裴俊華，劉維珩，侯 斌，石福彬

(1.甘肅林業(yè)職業(yè)技術學院,甘肅 天水 741020; 2．甘肅建投土木工程建設集團有限責任公司,甘肅 蘭州 700070)

0 引言

隨著城鄉(xiāng)一體化進程的推進,建筑業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷增大,自2012年以來,建筑業(yè)占國內生產總值的比重一直保持在6.85%以上,2021年,建筑業(yè)總產值達到29.3萬億元,國民經濟支柱產業(yè)地位持續(xù)鞏固。與此同時,建筑市場依然存在生產效率低、能耗高、管理粗放、質量安全事故多發(fā)、環(huán)境影響明顯等現(xiàn)象,建筑業(yè)也從“量”的擴張轉向“質”的提升[1]。研究表明,現(xiàn)階段建筑業(yè)在國內能源資源的消耗占比達29%,是發(fā)達國家的3倍～4倍,其中,水泥用量超過世界先進水平的50%[2]。另外,在建筑施工的同時會產生大量揚塵和施工噪聲,建筑施工揚塵約占大氣污染物的20%[3-4],長期處在噪聲干擾下生活和工作,會對人的健康造成極大的影響[5]。綜上,傳統(tǒng)建筑業(yè)長期存在著生產效率低下、質量可靠性差、能源消耗高、環(huán)境污染嚴重以及資源利用率低等問題[6]。作為國民經濟的重要支柱產業(yè),建筑業(yè)已處于由高速增長階段向高質量發(fā)展階段轉變的關鍵轉折期,要實現(xiàn)這一目標,需加快建筑工業(yè)化升級、提升建筑數(shù)字化水平。將建筑信息模型(BIM)、物聯(lián)網、大數(shù)據、云計算、5G、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術融入建造過程,使得智慧建造成為了信息技術、數(shù)字技術與施工現(xiàn)場深度融合的產物,在這樣的背景下,面向工程項目的智慧工地應運而生。

建筑信息模型Building Information Modeling(BIM)是在建筑工程及設施全生命期內,對其物理和功能特性進行數(shù)字化表達,并依此進行設計、施工、運營的過程和結果的總稱[7]。BIM技術經歷了從2008年的“設計院1.0時代”到2015年“管理咨詢4.0時代”,再到2016年至今的“運維5.0時代”的發(fā)展變革。BIM技術有載體,能夠讓管理者清晰、直觀地了解對象,實現(xiàn)工程建設各相關方的數(shù)據共享與協(xié)同,其包含全生命周期的數(shù)據信息則能幫助管理者及時調整生產流程、集中管理、降低成本、提升效率。BIM模塊是數(shù)字建筑服務平臺的重要組成部分,是建筑業(yè)數(shù)字化轉型的核心構件,其應用深度與廣度在業(yè)內得到持續(xù)推廣和拓展。

智慧工地是綜合應用BIM和信息化、數(shù)字化技術手段對施工現(xiàn)場的人、機、料、法、環(huán)等關鍵要素實現(xiàn)全面感知和實時互聯(lián),通過數(shù)據采集、挖掘、共享和協(xié)同,實現(xiàn)工地的數(shù)字化、網絡化、智能化,構建以項目為主體的互聯(lián)協(xié)同、多級聯(lián)動、管理預控、智能決策、整合高效的智能化生產工地。構建基于BIM技術的智慧工地管理體系,對其中的模塊進行全面明確的分析,實現(xiàn)技術和管理的結合,這對于改善傳統(tǒng)施工現(xiàn)場的各項問題具有重要的工程意義和實踐價值。

1 構建基于BIM的智慧工地管理體系

1.1 構建基于BIM的智慧工地管理體系的必要性

智慧工地可利用物聯(lián)網與通信技術,對施工過程進行全面的感知、監(jiān)測和管理,通過安裝傳感器和監(jiān)控系統(tǒng),實時監(jiān)測和預警施工現(xiàn)場的環(huán)境、設備和人員的狀態(tài),實現(xiàn)設備和人員的聯(lián)網管理,有效協(xié)調各個施工環(huán)節(jié),收集數(shù)據并進行分析,幫助監(jiān)督施工過程和檢查質量,及時發(fā)現(xiàn)和解決問題,保障施工安全、提升工程質量。智慧工地可通過自動化設備和機器人來完成部分繁重、危險或重復性工作,減少人工介入,利用BIM技術進行精細化設計并優(yōu)化施工計劃,減少施工時間,降低人力成本和業(yè)主利息成本。智慧工地可通過智能照明、空調控制等技術手段,減少能源消耗,對建筑垃圾采用智能垃圾分類處理,降低污染風險,可利用智能噴淋系統(tǒng)對施工區(qū)域進行定時噴淋,減少施工中的粉塵排放,最大程度地滿足環(huán)保要求,實現(xiàn)綠色建造。智慧工地可采用大數(shù)據、人工智能、物聯(lián)網等技術和手段,實現(xiàn)對施工現(xiàn)場各項數(shù)據和信息的匯聚、分析、管理和應用,大幅提升現(xiàn)場管理、安全生產、效益管理等方面的效能,實現(xiàn)信息共享和數(shù)據集成,促進縱橫向建設參與方的協(xié)同合作和信息交流,提高項目整體效益和社會經濟效益。

