數字化施工與管理的展望

蘇道宏

摘要：隨著信息技術、全球定位技術、測量技術和設備以及工程進行的快速發展，數字化施工和管理在全球迅速興起，我國也已加入這個興起的行列。本文對數字化施工和管理中所需的軟硬件條件、功能和控制方式進行了闡述，并總結了數字化施工的的特點，最后論述了我國數字化施工的發展歷程及工程應用和對未來發展趨勢的展望。

關鍵詞：數字化施工；GPS；機械控制技術；工程機械

一、概述

什么是數字化施工？就是將施工過程數字化，它包括工程全部施工資料的數字化、網絡化、智能化和可視化的過程。其核心思想是用數字化手段整體性地解決工程施工問題并最大限度地利用信息資源。

數字化施工就是在整個施工過程中充分信息化，并讓其貫穿整個施工過程。既通過空間數據平臺進行工程設計的3D數字化轉換、數字化機械施工、數字化工程進度管理、數字化檢查（監理）和工程后期應用。

二、現行數字化施工中應用的軟件和硬件條件

目前，國際上3S技術（Remote Sensing、Geographical Information System和Global Position System，既RS、GIS和GPS）已經發展的相當成熟，并且在世界各地也建立了本地的地理信息系統，我國還積極正在建設智能化城市，這些都為數字化施工提供了強大的空間數據平臺。

在建設工程項目中為實現數字化施工所需的軟件、硬件條件也已經具備。在數字化施工所需的軟件、硬件制造商中：美國天寶導航有限公司（簡稱天寶公司）是目前國際上數字化施工產品的領頭羊，技術能力涉及全面，處于領先地位。北京麥格天寶科技發展集團有限公司（簡稱麥格集團）是中國最大的、擁有世界上最先進位置信息技術的集團公司。卡特彼勒是建筑工程機械、采礦設備、柴油和天然氣發動機、工業用燃氣輪機以及柴電混合動力機組領域的全球領先企業。

軟件產品主要有：

工程數據軟件產品（TBC-HCE）：可以把傳統的施工圖紙變成三維設計模型，直接與機械控制產品聯合作業，貫穿工程設計、施工、監理、驗收整個過程。如SCS700 Site Controller適合于貫穿整個施工過程的工地測量任務；SCS900 Site Controller是為大型道路、土石方施工的承包商研發的用來控制GPS和全站儀等測量傳感器的軟件，通過他用戶能夠進行工地控制、工地測量、坡度檢查以及放樣工作；SCS Data Manager是為工地定位系統應用而設計的一個簡單的數據管理器。為與第三方軟件結合使用而設計的能夠同時組織、管理以及跟蹤一個項目里多個工地、多個測量隊的軟件；Trimble Business Center用于隨時高效地管理在同一個工地施工的不同施工隊的數據。借助它，承包商可以導入、復查和分析圖形化的設計信息，并在整個項目進行期間，都能輕松地分配、管理以及跟蹤施工信息；Terramodel是一款成熟的三維設計、數據處理軟件；HYDROpro是一款專為數據存儲和轉換所開發的軟件。

土方機械控制產品（GCS）和路面機械控制產品（PCS+GCS）：基于機械控制技術，該技術集合了激光、聲納、角度傳感器、GNSS、全站儀等測控技術，與工程機械完美結合，實現數字化施工。如Site Vision Office是機械控制系統的數據管理工具軟件。這款軟件是專門為工地數據管理員設計的，管理員用軟件將拿到的設計數據分成小部分，存儲到不同的數據卡里并分派給各個施工隊，施工人員將數據卡放入機械駕駛室里的控制箱，并實時根據控制箱屏幕上顯示的數據施工。

硬件產品主要有：

工地定位產品：該產品是GPS或全站儀定位傳感器硬件，結合專門為數字化施工應用開發的Trimble SCS900工地管理員軟件。從而不需要測量員，便能使施工單位靈活地完成任何任務并通過快速解決現場問題來減少停工時間。如SPS系列接收機是全面支持GPS、GLONASS、Galileo、Compass、QZSS，5種衛星信號的GNSS系統，支持OmniSTAR、SBAS的一體化接收機，可以作為高度靈活的基站或流動站，用于施工工地測量；SPS930全站儀是一臺儀器實現伺服、自動鎖定、機器人、無反射器和ATS坡度控制五種操作模式，能夠在作業現場輕松應對任何監視、測量、無反射 器測量或坡度控制任務的五為一體全能設備，能夠滿足現場定位、坡度控制等所有需求。

施工機械設備：各種工程機械通過機械控制技術，既激光、聲納、角度傳感器、GNSS、全站儀等測控技術和Trimble SCS900工地管理員軟件。只要將3D數字模型直接安裝在施工機械上而無需操作人員的干預，就可以對各種工程機械進行精確定位和實現各種作業功能，使其具有智能化施工的能力。

其中土方機械控制產品功能包括：挖掘機挖掘作業中的邊坡修整、溝渠開挖、復雜造型，推土機土地平整中的層厚控制、高程控制、坡度控制，壓路機壓實控制中的遍數監測、層厚監壓實質量檢測，平地機精細平整中的層厚控制、高程控制、坡度控制。路面機械控制產品的功能包括：攤鋪機攤鋪作業中的層厚控制、坡度控制，銑刨機銑刨作業中的層厚控制、坡度控制，壓路機壓實控制中的遍數監測、料溫監測、壓實質量監測。

