智慧化信息技術在施工工地的應用和研究

胡鷹志 李錦富

深圳市隧道工程有限公司 廣東 深圳 518028

近年來，隨著城市軌道交通、鐵路隧道、綜合管廊的快速發展，基建需求持續擴張，工地數量不斷增加，建筑行業分散化、流動化、不穩定性等特點造成的管理難題和建筑行業本身安全事故多發的問題也困擾著整個行業，采用物聯網、互聯網、云平臺、BIM及GIS等技術手段，開展“智慧工地”建設，提高施工管理效率和項目管理信息化水平，成為有效解決工程建筑行業痛點的有效手段[1-3]。本文以深圳地鐵3號線南延線3131標福保—益田區間盾構施工項目為例，通過物聯網、互聯網、云平臺、BIM、GIS及移動設備應用程序和智能應用程序等先進技術的綜合應用，讓施工現場感知更透徹、互通互聯更全面、智能化更深入，大大提升了現場作業人員的工作效率，同時有助于實現施工現場“人、機、料、法、環”各關鍵要素實時、全面、智能的監控和管理，有效支持現場作業人員、項目管理者、企業管理者協同管理，提高施工質量、安全、成本和進度的控制水平，減少浪費，達到提高工程項目精益化管理水平的目的。

1 智慧化信息系統的構成

智慧工地信息化建設架構分為采集傳輸層、網絡通信層、硬件設施層、數據資源層、商業支撐軟件、應用交互層（圖1）。

2 智慧化系統的建設

智慧化工地建設按照智慧工地全面感知的要求，建立覆蓋工程現場“人、機、料、法、環”的數字化工地，將相關數據按照發包人要求傳輸到監控中心，具體建設內容包括工地總覽、人員定位系統、關鍵施工設備設施狀態監控、原材料過程監控、視頻監控、安防與門禁、環境感知、安全監測、專家系統等。

圖1 智慧化信息系統技術構成示意

2.1 工地總覽——數字化全景三維電子沙盤

建立本標段數字化全景三維電子沙盤，總覽本標段所有范圍的規劃布局，標識本標段內智慧工地主要信息。

2.1.1 實施流程

傾斜攝影三維地形圖→創建工程BIM模型→實時過程數據錄入→關聯模型和進度→對數字沙盤進行VR 觀看

2.1.2 傾斜攝影三維地形圖

傾斜攝影三維地形圖主要采用GIS技術，對標段范圍內的空間數據（主要包括影像數據、數字高程數據、電子地圖、地質數據、交通數據、地下管線數據等內容）進行采集，用于模型建設與制圖分析工作。

GIS數據是通過無人機、現場拍攝、點云等方式現場獲取，然后在Context Capture里對勘測數據進行運算，形成實景模型。無人機航空攝影測量系統由無人機分系統、地面站分系統、后處理分系統構成。

無人機分系統的傾斜攝影是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、側視等不同的角度采集影像。專業傾斜相機由5個攝像頭組成，中間相機拍攝正射影像，其余4個相機拍攝傾斜影像（圖2）。