1.2 建立基于BIM的智慧工地管理體系的可行性

工程建設項目涉及多專業(yè)和多學科領域,建設周期長、規(guī)模大、資源消耗大、參與人員多、復雜性程度高、物理信息交互的頻率大,若沿用傳統(tǒng)的施工管理手段,必然會存在進度延誤、成本超預算、工作效率低下、安全事故頻發(fā)等弊病。隨著全球信息化進程不斷增速,建筑行業(yè)進入信息化時代是必要的,利用BIM技術在建設工程項目全壽命周期的參建多方之間進行信息傳遞,集成人員、流程、數(shù)據、技術和業(yè)務系統(tǒng)實時數(shù)據,實現(xiàn)工程信息的交互和共享,形成建筑產品數(shù)字虛擬和建筑實體的“數(shù)字孿生”,達到不受時空限制進行設計、施工、管理的優(yōu)化。借助基于BIM技術的智慧工地管理平臺,利用IOT技術采集工地人、機、料、法、環(huán)數(shù)據,服務進度、成本、質量、安全管理,標準化各分系統(tǒng),傳遞、引用、分析工作的數(shù)字成果,精細掌握工地情況,準確預測施工中各項資源需求,尋找風險因素,完成合同分析、過程管理、指標管理、成本分析和質量控制等工作,實現(xiàn)項目管理的數(shù)字化、智能化。

1.3 基于BIM的智慧工地管理平臺系統(tǒng)架構

智慧工地管理平臺圍繞建筑施工現(xiàn)場“人、機、料、法、環(huán)”五大要素,運用BIM信息化模型、物聯(lián)網、大數(shù)據、5G、人工智能等高科技信息化處理技術,構建進度、質量、安全、勞務、物料管理、物聯(lián)監(jiān)測等業(yè)務板塊體系,實時監(jiān)控施工進度、質量狀況、安全防控、環(huán)境監(jiān)測、人員管理等功能。平臺在提高施工現(xiàn)場管理水平的同時,還為項目各相關方搭建溝通協(xié)調、信息共享的環(huán)境,可為項目工地、企業(yè)、監(jiān)理、業(yè)主、行業(yè)監(jiān)管等多個方面提供管理權限劃分。

智慧工地管理平臺體系架構由五部分組成,分別為感知層、網絡層、平臺層、應用層以及用戶層,以實現(xiàn)工程物理感知、信息網絡傳輸、數(shù)據歸集共享、業(yè)務互聯(lián)協(xié)同、用戶監(jiān)管決策之用,達到工程項目節(jié)能減排、降本增效、精益建造、提質創(chuàng)優(yōu)之目的,具體如圖1所示。五個層級的組成與作用如下:

1)感知層作為BIM+智慧云平臺系統(tǒng)的基礎,包含感知設備、識別設備、控制設備以及執(zhí)行設備等模塊,通過傳感器等硬件感知物品及各類環(huán)境信息,實現(xiàn)各類數(shù)據的智能化采集,將物理世界用數(shù)字技術實現(xiàn)信息化聯(lián)通。感知層應用的技術有傳感器技術、射頻識別技術、定位技術、圖像采集技術等。

2)網絡層是感知層和平臺層的紐帶,又稱為傳輸層。根據傳輸距離與用途可分為私有網絡、互聯(lián)網、有線和無線通信網等。主要作用是將感知層采集到的各種數(shù)據,安全可靠地傳輸?shù)綉脤?。網絡層通過接入網和傳輸網實現(xiàn)接入功能和傳輸功能。其中傳輸網主要由互聯(lián)網、電信網、移動網等公網及專網組成,接入網主要有光纖接入、無線接入以及衛(wèi)星接入等多種方式。信息傳遞會根據實際情況,依照每種網絡的特點和用途,進行組合構建。對于物聯(lián)網體系結構而言,其網絡層承擔著巨大的數(shù)據量,面臨更高的數(shù)據傳輸質量要求,故而對原網絡層需要進一步提升和改進,采用新技術進行擴展融合,達到廣泛和高效的互聯(lián)功能,例如4G/5G通信,IPv6,Wi-Fi,藍牙,ZigBee等。

