智慧工地建設研究與工程應用

（中車科技園發展有限公司，北京 100071）

0 引言

隨著互聯網技術迅速發展，在國家“互聯網+”政策推動下，施工現場信息化開始突破原有模式，許多新技術如BIM、物聯網、云計算、大數據等開始逐漸集成應用在施工現場，與傳統信息化集成平臺實現優勢互補，使施工現場呈現出數字化、智能化、可視化等特點，在此基礎上，“智慧工地”的需求應運而生。智慧工地是智慧城市理念在建筑施工行業的具體體現，是建立在信息化基礎上的一種支持對人和物全面感知、施工技術全面智能、工作互聯互通、信息協同共享、決策科學分析、風險智慧預控的新型信息化手段。智慧工地緊緊圍繞人、機、料、法、環等關鍵要素，綜合運用BIM、物聯網、云計算、大數據、移動和智能設備等軟硬件信息化技術，與現場生產過程相融合，提高施工現場的生產管理效率、決策能力，實現工地的數字化、精細化、智慧化管理。

國內已有許多工程技術人員和高校對智慧工地進行了研究和實踐：馬凱等[1]基于工程項目管理實踐，以“BIM+信息集成”為核心，以項目施工階段管理為主線，探索搭建智慧工地管理平臺。從?；⒌萚2]從技術管理、成本管理、安全管理和進度管理4個方面分析如何有效應用BIM技術打造四維一體的智慧工地，發揮其應用價值，進一步促進工程施工的穩定發展。丁彪等[3]闡述了智慧建設對工程施工的價值和意義，分析了智慧建設理念下BIM運用模式，針對基于BIM的智慧工地管理體系框架展開了深入研究。周永明等[4]結合橫琴國際金融中心大廈項目，基于智慧工地理念，對協同平臺、BIM、物聯網等方面進行了一系列的研究與開發。鄭小云[5]以設計優化及智慧工地建設為切入點，對BIM技術的應用進行了研究。

1 基于BIM技術的現場綜合管理

目前，BIM技術（建筑信息模型，Building Information Modeling）已在工程建設領域廣泛應用。在施工方案制定過程中，可利用BIM技術進行施工模擬，對施工組織方案的合理性、安全性、可行性進行綜合分析，排除可能存在的問題和隱患。如對施工方案中模板腳手架方案進行模擬，能夠使模板配置更加方便快捷，降低設計強度、提高設計效率；通過分析腳手架模型的安全信息，實現安全問題的有效控制，從而降低安全風險，傳統模式與BIM模式下的腳手架方案對比如圖1所示。在管線綜合排布中采用BIM技術進行模擬，利用BIM的可視化功能進行管線碰撞檢測（見圖2，3），將碰撞信息反饋給設計人員，以便設計人員及時調整，從而減少管線碰撞及返工，降低成本。

圖1 模板腳手架方案對比

圖2 管線綜合排布

圖3 管線碰撞檢查與調整

在施工過程中，將成本、進度等信息要素與模型集成，形成完整的5D施工模型，幫助管理人員實現施工全過程動態管理，實現施工過程的成本、進度和質量的數字化管控。在工程應用中，將主要分部分項工程按照施工順序編制計劃，編制完成后將計劃任務與BIM模型進行關聯，實現工期進度對比，從而幫助管理人員更好地掌握工程進度安排。目前，BIM技術的應用逐漸呈現出與物聯網、智能設備、移動技術等集成應用的趨勢。在竣工交付環節，所有圖紙、設備清單、采購信息、施工資料等均可基于BIM模型統一管理。施工資料的可視化為建筑物的后期運維管理提供了有效的數據支撐。

2 物聯網技術

物聯網是通過在施工現場安裝RFID、紅外傳感器、定位系統、激光掃描器等傳感設備，將與工程建設相關的人或物品與互聯網相連接，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網可彌補傳統技術和方法在管理中的不足，實現對“人、機、料、法、環”的實時全方位監控。

2.1 自動識別技術

1）條形碼 條形碼技術克服了傳統手工輸入數據效率低、錯誤率及成本高的缺點，已逐漸應用于施工中。條形碼技術非常適用于建筑材料和機械設備的管理，通過移動終端對建筑材料和設備進行掃描，可準確獲得材料和設備的相關信息，實現精細化管理，確保材料和設備的有效利用，減少不必要浪費。

