超高層建筑的數(shù)智化施工管理探索

許浩波

(云南建投第三建設(shè)有限公司)

當(dāng)前建筑業(yè)面臨著資源浪費(fèi)、施工效率低、安全監(jiān)管松散等問(wèn)題，同時(shí)由于超高層建筑項(xiàng)目一般建設(shè)周期較長(zhǎng)、資料種類及數(shù)量較多，導(dǎo)致管理效率低下、施工成本高。而建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)能滿足工程項(xiàng)目精細(xì)化管理的需求，其核心是通過(guò)建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫(kù)[1-2]。但由于超高層建筑施工范圍一般較廣，僅依靠BIM 技術(shù)進(jìn)行管理較為困難[3]。而地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）能有效彌補(bǔ)BIM 缺少空間宏觀信息，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的建筑群體空間信息定位的技術(shù)空白。因此，為了實(shí)現(xiàn)超高層建筑的數(shù)智化施工管理，研究利用BIM/GIS 集成的數(shù)智化管理平臺(tái)對(duì)昆明市山海灣8 號(hào)項(xiàng)目進(jìn)行了施工管理，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目安全文明施工形象和效益的雙重提升。

1.超高層建筑的數(shù)智化施工管理平臺(tái)

1.1 數(shù)智化施工管理平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

建筑行業(yè)規(guī)模雖然在不斷擴(kuò)展，但受其落后的管理水平及參建主體間信息不互通的限制，往往施工效率低下，且建筑成本較高。而BIM 技術(shù)能囊括建筑的設(shè)計(jì)與施工的全部信息，并且信息集成過(guò)程可以從建筑開(kāi)始運(yùn)行持續(xù)至建筑全壽命周期的終結(jié)為止。BIM 技術(shù)有效地提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)省資源、降低成本的目的，為可持續(xù)發(fā)展作出了有力貢獻(xiàn)[4-5]。但在住宅小區(qū)的建設(shè)中，由于建筑面積往往較大，施工管理困難，因此將GIS 技術(shù)與BIM 技術(shù)進(jìn)行集成有利于提高大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力。在BIM/GIS 集成管理中，為了對(duì)建筑實(shí)體、實(shí)體屬性等相關(guān)關(guān)系進(jìn)行描述，研究采用了IFC 模型信息作為語(yǔ)義模式。在利用IFC 進(jìn)行模型信息的傳遞時(shí)，其重點(diǎn)在于如何定義IFC 屬性集。在超高層住宅建筑施工工程中，需要在標(biāo)準(zhǔn)IFC 的基礎(chǔ)上對(duì)超高層住宅建筑的特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)充，并根據(jù)這些特點(diǎn)對(duì)屬性表達(dá)方式進(jìn)行定義[6]。同時(shí)考慮到超高層住宅建設(shè)的需求，研究選用的GIS 平臺(tái)為Cesium 平臺(tái)。由于BIM 使用的坐標(biāo)系為相對(duì)坐標(biāo)系，而IFC 一般為笛卡爾坐標(biāo)系或地理坐標(biāo)系，因此需要對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式見(jiàn)式（1）。

式（1）中，x0表示BIM 模型的局部坐標(biāo)點(diǎn)；x1表示轉(zhuǎn)換后的直角坐標(biāo)；Tr表示轉(zhuǎn)換關(guān)系；R 表示旋轉(zhuǎn)矩陣；Rx、Ry和Rz均表示對(duì)應(yīng)的齊次坐標(biāo)；T 表示平移矢量；Tx、Ty和Tz分別表示T 在不同軸上的分量。Rx、Ry和Rz的計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

式（2）中，θx、θy和θz分別表示繞不同軸的旋轉(zhuǎn)角度。為了對(duì)BIM 模型進(jìn)行三維渲染，需要將IFC 轉(zhuǎn)換為Cesium 平臺(tái)的兼容格式。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)BIM 與GIS 數(shù)據(jù)的融合，需要在保留必要屬性的基礎(chǔ)上，對(duì)模型構(gòu)件賦予標(biāo)識(shí)編碼，并按項(xiàng)目-工點(diǎn)-構(gòu)件的層級(jí)進(jìn)行劃分管理[7-8]。此外在BIM/GIS 集成管理中，數(shù)據(jù)庫(kù)也是一個(gè)十分重要的模塊。考慮到數(shù)據(jù)庫(kù)的可延性、開(kāi)放性及客戶端支持和應(yīng)用模式，研究選擇了MySQL 作為數(shù)智化管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 數(shù)智化施工管理平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

