工程建設質量管理智能化框架及實現路徑研究

黃發林,銀樂利,肖 鑫

(1.貴州中交銅懷高速公路有限公司,貴州銅仁 554300； 2.中南大學土木工程學院,長沙 410075)

引言

“十三五”期間，中國工程項目建設的規模不斷增加，工程技術難度大幅提升，加之復雜多變的施工環境，工程質量安全風險的控制難度不斷加大，使得質量監管任務艱巨而繁重，責任尤為重大。[1]而作為“政府監督、法人管理、社會監理、企業自檢”四級質保體系[2]的最高層，政府質監部門既是質量監管意識的“推廣者”，又是監督管理工作的“執行者”[3]，可謂責無旁貸。政府工程質監部門開展質量監管工作的主要形式為隨機抽測，但隨著對工程建設質量要求的不斷提高，傳統“抽檢”質量管理模式問題日益凸顯，主要表現在：一方面，傳統“抽檢”模式覆蓋面不夠充分，無法實現質量管理在時間與空間上的全覆蓋；另一方面，以抽檢質量推斷檢驗批質量，一旦監管人員責任心不強，質量管理工作極易陷入以偏概全的困境。

隨著現代信息技術的快速發展，物聯網、大數據、云計算等高新科技在工程建設質量管理領域的廣泛應用為傳統質監模式的轉型升級提供了較為堅實的基礎。然而，目前工程建設質量管理智能化仍屬于實踐探索先行，對于究竟如何實現工程建設質量管理智能化的理論研究較為缺乏。工程建設質量管理智能化的“智能化”理念為政府質監部門提供了新的質量監管思路，由此，將探討信息化時代的工程建設究竟如何實現質量管理智能化。

1 工程建設質量管理智能化發展研究與現實困境

1.1 工程建設質量管理智能化國外發展階段與相關研究

近20年來，國外眾多學者將信息化技術引進到工程施工監控技術中。1997年，文獻[4]提出一種應用于道路施工檢測與路面養護的檢測系統，其由多臺分布式移動遙控裝置控制，通過個人計算機實時顯示路面狀況，并且應用觸控技術，可十分便捷地通過手指觸控選擇檢測路徑，從而指揮移動遙控裝置檢測路面損壞情況。1998年，克里希納穆爾蒂(Bharath K. Krishnamurthy)等[5]利用GPS的實時定位功能以及VB編程語言的圖形用戶界面，開發研制了針對瀝青路面施工的AutoPave系統。該系統根據施工過程中所輸入的有關路面設計、瀝青混合料、碾壓機械的參數及施工天氣等信息，計算出最優碾壓遍數及最佳碾壓工藝，并且實時監控碾壓遍數與運行軌跡，實現全過程監控。佩雷(Francois Peyret)[6]提出將計算機集成技術應用于公路路面工程建設中，引入新型監測控制裝置，通過計算機協助施工；并且在設計部門與施工現場之間建立數字化連接，對施工項目的管理與控制意義重大。戈帕拉克里希南(Kasthurirangan Goalakrishnan)等[7]提出利用計算機斷層掃描技術以及建模和計算技術研究熱拌瀝青拌和料的內部結構，并對瀝青拌和料的空隙分布及內部微觀特征進行量化，實現了對路面工程質量的鑒定檢測。貝艾尼(Fares Beainy)等[8]提出一種借助溫度與加速度傳感器采集數據信息，并利用人工神經網絡進行數據分析的智能瀝青路面壓實度分析儀(IACA)，可實現對瀝青路面壓實施工的質量控制。在鐵路建設領域，韓國鐵道施設公團建設了韓國鐵路建設項目管理信息系統(PMS)，其中項目質量與安全管理子系統實現了安全管理的項目級管理。通過系統安全管理計劃自動編排，銳減工作量，使監督人員能夠把更多的精力投入監督施工現場；建立了施工安全度評價體系，客觀地計算項目的安全度，減少人為主觀判斷，提高了監督的質量和效率；通過數據交換平臺，實現了數據共享，降低了基礎數據的維護工作量，提高了同有關單位的溝通效率。有效地控制了施工安全隱患，減少了工程安全事故[9]。