圖2 無人機航空測量攝影示意

地面站分系統需根據成圖比例尺、地面分辨率/航向重疊率、旁向重疊率自動進行航線計算。同時可以進行蛇形航線與套耕航線選擇。

后處理分系統是數據處理中心，將影像快速制作成專業、精確的二維地圖和三維模型。

2.1.3 利用BIM技術創建工程模型

采用Bentley Project Wise平臺進行模型創建，內容包括：設置協同工作環境，統一工作空間和種子文件；定義統一的定位坐標體系，建立典型層次工作目錄，規定文件命名規則，分配各專業工作任務，合理劃分模型；根據分工，設置團隊成員的服務器訪問權限；各專業協同建模，依據工作流程進行資料互提和建模設計工作，定義模型各種信息屬性，為統計工程量、出圖與數字化交付做好數據準備；通過Context Capture進行環境的實景建?？睖y，與 GINT完成的場地設計勘測數據對比，進行初期方案的布置；利用Open Road可以在場地模型上進行開挖，并進行場地規劃設計或完成隧洞模型；使用Open Plant來確定管道及設備的參數，完成三維模型和施工圖設計。最終的成果文件可以從實際三維模型中進行圖紙抽取，完成材料清單、平立剖面圖來進行交付，并為施工階段提供全方位的數字化模型技術支持，而Navigator則對所有的過程進行動態瀏覽，碰撞校審，利用LumenRT來進行最合理的渲染和動畫展示。

利用BIM技術模擬施工的現場，建立4D的模擬過程，根據不同的施工現象，對整體的施工進行合理的分配調動，這樣就可以降低隧洞工程建設中出現的風險，提高施工效率，保證在工期內完成建設工作。主要施工應用包括：施工總平面布置與規劃模擬、盾構機吊裝模擬、盾構掘進（包括管片拼裝、灌漿等）模擬等。

2.1.4 電子沙盤主要功能

利用現場傾斜攝影、BIM、VR等技術，在三維全景電子地圖工作平臺上制作項目三維全景電子模型，實現三維線路導覽、整體面貌把控、關鍵指標查詢、施工資源清點等功能。

1）三維線路導覽。通過電子沙盤中三維線路導覽功能，沿線路從視覺漫游的角度對項目進行直觀的三維查看瀏覽。

2）整體面貌把控。將項目整體施工進展情況通過三維建模形成帶有建設管理信息的建筑模型，然后導入至系統中，以人機交互的手段實現展示。從宏觀的角度進行項目查看瀏覽，有利于對項目整體形象面貌的把握。BIM技術的信息化特點能夠實現同構件之間的相互關聯、圖紙與模型反饋基礎上的可視效果。

3）輔助現場場地布置。施工場地布置是指根據圖紙，結合現場勘察情況，并考慮進度的總體安排，按照文明施工、安全生產的要求，對現場情況施工布置進行總體安排的過程。通過BIM對場地及擬建的建筑物空間數據進行建模，幫助項目在規劃階段評估場地的使用條件和特點，從而作出新建項目最理想的場地規劃、交通流線。

4）關鍵指標查詢。關鍵指標查詢包括進度、質量、安全等方面的關鍵數據展示，為管理者判斷實際施工情況提供量化指標。

5）施工資源清點。施工資源清點是在電子沙盤中展示本項目中各施工部位所使用的人、機、料等施工資源，并進行統計匯總，能夠使管理者直觀掌握本項目目前的資源投入和匹配情況，以作為判斷是否增加或減少資源投入的根據。

2.2 人員定位系統

建立工地人員定位系統，實時顯示所有進入施工現場（包括隧洞內）人員定位信息，與BIM模型結合，能在監控中心實時了解人員當前的位置狀態（圖3）。

圖3 人員定位系統示意

2.3 盾構機狀態監控系統

盾構法隧洞施工實施項目信息化管理，盾構機滿足moudbus等OPC工業協議或xml、json等標準固定的數據格式，具備網絡連接功能，按要求發送數據到智慧工地信息化建設平臺。

