM技术与风险辨别方面,Kim等等人对有限空间内工人安全的问题进行了研究。 他们开发了一个基于BIM技术和无线传感器技术的系统,通过该系统接收数据以达 到远程监控的目的。通过嵌入建筑物的传感器传输回revit模型并生成数据库,达到 可视化的成效,从而在必要时可以随时通过主管检索储存在数据库中的数据。该系统 可以对工程进行智能监控,从而更好的对危险源进行管控。陈永高卩1]等在物联网和 BIM的基础上打造了安全预警框架,提出了可以有效定位危险源的地下工程风险识 别办法,开发岀一项地下施工安全控制技术,该技术可以达成自动监测、实时预警等 功能,并能将监测数据、预警信息实时反馈给施工职员,从而达成对风险的控制,保 障施工的安全。车谦[珂通过引入BIM技术对项目进行风险研究。研究借助Navisworks 作为平台,以IFC数据作为标准,通过C#语言开发预警系统原型并验证。张永康[3习 等应用BIM技术对工程安全管理阶段进行研究,找到存在的问题并对安全管理步骤 进行改进,为BIM技术在安全管理体系的应用提供参考。伴随国内外学者对BIM的研究越加深入,BIM技术的应用也愈加广泛,目前 也不单单只出目前早期的建模方面,更对BIM进行了二次开发,通过BIM的二次开 发与频射辨别技术、FUZOR等软件的结合,达成危险源的自动辨别、施工全生命周 期的掌控、安全预警、职员疏散等,为安全管理软件提供了便捷。在工程的安全管理 方面,危险源海量,是事故发生的根本原因,所以本文基于BIM技术并结合FUZOR、 计算机自动化技术,对施工过程中的危险源进行辨别,从而减少工程发生事故的概率, 保证工程的安全。1.2.3职员疏散模拟研究近况伴随计算机技术和AI的进步,基于计算机技术的职员疏散逃生模拟也得到 飞速的进步和广泛地研究。现阶段有60多种模型和软件用于职员逃生疏散和职员流 动的研究〔判。其中容易见到的模型有社会力模型[35-38]、格子气模型卩940]与以元胞自动机 模型(Cellular Automation,简称CA)⑷⑷]为代表的离散模型。元胞自动机模型具备 计算规则容易和计算效率高等特征,使其成为用于模拟职员疏散最广泛的模型之一。 元胞自动机模型是一种在空间、时间与状况均离散的模型,由于其不依赖严格概念 的物理或数学公式而打造,所以该模型具备计算效率高,办法容易等特征,一般作为 职员逃生疏散的模型之一。海外关于职员疏散的研究渐渐从疏散时间进步到其他方面。Alizadeh^]针对有障 碍物的房间进行了职员疏散模拟,并且该模型中考虑到了职员的特质与分布、出口的 特质、障碍物的地方与房间内部光线等对疏散过程的影响。Kirchner^】等人提出了 基于元胞自动机的动态职员疏散模拟过程。该研究发现了疏散时间的长短与职员坐落于 出口处的拥挤程度和出口静态吸引力的大小都有关系,而不是与某一个量呈线性关系。 在研究中该模型没考虑职员的恐慌、个体竞争优势等行为原因,只不过模拟了一个较为 容易的疏散情景,该模型的特质与社会力模型在某些方面有肯定的相似性。Varas等 〔47〕打造了拥有固定障碍物的疏散模型,通过使用二维的元胞自动机来进行疏散模拟。 在模拟疏散的过程中考虑到了职员“恐慌”、从众心理、原地等待与职员之间发生 冲突后随机选择等不确定原因。同时在模拟过程中针对疏散出口的地方与尺寸的不同 做出研究,通过改变疏散岀口的形式,用两个单扇门替代传统地方上的双扇门,发现 疏散时间无明显的缩减。英国的Filipips等[伺研究了建筑物内疏散标志的高度与疏 散效率之间的关系。Nagai等〔4刃研究了在建筑物发生失火时,建筑物内能见度将会非常 低,疏散个体行动缓慢,同时还会对疏散个体的方向感导致影响,这类负面原因都会 大大减少疏散效率。Hankin等〔呵计算出了建筑物疏散出口容纳人流通过的能力。Jun Tanimoto等㈤打造了基于Agent的元胞自动机疏散模型并用博弈论剖析,得出在疏 散出口前适合增加障碍物可以有效解决阻塞出口的问题。在经典疏散模型的基础上,学者们依据研究方向的不同提出了各类扩展模型。宋 卫国[52一53]等人在2005年研究了失火下职员疏散过程中人与人、人与建筑之间的相互 用途力,并在此基础上提岀一个新的元胞自动机模型。该模型可以对职员之间的吸引力、排斥力等量化,还能较好的模 拟在职员疏散过程中产生的拥挤、堵塞现象。廖灿等[旳打造了行人流多智能体仿真模 型研究突发事件对隧道行人疏散时间的影响。张晶等⑴]提出了 1种基于多目的规划 和智能体仿真的社区职员疏散策略。崔喜红、李强等a®〕对职员的从众行为、个体特 征与引导职员数目与地方对疏散效率的影响做了比较深入的研究。郭玉荣等〔醐人 打造了基于元胞自动机的职员疏散模型,模拟了身处公共建筑内部的职员疏散状况, 并得到了该建筑内再不出现拥堵状况是的最大职员数目,然后对比在该建筑试用期内 出现最多职员时的疏散模拟状况,以此判断建筑内部疏散时会不会发生拥堵现象,从 而判断建筑布局合理与否。胡志飞[羽通过对元胞自动机模型的改进,打造了适用于地 铁车站的职员疏散模型,探讨了疏散照明指示灯的布置数目与指示灯的影响范围地 疏散过程和疏散时间的影响。李伟等a]通过对惯性、趋光、避害、恐慌、从众等职员 个体行为的剖析,并将连续模型的社会力模型规则引入元胞自动机模型中,结合二者 优点使疏散中个体的自组织现象愈加明显。1.3主要研究办法、内容与技术路线1.3.1研究内容本课题主要对水利工程在安全管理过程中的危险源辨别与紧急状况下的职员 疏散模拟两方面进行了研究。危险源辨别方面:拟定基于BIM技术的水利工程危险源辨别策略,通过 Access数据库、工程BIM模型与Navisworks等软件达成对危险源的自动辨别。主 要研究内容如下:构建水利工程施工危险源辨识数据库。对水利工程危险源进行辨识与剖析 时,通过使用LEC评价法对危险源进行评价,研究有关工程并对其所产生的危险源 及应付手段进行采集整理,将施工安全规范和上述有关内容一并录入Access数据库, 以此数据库内容为危险源辨识提供数据支持。构建水利工程BIM模型及危险源辨别所需功能模块。剖析传统水利工程施 工危险源安全管控的优势和弊端与BIM技术的优势,借助Revit软件完成工程建模,并通 过Revit API达成模型与数据库的对接。基于BIM技术的水利工程危险来源于动辨别的达成。借助Navisworks与数 据库的对接,模拟施工过程,并对不满足工程基本参数的危险源进行自动辨别与记录。 还可通过FUZOR平台模拟危险源发生事故时的场景,为危险源安全交底打下基础。