1.2 工程建設質量管理智能化國內發展階段與相關研究

國內針對工程建設質量管理智能化的研究主要集中于兩個方面。一方面，各級政府工程質量監管部門利用信息化技術，設計開發相應系統，進而提升自身工作效率。作為工程建設質量管理的重要環節，政府監管不僅具有強制性、執法性、全面性、宏觀性[10]等特征，還通過全方位、多層級的監管助力工程建設質量的提升。為促進質量監管模式的轉型升級，浙江省交通運輸廳工程質量監督局于2013年在全國率先提出“智慧質監”理念，力圖通過應用現代信息技術于高速公路建設質量管理領域，有效提升省內質監工作效率。在此基礎上，上海、江蘇、深圳等省市紛紛參考“智慧質監”理念，以地方實際情況為基礎，展開頗具地方特色的嘗試與探索。與此同時，工程建設各參建主體及相關學者紛紛設計并開發了具備實時監控功能的信息化系統并投入工程建設質量管理實踐。另一方面，國內學者研究如何利用信息化技術開發自動化儀器及信息系統以輔助施工作業。例如，在瀝青路面施工時通過紅外熱像儀對施工全過程中瀝青混合料溫度進行有效監測，對溫度離析狀況、保溫狀況、碾壓工藝進行評價[11]。通過安裝在壓路機指定部位的傳感器實時采集碾壓過程中的關鍵參數，再經由GSM通信終端將其發送至企業集控中心以解決路面施工質量遠程動態管理問題[12]。基于3G無線網絡以及數據自動采集程序，對瀝青混和料拌和站、原材料加工場等關鍵設備的主要參數進行自動連續采集與實時傳輸，實現遠程監控和質量管理[13]。又如在鐵路建設領域，北京交通大學國家重點實驗室研發了精伊霍鐵路建設項目管理信息系統，它利用網絡建立起一個監理可以與建設、設計、施工單位各方進行信息交流和管理的平臺，同時也可以根據監理的業務成績對監理單位進行考核評價[14]。在實際工程中，我國京張高鐵開展雙塊式預制軌枕智能制造，實現雙塊式軌枕精準布料、自動碼垛、桁架鋼筋及箍筋自動安裝、軌枕智能裂紋檢測與標識及AGV無人叉車等全自動、智能化操作；鄭濟、京雄高鐵建設過程中推進智能梁場建設，實現工程質量全過程可追溯；鄭萬高鐵湖北段建立隧道施工管理系統、施工信息采集系統、施工安全管理系統以及施工動態管理系統等，對隧道施工進行信息化管理，同時積極探索和研究隧道結構智能化設計、隧道開挖及支護智能化施工等技術[15-16]。

1.3 工程建設質量管理智能化的現實困境

目前國內的工程質量管理尚未著力于智能化平臺的體系建設，既缺乏頂層設計，又缺少與政府主管部門強化質量監管的制度建設產生協同效應。就現存的個別智能化平臺而言，也面臨重重困難，包括：不同程度上存在“信息孤島”問題，無法實現有效聯動；相關質量監管鏈條缺失，較難實現工程質量形成及檢測的全過程無縫閉合監管；管理平臺數據標準規范不統一，監管體系完整度不夠等問題。在當前工程建設質量控制逐步由“事后檢查”向“全程監管”及“重在預控”轉移的形勢下，變革傳統質量管理模式勢在必行，利用大數據構建質量管理智能化平臺成為解決問題的關鍵所在。

2 工程建設質量管理智能化頂層設計

2.1 工程建設質量管理智能化頂層設計原則及核心架構

質量管理智能化是指質量管理部門在現代信息技術廣泛應用于工程建設質量管理領域的背景下進行集成創新，通過確定統一規范的數據標準，制定行之有效的管理辦法并搭建可拓性強的智能化平臺，提升質量管理部門的工作效率，促進質量管理模式的變革，進而實現質量管理的智能化。工程建設質量管理智能化頂層設計是質量管理智能化從理想變為現實的橋梁，在“以數據說話、憑數據決策、靠數據管理、用數據創新”的思路指導下，自上而下地對如何實現質量管理智能化進行總體構想。

頂層設計須得遵循四項設計原則。一是業務覆蓋完整性，需充分考慮政府質監部門的業務范圍，通過梳理其主要業務種類，辨識關鍵業務，并選用科學合理的方法確定優先等級，實現業務流程再造，便于提升政府監管工程質量的效率。二是技術架構統一性，即在業務規劃清楚的前提下，應當對技術架構盡可能做詳盡的描述并確定，以便加強技術架構的統一性，如此可確保工程建設施工質量智能化監控系統在接入質量管理智能化平臺時遵循統一的技術架構，有利于各系統的有效接入。三是數據標準規范性，主要包含兩層含義，其一是指各數據在進行信息編碼時需遵循一致性，即確定數據本身的標準；其二是指梳理對工程建設質量及安全影響較大的關鍵數據，即建立數據標準。四是系統結構可拓性，指所搭建的質量管理智能化平臺可以依據具體的工程項目施工質量智能化監控系統的發展應用水平和工程建設質量管理的實際需求進行動態接入。