盾構機監測的內容主要包括盾構機運行狀態，推進系統壓力、鉸接系統油壓、注漿系統狀態、刀盤系統工作狀態、皮帶機工作狀態、導向系統等設備的運行狀態。

每臺盾構機配套安全預警平臺，接入盾構機本體控制設備，獲取盾構機相關的運行狀態信息。主要系統功能如下：

1）施工管控。施工管控實現施工過程的管理、控制，主要包括：施工總覽、施工指令、施工日報、盾構監控、盾構視頻監控、安全預警、進度管理和質量管理等。

2）施工日報。施工日報包含自動填報和手動填寫兩部分內容。自動填報的內容包括：盾構監控數據、工程監測數據、趨勢圖等。已提交的日報自動歸檔到工程數據庫。

3）實時監控。對盾構機遠程監控，監控內容包括：掘進參數、姿態參數等盾構機能提供的所有其他參數。掘進參數實時監控是指對盾構機推進過程中各個子系統的運行數據進行實時監控，包括刀盤、推進系統、渣土改良、注漿系統、盾尾油脂、鉸接系統、螺旋機等。盾構導向系統數據實時監控是將導向系統中的盾構機姿態、切口里程、盾構機切口坐標、盾尾坐標以及盾構機俯仰角、滾動角等數據采集并發送至遠程監控管理平臺，通過導向系統數據實時監控功能展示，實現盾構機導向數據的實時監控。在盾構機頭、尾部等重點部位安裝視頻攝像機，滿足重點部位的全方位監測需要。存儲最近3個月的視頻，且系統支持視頻實時瀏覽、錄像回放、抓拍等功能。

4）安全預警。建立施工預警機制，提高安全防范能力。預警分為智能警示和人工預警兩類。智能警示根據預警規則在線計算和分析從盾構機、導向系統、龍門吊、軌道車采集的數據，當觸發預警則推送預警信息，并在平臺上存儲預警記錄。智能警示種類包括掘進參數警示、姿態警示、盾尾間隙警示、監測警示、進度超限警示、斷線警示、風險點警示、長期超限警示等。人工預警由人工在綜合分析各種數據并結合工地實際情況后發布，分為監測預警、巡視預警、綜合預警等。預警發布后，各相關人員將按照預警處置流程對預警進行處置，直到消警為止。

5）進度管理。記錄每日施工進度，根據施工計劃判定進度狀態，施工進度狀態分為按期運行、進度較慢、進度較快3種狀況，根據最近7 d的施工進度預測完工日期。

6）質量管理。提供隧洞質量信息錄入功能，按要求將隧洞質量信息上傳至平臺后永久保存，方便用戶進行查詢。錄入時可上傳隧洞質量照片，包括修復前和修復后照片。隧洞質量總覽中，綠色代表正常的管片，其他不同的顏色代表不同的管片質量問題，可直觀地查看管片在水平和垂直方向的偏差情況。點擊可查看管片詳細信息，包括修復前與修復后照片，K塊位置等。同時對各種管片質量問題的數量進行統計。主控項目的質量達到100%時，合格；一般項目的質量達到95%及以上時，合格；具有完整的施工質量驗收依據和質量驗收記錄。

2.4 門式起重機（龍門吊）狀態監控系統

門式起重機（龍門吊）滿足moudbus等OPC工業協議或xml、json等標準固定的數據格式，具備網絡連接功能，可按要求接入工區建設的有線、無線WIFI、NB-IOT，或自帶4G、5G通信等模組，按要求發送數據到智慧工地信息化建設平臺。需要配備相應管理軟件，具備實時數據監測、數據統計分析等功能。管理軟件需采用B/S架構，滿足采用單點登錄、頁面集成等接入平臺的要求。監測的內容主要包括風速、門式起重機載荷、天車行程、大車行程、卷揚機升降情況、鉤重和高度信息（圖4）。

本項目接入門式起重機（龍門吊）本體控制設備，獲取門式起重機相關的運行狀態信息。

2.5 砂漿攪拌站監控系統

砂漿生產系統滿足標準的數據格式，具備網絡連接功能，可按要求發送數據到智慧工地信息化建設平臺。

圖4 門式起重機（龍門吊）監控系統示意

監測的內容主要包括攪拌機運行狀態、生產的每盤混凝土的數據信息（配比、水泥量、粉煤灰量、水膠比、參配比、拌和產量等）、噪聲、揚塵等信息。

砂漿攪拌機含有智能監控箱，傳感層是攪拌機本體內設有減速機、液壓系統和潤滑系統，其特征在于液壓系統內油液位傳感器、溫度傳感器。將傳感器或者PLC連接數傳終端，數傳終端通過無線4G/5G網絡等，將數據傳輸至云平臺。管理中心客端數據可視化，系統根據項目設計要求等指標對砂漿生產過程進行嚴格監測。實現生產過程中的數據實時監測，并進行實時分析、上傳。