职员疏散方面:本文以水电站厂房为研究背景,考虑到在施工危险源引发 安全事故时,厂房内部出现像失火、水灾等事故致使的能见度低、疏散通道堵塞、有 毒气体弥漫问题,在考虑职员特质的状况下,引入疏散指示灯系统,通过对指示灯数 量与排布方法的研究,优化指示灯布置策略加快职员疏散,从而减少事故带来的损失。 主要研究内容如下:对有关职员疏散案例进行研究,剖析影响职员疏散的主要原因。针对水电 站厂房的特征,提出适用的职员疏散策略。模型的选定及有关参数的确立。通过对不同疏散模型的对比,使用元胞自 动机疏散模型,并设计职员运动速度与运动方向等运动规则。疏散指示灯的优化布置与疏散模拟。引入疏散指示灯,使其对职员进行疏 散引导用途,确定其影响范围。对比不同数目与不同布设地方的疏散指示灯对职员引 导用途,确定最短疏散时间所对应的布置策略。1.3.2研究办法文献研究法:查看很多有关文献资料,并整理了近年与BIM技术有关的安 全管理和有关于职员疏散及元胞自动机等文献内容,对该研究范围有了全方位的认识。 同时也采集了关于python与元胞自动机方向的书本与资料,基于文献和资料学习, 确定了本论文的思路和研究办法。交叉研究法:通过用Access数据库对危险源进行归类概要,通过revit.api 与Revit模型打造链接,在通过用Navisworks、Fuzor 两个不相同种类 型的软件达成危险源的自动辨别。定性与定量相结合的剖析办法:基于文献综述使用定性剖析方法对导致安 全事故的原因与过程进行剖析。讨论了 BIM技术在水利工程安全管理范围的应用价 值和适用性。同时针对紧急状况下职员的特质进行剖析,考虑引入指示灯后对职员疏 散的影响,完成仿真模拟和定量比较剖析。实证研究法:选取某水利工程作为研究实例,借助CA自动化办法模拟人 员疏散的最佳策略,用实例验证了研究办法的可行性和适用性,为职员疏散模拟提供 理论基础与模型基础。1.3.3技术路线图1.3技术路线图Fig. 1.3 technology roadmap2基于BIM的危险源辨别基本理论对危险源进行迅速有效的辨别可以大大减少事故发生的概率,更好的保证大家生 命财产安全。现阶段伴随工程量的增加,工期更长、施工作业条件更复杂,危险源的 数目、类型也随之增多,传统的危险源辨别与评价办法在记录、传输数据方面看上去力 不从心,易导致数据丢失等问题,从而在辨别过程中遗漏危险源,增大安全隐患。随 着年代的进步,BIM技术渐渐成熟,BIM中包括不少软件,如revit可以打造工程三 维模型,Navisworks可以达成工程施工动态模拟、碰撞测试功能等。同时BIM技术 拥有最强的信息处置能力与广阔的应用环境,为危险源辨别提供了一个强大的数据 管理平台,通过多种软件联合应用完成危险源的辨别。2.1水利施工现场安全管理基本理论2.1.1危险源的定义' 构成要点及特点(1) 危险源的定义Willie Hammer作为著名国际安全科学范围的专家,在1980年提出:危险源是一 种潜在的不安全原因,它的存在或许会致使职员伤亡或物体损毁。随后何学秋教授对 危险源做出进一步研究,他觉得危险源的存在会使物体产生强化和负效应,是危险能 量的爆发点⑹]。假如从能量释放的方面考虑,危险源又可被概念为在发业务外能量释 放时系统本身可能存在的危险物质[a〕。综上所述,危险源会因遭到一些特定的原因从而触发事故,并在一定量上带来 职员伤害、财产损失和环境破坏等后果。危险源是事故产生的最重要条件,是爆发事故 的根本所在,因此对危险源进行有效的辨别和控制是保障职员生命财产安全的重要[6习。(2) 危险源的构成要点危险起因潜在危险性、存在条件和触发原因三个基本要点构成。①潜在风险性潜在风险性是指,危险源在引发事故时,或许会带来很大的职员伤亡及财产损失 等,具体的状况由危险物质的大小或者危险源可能释放的能量强度而确定。危险源的 潜在危险性代表可能导致事故的害处程度。②存在条件危险源所处于的状况和约束条件状况统称为危险源的存在条件。包含物质本身的 存储条件、理化性能、设施的防护条件、施工工人对仪器的掌控程度和有关技能常识、 安全管理职员的管理水平和管理条件等。③触发原因危险源的触发原因是指诱发危险源产生事故的原因,触发原因不是危险源的固 有原因,是危险源转化为事故的外因,在触发原因的影响下,使危险源转为安全事故。 不相同种类型的危险源触发原因也不尽相同,如对于热敏锐的易燃易爆物质,对于重压敏 感的重压容器等。因此危险源总会有相对应的触发原因,在触发原因有哪些用途下发生事 故。危险源的特点①客观存在性施工过程中的危险源是客观存在的,无论大家是不是想同意,危险源本身都会实 实在在的存在,不会由于大家的主观臆断而转移。当人为或环境某些原因改变而达到 危险源的触发条件,就会由潜在的危险性转化成为安全事故。②隐蔽性危险源在施工过程中具备隐蔽性。第一是由于危险源潜伏于工程内部,未直接暴 露于工程表面。第二是由于工程中肯定存在危险源,有危险源虽然不必然会致使事故 的发生,但却有发生的可能性。③突发性危险源就像一颗定时炸弹,只须存在危险源且达到他的触发条件,安全事故随时 都会发生。事实上,工程在施工过程中,内部也都拥有自己的因果关系,即便是一颗 小小的螺丝钉也大概引发大规模的安全事故。不少危险源的爆发具备不可预见性, 给与大家的预防或弥补时间很短⑹〕。④连带性危险源的连带性又称为危险源的连锁反应。在工程安全管理软件中,每个部分都 不是独立存在的,其中的危险源更不是独立存在的。比如某一个危险源达到触发条件, 引发事故发生,致使温度升高,充气压力增大等状况,这类看上去容易的状况,却又是某些 重压容器、易燃易爆危险源的触发条件,如此比较容易就会导致接二连三的危险源引发 安全事故。因此一旦发生事故后,应对管理部门、事故当事人等非常难再极端的时间内 合理安排弥补行动,或者杜绝应对处置不当的行为,从而使这类原因成为现场其他危 险源的诱发原因,从而发生连锁事故〔65】。2.1.2水利工程危险源的类别水利工程施工系统复杂,且施工过程中危险源多种多样。为了便捷对不相同种类别危 险源的辨别与评价,使用不一样的划分标准,可以使安全管理愈加便捷。本文主要对以 下几种分类办法进行介绍:2.1.2.1根据事故紧急程度分类在事故发生之后,根据职工的受伤程度与伤亡人数进行分类:轻伤事故,指只存在轻伤的事故;重伤事故,指有重伤但没死亡状况的事故;死亡事故,指一次死亡人数为1-2人的事故;重大伤亡事故,指一次死亡人数为3-9人的事故;特大伤亡事故,指一次死亡人数10人以上的事故。2.1.2.2按事故类别分类依据《企业职工伤亡事故分类标准》(GB/T6441-1986)将危险源分为物体打击、 机械伤害、起重伤害、高处坠落、各种爆炸、其他伤害等共计20种。