為此，本研究以當前開發應用較為成熟的工程建設施工智能化監控系統為基礎，在充分借鑒各級政府質監部門實踐“智慧質監”經驗教訓的基礎上，進行集成創新，首先構造以“一平臺、多系統、無縫隙、全方位”(圖1)為核心架構，針對性強、專業性高、實用性好的工程建設質量管理智能化頂層設計。

圖1 頂層設計核心架構

其中“一平臺”即指工程建設質量管理智能化平臺，此平臺主要由政府質監部門牽頭搭建并行使管理職責，項目建設各參與方(業主單位、施工單位、監理單位等)則是質量管理智能化平臺的使用主體；“多系統”即指工程建設實踐中開發較成熟、應用較廣泛的各智能監控系統，可依據工程建設實際需要及各系統開發應用情況，實現各系統與工程建設質量管理智能化平臺的動態對接；“無縫隙”即指對工程建設質量實行全過程閉合管理，通過制定工程建設質量管理智能化平臺錄用數據標準規范，實現對工程質量由生產、運輸、施工、構件質量形成至檢測等各個環節的持續管理和工程質量形成過程的可追溯功能；“全方位”即指制定與時俱進、專業高效、權責分明且完整度高、針對性強的相關管理辦法，有效確保工程建設質量管理智能化發揮實效。

2.2 工程建設質量管理智能化頂層設計總體架構

作為龐大的系統性工程，工程建設質量管理智能化所涉及的參與主體眾多，各方訴求各異；建設內容復雜，涵蓋方方面面。因此，在頂層設計過程中需充分考慮多方因素，以積極推進集約建設和業務協同為重要著力點[17]，既要做好頂層設計，總體把控，覆蓋全面，又要分清主次，突出重點，分清層級，逐步推進[18]。為此，本研究主要從業務架構、數據架構、應用架構、技術架構和安全架構等5個方面進行總體架構的設計。

其中，業務架構(圖2)旨在貫徹業務戰略。業務架構是以描述各個業務之間交互關系為主的結構，其以質量管理智能化的業務戰略為頂點，以工程建設質量管理與建設安全管理的主要業務為主線，以用戶管理、文件管理、數據管理等輔助業務為支撐，通過人流、物流、資金流、信息流實現各業務線之間的互動，避免各自為政、緩解信息孤島問題的基本業務運作模式。

圖2 業務架構

數據架構(圖3)旨在建立信息模型。數據架構通過將傳統業務模式向質量管理智能化的信息模型轉變，建立面向政府質監部門、建設單位，監理單位以及施工單位等對象，考慮橋梁主體工程平臺、路基工程平臺、特種設備平臺等各應用平臺具體因素的數據模型，定義并統一數據標準，實現數據資源的有效共享與交換以及系統集成，進而改進業務流程、提升業務支撐能力。

圖3 數據架構

應用架構(圖4)旨在實現信息流動。應用架構以業務數據的分布、流向為基礎，分析其所呈現的業務之間集成關系，從而實現信息的無縫接入與自動化流動，替代傳統信息交換方式，提高工程建設質量管理智能化平臺的運行效率，降低投入成本，動態靈活地支持業務活動。

圖4 應用架構

技術架構(圖5)旨在保障應用執行。技術架構是實現應用架構的技術基礎與前提條件，通過綜合利用物聯網、移動互聯網、云計算、大數據和新一代地理信息系統(GIS)等基礎技術，提高數據的采集、傳輸、分析、挖掘等能力，支撐應用架構的高效運轉。

圖5 技術架構

安全架構(圖6)則是為了保證系統安全、數據安全、運行安全等而進行的有關質量管理智能化安全方面的設計。

圖6 安全架構

基于上述對工程建設質量管理智能化業務架構、數據架構、應用架構、技術架構及安全架構的闡述，研究構建的工程建設質量管理智能化頂層設計總體架構如圖7所示。工程建設質量管理智能化頂層設計有效統籌了工程建設質量監管領域的業務和信息化發展規劃，以數據為中心，有助于實現信息資源的集成與共享，有助于打破工程建設質量監管過程中的“信息孤島”，實現數據共享，解決信息集成難題。此外，通過對工程質量政府監督管理部門的業務系統進行梳理、整合和業務流程再造，實現了重復業務功能和交叉功能的整合，如此可有效改善當前各工程質量政府監督管理部門不同程度的業務系統碎片化問題。