2）RFID技術 射頻識別技術RFID（Radio Frequency I-dentification），即為以無限點技術為依托，做到識別指定對象的要求，最后加以對數據的讀寫操作技術。RFID系統主要由電子標簽、天線和讀寫器3部分組成。該技術在施工現場主要應用于現場人員、機械、材料等的跟蹤和現場安全管理。和其他技術相比，RFID擁有遠程讀取和辨識數據的功能。以裝配式建筑施工為例，將RFID電子標簽置于預制構件內，記錄其所在預制構件的尺寸、位置等信息，與BIM模型中的構件信息相對應。當識讀預制構件中的電子標簽時，其對應的質檢、運輸、進場、安裝等信息，便會記錄在電子標簽中，而且會同步到云端。在預制構件管理系統和BIM模型中，均可看到對應編號預制構件的信息。預制構件信息同步到預制件管理平臺，通過管理平臺，可查詢到對應時間段、對應構件編號的預制構件信息。施工過程中，現場管理人員可通過手持讀寫器，準確定位構件的吊裝位置。通過在監測廠區內施工人員身上粘貼RFID標簽，掌握現場作業人員狀況，包括識別與進出管理、考勤上崗、總人數及區域人員定位管理等。RFID電子標簽對應唯一的人員身份信息，包含姓名、性別等個人基本信息，以及工作班組、工作職責等身份信息。可通過RFID跟蹤危險物品或現場廢棄物，監視工作人員位置，當處于危險區域時，及時發出警告。

3）人臉識別技術 人臉識別是通過采集人的面部特征，將其與已知的人臉進行比對，從而確定每個人的身份。目前該技術已逐漸開始應用在工程現場，主要應用于現場門禁和考勤等領域，提高現場管理的效率和安全性。

2.2 定位跟蹤技術

近年來，GPS技術在道路與橋梁、隧道、高層建筑施工等工程領域已有廣泛應用。但GPS技術在室內環境下的精確度較低，如地下室施工等。室內定位跟蹤技術的發展彌補了這一缺陷。常見的室內無線定位技術還有Wi-Fi、藍牙、紅外線、UWB（Ultra-wide Band）、ZigBee和超聲波等。

2.3 圖像采集技術

目前應用于施工中的圖像采集技術主要包括3D激光掃描技術和視頻監控技術。

2.3.1 3D激光掃描技術

3D激光掃描技術出現于20世紀90年代中期，利用激光測距原理作為新的空間信息獲取技術，為快速建立結構復雜、不規則場景的三維可視化數學模型提供了一種全新的技術手段，可高效地對真實世界進行3D構建和模擬重現。該技術已廣泛應用于建筑、規劃設計、仿古建筑、橋梁、隧道等領域。上海世茂深坑酒店便采用了3D激光掃描與BIM技術相結合的方法對施工方案進行優化[6]。該工程是1座位于廢棄礦坑中的五星級酒店，由于崖壁陡峭、斷面不規則、深度較深，且設計獨特，施工難度很大。結合坑內地貌運用3D激光掃描技術，基于掃描的精細點云生成坑內地貌的三維地形模型，可從三維地形模型中自動提取等高線，獲取二維及三維數據資料，實現一次測量完成。

2.3.2 視頻監控技術

目前，施工現場視頻監控技術已比較成熟，除布置現場監控設備外，還有無人機拍攝實時傳回平臺。在文獻[7]中，依托無人機飛行平臺，利用視頻監控進行現場巡視、信息采集、指令傳達及應急處理，并結合風險控制清單，實現深基坑施工無人機安全巡邏與預警。

3 智能化技術

智能化技術是將計算機技術、精密傳感技術、自動控制技術、GPS定位技術、無線網絡傳輸技術等綜合應用于工藝工法或機械設備等施工技術與生產工具中，提高施工的自動化程度和工作效率，有助于解決重點和危險的施工環節和場合問題?！?016—2020年建筑業信息化發展綱要》明確提出發展智能化技術的轉向應用，開展智能機器人、智能穿戴設備、手持智能終端設備、智能監測設備等在施工過程中的應用研究，提高施工質量和效率，降低安全風險。

4 移動互聯網技術

移動物聯網是一種通過智能移動終端，采用無線移動通信方式獲取業務和服務的新興業態，包含終端、軟件和應用3個層面。隨著寬帶無線接入技術和移動終端技術的飛速發展，移動互聯網已開始廣泛應用于各個行業。而施工現場人員的主要工作一般在施工現場，移動技術應用恰恰適合項目一線管理人員的需求。目前，移動互聯網技術廣泛應用于施工現場的信息溝通、現場質量安全檢查、規范資料的實時查詢等方面。同時，移動應用與物聯網技術，BIM技術、云計算等集成應用，在手機視頻監控、二維碼掃描跟蹤、模型現場檢查等得到深度應用，有效提高了現場管理水平和工程精細化程度。

5 大數據技術

項目施工過程中會產生海量的數據，包括設計圖紙、合同、進度數據、供應商信息、勞務數據、質量安全資料、現場監控視頻等。隨著智慧工地的實施，BIM、物聯網與移動互聯網等技術的引入，相關數據更會成倍增長，而到了運維階段，數據量還會增加。對這些數據進行收集整理并進行利用，可幫助企業更好地進行風險評估預測，提高決策能力；也可幫助業務人員提取相關的業務信息，用于以后的項目實踐。

6 結語

智慧工地不局限于施工企業的應用，也包含行業對現場的智慧監管。政府主管部門通過相關平臺，實現對項目現場、設備、臨時設施等信息的采集匯總分析，及時發現隱患，減少和杜絕安全事故的發生。基于勞務實名制管理平臺，可提高勞務人員的管理水平。