2.6 車輛狀態監控系統

車輛監控系統是利用終端數據采集技術、移動通信技術與互聯網技術的結合，把車輛的位置、狀態等數據反饋給車輛管理人員的軟件。

車輛監控系統可對車輛進行定位、追蹤、軌跡查看、監聽、監視等操作，并且可以把數據等相關信息導出作為車輛行駛的歷史依據，幫助車輛調度管理人員掌控車輛的在途信息，提升車輛管理效率。

2.7 原材料過程監控系統

智慧工地施工原材料監控過程主要針對原材料源頭開始的全過程質量控制體系，對原材料（砂石料、混凝土、管片等主要材料）生產過程進行過程監控。使用過程中材料管理的中心任務就是檢查、保證進場施工材料的質量，妥善保管進場的物資，嚴格、合理地使用各種材料，降低消耗，保證實現管理目標。

2.8 視頻監控系統

建立覆蓋現場重要位置（工地大門、材料堆場、生活區、辦公區、龍門吊、高空作業設備與深基坑等關鍵危險區、全局區等）的視頻監控系統，實現視頻安全行為識別、安全抓拍。

系統要求實現實時視頻播放及錄像、云臺控制、錄像回放、人臉抓拍應用、違法行為判斷、視頻智能運維應用、統計分析應用等功能。

2.9 安防與門禁系統

建立安防門禁管理系統，本項目采用人臉識別門禁系統，系統采用網絡信息加密傳輸，支持遠程控制和管理。

系統功能要求：人員進出管理控制、人員考勤管理、訪客管理、LED屏信息顯示、緊急開閘、語音播報、人數統計、遠程發布和管理等（圖5）。

圖5 門禁系統布置示意

2.10 環境感知系統

建立全面的現場環境感知，包括PM2.5、PM10、空氣、溫度、濕度、噪聲等，設施滿足所在地區及行業管理要求（圖6）。

系統功能要求實現：環境測量指標（PM2.5/PM10）、氣象參數（溫度、濕度、風速、風向、大氣壓、雨量）、支持治理設備接入（噴淋、霧炮）、噪聲監測和判斷、揚塵監測和判斷等功能。

2.11 安全監測系統

建立項目工程安全監測信息系統，包括：在施工過程中按照要求部署及落實的安全監測系統數據、發包人委托的第三方安全監測數據、地面建筑物保護監測等數據，并關聯后臺專家系統，根據監測數據預警及時聯絡相關專家進行分析判斷。

3 智慧監管中心建設

3.1 工程監管中心建設

工程監管中心匯集現場數字工地及其他監控數據，進行集中監控，本工程設置一間不小于100 m2的監控值班室，配置大屏幕、音頻設備、照明、網絡、供電、服務器、監控工作站、機柜、UPS系統、數據庫管理軟件、操作系統等。

圖6 環境監控系統示意

3.2 智慧中心建設

3.2.1 智慧工地通信

1）對外通信。鋪設一條運營商企業互聯網寬帶，實現工區與標段監控分中心等互聯?；ヂ摼W帶寬要求不小于100 Mib/s，要滿足所需數據、視頻的傳輸要求。

2）語音通信。設置統一的語音通信系統，配置程控交換機，程控交換機與當地網絡運營商網絡連接，開通國內、國際長途及其他通信業務，并滿足容量要求，其中主控、電源板等關鍵板件實現雙冗余。設置模擬話機，模擬話機通過語音接入網關接入。