圖7 總體架構

3 工程建設質量管理智能化實現路徑

以數據標準為抓手、以管理辦法為助推器、以智能化平臺為實施載體的實踐路徑，是實現工程建設質量管理智能化的方法與手段。

數據標準主要發揮抓手作用，即通過制定統一、規范的數據標準，在提升數據采集效率的同時確保數據在智能化平臺內的有效利用[19]；此外，通過閉合數據鏈條實現質量形成鏈條的閉合，進而實現工程建設質量的全過程無縫閉合監管，由此提升質量監管效力；與此同時，對所采集數據的永久存儲，既可實現工程建設質量及安全的可追溯功能，又有助于實現對施工單位、監理單位、建設單位的震懾作用。管理辦法是實現工程建設質量管理智能化的助推器，即通過制定針對性強、實用性好的管理辦法，對數據如何采集、使用，工程建設各參建主體如何利用智能化平臺踐行質量管理智能化等進行相關規定，有效確保實際效用。質量管理智能化平臺則是推行智能化的重要載體，通過搭建開口性強、可拓性好的工程建設質量管理智能化平臺，為實施質量管理智能化提供良好的載體，便于質量管理智能化落地實施。數據標準、管理辦法及智能化平臺與工程建設質量管理智能化的關系參見圖8。

圖8 數據標準、管理辦法、智能化平臺與質量管理智能化的關系示意

3.1 以數據標準為抓手

在進行工程建設質量管理智能化頂層設計業務架構設計時主要從工程質量管理和建設安全管理兩個方面著手。[20]

以橋梁主體工程質量管理智能化平臺數據標準為例，本研究所指橋梁主體工程是指包含橋梁基礎、墩臺、梁段等在內的混凝土工程，因此橋梁主體工程質量管理智能化平臺的數據標準主要是指混凝土由原材料配比、混凝土生產、運輸、澆筑、養護至構件質量形成全過程的相關數據標準。在制定橋梁主體工程質量管理智能化平臺數據標準時應堅持“自動采集、實時上傳、質量形成鏈條閉合”的原則，并確保數據標準的統一性和規范性。考慮到預應力T梁預制施工的復雜性和全面性，本研究以其為例梳理鐵路橋梁主體工程質量管理智能化平臺數據標準。從原材料進廠至預應力T梁預制構件質量形成，主要可分為混凝土的生產、運輸、現場澆筑與養護等4個階段。為此，研究通過分別對混凝土的生產過程和現場澆筑過程進行分析，梳理得出對鐵路橋梁主體工程質量影響較大的關鍵數據。在此基礎上，依據當前開發應用較為成熟的各橋梁主體工程施工智能化監控系統，結合上述數據標準制定的目的、技術目標和制定原則，選定從拌和站基礎數據，拌和站生產數據，試驗機混凝土數據，預應力張拉數據，孔道壓漿數據等5個方面制定數據標準。

3.2 以管理辦法為助推器

作為實現工程建設質量管理智能化的重要助推器，管理辦法的作用主要在于通過行政手段頒布關于質量管理智能化平臺使用、數據標準應用的相關規定，以此促進質量管理智能化的實施。管理辦法一般由行業主管部門頒布實施，具有強制性，對確保質量管理智能化落于實處有較大的意義。具體而言，科學、合理的管理辦法應當具備“三明”功能，即：明確主客體、明晰責權利、明細規程。

首先需明確使用主客體。就工程建設質量管理智能化而言，被使用客體主要包括工程建設質量管理智能化平臺、工程建設質量管理智能化平臺數據標準、鐵路橋梁主體工程等。上述各客體的使用主體主要有政府質監部門、建設單位、監理單位及施工單位等，各使用主體的權限各不相同。其中，政府質監部門主要使用質量管理智能化平臺，通過查看施工過程中的實時監測數據及由智能化平臺分析得出的相關結果，有針對性地開展質量監管工作，便于提升質量監督管理部門的工作效率。此外，因質量管理智能化平臺可實現與施工質量及安全息息相關的所有關鍵數據的自動采集、實時上傳及永久存儲等功能，從而有助于實現工程建設質量及安全的可追溯功能，對工程建設單位、監理單位及施工單位形成震懾效應，有利于質量監督部門減少自身工作量。與此同時，因制定的數據標準是閉合的數據鏈條，由此有利于指導工程運營期的維修養護工作。工程建設單位及監理單位也是質量管理智能化平臺的使用主體，通過將此平臺應用到項目建設管理實踐之中，有利于提升二者的工作效率。施工單位則是各監控預警系統的使用主體，施工單位可自行選用安裝何種類型的監控預警系統，但各系統需滿足上述“施工監測數據及設備運行數據自動采集、實時上傳”的基本要求，還需遵照工程建設質量管理智能化平臺數據標準的標準要求，將所有數據及時傳輸至智能化平臺中永久存儲。