數(shù)智化施工管理平臺(tái)分為展示和管理兩大板塊，其中管理板塊又被分為決策、項(xiàng)目、設(shè)計(jì)、模型、進(jìn)度、成本、物資、人員、安全、質(zhì)量、資料和基礎(chǔ)設(shè)置12 個(gè)模塊。數(shù)智化施工管理平臺(tái)構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 數(shù)智化施工管理平臺(tái)構(gòu)架

由圖1 可知，數(shù)智化施工管理平臺(tái)的業(yè)務(wù)層涵蓋了項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量、安全和計(jì)價(jià)等需求，滿足了工程管理的各方面需求。展示層支持電腦和手機(jī)運(yùn)行，方便隨時(shí)查看項(xiàng)目情況。由于功能模塊較多，研究將選擇成本、進(jìn)度、物資、質(zhì)量及安全共5 個(gè)重點(diǎn)功能進(jìn)行介紹。在成本管理模塊中，數(shù)智化施工管理平臺(tái)首先根據(jù)構(gòu)件屬性選擇模型構(gòu)件，然后從算量規(guī)則庫(kù)中選擇計(jì)算規(guī)則。接著選擇定額條目套價(jià)，并按實(shí)際情況對(duì)人員、材料及設(shè)備價(jià)格及消耗情況進(jìn)行調(diào)整，再將結(jié)果匯總至清單條目并進(jìn)行取費(fèi)，最后生成報(bào)表。在進(jìn)度管理中，首先導(dǎo)入進(jìn)度計(jì)劃；然后通過(guò)甘特圖展示進(jìn)度計(jì)劃，并進(jìn)行多版本進(jìn)度計(jì)劃比選和生成關(guān)鍵路徑；接著與模型信息和成本信息掛接，生成5D施工模擬，并錄入實(shí)際進(jìn)度計(jì)劃。然后將實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比，并生成進(jìn)度前鋒線，將進(jìn)度前鋒線錄入施工日志；最后根據(jù)施工模式和實(shí)際成本數(shù)據(jù)生成實(shí)際進(jìn)度的施工模擬。物資管理分為物資計(jì)劃管理、供應(yīng)商管理和物料追蹤三部分，其中物資計(jì)劃管理主要負(fù)責(zé)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求制定采購(gòu)計(jì)劃，并進(jìn)行月度/季度計(jì)劃審批。物料追蹤的主要作用是通過(guò)二維碼對(duì)物料信息進(jìn)行管理，以追溯物料的使用情況，保證物料的質(zhì)量合格，使用部位明確[9-10]。在質(zhì)量管理中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，通過(guò)管理平臺(tái)可以將缺陷部位與模型構(gòu)件進(jìn)行綁定，以方便制定具有針對(duì)性的解決方案，同時(shí)為整改后的檢查提供便利。在安全管理中，施工主體按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行申報(bào)審批，然后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)生命周期進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源管控。接著進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源檢查，其可以在APP 端發(fā)起。同時(shí)為了提高對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的管控力度，系統(tǒng)還提供風(fēng)險(xiǎn)源盯控管理，即由包保人對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行專人盯控、定期巡檢。

2.數(shù)智化施工管理平臺(tái)的項(xiàng)目應(yīng)用效果

2.1 項(xiàng)目概況及總平面布置

位于昆明市官渡區(qū)福保半島環(huán)湖路南面的山海灣8 號(hào)項(xiàng)目，屬于超高層高端住宅建筑；具有車位配比高、地下室精裝修的優(yōu)點(diǎn)。山海灣8 號(hào)項(xiàng)目總建筑面積約30 萬(wàn)m2，其中地下單層面積約3.8 萬(wàn)m2，地上面積約22.5 萬(wàn)m2，建筑高度為129.65 m。樁基礎(chǔ)為旋挖樁筏基礎(chǔ)，樁徑為800 mm，有效樁長(zhǎng)為68 m。現(xiàn)場(chǎng)布置嚴(yán)格按照三維圖紙實(shí)施，人車道路、消防、加工區(qū)、設(shè)備、防護(hù)棚、雨水收集池及太陽(yáng)能燈等平面布局，確保了場(chǎng)內(nèi)人車分流暢通，材料堆放、加工、取料有序，有效避免二次搬運(yùn)，提升場(chǎng)地使用效率。現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)首先項(xiàng)目技術(shù)人員用BIM 模型進(jìn)行立體策劃，將需要安全防護(hù)的部位和防護(hù)形式進(jìn)行立體建模，形成三維圖紙并生成防護(hù)材料統(tǒng)計(jì)表，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施人員和材料員依照?qǐng)D紙和材料統(tǒng)計(jì)表精準(zhǔn)下料和制作、安裝，提高安全防護(hù)時(shí)效性。

