智慧工地在工程建設(shè)中的應(yīng)用

高 宏 偉

(中國人民解放軍96784部隊(duì)，河南 洛陽 471000)

建筑業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，在改善居住環(huán)境、完善基礎(chǔ)設(shè)施、緩解就業(yè)壓力、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長等方面發(fā)揮著積極作用。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建筑業(yè)逐漸呈現(xiàn)出規(guī)模體量大型化、構(gòu)造功能多樣化、工藝流程復(fù)雜化、現(xiàn)場(chǎng)管理精細(xì)化等特點(diǎn)。傳統(tǒng)粗放式的發(fā)展模式，存在人員流動(dòng)頻繁、現(xiàn)場(chǎng)管理混亂、安全事故多發(fā)、環(huán)境污染嚴(yán)重、資源利用率低等問題，已不再適應(yīng)建筑領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保、安全高效、持續(xù)健康發(fā)展的總體要求。因此，在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中如何科學(xué)、合理、有效地進(jìn)行管理，杜絕各種違規(guī)操作、提高建筑工程質(zhì)量、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭能力和確保社會(huì)安全穩(wěn)定，成為擺在政府部門、業(yè)界人士和專家學(xué)者面前的一項(xiàng)重要研究課題。

在這樣的時(shí)代背景下，隨著人工智能、無線傳感、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，智慧工地建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生。它是一個(gè)集安全、質(zhì)量、進(jìn)度、設(shè)備、物資及勞務(wù)管理為一體的綜合信息平臺(tái)，應(yīng)用于工程建設(shè)全生命周期過程中，讓傳統(tǒng)的建筑工地長出“智慧大腦”，最終實(shí)現(xiàn)施工管理智能化、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化、過程監(jiān)管可視化和行政決策科學(xué)化[1]。智慧工地的實(shí)施，可以幫助建筑企業(yè)節(jié)省人力投入、提升管理水平、確保質(zhì)量進(jìn)度、預(yù)防安全事故。目前，智慧工地建設(shè)在我國的北京、上海、杭州、深圳等多個(gè)城市都出現(xiàn)了比較成功的案例，并且取得了顯著成效。

1 智慧工地概述及其系統(tǒng)架構(gòu)

智慧工地是智慧城市理念在建筑領(lǐng)域的具體體現(xiàn)，它借助先進(jìn)的BIM技術(shù)對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和施工模擬，應(yīng)用高度集成的信息管理系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，建立信息協(xié)同共享、工作互聯(lián)互通、施工全面智能、管理科學(xué)高效、風(fēng)險(xiǎn)智慧預(yù)控的信息化生態(tài)圈，從而提高建筑工程的整體質(zhì)量、管理水平和決策能力，有利于促進(jìn)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和持續(xù)健康發(fā)展[2]。智慧工地緊緊圍繞施工現(xiàn)場(chǎng)的人、機(jī)、料、法、環(huán)等關(guān)鍵要素，綜合運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)通信、3S等技術(shù)，將分布于不同終端、不同階段、不同類型的信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行全面準(zhǔn)確及時(shí)的收集匯總、分析計(jì)算，達(dá)到整個(gè)施工過程可優(yōu)化、施工進(jìn)度可控制、施工各方可協(xié)同、施工風(fēng)險(xiǎn)可預(yù)見的目標(biāo)。

智慧工地綜合信息管理系統(tǒng)呈現(xiàn)出縱向多層次、橫向網(wǎng)格化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，遵循標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化、模塊化的原則，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的開放性、擴(kuò)展性和易用性，其系統(tǒng)架構(gòu)主要包括信息采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、平臺(tái)處理層和用戶應(yīng)用層[3]，如圖1所示。