其次是明晰責權利，即通過明晰各使用主體的使用權限、所擔責任及所獲利益，形成責權利分明的應用體系，便于工程建設質量管理智能化的有序推進[21]。

最后是明細規程，即對工程建設質量管理智能化平臺的使用流程(圖9)及保障質量管理智能化實際應用效果的有關措施進行規定。就工程建設質量管理智能化平臺的應用而言，首先項目建設單位錄用項目信息至智能化平臺；其次施工單位依據管理辦法的有關規定安裝監控預警系統并將其與智能化平臺的數據接口進行銜接，便于數據的傳輸；最后，施工單位利用各監控預警系統采集的數據，分析有無超限，能否滿足施工質量及安全的要求，如若滿足則報請監理單位審核，如若不滿足則自行整改；監理單位依據施工單位報請的數據開展審核工作，如若通過則報送建設單位審定，否則責令施工單位整改；建設單位依據監理單位報送的數據開展審定工作，如若不通過則責令監理單位及施工單位進行整改。此過程中的所有數據記錄(施工監測數據、設備運行數據、施工單位自檢數據及記錄、監理單位審核數據及記錄、建設單位審定數據及記錄)均自動傳輸至工程建設質量管理智能化平臺，政府質監部門通過查看數據記錄，指導其頗具針對性地開展質監工作。

圖9 工程建設質量管理智能化平臺使用流程

3.3 以智能化平臺為實施載體

智能化平臺是工程建設質量管理智能化的實施載體，主要體現在：遵照數據標準上傳的所有數據均在此平臺永久存儲，政府質監部門可在此平臺查看所有數據及數據記錄，便于針對性地開展質監工作。

整個平臺的使用流程的核心就是用數據說話。新項目開工，建設單位將項目信息錄入平臺，施工單位按要求安裝監控預警系統，項目方可開始施工。每一工序開工后，智能化監管平臺同步加以全方位監控。首先，判斷上傳至系統的數據是否符合標準，如果是，則進入下一施工環節；如果否，則進一步判斷是否是一般質量問題和缺陷；如果是，則確定是哪一項目哪一標段出現問題，施工企業是哪一家，責令該企業限期整改；如果否，則進一步判斷是否是不合格工程；如果是，則責令限期返修；如果否，則可以確定存在違法的質量行為，那么要依法予以糾正、責令限期整改；如果不限期整改或整改后仍存在問題，則必須責令停業，并做出相應懲罰，降低企業信用等級，將企業列入失信黑名單，進而影響企業后續招投標活動，以此來倒逼企業提升施工質量。另外，平臺的反復查詢功能，使得可追溯事故責任方，對各方形成震懾效應。

4 結論

工程建設施工期的質量控制，是決定項目建設成敗的重中之重，必須建立行之有效的質量監管體系。隨著中國工程建設規模的巨型化趨勢越來越明顯，工程建設面臨施工環境復雜、技術難度大、質量安全風險高等諸多挑戰，質量控制難度大幅提升，傳統質量監管模式已力所不逮，探索質監模式的轉型升級勢在必行。運用大數據，基于“智慧質監”的原型設計，強調整體關聯性和實際可操作性，以“數據自動采集、實時上傳、建筑材料與實際構件一一對應”為核心目標的工程建設質量管理智能化研究，致力于達到3個目的：一是實現質量管理在時間與空間上的全覆蓋，大大提升工程建設質量。二是將工程質量與建筑企業信用掛鉤，倒逼企業完善施工質量管理。三是努力搭建開放性好的通用化平臺，避免平臺重復開發造成的浪費，拓寬平臺的運用領域。工程建設質量管理智能化所涉及的主體眾多，學科門類復雜，做好頂層設計是重要前提，同時要強化數據標準的抓手作用、管理辦法的助推器作用及智能化平臺的實施載體作用，注重此三者的協同配合。在新形勢下，工程質量政府監督管理部門通過創新質量監督管理模式，既可以緩解監管困境所帶來的壓力，滿足中國工程建設的發展趨勢，同時也能提高質監部門的監管效率及監管質量，為推動中國工程建設工程的發展提供有效保障。