可視化協同管理在工程建設管理領域的應用研究

文｜廣州市城鄉建設信息中心 劉 瑜

隨著我國國民經濟的不斷發展，2016年全國建筑業總產值為193567億元，占國內生產總值的26%，為加強工程建設領域在項目前期、規劃設計、工程造價、施工過程、責任主體等全過程的監管，相關部門多年來在工程建設信息化管理方式上歷經了階段性的發展過程。

第一階段從2000年開始，隨著“十五計劃”中政務信息化的推廣，工程建設管理部門紛紛開始了建設領域中各業務信息系統的建設，建立設計施工等主體企業資質備案、工程項目業務審批、建設類行政許可等管理系統。這一階段主要是通過建立各項業務信息登記及備案系統，建立建筑市場信息化監督管理體系。

第二階段是2005年平安城市建設理念的提出，公安部科技局決定在全國開展城市報警與監控系統建設。隨著社會治安監控建設的推廣，利用安全防范技術對于建筑工地的監控管理也逐步進行。同時，管理部門加強了對于建筑工程質量安全以及工地現場的監管。此階段的特點是管理部門開始利用各種技術將關注點轉向工程現場。

第三階段是以智慧城市和社會誠信體系建設為契機。2009年物聯網被列為國家五大新興戰略性產業之一，成為智慧城市建設的重要組成部分，工程建設領域逐步開展將各種傳感器安裝在建筑工程的工程結構、建筑材料、工程機械的應用嘗試。隨著對于建筑工程各方面的深度管理，為工程建設領域信用體系建設提供了數據支持，契合國家2011年“十二五”提出“加快社會信用體系建設”的總體要求。

第四階段是2015年住建部提出《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》。2017年國務院的新一代人工智能發展規劃，要求構建城市智能化基礎設施，發展智能建筑，推動地下管廊等市政基礎設施智能化改造升級，實現對城市基礎設施和城市綠地、濕地等重要生態要素的全面感知以及對城市復雜系統運行的深度認知。對工程建設領域的發展提出了推進城市規劃、建設、管理、運營全生命周期智能化的更高要求。

在工程建設管理領域不同階段的發展中，從早期的行政審批和信息登記，到利用安防、物聯網等技術管理建筑工程的現場實體，再到利用建筑信息模型（BIM）對工程建筑的仿真模擬，針對建筑實體、建筑模型和數據信息的監管成為了工程建設管理的三個重要方面。

加強對工程建設領域的管理，就是要將這三個方面更加直觀有效的展現出來。而視覺是人類獲取信息最重要也是最有效的渠道，可視化管理是將事物通過二維或多維的數據表達，輔助人們更直觀的理解事物的概念和過程，使單純的視覺感知達到深層次的思維認知。將工程建設管理與可視化相結合，形成針對工程現場的實體可視化，立足于建筑模型的虛擬可視化及建立在過程數據中的數據可視化。

圖1 建筑實體、建筑模型、數據信息關系圖

一、可視化管理在工程建設領域的現狀

1、實體可視化

實體可視化是以成像設備對工程建筑的實景拍攝，可采用拍攝照片的管理方式，在安防設備成熟以后，視頻監控成為工地實體可視化管理的主要手段。早期在建筑工地上采用光纖直連的方式，遇到工地監控點位經常移動、場地情況復雜的問題，隨著4G技術的發展，工地更多采用無線傳輸的監控設備，同時輔以手機分發、可移動監控等手段進行補充。近年來，隨著無人機和三維掃描等技術的發展，監控方式更加多樣化。

實體可視化管理可以做到發生問題及時糾正或反應，比如工人是否佩戴安全帽，工程是否按規程施工，工地有無使用袋裝水泥，施工過程是否存在明顯的安全隱患等。隨著科學技術的不斷發展，未來和人工智能、圖像識別等技術的結合使用，監管模式將更加智能化。

2、虛擬可視化

虛擬可視化從早期的建筑動畫模型發展到建筑信息模型（BIM），是從工程項目設計開始，構建建筑本身及建設過程的虛擬模型。可以對工程各參與方在建設過程中提供直觀的模型展示，促進施工生產力的有效提升，實現建筑工程的所見即所得。

3、數據可視化

數據可視化是通過對信息數據的可視化表達來提高工程建設領域的管理效率。一種是趨勢可視化，比如在成本控制中項目所需要的材料、設備與人力的綜合統計分析，評估項目成本是否超過預期。還有項目施工進度，將項目進度的各項材料數據與計劃進度數據的綜合比對，反映項目是否有超出工期的風險。一種是狀態的可視化，比如采用物聯網技術對項目深基坑的傳感器監測，當綜合位移值等指標的變化進入危險范圍時進行預警。

二、可視化管理內容分析

工程建設領域管理的可視化其實也是借鑒科技研究的成果和其他領域的相關經驗，以建筑本身和建設過程中所采集和模擬的信息為基礎，構建虛擬化的模型，并通過數據上的關聯分析來對工程建筑的實施過程乃至整個建設領域進行更多細節的掌控和更深層次的監管。所以可視化管理的目標就是要把建筑實體、虛擬模型和信息數據三者協同關聯起來，從而使建筑工程全生命周期內的各種信息要素相結合，把管理和對實施過程的促進融合起來，使之成為建筑工程順利實施的保障，也為達成更高層次管理目標打下基礎。

三、可視化協同管理應用探索

工程建設領域的管理要點如圖2。

1、項目前期階段

項目在前期階段，主要是從城市總體建設規劃的角度論證項目的可行性，可結合可視化的建筑信息模型對項目選址、環境評價、地質評估來綜合考慮，并估算項目投資。比如20公里范圍內是否有飛機場對建筑高度的影響，涉及深基坑、隧道的項目對周邊建筑的安全影響；以及建筑施工后對于該地區人口流動、道路交通的影響；原有建筑物、地下管線的遷移成本。