3）隧洞內通信。隧洞內通信采用有線通信方式，敷設與外界連通的光纖通信通道，纖芯數量需滿足隧洞內盾構機、人員定位設備、視頻監控設備、安全監測等對外通信需求。隧洞內覆蓋無線通信網絡，要求采用基于 IEEE802.11a/b/g/n/ac通信標準的無線通信協議；可采用中繼節點增加無線覆蓋距離；無線接收設備接入隧洞內光纖交換機。隧洞內安全監測系統光纖技術要求：安全監測系統通信光纖選擇4芯光纖；光纜型號GYTA，具體標準參照相關國家標準。

3.2.2 應急通信保障

應急通信保障主要是保障火災等情況下隧洞內、外通信線路的可靠性。要求隧洞內、隧洞內與外部通信光纜采用阻燃光纜；隧洞內與外部通信光纜全程采用穿管后明敷方式，穿管敷設接合處（如分接盒）等應做好防火封堵措施。對于采用穿管后明敷段，應在套管外涂刷防火材料。

3.2.3 智慧工地辦公網絡

智慧工地辦公網絡需增強網絡設備及鏈路的可靠性，實現安全、高速、可靠的數據、語音、圖像等多業務通信。配置接入交換機，以及無線AP設備，為辦公場所、施工現場提供有線、無線網絡環境。通過路由器接入互聯網，采用防火墻設備加強內網安全。

3.2.4 視頻會商系統

遠程視頻會商系統保證了各級管理部門之間可以進行更充分、及時的交流，有助于提高業務會商決策的時效性和準確性，各視頻會商系統要具有相互兼容性，并有滿足使用的移動客戶終端的授權，以便于與相關重要管理人員進行及時的視頻會商。

4 系統集成及智慧化的應用

智慧工地將數據、視頻等按要求采集，分別集成至智慧工地管理信息平臺。將各感知系統的數據按照要求分別接入智慧管理信息平臺的相關接口中，并形成數據字典等相關文檔，完成數據的采集、交換和視頻交換工作，實現智慧工地管理信息平臺對智慧工地的實時感知、分析、預警等。

5 智慧成果的管理和應用

智慧成果的管理和應用是基于BIM＋GIS的工程建設模塊設計的基礎上，統籌工程質量、進度、成本管理及相關信息管理，將工程項目劃分、質量驗評與工程進度、合同結算等功能進行整合關聯并實現工程的動態控制。

5.1 質量管理

1）基于BIM模型的質量管理。按照項目劃分（單位、分部、分項工程）的方式進行BIM模型構建，并完善質量關聯信息（質量標準、原材料、資源投入、技術方案、質量中間控制信息等）。

2）進場原材料驗收管理。組織原材料（管片、鋼管、鋼筋、水泥等材料）進場驗收，并在系統中提交相關進場驗收記錄（包括驗收現場照片），報批，以確保進場材料滿足合同技術要求。

3）進場設備驗收管理。組織進場設備驗收，在系統中提交相關設備進場驗收記錄（包括驗收現場照片），對于甲控乙供設備，通知發包人參加驗收。

4）原材料及設備質量檢測。按要求提交必要的原材料（包括鋼筋、砂石、水泥、混凝土等主要材料或中間產品）及設備檢測數據，協助發包人構建質量檢測數據對比，對質量信息（承包人自檢、監理平行檢測、第三方質量檢測）進行對比分析。

5）施工質量管理。嚴格落實現場質量“三檢”制，按照明細的項目劃分（單位、分部、分項工程）要求，提交施工項目驗評數據及相關記錄文件，匯總統計合格率、優良率等指標，并對質量不合格項落實閉環管理。

6）施工質量檔案管理。將施工過程中的質量文件檔案，包括記錄隱蔽工程及關鍵工序等關鍵部位質量驗收照片、錄音錄像等多媒體數據，根據檔案管理的需要整理歸檔。

7）在施工現場管理中通過手機對質量安全內容進行拍照、錄音和文字記錄，并關聯模型。軟件基于云自動實現手機與電腦數據同步，以文檔圖釘的形式在模型中展現，協助生產人員對質量問題進行管理。