2.2 項(xiàng)目管理成效

為了探究數(shù)智化施工管理平臺(tái)的性能，研究以昆明市山海灣8 號(hào)項(xiàng)目為例，對(duì)其管理效果進(jìn)行了分析。在人員管理方面，為了保證施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)無(wú)關(guān)外來(lái)人員，采用人臉識(shí)別和實(shí)名制系統(tǒng)將班組人員的人臉信息、基本信息及進(jìn)出場(chǎng)時(shí)間錄入到勞務(wù)系統(tǒng)，并利用帶有5G 芯片的安全帽對(duì)班組人員進(jìn)行定位。以便及時(shí)了解勞務(wù)人員數(shù)量和施工位置等信息，及時(shí)調(diào)整勞務(wù)人員的分配情況。數(shù)智化施工管理平臺(tái)的勞務(wù)管理系統(tǒng)及安全檢查情況如圖2 所示。

圖2 勞務(wù)管理系統(tǒng)及安全檢查情況

由圖2（a）可知，通過(guò)勞務(wù)管理系統(tǒng)可以清楚地了解到山海灣8 號(hào)項(xiàng)目共有812 名工人，各工種的人數(shù)、在崗情況均一目了然。由圖2（b）可知，相較于傳統(tǒng)的安全檢查，數(shù)智化施工管理平臺(tái)的安全問(wèn)題整理時(shí)間、記錄下發(fā)整改時(shí)間、整改回復(fù)時(shí)間分別降低了66.67%、33.33%和66.67%。可見(jiàn)，數(shù)智化施工管理平臺(tái)在勞務(wù)管理及安全檢查方面具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。數(shù)智化施工管理平臺(tái)的物資管理情況如圖3 所示。

圖3 數(shù)智化施工管理平臺(tái)的物資管理情況

由圖3（a）可知，通過(guò)數(shù)智化施工管理平臺(tái)可以對(duì)升降機(jī)的使用工效進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，提高升降機(jī)的使用安全性。由圖3（b）可知，數(shù)智化施工管理平臺(tái)可以通過(guò)吊鉤可視化系統(tǒng)為司機(jī)提供安全監(jiān)控，降低盲吊事故的發(fā)生概率，提高施工的安全性。由此可知，數(shù)智化施工管理平臺(tái)在物資設(shè)備管理方面能極大地減少大型設(shè)備的使用安全隱患，為安全施工提供有力支持。數(shù)智化施工管理平臺(tái)的高危工程管理及綠色施工管理如圖4 所示。

圖4 高危工程管理及綠色施工管理

由圖4（a）可知，數(shù)智化施工管理平臺(tái)對(duì)于項(xiàng)目的高危工程能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高支模支撐系統(tǒng)桿軸力、水平位移、立桿傾斜、模板沉降和地基沉降等情況，相關(guān)人員通過(guò)手機(jī)端應(yīng)用即可實(shí)時(shí)了解各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的情況，及時(shí)對(duì)異常情況做出相應(yīng)處理。由圖4（b）可知，智能噴淋系統(tǒng)可以根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、PM2.5、PM10 等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能噴淋降塵。該智能噴淋系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)節(jié)約用水用電各11500 m3和2273 kWh。可見(jiàn)，數(shù)智化施工管理平臺(tái)不僅能對(duì)高危工程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還能實(shí)現(xiàn)綠色施工。

3.結(jié)論

為了改變建筑行業(yè)管理效率低下的問(wèn)題，研究提出BIM 和GIS 技術(shù)集成的數(shù)智化施工管理平臺(tái)，并結(jié)合昆明市山海灣8 號(hào)項(xiàng)目對(duì)平臺(tái)的管理效果進(jìn)行了探討。結(jié)果顯示，數(shù)智化施工管理平臺(tái)的安全問(wèn)題整理時(shí)間、記錄下發(fā)整改時(shí)間、整改回復(fù)時(shí)間分別降低了66.67%、33.33%和66.67%，且能對(duì)高支模支撐系統(tǒng)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在物資管理方面，數(shù)智化施工管理平臺(tái)能對(duì)各類設(shè)備的情況進(jìn)行監(jiān)控，極大地減少大型設(shè)備的使用安全隱患；在綠色施工方面，智能噴淋系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)節(jié)約用水用電各11500 m3和2273 kWh。上述結(jié)果表明，數(shù)智化施工管理平臺(tái)在超高層建筑的施工管理方面具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)安全施工、綠色施工。