3)平臺層包含兩部分:一是數(shù)據層,二是支撐層。數(shù)據層包括智慧工地的靜態(tài)數(shù)據和動態(tài)數(shù)據。智慧工地靜態(tài)數(shù)據包括建筑工程施工項目基本信息、各方責任主體信息、施工人員基本信息、施工圖信息、地理空間信息等低頻變化的數(shù)據。智慧工地動態(tài)數(shù)據包括施工人員考勤管理數(shù)據、門禁通行管理數(shù)據、施工設備監(jiān)測數(shù)據以及揚塵噪聲監(jiān)測數(shù)據等隨工程進度同步變化的數(shù)據。數(shù)據層應滿足各應用場景與各工程參與者數(shù)據的邏輯組織及歸集要求,且應具備數(shù)據統(tǒng)計、分析、預警、共享及協(xié)同的功能。支撐層主要提供應用所需的各種服務和共享資源,以云計算、大數(shù)據、人工智能等核心技術作為支撐,為系統(tǒng)對數(shù)據進行管理、處理、監(jiān)控、分發(fā)、檢索等服務。

4)應用層也稱業(yè)務層,是針對項目管理、面向不同對象、不同階段的各類應用集合。主要集成實現(xiàn)了BIM+智慧工地云平臺系統(tǒng)。它可根據項目屬性分為諸如安全質量監(jiān)管系統(tǒng)模塊、項目管理系統(tǒng)模塊、項目管控系統(tǒng)模塊、項目信息管控系統(tǒng)模塊、BIM輕量化設計系統(tǒng)模塊、勞務實名制系統(tǒng)模塊、附加信息系統(tǒng)模塊等。應用層模塊隨建設工地性質的不同而有所側重。

5)用戶層主要是為主管部門、建設單位、項目工地、施工企業(yè)、監(jiān)理單位等用戶提供多功能的智慧工地平臺服務。構建覆蓋集團公司、子分公司、項目現(xiàn)場多方聯(lián)動的工地監(jiān)督管理平臺,實現(xiàn)跨區(qū)域的多個承建單位、多個公司、多個項目部工地數(shù)據的匯總、分析,為管理人員提供決策支持。通過設置權限,按照分級管理結構,工地建設企業(yè)、監(jiān)理單位、施工企業(yè)、監(jiān)管部門等可實現(xiàn)資源共享,互聯(lián)互通,實現(xiàn)項目級、企業(yè)級以及監(jiān)管方平臺為一體的多功能化和數(shù)據差異性大屏端、PC端和移動端等多應用場景功能。

1.4 基于BIM的智慧工地管理體系

智慧工地管理體系的目標是服務建設工程項目全生命周期中項目的決策階段、實施階段和使用階段之間各類信息的流通、集合、共享、協(xié)同,形成具有信息化、數(shù)字化、網絡化、協(xié)同化的智能建造工地,通過施工技術、信息管理、決策分析、風險管控措施實現(xiàn)信息與管理聯(lián)通,提高決策的時效性、科學性。