2.1.2.3按危险源本质分类(1) 第一类危险源(固有危险源)能量意料之外释放理论中表述,当发生伤亡事故时,其物理本质是能量或者是危险物 质发生了意料之外的释放。第一类危险源是指在施工过程中本身就是危险物质或其本身存 在大概发业务外的能量。为了尽量控制危险源,预防事故发生,大家对各种危险 物品釆取各种手段与方法从而可以最大程度的约束和限制危险源向事故的转变。(2) 第二类危险源(触发性危险源)第二类危险源类似触发原因,第二类危险源的存在会使第一类危险源的约束条件 失效。第一类危险源是物质客观存在的,在施工过程中隐匿于每个角落,假如可以有 效的约束危险源中存在的能量,则不会发生安全事故;若能量的约束被破坏,则发生 安全事故。第二类危险源指的便是使得这类约束或公职遭到破坏而失效的原因。第二类危险源又可以进行更为详细的划分,最主要的有三种:①物的问题物的问题表示因为设施或元部件的损毁致使性能的丢失从而未达成预期的功能。 物得不安全状况,设计或制造时产生的缺点、化学侵蚀、使用方法不对等海量原因都会造 成物的问题。②人的失误人的失误表示人的行为结果没达到指定的规范与在施工过程中人的一些不 安全行为。③环境原因环境原因包含生产作业过程中出现的噪声、照明、温湿度等多方面原因,也包含 一些不可抗力的天灾,如暴雨、地震、泥石流等。由于环境的原因或许会促进物的故 障与人的失误的发生,从而引发安全事故。通常来讲,一般为两类危险源一同用途致使发生安全事故。在实质日常,第一 类危险源是常见存在的,其遍布于生活每个角落,是发生事故的首要条件。而第二类危险 源等于事故发生的必要条件,当其出现时,预示着事故将会发生。所以在对危险源 进行辨识时,不只要考虑第一类危险源,还要兼顾第二类危险源的辨别。2.1.3施工现场容易见到的危险源现阶段水利水电施工现场容易见到的危险源有以下几个方面:(1)在施工现场用于生产、运输、存贮和供给的设施,可能发生爆炸事故,主 要包含:油库、炸药库、锅炉、重压容器、易燃易爆物品的运输、储存及用等。在施工现场坐落于高处的装置、设施等,或许会导致高处坠落、物体打击等 有关事故的危险源,如承重排架、称重平台、栈桥、大型起重设施、塔吊、载人吊笼 等等。在施工现场一旦失事或许会产生巨大破坏力的设施和场合,或许会导致物 体打击,起重、机械伤害,坍塌等事故的危险源,如高边坡的塔防、基坑的开挖,人 员密集地区或要紧建筑物旁的爆破工程等。分布于施工现场周围的居住区及临时生活区,危险场合的突发事件。如居 住区、办公区的消防安全,职员集中地区的突发性中毒事件,放射物质的害处等。在施工现场遭遇的不可抗力的自然灾害等,如台风、地震、暴雨雷电伤害 等。2.1.4事故发生机理通过对危险源的分析,大家了解事故的发生不是凭空产生的,是系聲内每个原因 一同用途的结果。本文主要以水利工程施工现场为背景,绘制出安全系蒙中事故发生机理,如图2.1所示。水利工程安全系统水利工程施工现场4物的不安全状况 人的不安全行为 环境原因触发原因1触发原因2触发原因3 触发原因n安全事故n图2.1安全事故引发机理图Fig. 2.1 Safety accident initiation mechanism pagram施工现场引发事故是什么原因有不少,参考日本学者西岛茂提岀的“4M”理论,将诱 因分为人的原因、物的原因 >管理原因、环境 原因四种。人的原因。人的原因是施工现场产生事故的直接缘由。人的行为可以致使 物产生不安全原因,从而致使施工现场的危险源被激起,产生安全事故。人的原因有 包含施工职员所受教育是什么原因,自己身体和精神方面是什么原因与对工作态度是什么原因等。物的原因。物的不安全状况包含设施老旧、安全性能差、安全防护设施存 在漏洞等方面缘由。环境原因。因环境产生的不可抗力的原因,如施工场地环境差、暴风雨的 侵袭、地震等。管理原因。主要包含企业内安全管理体系不健全,安全负责职员配置不合 理,安全管理规范不完备等。2.1.5现阶段工程安全管理体系的近况剖析伴随年代的进步,危险源辨别的技术也在逐步进步,现阶段对危险源的主要评价 办法有不少,如询问交谈、现场勘查、查阅有关记录、安全检查、预先危险性剖析、 失效模式与影响剖析等等,但现阶段的安全管理体系仍然存在不少问题。第一,工程性质方面对安全管理体系的影响。不同于建筑工程,水利工程的工期 更长,施工作业条件更复杂,各种水工建筑物都是在不确定的气象条件下进行施工或 运行的,同时,长期的工期会带来更多的危险源,更不利于对危险源触发原因的控 制,从而对危险源的辨识也愈加很难进行。第二,在危险源的数目、类型、控制等方 面也会对工程安全管理导致不少困扰。危险源具备隐蔽性、连带性等特质,工期越长, 隐藏在深处的危险源越大概暴露出来。一个危险源产生的结果可能是另一个危险源 的触发原因,从而导致更多危险源的爆发,影响工程的安全。现阶段关于危险源的识 别与评价办法有不少,但像安全检查表、预先危险性剖析法等都需要都很多有关的 数据支持,同时在记录过程麻烦,数据传输不便捷,极易导致数据丢失等问题,从而 对危险源的辨别导致遗漏。由于数据传输较慢且数据量很大,在发生事故时非常难迅速 准确的找出因他们法,从而导致更大的事故发生。最后是人的原因对安全管理体系的 影响。人的原因主要分为两部分,一是人自己是什么原因,二是管理的原因。职员自己因 素包含了个人的性格特点、对有关常识的学会程度、对工作的态度等,在管理方面,专职 的安全管理职员的技能与态度等都会对安全管理体系导致不一样的影响。现阶段安全管 理体系仍处于进步阶段。2.2施工现场危险源辨识理论事故的发生主要受危险源本身与人的影响原因两方面控制。水利工程施工现场危 险源的存在是引发事故的根源,事故的发生会导致很多经济财产损失,紧急的还会造 14成职员伤亡。迅速、精准辨别危险源,可以有效的减少事故发生的概率,从而使人类 生命财产安全得到保障。2.2.1危险源辨别的定义及原则危险源辨识就是准确辨别危险源并确定其特质的过程。现阶段工程安全管理的核 心内容就是对危险源进行辨识,对危险源进行迅速准确的辨别是预防安全事故发生的 重要。在水利工程的施工现场潜藏着很多复杂多样的危险源,为了更好的对危险源进 行管理,防止安全事故的发生,准确辨别危险源是重要。水利工程现场的危险源多种多样、存在形式复杂且具备隐蔽性,同时危险源的触 发原因和产生事故是什么原因错综复杂,以至于使危险源的辨别愈加困难。通过使用合理 的原则可以有效防止在危险源辨别过程中发生遗漏的状况,因此应遵循以下原则:全方位性原则全方位性原则是指在工程危险源的辨识阶段需要全方位地辨识出工程的内存在的危 险源,不可以由于操作职员的主观原因遗漏工程的某些危险源,在一些重大工程的危险 源辨识方面更要全方位。