5.2 進度管理

結合項目特點，編制建設全過程進度計劃，包括里程碑計劃、總體計劃、施工計劃及多級計劃，并按照系統要求提交審批、反饋、進度異常預警等，并通過進度計劃與BIM模型結合，實現4D施工模擬、計劃進度和實際進度的對比以及相關數據分析等功能。通過BIM技術，結合進度計劃，形成4D工期模擬，不但可以有效地對現場進度進行可視化把控，同時對后期需要工期調整的施工工序可及時進行模型標注，方便各參建方的整體協調管理。

5.3 安全文明管理

安全管理使用安全培訓管理平臺，做好通信聯絡清單、安全教育培訓、班前班后交底等業務的如實填報，分別在對應系統做好入場設備臺賬、危險源臺賬等信息的如實填報。

借助BIM技術對施工場地的安全文明施工設施進行建模，并進行尺寸、材料等相關信息的標注，形成統一的安全文明施工設施庫。在項目中利用BIM建立三維模型，讓各分包管理人員提前對施工面的危險源進行判斷，在危險源附近快速地進行防護設施模型的布置，比較直觀地對安全死角進行提前排查。

基于現場作業要求建立現場管理系統，主要包括：設置現場作業人員準入條件，如是否落實必要的安全教育、是否被禁止進入現場等；建立現場入場設備臺賬，明確具體責任人員，定期檢查記錄，并跟蹤記錄設備的維護保養情況；專項施工方案的備案及審查記錄；特種作業證件管理：登記特種設備相關檢驗證書、特種作業人員操作證明文件等。

按照要求落實風險管控措施，主要包括：危險源管理，識別危險源，建立危險源臺賬，開展危險源分級管理措施，明確責任人員，并動態更新；重大危險源管理，對重大危險源采取措施，按照要求進行實時的監控與跟蹤，并做好相關的應急準備；落實安全隱患排查與治理，采用多種形式建立安全隱患的動態臺賬，包括移動端等，實行安全隱患的閉環管理。

應急與事故管理，主要包括應急管理和建立應急管理體系[4-5]。具體包括應急預案管理、應急物資管理、應急組織網絡、應急培訓（包括應急演練）、應急評估等應急準備措施；事故管理，收集類似工程事故案例、如實記錄事故報告等。

5.4 成本管理

以合同為基準，在系統中進行與合同相關的成本管理，完成合同支付、合同變更以及合同結算等相關功能。BIM數據庫可實現任一時間節點上工程基礎信息的快速獲取，通過合同、計劃與實際施工的消耗量、分項單價、分項合價等數據的對比，可以有效了解項目運營盈虧，實現對項目成本風險的有效管控。

通過提取BIM模型中的造價數據信息，可根據需要生成相關數據報表、材料清單以及工程量清單等。

5.5 輔助設計圖紙核查

作為一個包含構件準確參數信息的三維立體模型，BIM模型的建立過程即是對傳統二維圖紙進行仔細研讀與理解的過程。對于圖紙中的每一個說明，每一個標注，每一個尺寸都必須進行仔細查看，然后才可以在BIM模型中進行準確建造。因此，BIM模型可以預見圖紙設計問題，BIM三維模型的建立過程也是對圖紙的再次審核過程。

6 結語

本次采用物聯網、互聯網、云平臺、BIM及GIS、數字化等先進技術手段與建筑施工工地技術及施工管理相結合，將建筑施工工地變成“智慧化”工地。

通過各種系統把各數據、視頻收集集成并處理應用，使工地具有感知功能，使工地的管理更加高效、全面，滿足綠色施工要求，合同、進度、質量、安全都得到保障，降低了施工能耗，也使工地施工建立了更加良好的環境，“人、機、料、法、環”得到有機的整合，工程建設更具有時代的科學發展觀。