把建設工程項目的主體層、對象層、目標層通過信息化、數(shù)據化方式融合、交匯于智慧工地云平臺,形成一種基于信息化技術和智能化設備的智慧工地管理系統(tǒng),實現(xiàn)對建設工地質量、進度、環(huán)境保護等多方面的管理。主體層包括參與建設工程項目的業(yè)主單位、施工單位、設計單位、監(jiān)理單位和政府監(jiān)管部門,不同參與主體在項目建設全生命周期的不同階段通過BIM技術進行虛擬現(xiàn)實模擬實現(xiàn)建設項目各階段問題早發(fā)現(xiàn)、早預防、科學決策、提升效能。對象層圍繞工地要素進行實時、全面、智能監(jiān)控和管理。例如:工地環(huán)境監(jiān)測應用場景通過前端傳感設備和視頻設備,實時監(jiān)測工地揚塵數(shù)據,實現(xiàn)對施工現(xiàn)場噪聲、網速、風向、溫濕度、PM2.5,PM10等內容的實時數(shù)據監(jiān)測和預警并將數(shù)據上傳政府監(jiān)管平臺,自動生成統(tǒng)計報表,數(shù)據超標自動預警,并自動開啟噴淋系統(tǒng)降塵,為監(jiān)管部門提供實時有效的動態(tài)顆粒物、噪聲數(shù)據和圖像數(shù)據;塔式起重機安全管理應用場景借助安裝在塔身的高度、力矩、回轉、幅度傳感器和風速儀等感知硬件,集合互聯(lián)網、嵌入式技術實時顯示運行數(shù)據,實時反饋塔機情況,量化分析工作量、工作效率,提供項目管理數(shù)據信息,判斷設備疲勞程度,反映設備狀態(tài),執(zhí)行危險行為切斷控制指令。目標層項目管理任務因主體不同而有差異,從業(yè)主和施工方綜合考慮,主要包括質量、成本、進度、安全、合同、健康和環(huán)境管理。例如:進度管理中,進度可視化用不同顏色三維展示當前進度情況,建設進展直觀掌控;智能預警提醒可設置關鍵節(jié)點,對延期風險進行智能預警、對已延期進度自動提醒,實現(xiàn)動態(tài)及時的進度監(jiān)測?？梢钥吹?利用智慧工地云平臺能更好圍繞對象層,服務主體層,實現(xiàn)目標層管理任務,借助信息技術對管理對象進行管控以實現(xiàn)項目的管理目標,使得整個建造過程更智慧化?；贐IM的智慧工地管理體系如圖2所示。

2 應用成效

2.1 智慧工地管理應用場景

建設工程施工方項目管理任務包括安全、合同、信息管理和成本、進度、質量控制及與施工有關的組織協(xié)調等。工地管理圍繞建設過程中的人、機、料、法、環(huán)等關鍵要素開展,因此,智慧工地管理一般應該包括安全、人員、質量、進度和環(huán)境管理等內容,如圖3所示。

安全管理是工地管理中最為重要的環(huán)節(jié),包括作業(yè)前的安全教育管理和作業(yè)時的違章管理。人員培訓時需實名制登記,安全教育后要簽字確認,確保每個人員作業(yè)前完成安全教育。作業(yè)時的安全管理包括重點區(qū)域遠程視頻監(jiān)控、安全防護防拆檢測、未戴安全帽抓拍和報警、危險邊緣區(qū)域聲光警報等。

人員管理包括人員的實名制管理和考勤管理、從業(yè)資格管理和教育交底管理、誠信管理及工資管理等。智慧工地管理系統(tǒng)對現(xiàn)場人員快速登記,解決上千工人信息登記煩瑣的問題。通過對工人日常行為監(jiān)測,補充現(xiàn)場管理漏洞,解決監(jiān)管覆蓋不全面、不到位的問題。

質量管理包括質量隱患巡查管理和實測實量管理、質量檢測報告管理等。主要為監(jiān)控工程實施的各質量環(huán)節(jié)信息和流程自動化,質量管理模塊將上傳到系統(tǒng)的巡查和檢測數(shù)據自動生成報表,分析趨勢,并對具有較大風險的數(shù)據進行預警顯示。數(shù)據資料也可與授權部門進行共享,提高政府部門對工程數(shù)據的檢索、檢查的效率。

進度管理在傳統(tǒng)Project,P6系統(tǒng)進度管理基礎上,或采用諸如斑馬雙代號網絡圖系統(tǒng),通過數(shù)據對比,發(fā)現(xiàn)實際工期與計劃工期的差距、資金支付、主材使用、人員勞動效率等方面問題,科學地掌控項目的進度。

生態(tài)環(huán)境管理是項目建設非常重要的內容,項目建設產生的揚塵噪聲、廢水、廢氣、廢棄物和能源的使用都會對周圍的區(qū)域產生一定的影響,基于BIM構建的智慧工地管理系統(tǒng),能夠自動記錄環(huán)境監(jiān)測儀、污水感應傳感儀器、廢氣傳感儀器等設備檢測到的數(shù)據,管理系統(tǒng)能夠及時檢測到超標值并發(fā)出預警,并實現(xiàn)自動處置。例如,當工地中的揚塵量較大超出預警值時,設備將會自動開啟噴淋系統(tǒng),以降低粉塵顆粒濃度。