为了保证危险源辨别的全方位性,可以用多种辨识办法从不同 方面进行辨别。系统性原则系统性原则表示在进行危险源辨别的过程中,需要从工程全局考虑,将整个危险 源的辨别过程当做一个系统工程,系统内部若干原因的相互用途也代表着危险源在工 程内并不度独立存在的,而是相互交叉影响的,因此需要进行系统的辨别。科学性原则迅速精准的辨别危险源是降低安全事故发生的一种有效办法,所以在进行危险源 辨别时需要有科学的理论作为依据,确定危险源存在的形式、地方、变化规律与事 故发生是什么原因,并对危险源进行科学的描述。2.2.2危险源辨别的依据工程资料。如施工组织设计、工程地质勘察报告、施工策略、施工图纸及 验收报告等;规范标准和法律文件。与施工项目有关规范、国家和行业准则、工程管理 规章规范等;有关事故案例。发生过的与本项工程类似的安全事故资料,及解决方案等。2.2.3危险源辨别的办法(1) 直接经验剖析法技术职员参照有关法律、标准及自己经验对危险源进行辨别,确定危险性。直接 经验剖析法适用于有经验和例子可以借鉴的危险源辨别过程,主要包含经验法和类比 法。①经验法经验法就是参考有关标准、法规或专业职员对危险源的剖析能力,通过以往的经 验对危险源做出危险性评价的办法。经验法作为危险源辨别中的常用办法拥有方便的 优点,缺点是其会遭到进行危险源辨识职员主观经验、资料的限制等会在辨识过程中 出现遗漏,未解决该问题,在使用经验法进行危险源辨识的过程中,一般采取专家会 议的方法,相互交换建议,查漏补缺,从而健全危险源的辨识过程。②类比法类比法就是通过对相似工程的经验和发生的事故来类比推理评价对象的危险源 和风险原因。在工程中发生的事故类别、导致伤害的方法、拥有些危险源类别都会有 非常大的相似程度。因此危险源和发生事故导致的后果以此类推,得到的结果也具备较 高的置信度。(2) 系统安全剖析法系统安全剖析法是指应用系统安全工程评价办法进行危险源辨别。主要针对复杂 系统的危险源辨别,其需要更多理论常识,总是靠经验不足以完成对整个系统的危险 源辨别。常见的系统安全剖析法有:安全检查表法(CSA)、预先危险性剖析法(PHA)、 事件树剖析法(ETA)、事故树剖析法(FTA)、问题种类和影响剖析(FEMA)、 风险与可操作性研究(HAZOP)和因果剖析等。①安全检查表法安全检查表法是依据国内的有关规范、标准,来事先对工程或系统中存在的危险 类别、设计缺点与一些工程内部潜在的危险性进行辨别检查。它是系统中最基础的 一种形式。安全站检查表主要依据以下几方面来进行编制,第一是国家和地方的有关 安全法规和标准,企业的规章规范和标准,第二是国内外该行业的事故案例和经验教 学,再者是行业的安全生产经验,最后是安全剖析的结果。将需要检查的原因一一列出,然后采取提问的方法,用“是”(“符合”)和“否” (“不符合")回答。辨识完成将来准时填写在问题后设置的改进手段专栏,以便捷 备份与查阅。搜集有关规范与标准,确定检查问题,并标明民称和章节。详见表2.1。表2.1安全检查表Tab. 2.1 Safety Checklist 序号 检查项目和内容 检查结果 依据 备注是 否 ②预先危险性剖析法(PHA)预先危险性剖析乂可称为初始危险剖析,是安全评价办法的一种。由名字好了 解,预先危险性剖析法就是在每项生产活动开始之前,特别是开始设计的阶段,先概 括性的剖析系统存在的危险类别、可能出现的条件、事故或许会导致的后果,从而评 价出潜在的危险性。用预先危险性剖析法进行安全评价需要筹备以下有关资料,首 先是设计策略的系统的设计图纸和资料,第二是系统的每个组成部分的功能、工作顺 序、步骤图等有关资料,最后是需要与安全有关的背景材料。在用PHA进行剖析时,应多注意以下两方面,其一是进行PHA剖析时应考虑 生产工艺的特征并将其危险性质和状况 列岀,像材料、中间商品等的害处特质, 作业环境,操作过程等。其二是用PHA剖析需要考虑海量原因:1)如燃料、有毒 物质、爆炸高压系统等危险设施和物料;2)处于设施和物料二者之间有关于安全的 隔离装置;3)环境原因对设施和物料的影响,如地震、洪水等;4)有关于操作、测 试、修理等规定;5)辅助设施;6)与安全有关的设施。预先危险性剖析是一个先导性剖析,是一种在宏观方面的概括定性剖析办法,具 有容易易行、经济有效等优点。其适用于在已经打造的基本的系统中用新的办法、 接触新的设施的危险性评价,多用于在项目进步的初期。③事件树剖析法(ETA)事件树剖析(Event Tree Analysis,简称ETA)是从决策树剖析进步得到的。它 是将事故根据发生的顺序排序,然后从刚开始的事件开始,推论将来可能发生的事故以 及产生的后果,从而对危险源进行辨识的一种办法。事故的发生不是单一事件导致的,而是很多事件一同致使的,然而其中的一些事 件的发生,同时也是另一些事件发生的最重要条件,从而一种事件的发生会接二连三的 引起另外一些事故的发生。这类事件在彼此发生的顺序上也有着千丝万缕的关系,存 在因果关系。事件树剖析法是一种时序逻辑的事故剖析办法,其起点是一件初始事件, 根据事故的进步顺序,对其进行逐一剖析,在剖析过程中每一件事的结果只有两种完 全对立的状况(成功或失败)。从初始向结果一一排查,直到系统事故为止。用树枝 表示剖析时的状况,因此被叫做事件树。2.3 BIM技术在危险源辨别中的应用1975年美国卡奈吉麦隆大学(Camegie Cameroon University)的查克•伊斯曼最 早提出了 BIM (Builpng Information Modeling)的定义〔旳。在伊斯曼对"建筑描述系 统”的研究中介绍了理论内容,因此被叫做“BIM[之父”。1986年美国学者罗伯特•艾 什整理了三维建模、自动化参数组件等内容提出了 "建筑模型(Builpng Modeling)" 的定义⑹】。2002年Autodesk公司为了革新建筑设计提岀了 "建筑信息模型(Builpng Information Modeling) r ,当时还未将BIM技术应用于实践,只不过当做一种研究。随 着年代的进步与科技的进步,BIM技术渐渐有了突破性的进步,Autodesk公司> Bentley 公司等著名建筑软件开发商在年代的进步下都开发出了是我们的BIM软件。BIM 是通过整理建筑工程项目的有关数据为基础打造模型,并 将建筑物的具体信息以数字信息仿真的方法展示出来。BIM通过对数字信息的整理, 并将这类信息应用于设计、建造、管理之中,可以使工程在进行中提升效率,降低风 险。它具备信息完备性、关联性、一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性及可出 图性的特征。