2、項目設計階段

在項目設計中應用可視化的建筑信息模型（BIM）對設計方案進行直觀的分析論證。結合項目環境，可以對項目進行節能分析和采光分析，并輔助工程造價分析。工程造價中材料費用通常占預算費用的70%以上，依據三維的建筑信息模型，可以快速準確地進行工程量計算，再結合建筑材料的價格分析，可以使項目的造價預算更為合理。從管理部門的角度來說，在項目設計階段結合建筑信息模型和電子地圖，可以將不同單位的行政審批業務結合起來。比如準確的規劃用地范圍，到項目實施過程中按部分建筑或單體建筑進行的施工許可、工程報監信息，以及預售時按建筑層、梯的劃分，都可以通過統一的建筑信息模型確定具體的行政許可范圍，為綜合性的城市管理提供可關聯的更加有效的數據支持。

3、建設施工階段

3.1 施工管理

圖2 管理架構圖

在項目進行深化設計時，可以建立包括管理部門、建設單位、施工總包、專業分包、咨詢、設計、監理等項目參與各方以建筑信息模型為中心的工作平臺，實現工程實施的多主體協同。比如通過模型向總包和分包單位對建筑的鋼筋、管線等復雜節點進行分析，共同優化相關節點布置。也可以模擬模板支撐體系的受力狀況，以確保模板支撐體系的施工安全。在具體施工前，通過基于建筑信息模型的虛擬建造可以使施工單位更直觀的理解施工方案。在施工過程中，還可利用可視化的建筑信息模型對現場的塔吊、起重機、施工電梯等安全風險較大的設備進行安裝位置、運行范圍的規劃。

3.2 質量安全管理

建筑工程質量安全關系到人民生命財產，可結合物聯網技術，對于建筑材料、建筑構配件和相關設備進行跟蹤監測，作為工程建筑質量安全的保障。

對于施工過程可通過視頻監控檢查施工單位是否按照方案實施，工人是否符合安全施工要求；對施工材料監管上可采用RFID等電子標簽，及對接檢測機構的檢測設備獲得取樣試件的檢測數據，保證工程使用合規合格的建筑材料；對處于地下工程、深基坑等風險系數較高階段的工程，可采用壓力計、應力計、位移計等物聯網傳感器監測實時狀態；對建筑使用的塔吊、施工電梯等起重設備監測其重量、力矩、環境風速、傾斜度等指標。以這些監測數據為基礎，在BIM上構建監測模型，當出現預警時，監控設備可直接指向相關部位進行實時監控，使管理人員準確快速地確定問題位置。對工程施工責任人員方面，比如將建造師和監理師在工地的管理信息同招標時相關人員比對，可判斷相關企業是否有更換項目經理的行為。

3.3 進度管理

在建筑工程進度控制中，通過建筑信息模型的虛擬建造可以在實施之前將很多設計缺陷或未預見的問題暴露出來，形成更完善的施工方案，使進度計劃更加合理。

對于管理部門，可通過三維掃描設備、視頻監控實景對工程主體和關鍵工序進行進度采集。一方面作為質量安全的管理依據，另一方面與建筑信息模型的可視化比對，直觀地反映出工程進度。對責任人員、機電、材料等人員物資合同和支出情況的分析，可體現出工程的資金進度。

3.4 資產管理

建筑工程完工之后，形成的資產可分為實體資產與數據資產，實體資產為建筑工程完成竣工驗收后的建筑實體，還有過程中的實體檔案及資料。而通過建筑信息模型構建的協同工作平臺，可在工程前期開始到設計、施工的整個過程中使工程參與方持續完善工程的各項信息化材料，形成完整的資料庫。在此基礎上收集的信息數據和分析成果與竣工模型一起形成建筑工程的數據資產。

4、運營使用階段

工程項目建設完成后，通過建筑信息模型可直接給房屋交易及租賃管理提供支持，比如與房地產測繪結合對房屋進行產權和共有面積的劃分，房屋預售、現售時候構建三維樓盤表。還可為后續建筑的安防設備、智能化管理設備的安裝提供三維模型的整合依據，并為房屋安全管理和消防管理提供支持。

四、可視化協同管理的意義

建筑信息模型、視頻監控、數據分析等可視化的成果不僅對建筑工程的實施過程有極大幫助，對于城市范圍內工程建設領域的管理也有積極的促進作用。

建設工程從立項、方案、用地到施工運營的過程需經過發改委、國土、規劃、環保、住建等多個部門，其中各類行政審批業務多是從自身管理的角度或是企業申報的角度辦理，其中的管理主體或范圍常常有一對多或多對多的情況。如果引入建筑信息模型，結合電子地圖等技術，可以在數據檔案中準確的劃分出審批業務的管理范圍，逐步構建跨部門的全過程業務監管體系。另一方面建筑工程的咨詢、勘察設計、施工、監理各參與單位，以及注冊建造師、注冊監理工程師等責任人員的監管可通過納入工程建設管理監督體系和誠信體系，實現對工程建設領域的主體監管。在建筑工程的現場管理中，將建筑信息模型、實景監控、物聯網監測、數據分析廣泛應用在施工、質量安全、進度、資產等的管理中，不斷地探索對于施工現場及過程更有效的監管模式。

通過應用實體可視化和虛擬可視化對工程項目審批事項的業務監管、對實施參與單位的主體監管和對工程施工的過程監管，管理部門可將收集到的數據通過多角度可視化的數據分析，結合電子地圖，能夠對整個城市的工程建設領域進行更有效的監管，為智慧城市建設的進一步發展提供有力支持。