三、數字化施工的特點

1.設計數據3D化：可將2D設計數據轉換為3D模型，并把3D數字模型直接安裝在施工機械上，實現了無紙化、無樁化施工。

2.施工過程可視化：可以通過信息采集設備實時的知道壓縮層到底是誰做的，情況怎樣，還可以顯示施工報告實時掌控施工的過程，把數字化模型放到機械控制中，可以確保在第一次施工中就可達到要求，進而掌控整個施工過程的施工質量。

3.施工機械設備智能化：工程機械通過數字化施工的技術，能夠讀懂圖紙，圖紙直接告訴工程機械怎么操作，操作手只是在旁邊起一個輔助的作用，以減少人的控制和誤差。

4.施工進度控制可調：建立動態的工程進度數字化模型，為施工進度提供數字化依據，遇設計變更、自然災害時可隨時更改，使工作人員很直觀地了解工程進度。

5.施工檢查（監理）全盤化：通過工地管理軟件了解實時的工程進度、對工地進行實時的質量控制、合理調配現場人員和設備。并能建立和檢查工程測量控制點，以及工地坐標系統的校準；工程最初的測量，檢查原始設計數據，提供更精確的工程預算；土方施工，基礎建設，道路施工等等工程的放樣打樁工作；填挖方的施工決策；產生每天、每周、每月的工地土方量報告，方便進行工程進度管理；原材料的采購存貯參考和挖掘量計算。

6.工程后期監測連續化：全部施工數據的電子文檔保存，便于今后調用和維護使用。通過建立GPS基站網絡，在一些具有特殊意義的構（建）物上架設GPS接收機進行變形、沉降觀測；局部氣象預報；管網數據管理-GIS應用；車輛調度等。

7.全球性和全天候：使用GPS定位技術，通過美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo和中國的北斗衛星定位系統，在全球進行24小時定位施工，不受天氣、地形等因素的影響，無累積誤差，測站間無須通視，從而提高整體精度、可靠性和作業效率。

8.施工費用低：由于無須打樁放樣，無須進行人工測量，可以大大的減少工程等待的時間，提高機械使用的效率，減少重復推平，降低油耗，節約物料等。

9.施工效率高：可以一次施工合格，避免返工，從而縮短工期，并且可以實現24小時不間斷的施工。

10.施工過程安全：因為可以實時的監控施工的現場，知道人員、設備、機器的位置，可以實現施工的安全。同時因為減少了人機混合作業的時間，避免了事故的發生。

四、數字化施工的未來展望

早在1998年，美國天寶導航有限公司在中國正式成立辦事處。2002年11月，天寶在中國上海成立了其獨資子公司----特林波系統集成技術（上海）有限公司。2005年在上海設立了亞太區的培訓支持服務中心，并且在上海、長春建立了工廠。2011年天寶在西安設立研發中心，以加快在中國的本地化進程。

天寶公司與全球最大工程機械生產廠商卡特彼勒的合作共同研發了數字化施工，也希望與中國工程機械制造企業生產的設備配合在一起。天寶公司與卡特彼勒已經成立了兩家合資公司，通過合資公司整合兩家公司在產品設計和軟件開發方面的專業知識與經驗，推動數字化施工相關技術的發展。

以往傳統的工程施工方式是操作人員看圖紙根據自己的操作水平去使用工程機械來達到工程的效果，而未來可以轉換成工程機械能夠讀得懂的數據，數據會控制機械操作，減少人的控制和誤差。

隨著數字化產品的本地化生產，加速了數字化施工發展的進程。目前我國也有許多大型建設施工企業在一些建設項目上應用數字化施工和管理，不但加快了工程進度、提高了工程質量和降低了建設成本，并且積累了許多寶貴經驗。例如2004年至2007年天寶公司參與杭州灣跨海大橋的建設，建筑施工單位在建設過程中運用了天寶公司的施工測繪系統，大幅度的提高了工作效率，進一步的優化了工作流程和降低成本。2009年至2014年蘭新鐵路在數字化施工方面運用了天寶公司的智能壓實技術，以及最大限度地運用各種最先進地工具進行一體化測量、數據管理、工程機械施工和資產管理。通過這些前瞻性的技術和先進的解決方案使工作流程和整個工程建設周期得到完整的數字化體現，效率和安全性也隨之大大提高。鳥巢、中央電視臺大樓和上海世博會中國場館都運用了數字化施工來進行技術信息的分析；這使工程施工全面掌控自己的施工作業現場，從而有效的提高了工作效率與安全性。

數字化施工在我國建設施工行業雖然起步較晚，在其他行業（如機械加工、電子和管理等方面）早已滲入和運用，但隨著它快速發展還是可以帶動一系列行業的發展，如工程設計、工程造價和工程管理等都可以通過數字化施工整合到一起，形成一個完整的產業結構。并且還可以推動其他行業的發展提升，如機械制造業、測繪儀器制造業、電子電器業和軟件業，使其產品與數字化施工配合，形成共同發展，共同提升，以全面形成數字化社會格局。

參考文獻：

[1]數字化施工淺議，2006-07-17，李景茹，胡程順

[2]數字化施工-工程機械應用技術的未來，2012-10-31，柯銳思，陳朝暉