智慧工地系統(tǒng)在蘭州奧體中心項目施工中的應用研究

劉 波，禹 寧，萬國平，關永瑩，司拴牢，李光耀

（1.中國十七冶集團有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.蘭州市建設工程安全質量監(jiān)督站，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

建筑業(yè)是國民經濟的重要支柱產業(yè)之一，而傳統(tǒng)的項目管理存在信息溝通不對稱、安全質量常見問題治理不及時、施工進度控制滯后、資料管理龐雜等諸多難點和痛點。近年來，隨著信息化技術在建筑工程施工管理中的應用，智慧工地系統(tǒng)應用而生。智慧工地是一種嶄新的工程生命周期管理理念，是通過某一平臺，對項目進行施工過程管理，通過各單位和各部門之間相互協同，科學化信息管理，過程數據挖掘分析，對施工階段各環(huán)節(jié)進行趨勢預測管理和可視化管理，實施精準施測，科學應對，從而提高項目管理水平。

利用先進科技手段進行智能、高效、綠色、精益、科學的施工現場管理，杜絕各種違規(guī)操作和不文明施工[1]，提高建筑工程質量和施工管理效率，促進項目管理的創(chuàng)新和發(fā)展[2-4]，是立足新發(fā)展階段，實現建筑行業(yè)高質量發(fā)展的必然要求。因此，本項目在智慧工地系統(tǒng)的應用研究中，基于信息化、數字化、網絡化和智能化，旨在實現綠色施工，精益建造，標準化管控，為提升工程品質和增強企業(yè)核心競爭力積極探索，形成可復制的推廣的經驗和模式。

1 項目概況

蘭州奧體中心項目總建筑面積 450 080 m2，總投資 54.14 億元，包含三館一場和體育產業(yè)用房及配套商業(yè)用房等（見圖 1），施工周期 28 個月，以創(chuàng)“國家優(yōu)質工程獎”、蘭州市“白塔獎”、甘肅省“飛天獎”為質量目標。項目建設體量大、工期緊、標準高、結構復雜、地質情況復雜，鋼結構、幕墻、機電管線深化工作量大，施工安裝難度大且精度高，幕墻安裝定位困難，復雜節(jié)點和交叉碰撞居多，高支模等異性結構施工危險系數高，給施工與管理帶來極大的挑戰(zhàn)。

圖1 蘭州奧體中心項目組成

2 智慧工地應用構架

為提高項目質量安全管理標準化和綠色精益化施工水平，應用智慧工地管理系統(tǒng)，首先對施工中相關數據進行收集和統(tǒng)計分析，并利用相關軟硬件（見表 1）進行輔助項目管理，從而極大地提高了施工作業(yè)效率。

通過 BIM 建模，智能監(jiān)控，各類傳感器感知，對過濾后的施工現場有效數據進行全面、準確、及時的平臺展現，圍繞施工進度、勞務管理、物資進出場、安全質量、機械設備運行管理等，利用“互聯網+”技術實現數字孿生和在線化動態(tài)預警管理，現場的質量、安全、進度、人、材、機的調配動態(tài)可控，提升了施工安全質量和生產管理的精益化、標準化水平，為項目按計劃推進保駕護航。

表1 智慧工地軟硬件一覽表

3 智慧工地應用系統(tǒng)

3.1 勞務管理

按照建筑工人勞務實名制管理要求，進行作業(yè)工人自動化現場考勤和工資管理。利用勞務實名制管理系統(tǒng)［見圖 2（a）］，可對勞務分包用工評價，生產作業(yè)協調進行管理。利用管理平臺對勞務分包商進行了安全、質量、生產任務等多維度的綜合評分，輔助項目選擇誠信、優(yōu)質的勞務合作供應商。

圖2 勞務實名制管理系統(tǒng)

平臺根據錄入的勞務管理系統(tǒng)信息進行工人身份證自動讀取，判別分析該進場人員是否超齡、是否為疫情地區(qū)返工人員、是否身份證過期等信息，實現項目勞務人員進場管控。對于已進場錄入系統(tǒng)平臺內的人員，通過現場智能門禁系統(tǒng)打卡數據及智能安全帽反饋至平臺可按日統(tǒng)計出勤天數，并歸納至班組，并按月從平臺導出考勤數據，供項目使用，從而實現項目勞務用工薪資發(fā)放管控，有效避免拖欠工人工資等情況的出現。

通過工人遷徙［見圖 2（b）］、工人屬性、應用分析、流動性分析、出勤分析、項目監(jiān)控表進行多維度數據統(tǒng)計分析，全面掌握現場用工人數和動態(tài)。去年疫情期間，單周進場人數超過 1 000 人，通過流動軌跡分析篩選，人員有序進場作業(yè)，統(tǒng)計分析發(fā)揮了重要的作用，確保了無中高風險地區(qū)人員進入施工現場，有力地支持了復工復產工作。