信息采集層是基礎(chǔ)，通過攝像機(jī)、傳感器、智能手機(jī)、RFID和GPS等終端設(shè)備，對(duì)人員作業(yè)狀態(tài)、機(jī)械運(yùn)行情況、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境等要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能感知和數(shù)據(jù)采集，為整個(gè)系統(tǒng)提供全面準(zhǔn)確的信息保障。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是橋梁，依據(jù)約定好的網(wǎng)絡(luò)傳輸接口和協(xié)議，通過特定的傳輸介質(zhì)將項(xiàng)目數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確無誤、無延時(shí)地進(jìn)行雙向傳輸與交換。平臺(tái)處理層是關(guān)鍵，主要是借助大數(shù)據(jù)云平臺(tái)對(duì)不同類型的感知設(shè)備獲取的海量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、解析、計(jì)算和挖掘，讓項(xiàng)目各參建方更便捷的進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問和信息交互。用戶應(yīng)用層是核心，它將平臺(tái)處理后的相關(guān)數(shù)據(jù)分類納入不同的功能模塊，并以圖表、模型、視頻、報(bào)警等直觀可視化的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，可以作為人員管理、施工指導(dǎo)、輔助決策、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和方案編制的有效依據(jù)。在上述四層結(jié)構(gòu)之外，還需要建立相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和管理制度，以保障信息有序匯集、存儲(chǔ)、應(yīng)用和共享，強(qiáng)化平臺(tái)管理、使用的規(guī)范性和安全性。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧工地在工程建設(shè)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things，IOT)通過信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等技術(shù)設(shè)備，按照事先約定的協(xié)議內(nèi)容，把工程建設(shè)中涉及到的重點(diǎn)關(guān)鍵要素與互聯(lián)網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧工地綜合信息管理系統(tǒng)，融合現(xiàn)場(chǎng)管理、行政監(jiān)督以及文明施工等為一體，為各項(xiàng)決策的判斷和制定提供重要依據(jù)。

2.1 勞務(wù)實(shí)名制管理

現(xiàn)階段，我國建筑勞務(wù)市場(chǎng)的用工量非常龐大，同時(shí)也存在著企業(yè)用工不規(guī)范、從業(yè)門檻比較低、人員流動(dòng)很頻繁、技能水平參差不齊等問題，難免會(huì)產(chǎn)生勞務(wù)糾紛、影響工程質(zhì)量、發(fā)生安全事故。勞務(wù)實(shí)名制管理子系統(tǒng)是項(xiàng)目部進(jìn)行規(guī)范管理、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、保障工人合法權(quán)益、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑和具體舉措，它將工人的姓名、年齡、工種、入職時(shí)間、技能水平和資質(zhì)許可等信息錄入系統(tǒng)，形成完善的人員數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)勞務(wù)人員年齡構(gòu)成、性別比例、屬地來源、季節(jié)性影響等因素的研究分析，便于勞務(wù)隊(duì)伍的優(yōu)化選擇和有效管理[4]。在人員考勤方面，利用人臉識(shí)別、指紋采集、虹膜驗(yàn)證、門禁閘機(jī)、智能IC等先進(jìn)技術(shù)和手段，實(shí)時(shí)核驗(yàn)并記錄作業(yè)人員的身份、班組、工種、進(jìn)出場(chǎng)時(shí)間等信息，幫助管理人員完成考勤登記和工時(shí)統(tǒng)計(jì)，為勞務(wù)人員的績效獎(jiǎng)懲和工資結(jié)算提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，避免出現(xiàn)勞務(wù)糾紛，同時(shí)還能有效杜絕外來無關(guān)人員進(jìn)入，強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)人員安全管理。建筑企業(yè)還可以利用GPS及北斗定位功能，通過佩戴智能安全帽、智能手環(huán)、手機(jī)APP等設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的心率、體溫、作業(yè)狀態(tài)、所處位置和運(yùn)動(dòng)速度等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，有效降低安全事故發(fā)生幾率。

2.2 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

在建筑工地點(diǎn)多、線長、面廣，作業(yè)面高度分散、轉(zhuǎn)移頻繁的條件下，如何確保施工人員、物資材料、機(jī)械設(shè)備的安全，及時(shí)準(zhǔn)確掌握施工作業(yè)動(dòng)態(tài)、質(zhì)量和進(jìn)度情況，是建筑企業(yè)關(guān)心的頭等大事。智慧工地中的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控子系統(tǒng)采用高清智能攝像機(jī)、航拍無人機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)主要出入口、材料堆放區(qū)、設(shè)備操作臺(tái)、施工作業(yè)面及周邊環(huán)境的全覆蓋無死角遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除存在的隱患問題，避免因人員違規(guī)作業(yè)、設(shè)備操作不當(dāng)、物料遺失被盜造成的人身和財(cái)產(chǎn)損失[5]。各相關(guān)單位可以通過手機(jī)APP和PC客戶端，隨時(shí)查看人員作業(yè)情況、現(xiàn)場(chǎng)管理情況、進(jìn)度質(zhì)量情況及整改落實(shí)情況。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，不僅可以提高現(xiàn)場(chǎng)管理的正規(guī)化水平，彌補(bǔ)人員不足帶來的管理死角，還可以加強(qiáng)對(duì)安全生產(chǎn)事故的防范，最大限度降低施工安全隱患。