BIM作为一个新技术,它可以解决建筑工程所出现的一系列问题,为工程管理提 供更优的策略。规划阶段BIM模型建设及建筑策划、策略论证、可视化设计、工程 量统计、施工进度模拟、数字化建造等都是BIM技术在建筑全生命周期的应用[68】。2.3.1BIM技术在施工安全管理中的优势3D可视化BIM技术具备3D可视化的特征,在水利工程施工中施工图纸必不可少。在过去 的水利工程施工中总是使用的是CAD二维图纸,隐藏在工程中的问题和隐患几乎无 法被工人发觉,因此在工程施工过程中的危险源没办法得到提前避免。BIM技术的出现 好的解决了这个问题,施工图纸由二维转化为三维,BIM技术奖施工图纸上的内容 用模型直观的展示出来。通过审查模型可以更早的发现工程中存在的风险,提升了设 计的安全性。协调性通过对BIM技术多种软件的合理运用,可以有效的促进施工过程中每个环节的 协调进步。工程有设计、施工、安全、管理很多环节与程序,通过BIM技术达成施 工过程中各部门的协调,还可以有效防范施工过程中存在的风险,从而保证了工程施 工的安全进行。模拟性施工过程中,BIM技术可以随时模拟每个阶段的施工策略,能够帮助工程施工的顺 利进行。在施工前,可以借用该技术,向企业展示设计中的利弊与施工的安全性,可 以适当的为施工安全作出评价。同时,还可以提前判断施工过程中可能存在的风险, 以便于在施工过程中提前做出调整,减少危险发生的概率。除此之外还可以有效的模拟施 工过程中很难达成的部分,让施工策略更合理,确保工程顺利进行。2.3.2BIM技术在安全管理中的应用现阶段BIM技术已经可以应用于工程项目的全生命周期,无论是设计、施工还 是运营阶段,BIM技术都可以融入其中。不同于AutoCAD已经广泛应用于工程设计 之中且技术成熟,BIM技术尚处于进步健全的阶段,怎么样更好的达成对项目的服务仍 处于探索阶段。现阶段BIM在国内国内的应用主要分为以下三个层次,分别是模型 层、信息层与商业层。网格N的吸引力概率Pq)概念为:式中:Pps表示网格的地方吸引力概率;褊“是地方吸引力的影响系数; Ppr表示网格的方向吸引力概率;k松是方向吸引力的影响系数。慰“和kpr■的值可以参考不同疏散模式进行调整,kps + kpr = lo /Cps越大,说明 疏散职员对场地越熟知,相反,疏散职员的行为模式受从众心理的影响越大o他,J•为网格吸引力概率P的调节系数。地方吸引力概率PpsQJ)在单疏散出口的首要条件条件下,依据网格距离出口地方距离与最远距离的比值确定 地方吸引力wpps,其计算公式如下:式中:£>=一 i)2 + Qk -力2,表示网格N到疏散出口中心)和m汛)表示所有网格到疏散出口中心距离的最大值和最小值。方向吸引力概率Ppr^ij)紧急状况下职员疏散行为很复杂,个体对逃生出口有个人判断和从众行为,即 个体在进行下一步移动前会考虑视线范围内其他个体的运动方向。参照Moore型元 胞自动机规则,在疏散职员有8个可移动方向的首要条件下,改进本次扩展的Moore型元胞自动机模型,职员选择的方向可用方向吸引力概率Pd/r表示,其表达式为:Ppr-昭%讹)式中:Npr是肯定视线范围内£方向的总人数,k= ;加是视线范围 内可移动的总网格数。本文釆用扩展的Moore型,取m=80,视线范围参考图4 。出口地方直接吸引力为使模拟愈加符合实质的疏散状况,本文还引入了出口地方的直接吸引力这一概 念。即在个体视线范围内可看到出口时,用最短路径规则,依据速度公式以最快的 速度走向出口,进入疏散安全区。出口地方直接吸引力范围如图3蓝色地区所示。5.1.4疏散照明指示灯引入剖析疏散出口和通道的信息可以通过指示灯明确指出,以保证疏散个体可以迅速撤离O 疏散指示灯依据功能不同分为两大类:一是出口指示灯,布设于出口顶部;二是方向 指示灯,布设在安全通道及拐角处,本文模拟中引入疏散指示灯模块[78]。疏散指示灯 依据地方不同分为两大类:一是附着式指示灯,其贴附于墙壁,影响范围为扇形地区; 二是地埋式指示灯,铺设于地面,影响范围为圆形地区。如图5.2所示。附着式聽散指示灯覆盖范围图5.2指示灯覆盖范围图Fig. 5.2 Inpcator Coverage Diagram本次模拟对疏散指示灯做岀如下假定:一是疏散指示灯种类选择,在出口布设附 着式指示灯,在过道、走廊等处布设地埋式指示灯;二是指示灯影响范围,地埋式指 示灯影响范围是半径5个网格的圆形,附着式指示灯因本文设立出口地方直接吸引力 而不再考虑影响范围,只起到标识用途。最后,将指示灯的特质赋予特殊网格。本次模拟因为选择场景为水电站厂房,职员拥堵的几率较小,在假设了出口直接吸引力范 围后,设置出口附着式指示灯只起到提示用途,不参与疏散行为。在疏散模拟过程中, 个体的感应范围感觉到指示灯影响范围时向指示灯方向移动,进入指示灯影响范围后, 遭到引导后以最短路径向出口移动,未受指示灯影响的个体将继续按原有疏散模式移 动。5.1.5疏散模拟步骤图根据上述规则打造模型,疏散模拟大致步骤如下图5.3所示。图5.3疏散模拟步骤图Fig 53 Flow Chart of Evacuation Simulation5.2典型案例剖析5.2.1水电站厂房介绍本文以某水电厂房的实质布局为研究场景,水电厂房模型平面图如图5.4所示。 水电站厂房的有效长度为75m,宽度为25m,地区分为办公区和水电站工作区,红色 为水轮机、工作站或墙壁等,可将其视为障碍物,蓝色为出口直接吸引力范围,绿色 为厂房设立的出口。该水电站每年都有高校学生集中前来参观实习。5.2.2水电站厂房职员疏散模拟及剖析本研究以水电站厂房为研究场景,对其进行模型概化,假定在无外面干扰的状况 下疏散职员地方随机分布,并设定场景中职员数目为100人。模拟情景假设为学生实 习时突发失火,在疏散模拟过程中,个体在选择过程中存在从众心理 〔殉,设定疏散个体的视线范围为4个网格0=4),模拟20次结果取其平均值。为突 出指示灯的疏散引导用途,提出在发生紧急紧急事故时,厂房内部处于全黑暗环境假 设,对比疏散过程中疏散指示灯对疏散的提高效率,然后主要从疏散指示灯的数目和 优化布置两方面来对疏散的过程与时间进行模拟剖析,最后确定数目和地方的最佳组 合策略。全黑暗假设下疏散指示灯对职员疏散影响模拟在水电站厂房内部发生紧急事故时,产生坍塌、断电、很多烟尘等后果,对厂房 内部疏散系统导致很大困扰,将此时的最坏状况假设为全黑暗环境。对职员特质与疏 散指示灯进行概念。职员特质确定:在该环境下,将厂房内部个体分为两部分,一部分为对厂房完全 熟知的员工,共5人,起引导用途;另一部分为厂房内部实习学生,共95人, 因对环境不熟知,在疏散过程中受引导职员与从众心理影响。