3.2 智能監(jiān)控

項目部按智慧工地系統(tǒng)策劃中視頻監(jiān)控點位要求安裝攝像頭［見圖 3（b）］，視頻監(jiān)控［見圖 3（a）］覆蓋全施工現場，并設專人負責日常運維，確保系統(tǒng)用電、網絡、設備穩(wěn)定工作。通過對現場的多方位實時監(jiān)控、歷史回放、遠程訪問，輕松解決了施工現場的管理盲區(qū)，施工安全與進度得到了有效保障。

圖3 施工現場智能監(jiān)控系統(tǒng)

3.3 質量監(jiān)督管理

建筑質量是對一個工程的安全、適用、經濟、環(huán)保、美觀等特定的要求，質量監(jiān)督管理是保證過程質量受控，達標創(chuàng)優(yōu)的重要保證措施之一。智慧工地質量管理系統(tǒng)集成了關于工序的質量規(guī)范標準，輔助質量管理人員進行日常檢查以及項目技術負責人的督查工作。通過客戶端上傳現場的質量問題并進行統(tǒng)計分析（見圖 4），通過平臺設置的整改鏈接到責任人進行閉環(huán)處理，確保質量問題按時整改閉合，可有效輔助質量管理人員及時對現場問題及隱患進行督促整改。系統(tǒng)平臺再通過客戶端上傳的數據進行統(tǒng)計分析形成質量問題庫，以圖表的形式直觀反映各施工階段常見質量問題及發(fā)生的部位，從而有針對性地進行“靶向治療”，防范質量問題的發(fā)生，為企業(yè)、社會和政府質量監(jiān)督提供有效的數據支撐。

圖4 質量管理系統(tǒng)示意圖

3.4 安全環(huán)保管理

3.4.1 安全管理

安全管理系統(tǒng)通過各級管理人員現場發(fā)現隱患，快速生成巡檢記錄，自動推送相關責任人，督促整改合格形成閉環(huán)，有效降低現場安全隱患。電腦端一鍵生成整改通知單，減少工作量提高管理效率。巡檢記錄形成大數據并支持多維分析，為管理賦能。目前，入場進行三級安全教育，信息錄入 100 %，每天填寫安全日志，日均隱患排查不少于 3 條，隱患問題及時整改率為 99 %，截止目前累計檢查總數 1 822 條，隱患總數 1 401 條，其中重大隱患 90 條。

3.4.2 環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)如圖 5 所示，通過環(huán)境監(jiān)測設備實時監(jiān)測施工現場各項環(huán)境指標，平臺自動統(tǒng)計分析當前環(huán)境質量，通過大數據分析，為科學施工提出參考性措施。利用環(huán)境監(jiān)測儀對現場各項環(huán)境指標進行監(jiān)測，包括溫濕度、PM 值、風力及風向等，并將數據傳輸至云平臺存儲分析，通過電腦、手機的 APP 進行實時查看，在 LED 屏幕進行數據顯示，并下發(fā)手機短信通知單，提醒現場作業(yè)人員溫度和注意事項，特別是為冬期施工措施的落實提供了保障。通過智慧工地管理平臺，對接現場噪聲和揚塵監(jiān)測動態(tài)預警系統(tǒng)，設置空氣質量及揚塵上線閾值，實現超限報警并自動啟動現場聯動噴淋系統(tǒng)。

圖5 現場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

3.4.3 工地寶與智能安全帽

隨著新一代智能安全帽的誕生，安全帽已經不只是用來保護穿戴者頭部的防具，還是智能巡檢系統(tǒng)的輔助工具。智能安全帽人員定位系統(tǒng)，是以工人實名制為基礎，以物聯網智能硬件為手段，通過項目定制三維場布模型（見圖 6）和智能芯片的安全帽（見圖 7），現場安裝“工地寶”數據采集和傳輸，實現數據自動收集、上傳和語音安全提示，最后在移動端實時數據整理、分析，統(tǒng)計工人現場分布、個人考勤數據，實現人員的定位和軌跡跟蹤，對人員進入危險區(qū)域進行預警，給項目管理人員提供了科學的現場管理和決策依據。