2.3 環(huán)境在線監(jiān)測(cè)

建筑業(yè)產(chǎn)生的揚(yáng)塵和噪聲污染，對(duì)城市空氣質(zhì)量和周邊居民生活造成了嚴(yán)重影響。2018年中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》指出，要強(qiáng)化城市建設(shè)施工揚(yáng)塵管控措施，明顯改善大氣環(huán)境質(zhì)量，增強(qiáng)人民的藍(lán)天幸福感。施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，通過各類傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)揚(yáng)塵、噪聲、氣象、能耗及污水排放是否達(dá)標(biāo)等環(huán)境數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過有線或無線方式傳輸?shù)胶蠖似脚_(tái)進(jìn)行分析、處理，并做出相應(yīng)的預(yù)判和報(bào)警[6]。具體模塊功能如下：

1)揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)值超限時(shí)，自動(dòng)開啟聯(lián)動(dòng)霧化噴淋設(shè)備。

2)噪聲監(jiān)測(cè)。對(duì)噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，超標(biāo)預(yù)警進(jìn)行短信推送。

3)氣象監(jiān)測(cè)。對(duì)風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)換算建筑受力，形成風(fēng)壓大數(shù)據(jù)庫；對(duì)有毒有害氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，自行驅(qū)動(dòng)換氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行通風(fēng)。

4)能耗監(jiān)測(cè)。對(duì)水電油氣等各類能耗進(jìn)行精細(xì)計(jì)量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能處理和動(dòng)態(tài)管控。

3 基于BIM技術(shù)的智慧工地在工程建設(shè)中的應(yīng)用

BIM(Building Information Modeling)借助計(jì)算機(jī)和三維數(shù)字技術(shù)，收集和整理建筑全生命周期的數(shù)據(jù)和信息，并以三維立體模型的方式展現(xiàn)出來，真正實(shí)現(xiàn)了建筑信息集成化協(xié)同處理。BIM技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目生命周期內(nèi)全部動(dòng)態(tài)信息的創(chuàng)建、管理和共享，使得從規(guī)劃設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)、施工管理、運(yùn)營維護(hù)等都印上數(shù)字化的屬性，能最大限度地減少或避免問題的發(fā)生。

3.1 設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

建筑設(shè)計(jì)是后續(xù)施工活動(dòng)有序展開的關(guān)鍵所在，如果設(shè)計(jì)方案不合理，將直接影響到建筑物的功能、質(zhì)量和安全，并造成不同程度的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)進(jìn)行場(chǎng)地規(guī)劃。利用BIM+GIS技術(shù)，可以對(duì)擬建項(xiàng)目的選址進(jìn)行場(chǎng)地規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)三區(qū)分離、人車分流，對(duì)建筑性能、塔吊布置、采光日照等進(jìn)行模擬分析，對(duì)擬建工程與現(xiàn)有建筑和周邊環(huán)境的空間關(guān)系進(jìn)行研究，增強(qiáng)總體規(guī)劃的科學(xué)性、合理性和可行性。

2)協(xié)同設(shè)計(jì)與碰撞檢查。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是一個(gè)線性的過程，各專業(yè)之間前期沒有進(jìn)行有效的溝通，等到施工中發(fā)現(xiàn)問題再反過來修改設(shè)計(jì)，造成人力、財(cái)力、時(shí)間的大量浪費(fèi)。將BIM技術(shù)和“云端技術(shù)”進(jìn)行有效結(jié)合，可以提供一個(gè)信息共享平臺(tái)，各專業(yè)工程師在同一平臺(tái)上對(duì)項(xiàng)目的建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，有利于進(jìn)行廣泛深入的溝通交流，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)更新不及時(shí)的現(xiàn)象；同時(shí)借助BIM強(qiáng)大的碰撞檢查和自動(dòng)糾錯(cuò)功能，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的不合理之處，從源頭上減少因“錯(cuò)漏碰缺”導(dǎo)致的設(shè)計(jì)變更和返工[7]。