疏散指示灯的布置:对疏散通道、拐弯口、楼梯口、交叉口、障碍物、安全出口 设置疏散指示灯,基础布置如图5.5所示。图5.5疏散指示灯地方基础布置图Fig. 5.5 Basic layout of evacuation inpcator light position完成对职员疏散模拟中职员与环境的设置后,进行全黑暗状况下职员疏散模拟与 引入指示灯后疏散模拟进行对比。模拟结果显示,在未设立疏散指示灯时,20次模拟 平均疏散时间为279.2s,疏散完成百分之五十的平均疏散时间为115.6s,完成百分之 八十的平均疏散时间为145.2s;设立疏散指示灯时,20次模拟平均疏散时间为169s, 疏散完成百分之五十的平均疏散时间为71.2s,完成百分之八十的平均疏散时间为 96.4s□当设立指示灯时,疏散完成50%的平均用时比未设立是缩减了 38.41%,疏散 完成80%时缩减了 33.61%,疏散全部完成时缩减了 39.28%,设立指示灯大大提升了 疏散效率,不同时刻疏散对比图见图5.6o图5.6应对疏散时间对比图Fig. 5.6 Comparison pagram of emergency evacuation time(2)在不同数目指示灯条件下对职员进行疏散模拟研究现在水电站、泵站等水利工程在安全疏散指示灯布置方面没有关规范规定,参 照《地铁规范》中的规定,在站厅、站台、自动扶梯、楼梯口、疏散通道拐弯处、交 叉口、安全出口,沿通道长向每隔不大于20m处均需设置疏散指示灯妙],对厂房通 道拐角处、安全出口、障碍物与厂房必要地方,分别布置12、14、16、18、20、22、 24个疏散指示灯,以此作为基础布置,模拟疏散指示灯对疏散过程与疏散时间的影 响,指示灯个数与疏散时间关系曲线如图5.7所示。140135130■ • • ■ ■ 12 14 16 1S 20 K 24指示殊个載/个Number of&xficator Sghts/number图5.7指示灯数目与疏散时间关系曲线图Fig. 5.7 Curve of relationship between the number of inpcator lights and evacuation time由图5可知,参照上述规范需要布置时,伴随指示灯数目增多,疏散时间总体呈 降低趋势。指示灯数目增加到18个之前(包含18个)疏散时间降幅明显,当布置20 个指示灯时,布置数目增多,为疏散个体提供了更多疏散路径的选择,影响个体判断, 导致疏散时间增长。当指示灯数目增加至24个时,疏散时间减少较少,整体走势趋 于平缓。(3)基于以上剖析,所做的不同数目指示灯对疏散效率的研究,在此仅选取18 个指示灯为例考虑地方布置对疏散时间的影响,从而得出相对最佳布置策略。依据模 型空间将厂房地方分别对办公区与工作区提供3*4共计12种模拟策略,指示灯布置 地方图如图5.8、图5.9所示(小圆圈“。”表示指示灯)。依据对办公区与工作区不 同策略组合的模拟,得到不同策略疏散时间对比图,如图5.10所示。策略3 策略4图5.9工作区指示灯布置图匕办公区布置策略1©办公区布置策略2□办公区布置策略3工作区布置策略Workspace layout scheme图5.10疏散时间对比图Fig. 5」0 Comparison pagram of evacuation time本文研究单出口水电站厂房的疏散模拟,因为厂房内部办公区距离出口较远,整 体疏散时间都处于140s以上。图5.10给出了办公区与工作区共12种指示灯地方布 置组合的疏散时间,组合1 (办公区布置策略1与工作区布置策略1组合)为参照规 范布置策略,组合2 (办公区布置策略1与工作区布置策略2组合)为最长疏散时间 布置策略,组合8 (办公区布置策略2与工作区布置策略4组合)为最佳布置策略, 由上图可知不同组合对疏散时间影响较大。组合8疏散时间144s,与组合1相比疏 散时间降低了 5.5%,与组合2相比疏散时间降低了 11.3%。组合8所给出的18个指 示灯布置策略优于图7中24个指示灯布置策略。5.3本章小结本章以水电站厂房在突发状况下职员疏散为例,基于元胞自动机原理打造了职员 疏散模拟的改进模型。研究了全黑暗条件下疏散指示灯对疏散的提高效率,疏散指示 灯布置数目与地方的不同对疏散过程与疏散时间的影响。(1) 在全黑暗假设下,引导人在疏散指示灯有哪些用途下完成职员疏散效率得到极 大的提升。(2) 在单出口的职员疏散过程中,增加厂区办公区指示灯数目,尽快疏散厂房 内部职员可以提升疏散效率。(3) 在给定指示灯数目的首要条件下,通过对比剖析办公区与工作区共12种指示灯 地方布置组合,得到最佳布置策略,结果表明适当的优化指示灯地方可以大大提升疏 散效率。(4) 该模拟结果对水电站厂房的照明指示系统与职员疏散提供参考,同时也 为不同场景的职员疏散模拟提供模型上的支持。6结论与展望6.1结论在水利工程安全施工管理体系中,危险源的辨别和危险发生后的职员疏散都是安 全管理的要紧环节。本文借助BIM技术达成对危险源的自动辨别,从而达到减少施 工过程中存在的风险;借助元胞自动机打造职员疏散模型,布设疏散指示灯提 高职员疏散效率,完成水利工程发生事故后的职员疏散模拟。目前对本文所做研究做 出以下概要:第一对危险源有关定义进行讲解,危险源的特点、类别及施工现场容易见到的 危险源与针对危险源进行辨别所需的依据和办法等。第二,危险源的存在是致使安 全事故发生的根本缘由,说明了安全事故的引发机理。最后,在事故发生后,为降低 职员生命财产的损失,以水电站厂房为例,介绍其特征与影响职员疏散的主要原因, 通过引入疏散指示灯提升疏散效率,为下文对危险源辨别及职员疏散提供理论依据。通过BIM技术进行模型的构建,用Access数据库进行危险源信息的整 合,用Revit API接口达成数据库与模型的交互,为危险源辨别打造数据基础。通 过用Navisworks技术、FUZOR平台、VR技术完成对危险源的自动辨别与模拟 事故体验,提升了危险源辨别的效率与准确性,同时可以在工程的设计阶段对工程进 行模拟,提前辨识危险源从而做出改进,预防施工中安全事故的发生,保障了水利工 程施工的安全进行,也更有益于工程的安全管理。对疏散模型的对比研究,以水电站厂房在突发状况下职员疏散为例,基于 元胞自动机原理打造了职员疏散模拟的改进模型。研究了疏散指示灯布置数目与位 置的不同对疏散过程与疏散时间的影响。在单出口的职员疏散过程中,增加厂区办 公区指示灯数目,尽快疏散厂房内部职员可以提升疏散效率;在给定指示灯数目的前 提下,通过对比剖析办公区与工作区共12种指示灯地方布置组合,得到最佳布置方 案,结果表明适当的优化指示灯地方可以大大提升疏散效率。