圖6 三維場布模型

圖7 智能安全帽

3.4.4 高支模監(jiān)測

高支模監(jiān)測是通過設置無線壓力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器、聲光報警器等，實現遠程對模板支架監(jiān)測并報警，第一時間將預警信息推送至手機端，及時采取手段，避免因架體失穩(wěn)、沉降、側移導致坍塌事故發(fā)生。支模架采用新型盤扣式［見圖 8（a）、圖 8（c）］，利用 Midas 進行支架受力分析，進一步驗證架體安全性，保證高支模危大工程施工方案的可行性，同時用模型參與［見圖 8（b）］現場安全檢查［見圖 8（d）］預驗收，使 BIM 落地運用。

3.4.5 施工升降機監(jiān)測

利用施工升降機安全監(jiān)控設備，將各項數據上傳到 PC 端，可對駕駛員身份進行驗證識別，并設置有節(jié)能燈、樓層呼叫器；通過傳感器實時監(jiān)控升降機運行，保障作業(yè)安全及施工效率設備數據實時展示，可對設備當日工作情況、運行重量違章行為等進行記錄和分析。

3.4.6 塔機運行管理

圖8 現場高支模監(jiān)測管理示意

蘭州奧體中心項目工程量龐大，塔吊設備眾多，眾多塔吊同時作業(yè)，塔吊之間相互影響，相互制約，所以對塔吊設備的安全管理、有序作業(yè)是重中之重。現場共計使用 37 臺塔吊設備，其中包括無人塔吊 1 臺。通過塔吊管理系統(tǒng)［見圖 9（a）］，各塔吊和司機信息一目了然，提升了資源分配效率。通過塔吊運行監(jiān)控［見圖 9（b）］，實現了風速報警、碰撞控制、吊鉤高度與吊重監(jiān)測，并在塔機關鍵位置安裝了高清網絡攝像頭，實現吊鉤可視化，杜絕隔物吊和盲吊，解決大型設備監(jiān)管困難的問題，減少了安全事故的發(fā)生。利用大型設備線上數據管理，一個設備一個身份，通過掃碼檢驗，歷史數據隨時可查，解脫了繁重的手工記錄，增加了歷史數據的安全性。通過進行塔吊功效分析、塔機報警統(tǒng)計、群塔吊裝循環(huán)次數統(tǒng)計、塔機工作情況的統(tǒng)計等分析，有效協助現場管理高效作業(yè)。

圖9 塔吊安全運行監(jiān)測系統(tǒng)

3.4.7 無人塔吊應用

傳統(tǒng)塔吊作業(yè)至少需要 2 名工人，一個在駕駛室，一人在地面通過對講機傳遞信號，對接交流反應緩慢，易產生不安全因素。無人駕駛塔吊只需一人地面操作操控臺，利用移動互聯網技術和塔機信息化平臺，通過無線電波傳送數據，實現地面遠程遙控駕駛。考慮到目前 5G 信號沒有覆蓋全面，信號傳輸低延時，因此，施工現場只在鋼筋加工區(qū)設置了一臺無人塔吊進行試驗［見圖 10（b）］。結果表明，通過無人塔吊的應用，切實降低了現場高空作業(yè)風險，減少了塔機操作人員數量和間接信號傳遞，提升了設備管理和施工現場安全管理水平［見圖 10（a）］。

圖10 無人塔吊應用示意

3.4.8 無人機傾斜攝影

項目部采購大疆系列無人機兩臺，利用 BIM+ 遙感技術，以 5G 長續(xù)航無人機為載體進行建模，真三維+假三維結合，以“上帝視角”巡查施工現場［見圖 11（a）］，實施航拍、監(jiān)測，動態(tài)掌控，并配合超級計算軟件，進行三維建模計算［見圖 11（b）］，直觀地將現場施工質量安全、生產進度及文明施工反映出來。應用無人機方便對特種設備工作狀況、外架、高空作業(yè)吊籃、水平洞口防護等區(qū)域進行監(jiān)察。

圖11 無人機施工現場巡檢示意

3.5 鋼結構三維激光掃描成像測量

鋼結構安裝施工過程中，利用建筑鋼結構激光三維掃描測量與數字預拼裝技術對安裝構件進行三維掃描，可實現實體模型三維重建。利用三維掃描自動拼接得到的點云模型與 BIM 模型對比分析，檢查安裝精度，確保鋼結構空間安裝精度及變形控制，輔助鋼結構空間卸載及定位驗收。將 BIM 技術和多維掃描、數字模擬技術應用于鋼結構建筑生產加工、施工安裝等環(huán)節(jié)，大大提高了精益建造水平，如圖 12 所示。

