基于CIM的智慧工地建設與應用

馮 帆，羅乾鵬

（中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司，湖北 武漢 430000）

1 建筑工程發展現狀

工程建設項目涉及眾多單位，包括業主方、設計院、施工總承包商、各子分包商、監理等。各單位在施工生產工作中需要頻繁溝通，共享信息并協同合作，但各參建方使用的項目管理系統相對分散和獨立，無法達到信息共享和協同辦公，工作效率比較低下。

不同的項目需要的信息化功能往往也不一致，定制化開發正成為信息化項目發展的趨勢，但面對眾多參與單位和部門，系統個性化也存在著較多的分歧。一方面，需要根據使用單位的需求，充分調研后對系統架構進行重構，增加了較多的時間和人力成本；另一方面，一個項目的建設周期一般也僅有幾年，完工后便不再使用。

信息化系統賦能施工項目有限，傳統的工程項目更習慣于以往的工作方式，面對新的信息化管理模式，需要學習成本，甚至產生抵觸心理。建筑項目的參建單位眾多，對信息化的推進重視程度不同，其中一方的信息滯后可能導致多方的數據不同步。

2 基于CIM的智慧工地建設目標

基于當前的建設工程信息化發展現狀，在傳統的工地管理方式上，需要迫切建立一種既符合現場實際施工需求又智能化的信息管理系統。

城市信息模型(CIM）采用GIS技術，通過物聯網(IoT）技術將建筑信息模型(BIM）進行三維可視化和場景展示，實現從城市到城區、街道以及樓房的各級展示，構建出城市的三維信息以及時空數據綜合體。

基于CIM的智慧工地系統是在城市信息模型的基礎上，圍繞施工現場管理，通過三維立體技術對工程建設項目進行模型化處理，建立起工地建筑物、生產機械設備、施工物料、人員等三維數字模型，表達和管理工地現場三維空間。該系統將平臺數字化數據和實際施工現場的工程信息形成數據倉庫，經大數據技術處理后，提供數據統計和趨勢預測，為建設工程的設計、施工、使用、維護等提供基礎性的操作和可視化的管理平臺，滿足施工、物資、安全、監管等的應用需求，提升建設項目的精確高效生產管理水平，促進建筑企業轉型升級，實現施工過程的“高效、安全、規范、環保、智能、精細”發展目標。

3 基于CIM的智慧工地系統詳細設計

統一建設項目基礎信息管理，將分散在各業務系統中的項目信息整合到統一的系統，如圖1所示，做到項目報建統一入口，項目審批過程信息統一對接，項目基礎信息變更統一維護，與發改委、自然資源局、審批局對接，獲取項目的立項信息、土地信息、規劃信息、審批信息，完善項目基礎數據，保證基礎信息的準確性。

圖1 系統設計

3.1 施工現場綜合管理系統

施工現場綜合管理系統主要由現場監測監控子系統、現場人員管理子系統、工程物資管理子系統、機械設備管理子系統等組成。各子系統之間相互協同應用，構成施工現場一體化的管理系統。

3.1.1 現場監測監控子系統

感知監測管理，通過前端感知設備實時顯示各監測點的行為數據，利用大數據分析技術，對采集的數據進行分類研判以及連續的挖掘分析，最終以圖形可視化的形式直觀展示。

自動預警管理，當感知設備實測數據超出預設參數標準值范圍時，平臺自主判斷，定位故障點位，并第一時間發出告警信號，通知系統設定的指定人員進行現場處理。

視頻監控管理，使用“邊緣計算技術＋智能終端攝像頭”對施工現場進行實時監控，重點監測危大工程施工現場工作人員及環境狀況，如深基坑、地下暗挖等超過一定規模的危險性較大工程；對現場人員的不文明行為，如未戴安全帽、未穿反光衣等，第一時間進行語音形式告警，同時系統自動進行文明施工的考核；對施工現場監控到的關鍵影像備份留存，自動分類標記。

通過傳感器監測鋼絲繩內部斷絲、斷股等損傷情況，實現鋼絲繩安全狀態自動化監測，實現遠程監管，

實時傳輸數據至智慧工地管理平臺。使用設備檢測工地中使用的鋼絲繩，并上傳系統，上傳數據包括項目工地、時間、檢測人、檢測時間、檢測鋼絲繩所屬設備編號以及檢測結果；系統根據設定的檢測指標要求，對檢測數據進行比對，篩選出不同風險評級的數據；監督部門根據評級下發限時整改要求；對逾期未上報的工地進行系統自動預警。

塔機激光定位系統是通過安裝在塔吊小車上的激光發射器實現精準定位，其夜視效果清晰，能輔助駕駛員在夜間施工環境下準確定位吊鉤位置，保障塔機安全，并將吊鉤每次變動的相對位置數據傳送到智慧工地平臺。

在架體加裝傳感器，能實時監測架體的水平位移、傾斜數據，避免出現超出規范要求的情況，并上傳至智慧工地管理平臺。基于物聯網技術和傳感技術的結合，對懸挑架的工字鋼支撐沉降繞曲和架體的水平位移進行重點監測，包括重力實時監測模塊、預警控制模塊、異常報警模塊和施工方案調整模塊等。通過無線組網和壓力傳感器裝置，隨時監測腳手架架體的壓力變化、傾斜角度變化、位移變化等非常規性變化，一旦有異常變化發生，系統會自動報警，提示負責人調整施工方案。從而實現早發現問題，早應對、早預防，解決現有腳手架體系存在的諸多不足，推進腳手架體系施工信息化建設，減少和預防腳手架坍塌等施工事故。