6.2展望本文研究水利工程安全施工管理中的危险源辨别与职员疏散模拟等工作涉及学 科广泛,导致研究没办法深入透彻,在论文中存在一些不足。在数据库构建方面,因设计有关案例复杂、有关规范条文繁多,没办法面面 俱到,而危险源的辨别是一个复杂且需要多种软件工具相互协调配合,只有更为完整 的数据库才能保证危险源辨别的准确性与有效性。因此将来需要更合理、更科学的方 法进行数据库的采集。危险源辨别方面,主要完成在施工安全管理阶段结合规范标准和经验的危 险源提前预判,没达成施工进度模拟过程中的动态辨别。(3)职员疏散方面,因为影响职员疏散的原因多种多样,既有环境影响,也有 疏散个体特质的差异影响。本文对疏散职员的运动规则赋予较少,也没做不同疏散 模型的对比剖析,模型的模拟成效有待提升。参考文献[1]李莹.基于DEMATEL-ANP水电施工现场安全评价模型研究[D].华中科技大学,2011.[2]程建华,王糠项目管理中BIM技术的应用与推广[J].商业经济,2012, 000:29-31.[3]Maji P, Shaw C, Ganguly N? et al. 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Through the evacuation simulation under the conption of pfferent combination of number and location of safety inpcator, the evacuation time of pfferent inpcator layout schemes is analyzed. The results show that with the increase of the nximber of inpcator lights, the evacuation time curve decreases significantly. When the number reaches a certain level, the evacuation time curve tends to be flat. At the same time, in the feasible design scheme, the optimal inpcator layout scheme can improve the evacuation efficiency by 1.17% - 11.3%.Key words: cellular automaton; evacuation strobe light; simulation; hydropower station; optimize水电站、水泵站等是发电、灌溉、排涝、输水工程中的要紧建筑物,因为其结构复杂,又涉及大型机械和很多电 气设施,电缆夹层、排水廊道纵横交错,如遇失火、地震、事故等突发事件,不熟知厂内结构布置的职员在紧急状况 下容易迷失方向或者不可以准时有效地组织疏散逃生,导致人身伤亡事故,即便熟知水电站结构的运行职员,也困难 在灾情发生的第一时间有效选择最好逃生线路。为保证疏散安全,在设计中设置疏散通道,加大消防设计[血];陆雪涛 ⑶针对引江济淮工程蜀山泵站枢纽内的防护对象做出了防火设计策略及灭火手段;张圣楠同结合自己工作状况对容易见到水收稿日期:2021-01-14基金项目:河北水利科研和推广方案策略项目(2013-121).第一作者:柴 昭(1995-),男,河北邢台人,硕士研究生,主要从事水利水电工程方面的研究.通信作者:吴鑫淼(1972-),女,河北承德人,博士,教授,主要从事水利工程信息化方面的研究.利泵站类建筑防火疏散问题进行一些讨论;胡超鹏等同对长洲水电站厂性生活故照明进行了优化改造,韩宏斌等冏对小浪 底水电站厂房照明系统优化剖析,袁正东⑺创造了小型水电站事故应对照明系统。伴随计算机技术和AI的进步,打造1种多智能体系统模拟职员疏散过程可以有效提升紧急状况下职员疏散 的效率。廖灿等同打造了行人流多智能体仿真模型研究突发事件对隧道行人疏散时间的影响,张晶等。元胞自动机模型具备时空的离散型、状况离散型和有限性、同步性等基本特点,同时 它具备模拟复杂系统时空演化过程的功能。状况、邻域和更新规则是元胞自动机的三大核心要点"I,即每一个元胞都是 离散的,所有元胞的状况同步改变。CA模型通过局部变化带来的反馈信息,从而更好地模拟现实系统中的突变、自 组织等特质,在交通流、优化算法等方面得到广泛应用。CA的2种常用邻居为Von Neumann型和Moore型,如图1和图2所示。本文考虑更多的方向选择自由度,使用扩展的Moore型邻居。1.2疏散模型的基本假设元胞自动机职员疏散模型主要框架为疏散场合、疏散职员、环境和运动规则等。本文依据具体状况对模型做了如 下假定:①场地模型进行均匀的网格划分,云数据统计男士平均肩宽48.1cm,女人平均肩宽43 cm,所以取每一个网格对 应0.5mX0.5 m的空间;②每一个元胞有我们的特殊属性,可能是障碍物、墙壁、指示灯、疏散职员、指示灯或者空,且每一个元胞空间在同 —时间只能被1个疏散个体或障碍物占据。③疏散模型釆用扩展的Moore型邻居(视线范围示意图,图3),疏散职员依据移动速度的不同分别移动至视线 范围内吸引力最大的网格。④职员疏散的地方和特质随机产生。⑤因为所有元胞状况是按规则同步更新,因此规定1个人行进决策的时间为2 s,每一个决策时间可移动的网格数为图3视线范围示意图(c4)Ftg. 3 Range of occupant* s vision field (/^=4)2基于元胞自动机的职员疏散模型的打造2.1疏散速度与疏散时间考虑到职员在疏散过程中会因人群密度、障碍物等外面原因变速前进,改进文献01的速度计算办法,得到本文的 速度计算公式如下:'037, 当榜3;尸,场{0-35[Z32082加剧]+0-03(3.0-0.磁)乜2}, 当 0.5W问; (1)、唏 当 2^0.5 .式中:”表示职员疏散过程的实质速度;勿表示职员正常状况下的行进速度,取吃=1 m/s;AT表示单位面积上人和障碍物的总数目。视线范围以元胞(i, j)为中心的一个(2卄1) X (2汁1)阶方阵,本文在模拟时取尸4,如图4所示。按上述公 式计算每1个疏散职员的实质速度,当最后一个人疏散成功时计算疏散总时间。2.2职员疏散的基本运动规则突发事件发生时职员会采取何种疏散行为模式(即疏散路线的选择问题)是避难研究和疏散模型关注的重点和难 点。