2.2 實際效果

智慧工地管理體系可以實現(xiàn)如下幾方面的作用:通過三維虛擬場景模擬施工過程,優(yōu)化施工方案,合理安排施工工序,減少人力資源,縮短施工時間,降低施工成本、提高施工效率。通過可視化表現(xiàn)和檢測,減少實際測量和驗收的誤差,幫助施工和監(jiān)理人員及時發(fā)現(xiàn)問題并解決,減少施工質量問題和糾紛,提升過程質量管理水平。通過GPS定位、視頻監(jiān)控、RFID識別等技術手段,對建設工地的人員、車輛、材料等進行全面監(jiān)管,實現(xiàn)全時段、全方位的在線監(jiān)控和工地現(xiàn)場全面監(jiān)管。利用傳感器、人工智能等技術手段,對建設工地的潛在風險進行預警和管理,增加施工安全措施,減少潛在錯誤和風險,構建全方位無死角的施工安全管理體系,減少事故發(fā)生的概率,保障施工人員安全和健康,實現(xiàn)智能化風險管控。借助移動終端、互聯(lián)網等技術手段,實現(xiàn)建設工地的信息化管理和協(xié)同合作,提高施工質量和工程進度,完成精細化質量管理。通過智能化調度、進度管控等手段,實現(xiàn)建設工地的精準管理和快速響應,提高施工效率,實現(xiàn)高效化進度控制。利用環(huán)保監(jiān)測設備、智能節(jié)能設備等技術手段,實現(xiàn)建設工地的節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展,降低工地建設對環(huán)境的污染和破壞,促進綠色化,實現(xiàn)環(huán)境保護。

BIM+智慧工地平臺的應用實現(xiàn)了施工現(xiàn)場的“人、機、料、法、環(huán)”各關鍵要素實時、全面、智能的監(jiān)控和管理,有效支持了現(xiàn)場作業(yè)人員、項目管理者各層協(xié)同和管理工作,提高了施工質量、安全、成本和進度的管理水平,減少浪費[8]。同時,幫助工程人員發(fā)現(xiàn)安全隱患,規(guī)范質量檢查及檢測行為,實現(xiàn)質量溯源和勞務實名制管理,有效支撐主管部門對工程現(xiàn)場的質量、安全、進度、人員的監(jiān)管[9]。

3 結語

通過基于BIM的智慧工地管理系統(tǒng)在項目管理全過程的深度應用,綜合運用物聯(lián)網、人工智能、移動互聯(lián)網、云計算等信息技術,采集項目現(xiàn)場生產、監(jiān)測數(shù)據,集成項目子應用系統(tǒng),以可控化、數(shù)據化、可視化的方式對項目進行全方位立體化監(jiān)測和智能響應,實現(xiàn)工地關鍵要素全面感知、互通互聯(lián)、智能協(xié)同,保障施工項目全要素、全流程、全參與方共享共用的信息化、數(shù)字化、智能化管理。工程數(shù)字化體系將大幅提升企業(yè)的精益生產能力,提高工程運營效率,降低工程管理成本,提升管理水平與決策能力,提高項目建設目標全壽命周期競爭力,為工程的建設和使用增值。

但也要清楚的看到,和其他行業(yè)相比,目前建筑業(yè)還處于工業(yè)化還沒有完全實現(xiàn),信息化正在系統(tǒng)建設,數(shù)字化治理剛起步的工業(yè)化、信息化、數(shù)字化三線并行的跨階段發(fā)展時期。BIM對應的是建筑產品的數(shù)字化,智慧工地技術對應的是人、機、料等要素的數(shù)字化,從當前智慧工地建設情況來看,依然存在諸如數(shù)據沒有形成系統(tǒng)化資源,留有信息孤島;碎片化系統(tǒng)未形成有效連接與協(xié)同,對業(yè)務的支撐有限,無法滿足全局優(yōu)化的需要;建設項目各階段口徑、標準不一致,數(shù)據冗余,無法形成持續(xù)優(yōu)化的數(shù)據應用閉環(huán);缺乏可隨時調用的結構化數(shù)據和有效解構到元素級數(shù)據的能力等問題。而實施數(shù)據驅動、數(shù)字賦能,推動建設模向信息化、數(shù)字化、智能化模式轉型,已經成為建設方企業(yè)保障存續(xù)的必由之路,以項目現(xiàn)場各崗位作業(yè)數(shù)字化為手段,實現(xiàn)虛實結合精細化管控及數(shù)字化集成交付[10],依托系統(tǒng)性數(shù)字化能力,持續(xù)保障智慧工地深度應用與發(fā)展,以系統(tǒng)性數(shù)字化建設推動建造過程數(shù)字化、智能化升級,是推動建筑業(yè)數(shù)字化轉型和高質量發(fā)展的有效途徑。