圖12 鋼結構三維激光成像比對

3.6 混凝土溫度應力及結構健康監(jiān)測

針對蘭州地區(qū)晝夜溫差大且蘭州奧體中心體育場、體育產業(yè)用房及運動員公寓等混凝土大體積、大面積澆筑的特點，對部分鋼筋混凝土結構進行施工期間的溫度應力健康監(jiān)測，通過監(jiān)測結構內混凝土應變、鋼筋應力和溫度，及時了解并掌握各項監(jiān)測指標的變化情況，為結構受力狀態(tài)的評判和危險狀態(tài)的預、報警提供數據支撐，確保施工質量及結構安全。同時在施工期間監(jiān)測工作完成后，選取一部分監(jiān)測點進行運營期間的長期自動化監(jiān)測，確保運營期間的結構安全。監(jiān)測指標為：結構構件內溫度、鋼筋應力、混凝土應變。監(jiān)測系統(tǒng)由 5 部分組成：傳感器系統(tǒng)、數據采集與傳輸系統(tǒng)、數據處理與控制系統(tǒng)、結構性態(tài)評估系統(tǒng)、多用戶端可視化實時系統(tǒng)。通過現場設置的自動化采集單元進行數據采集和傳輸。采樣頻率可根據情況具體設定，并實時無線傳輸到云平臺，PC 端平臺登錄后可查看全部數據，手機端 APP 也可隨時查看基本數據。

3.7 進度計劃管控

項目利用生產管理系統(tǒng)對工程進度全程進行跟蹤模擬比對，比對實際和計劃進度情況，合理制定施工進度計劃，避免施工中可能的沖突，嚴格控制施工節(jié)點，保證質量，降低成本，縮短工期。

在施工過程進度管理中，采用斑馬計劃管理軟件，對本項目進度進行管理和規(guī)劃，形成時間進度，將此時間進度與 BIM 模型進行匹配，得到可視化強的三維進度模型，如圖 13 所示。依據此模型可對施工原材料、施工機械及現場勞動力進行調配，保障項目工期目標的實現。

使用 Revit 系列軟件對本項目的 BIM 模型進行設計，模型建立過程中可檢測圖紙設計深度不足和缺陷，以便設計院對施工圖紙進行糾正，以此來指導施工。

同時可利用原件的自動統(tǒng)計功能，對施工原材料數量進行匯總和統(tǒng)計。也可通過建立 4D 模型，實現建筑動畫、實景和仿真效果，通過 4D 效果的演示，各層級管理人員能更直觀了解設計意圖，形成宏觀的進度管理計劃，有利于項目整體工期的掌控。

圖13 施工進度模擬示意

3.8 物料管理

物料管理系統(tǒng)（見圖 14）是利用視頻監(jiān)控設備、物聯網技術，通過地磅周邊硬件智能監(jiān)控作弊行為，自動采集精準數據，對驗收過程進行記錄，所有進、出場的車輛經過磅房監(jiān)控，隨時隨地掌控現場、識別風險，零距離集約管控、可視化智能決策。

2020 年項目累計上傳運單數量 59 562 條，累計重量達 125 397.733 t，運單號填寫率 100 %。該系統(tǒng)的現場智能地磅稱重通過數據自動化錄入、資料信息化共享，避免了因誤報、虛報等導致的材料成本虛高現象，為項目節(jié)約了成本。

圖14 物料管理系統(tǒng)

3.9 BIM 技術應用

利用 BIM 技術進行鋼結構設計優(yōu)化，對方案進行提前模擬和優(yōu)化，通過虛擬施工從設備投入、工期、施工措施費用等各方面進行精細的對比評估，確定最優(yōu)施工方案，并形成施工模擬動畫，便于給作業(yè)人員進行交底。結合 BIM 輕量化應用，將 BIM 輕量化的三維場布和深化 BIM 模型導入智慧工地系統(tǒng)，并具備 PC 端和移動端的瀏覽操作。輕量化后的模型，保存完整的構件信息，支持主視角、框選、測量、剖切、漫游模式、地圖、構建詳情等功能。根據編定的施工進度計劃，結合 BIM 模型形成施工進度模擬動畫，透過 BIM 模型對虛擬建造過程的分析，合理調整施工進度，更精準地控制現場的施工與生產（見圖 15），實現了利用 BIM 技術進行施工進度糾偏、投資控制的目的等。

圖15 鋼結構安裝模擬

4 結語

通過蘭州奧體中心項目智慧工地系統(tǒng)的綜合應用，使項目管理更加有效便捷，使監(jiān)督和服務更加科學高效，使建筑成本得到了有效的控制，極大地促進了基于信息技術的數字化、網絡化、智能化與傳統(tǒng)施工管理的深度融合，實現了綠色施工、精益建造與智慧管理的有效協同，推動了工程質量安全水平的提升和施工過程安全可控、進度及時糾偏，為推進傳統(tǒng)施工技術管理轉型升級和項目提質增效提供了鮮活的案例。Q