紧急状况下,疏散个体因恐慌等外面原因从而减少自己的判断,因此在选择逃生方向时具备肯定的盲目性与从众 性。本文赋予网格肯定吸引力,把网格吸引力的大小作为疏散路径选择。疏散指示灯依据地方不同分为两大类:一是附着式指示灯,其贴附于墙壁,影响范围为扇形地区;二是地 埋式指示灯,铺设于地面,影响范围为圆形地区。本次模拟对疏散指示灯做出如下假定:一是疏散指示灯种类选择,在出口布设附着式指示灯,在过道、走廊等处 布设地埋式指示灯;二是指示灯影响范围,地埋式指示灯影响范围是半径5个网格的圆形,附着式指示灯因本文设立 出口地方直接吸引力而不再考虑影响范围,只起到标识用途。最后,将指示灯的特质赋予特殊网格。本次模拟因为选 择场景为水电站厂房,职员拥堵的几率较小,在假设了出口直接吸引力范围后,设置出口附着式指示灯只起到提示作 用,不参与疏散行为。在疏散模拟过程中,个体的感应范围感觉到指示灯影响范围时向指示灯方向移动,进入指示灯 影响范围后,遭到引导后以最短路径向岀口移动,未受指示灯影响的个体将继续按原有疏散模式移动。3.实例剖析3.1水电站厂房基本状况本文以某水电厂房的实质布局为研究场景,水电厂房模型平面图如图4所示。水电站厂房的有效长度为75 m,宽 度为25 m,地区分为办公区和水电站工作区,红色为水轮机、工作站或墙壁等,可将其视为障碍物,蓝色为出口直接 吸引力范围,绿色为厂房设立的出口。该水电站每年都有高校学生集中前来参观实习。3.2水电站厂房职员疏散模拟及剖析本研究以水电站厂房为研究场景,对其进行模型概化,假定在无外面干扰的状况下疏散职员地方随机分布,并设 定场景中职员数目为100人。模拟情景假设为学生实习时突发失火,在疏散模拟过程中,个体在选择过程中存在从众 心理(陥=阴)设定疏散个体的视线范围为4个网格(r=4),模拟20次结果取其平均值。本次主要从疏散指 示灯的数目和优化布置两方面来对疏散的过程与时间进行模拟剖析,最后确定数目和地方的最佳组合策略。(1)在不同数目指示灯条件下对职员进行疏散模拟研究现在水电站、泵站等水利工程在安全疏散指示灯布置方面没有关规范规定,参照《地铁规范》中的规定,在站 厅、站台、自动扶梯、楼梯口、疏散通道拐弯处、交叉口、安全出口,沿通道长向每隔不大于20 m处均需设置疏散 指示灯耳),对厂房通道拐角处、安全出口、障碍物与厂房必要地方,分别布置12、14、16、18、20、22、24个疏 散指示灯,以此作为基础布置,模拟疏散指示灯对疏散过程与疏散时间的影响,指示灯个数与疏散时间关系曲线如图 5所示。图5指示灯数目与疏散时间关系曲线图Fig.5 Different nuni)er of inpcator Iight and evacuation time relationship graph由图5可知,参照上述规范需要布置时,伴随指示灯数目增多,疏散时间总体呈降低趋势。指示灯数目增加到18 个之前疏散时间降幅明显,当布置20个指示灯时,布置数目增多,为疏散个体提供了更多疏散路径的 选择,影响个体判断,导致疏散时间增长。当指示灯数目增加至24个时,疏散时间减少较少,整体走势趋于平缓。基于以上剖析,所做的不同数目指示灯对疏散效率的研究,在此仅选取18个指示灯为例考虑地方布置对疏 散时间的影响,从而得出相对最佳布置策略。依据模型空间将厂房地方分别对办公区与工作区提供3x4共计12种模 拟策略,指示灯布置地方图如图6、图7所示。依据对办公区与工作区不同策略组合的模拟,得到不同策略疏散时间 对比图,如图8所示。策略1 策略2策略3图6办公区指示灯布置图Fig. 6 Light layout of office area策略3 策略4图7工作区指示灯布置图Fig. 7 Working area inpcator Iight layout私办公区布置策略1 色办荟区布置策略2 □办仝区布置策略;32 3工作区布蓋策略Workspace hyaut schcsre图8疏散时间对比图Fig. 8 Comparison pagram of evacuation time本文研究单出口水电站厂房的疏散模拟,因为厂房内部办公区距离出口较远,整体疏散时间都处于140 s以上。 图8给出了办公区与工作区共12种指示灯地方布置组合的疏散时间,组合1 为参照规范布置策略,组合2 为最长疏散时间布置策略,组合 12 为最佳布置策略,由上图可知不同组合对疏散时间影响较大。组合 12疏散时间144 s,与组合1相比疏散时间降低了 5.5%,与组合2相比疏散时间降低了 11.3%。组合12所给出的18 个指示灯布置策略优于图7中24个指示灯布置策略。4.结论本文以水电站厂房在突发状况下职员疏散为例,基于元胞自动机原理打造了职员疏散模拟的改进模型。研究了疏 散指示灯布置数目与地方的不同对疏散过程与疏散时间的影响在单出口的职员疏散过程中,增加厂区办公区指示灯数目,尽快疏散厂房内部职员可以提升疏散效率。在给定指示灯数目的首要条件下,通过对比剖析办公区与工作区共12种指示灯地方布置组合,得到最佳布置方 案,结果表明适当的优化指示灯地方可以大大提升疏散效率。该模拟结果对水电站厂房的照明指示系统与职员疏散提供参考,同时也为不同场景的职员疏散模拟提供 模型上的支持。参考文献:[1]董新,赵忠会.水电站地下厂房电梯消防疏散探讨[J].水力发电,2010,36:71-72.[2]程玉超.设置避难走道解决某厂房疏散距离问题探讨[J]•消防科学与技术,2013,32:613-616.[3]陆雪涛.引江济淮工程蜀山泵站枢纽消防设计[J].江淮水利科技,2019:8-9.[4]张圣楠.容易见到水利泵站建筑防火疏散设计[J].治淮,2019:52-53.[5]胡超鹏,付雪辉,吴亚杨.长洲水电站厂性生活故照明优化改造卩].广西水利水电,2018:54-55.[6]韩宏斌,陈健,王丹阳,金洋,等.小浪底水电站厂房照明系统优化剖析[J].机电信息>2018:86-87.[7]袁正东.小型水电站事故应对照明系统[P].北京:CN203398866U,2014-01-15.[8]廖灿,郭海湘,唐健,等.突发事件对隧道行人疏散时间的影响[J].系统管理学报,2020,29:711-720.[9]张晶,陈涛,黄丽达,等.基于多目的规划和智能体仿真的社区疏散策略[J/OL].清华大学学报:自然科学 版:1 -7[2021-01-05]. https://doi.Org/l0.1651 l/j.cnki.qhdxxb.2020.22.032.[10]Helbing D, Farkas I, Vicsek T. 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