3.1.2 現場人員管理子系統

系統實行實名制登記。進入現場的人員通過身份證刷卡登記，并人臉識別比對，建立人員數據庫，同時可以完善工作崗位、職業證書、培訓經歷等信息。通過上場人臉識別系統記錄人員的考勤信息，自動生成每名人員的考勤數據，能對農民工進行考勤，并通過接口將考勤數據定期上傳到需要數據上傳的對應系統。考勤管理系統支持多維度條件查詢，支持查詢月度考勤、當日考勤明細、考勤信息統計、考勤與工資單對比等。

現場人員定位。智能安全帽與現場人員相對應，基于終端的定位設施實時監控人員的位置、分布情況，行動軌跡記錄在三維模型中，管理者通過可視化平臺進行遠程管理。

安全帽防護。基于終端的智能算法芯片，識別現場工作人員脫帽、跌倒、墜落等行為，便于管理者在接收預警后第一時間組織應急預案，保障現場人員安全。

教育培訓。結合AR/VR產品，在較為重要的工序開工前，對操作人員進行虛實結合沉浸式的安全技術交底，增強員工的安全意識和技能水平。同時，將現場交底的時間、人員、資料等信息自動留底保存。

3.1.3 工程物資管理子系統

在傳統的建筑工程項目中，對物資材料的管理大多僅依靠Excel等表格匯總，可控性不強，在數據共享和實時管控中受限。基于工程物資管理系統，在材料進場前，對供貨物資的原產地、貨物制造生產情況、材料運輸狀態等進行實時監控，管理人員掌握材料制造運輸情況后，結合現場進展，對材料供應進行有效管控。進場材料的驗收，通過移動終端設備進行掃碼點驗，將材料規格型號、到貨數量、產品合格證等物資信息與提前錄入系統的進貨需求進行比對，自動生成到貨驗收報告，對材料供應不足或不合格批次可通過應用形成的報告鏈接推送至廠商端。

3.1.4 機械設備管理子系統

在機械設備管理方面，通過平臺對工程施工進度計劃進行建模，三維展示各進度節點的實時工程形象，對機械設備調度做出周密部署。機械設備進場時，每臺設備安裝特制的前端感知裝置，通過上傳的數據掌握進場機械設備的位置、速度、油耗、溫度等工況信息，對機械設備的使用進行全面管理，保障項目利益。

3.2 大數據分析系統

大數據分析系統通過建立數據倉庫、數據服務共享、數據接口等方式匯聚、聯接、融合各種數據源［1］，從施工現場管理的進度控制、工序安排、資料歸檔等多個方面進行綜合考慮，采集人、機、料、法、環5方面要素特征的相關數據［2］，同時從不同維度對數據進行結構化、標準化處理，最終通過機器學習、仿真模擬等大數據分析技術挖掘規律，做出合理決策和預測，輔佐管理人員對施工現場精細化管理，進而保障施工進度的有序推進。

3.3 可視化系統

可視化系統是在CIM的基礎上，建立起建設工程與城市空間、物質、環境、功能、文化等方面的有機同構［3］，采用符合實際區域的仿真地貌地形圖，從不同的維度對城市和建設工程模型進行立體化展現。

基于CIM的智慧工地系統，通過數據可視化技術，使得工程感知數據與空間位置實時對應，提供數據統計分析圖形圖表、提示預警、發展趨勢等，最終通過運營指揮中心大屏動態展示，輔助工程管理人員掌握全面信息并提供決策。同時基于CIM平臺數據開放性的特點，接入政府、住建部門、建筑企業等，為各方提供實時性的建設數據，在更高的層次對項目進行監督管理和布局。

3.4 協同工作系統

協同辦公是智慧工地系統運行的基礎功能，可對用戶角色、組織架構、功能權限、流程審批等系統基礎性功能進行管理。在系統設置中，系統管理人員可以方便地進行系統配置調整，使之適應不同特點的施工現場管理，并可在使用過程中不斷變更系統配置，無需研發者過多介入。協同辦公系統提供標準數據接口，便于各模塊數據的對接共享。

協同工作系統中的預警管理子系統可以實現對項目建設過程中各步驟不符合規定的操作進行預警，為監管部門、建設、監理、總包、分包、銀行等單位提供實時監管信息。包括對總包企業規定時間內不發工資發出預警，對監理人員規定時間內不到工地發出預警；提醒監管部門、關聯單位審核工程項目相關流程，提醒合同企業各單位按時提交考勤，提醒銀行資金收付等。通過觸發預先設定的預警條件發出告警，對相關指令進行對應處理后消除告警。系統還對各類預警進行數據統計全面的分析。

4 結語

智慧工地是數字經濟大環境下，建筑施工行業轉型升級發展的有利支撐。面對新領域新形勢，探索智慧城市新趨勢，借助基于城市信息管理模型發展工地數字化、智能化新模式是未來發展的必然方向。通過基于CIM的智慧工地管理平臺，施工現場人員工作更加合理高效，項目管理更加精準，項目各參建單位信息始終保持共享和工作協同，行業監管與服務更加透明和高效，建筑業的發展更加現代化和智能化。