3)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)分析。工程建設(shè)的關(guān)鍵問題是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，要求構(gòu)件連接具有較好的整體性和可靠性，以滿足建筑物的抗震要求，避免施工過程中出現(xiàn)偏差。目前，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的連接多采用灌漿套筒方式，通常會(huì)在接縫處開槽，形成鋸齒狀或預(yù)留一定的彎鉤鋼筋。利用BIM技術(shù)對(duì)構(gòu)件類型、材質(zhì)、規(guī)格、尺寸、配筋和預(yù)留預(yù)埋洞口等進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，減少用于方案調(diào)整的精力與時(shí)間。

3.2 施工階段的應(yīng)用

BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)物料管理。傳統(tǒng)的物料管理主要通過人工進(jìn)行到貨驗(yàn)收、統(tǒng)計(jì)歸類和放置存儲(chǔ)，難免會(huì)出現(xiàn)堆放混亂、使用錯(cuò)誤、被盜丟失的現(xiàn)象。根據(jù)BIM技術(shù)模擬的施工進(jìn)度計(jì)劃，合理安排進(jìn)出場(chǎng)時(shí)間；在材料設(shè)備到貨驗(yàn)收時(shí)，對(duì)其名稱、規(guī)格型號(hào)、到貨數(shù)量、材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等信息進(jìn)行編碼，根據(jù)BIM模型提供的施工順序和安裝位置進(jìn)行分類存放，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

2)吊裝作業(yè)。吊裝作業(yè)是建筑施工階段的核心，對(duì)機(jī)械設(shè)備和施工人員的能力素質(zhì)要求較高。施工展開前，利用BIM技術(shù)進(jìn)行吊裝模擬，確定塔吊運(yùn)行角度、起重力矩、回轉(zhuǎn)幅度及與擬建建筑物的位置關(guān)系，保證塔吊在施工全過程中的安全運(yùn)行。

3)進(jìn)度質(zhì)量管理。在原有BIM-3D模型的基礎(chǔ)上引入時(shí)間和資源兩個(gè)維度形成的BIM-5D模型，可以幫助技術(shù)及管理人員實(shí)時(shí)跟蹤掌握施工進(jìn)度和資源投入情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)原始施工方案中的不合理性，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工計(jì)劃，防止工期延誤和成本增加。將專項(xiàng)檢查和日常巡查過程中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題拍照上傳，使涉及到的質(zhì)量問題直接關(guān)聯(lián)到BIM模型的具體構(gòu)件上，項(xiàng)目各責(zé)任主體均可在模型上查看整改落實(shí)情況。

3.3 安全管理中的應(yīng)用

建筑施工中一旦出現(xiàn)安全事故，將給家庭、企業(yè)、社會(huì)帶來極大的影響。傳統(tǒng)的施工安全技術(shù)交底，通常是以耳口相傳或書面文字的方式進(jìn)行的，施工作業(yè)人員理解不深、記得不牢。通過建立高精度的BIM模型，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)臨邊洞口、高處作業(yè)等危險(xiǎn)部位進(jìn)行標(biāo)識(shí)并做出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，事先掌控安全物資調(diào)配需求及安全設(shè)施布置效果，提升安全管理能效[8]。將BIM三維模型導(dǎo)入VR程序引擎，設(shè)計(jì)出逼真的場(chǎng)景環(huán)境，體驗(yàn)者可以身臨其境的置身于這些“真實(shí)的”場(chǎng)景中，形象直觀地感受安全事故帶來的危害，例如機(jī)械傷害、支模坍塌、高空墜落、施工觸電、火災(zāi)逃生等，讓人們從主觀上認(rèn)識(shí)到安全生產(chǎn)、規(guī)范操作的重要性，提高安全防范意識(shí)，掌握應(yīng)急救護(hù)措施，增強(qiáng)個(gè)人防護(hù)技能，達(dá)到安全教育和培訓(xùn)演練的目的。

4 結(jié)語

智慧工地建設(shè)過程中應(yīng)用到了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、BIM、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通信、智能傳感等技術(shù)，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳遞暢通、響應(yīng)及時(shí)的綜合信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，對(duì)環(huán)境進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)管理，節(jié)約了企業(yè)人力成本，提升了項(xiàng)目管理水平，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，有利于促進(jìn)建筑業(yè)朝著安全、綠色、智能的方向發(fā)展。