基于“BIM+信息集成”的智慧工地平臺分析

唐文君

(康考迪亞大學(xué)工程與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院)

現(xiàn)階段我國建筑行業(yè)在多元技術(shù)的推動下，逐漸實現(xiàn)了向信息化、集成化、智能化方向的轉(zhuǎn)變，尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）技術(shù)，更是在建筑工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。將物聯(lián)網(wǎng)與BIM 兩項技術(shù)融合，在此基礎(chǔ)上搭建智慧工地平臺，可以實現(xiàn)“BIM+信息集成”的功能，從而提高施工現(xiàn)場管理的集成化與信息化。

但基于目前“BIM+信息集成”智慧工地平臺的應(yīng)用情況，BIM 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展勢頭良好，智慧工地平臺在應(yīng)用中實際上也面臨一些問題。本文主要針對“BIM+信息集成”基礎(chǔ)上的智慧工地平臺展開分析，介紹智慧工地概念，闡述該管理平臺的應(yīng)用要點(diǎn)與架構(gòu)，從而為建筑工程現(xiàn)場施工管理工作的智能化發(fā)展夯實基礎(chǔ)。

1.“BIM+信息集成”智慧工地平臺概述

1.1 智慧工地

智慧工地應(yīng)用到多元化技術(shù)，例如BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能，針對建筑工程施工現(xiàn)場的各項生產(chǎn)要素，采用軟硬件對其展開集成管理，在此基礎(chǔ)上搭建的信息管理平臺，為施工現(xiàn)場賦予信息化、智能化特點(diǎn)，并使其成為智慧集成體[1]。另外，智慧工地對于建筑工程的所有參建方而言，可以提供效率更高的信息傳遞渠道、管理模式等的支持，制定施工現(xiàn)場管理方案也體現(xiàn)出智能化特征，實現(xiàn)傳統(tǒng)工地管理模式的轉(zhuǎn)型。

1.2 “BIM+信息集成”智慧工地平臺

建筑信息化時代下，“BIM+信息集成”基礎(chǔ)上的智慧工地平臺建設(shè)，在當(dāng)前環(huán)境下體現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢。結(jié)合該管理平臺的應(yīng)用現(xiàn)狀，相關(guān)技術(shù)研發(fā)獲得了非常可觀的成績，然而落實到施工現(xiàn)場管理中，卻依然面臨實踐方面的問題。所以，結(jié)合相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，要想進(jìn)一步體現(xiàn)出“BIM+信息集成”智慧工地平臺優(yōu)勢，還需要不斷加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的實用性，實現(xiàn)與施工現(xiàn)場的深度融合，從而真正實現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場管理的智能化。

2.“BIM+信息集成”智慧工地平臺建設(shè)

2.1 建設(shè)思路

“BIM+信息集成”智慧工地平臺的載體為工程三維模型，利用BIM 技術(shù)創(chuàng)建管控系統(tǒng)，將進(jìn)度控制和成本控制作為核心，以實現(xiàn)質(zhì)量安全為目標(biāo)，從而構(gòu)建模型、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用均具有統(tǒng)一性的信息系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將工程數(shù)據(jù)的來源途徑拓展，利用云計算可以達(dá)到大規(guī)模數(shù)據(jù)分布式存儲的效果，而大數(shù)據(jù)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析以及深度挖掘。此外，該平臺應(yīng)用到5G 技術(shù)，有效提升信息數(shù)據(jù)的傳輸速度，最終從建筑實體、生產(chǎn)要素、施工管理等各個維度，實現(xiàn)全面數(shù)字化的目的。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

智慧工地平臺的技術(shù)架構(gòu)是在BIM、信息集成兩項技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建，在實踐中需要同時遵循模塊化原則、平臺化原則、標(biāo)準(zhǔn)化原則、系統(tǒng)化原則，由勞務(wù)管理、技術(shù)管理、安全管理、進(jìn)度管理、綠色施工管理五個模塊組成。

2.3 功能架構(gòu)

智慧工地平臺在應(yīng)用中具有諸多功能，具體如下：移動考勤及工資發(fā)放、檔案管理、風(fēng)險監(jiān)測與應(yīng)急管理、四維施工進(jìn)度管理、噪聲與揚(yáng)塵監(jiān)測、實名制門禁一卡通等。搭建功能架構(gòu)必須與該平臺今后的發(fā)展需求充分結(jié)合，增加新的產(chǎn)品模塊以及功能，從而滿足實際管理的多元化需求[3]。

3.“BIM+信息集成”智慧工地平臺的應(yīng)用

3.1 面向人員的管理

智慧工地平臺其中一個非常重要的管理對象便是“人”，而這也是該平臺中的核心模塊之一，在建筑工程施工中，可以面向現(xiàn)場所有施工人員，根據(jù)薪酬、行政的管理分析其工作質(zhì)量[4]。這就需要大力應(yīng)用到BIM 技術(shù)，將其與信息集成系統(tǒng)融合，實現(xiàn)人員的全方位管理，以期能夠提高人員在施工現(xiàn)場的工作效率。關(guān)于人員的管理，結(jié)合“BIM+信息集成”智慧工地平臺實際情況，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

3.1.1 實名制門禁與一卡通

智慧工地平臺包括實名制考勤與一卡通系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件涉及智能頭盔、智能手環(huán)、射頻卡口、射頻基站等元件。頭盔、手環(huán)、射頻基站通訊技術(shù)均需要應(yīng)用433MHz 無線組網(wǎng)技術(shù)，不需要手機(jī)基站以及GPS，便可以自動傳輸數(shù)據(jù)，并進(jìn)行定位，尤其適合在野外和地下等無手機(jī)信號、衛(wèi)星的地點(diǎn)進(jìn)行施工管理[5]。另外，433MHz 無線組網(wǎng)技術(shù)具有很強(qiáng)的穿透力，所以一般情況下不會受到環(huán)境因素的影響。

結(jié)合智慧工地平臺應(yīng)用經(jīng)驗，此系統(tǒng)主要具有如下功能：為新進(jìn)入施工現(xiàn)場的人員發(fā)放智能頭盔與智能手環(huán)，并且實施綁定；自動監(jiān)管卡口，卡口位置可以直接刷頭盔、手環(huán)，快速進(jìn)入到施工現(xiàn)場；施工現(xiàn)場如需使用水電，同樣需要刷頭盔或手環(huán)得以實現(xiàn)。此功能需要綁定施工人員的身份；準(zhǔn)確記錄每日施工現(xiàn)場所有人員的進(jìn)出場時間，為每月工資結(jié)算提供依據(jù)；精準(zhǔn)定位施工現(xiàn)場每一名工作人員的所在位置，以便查找或者監(jiān)督施工人員，是否逃離負(fù)責(zé)的施工區(qū)域、是否在工作狀態(tài)中。

3.1.2 施工人員體征監(jiān)測

智慧工地平臺為每一名施工人員發(fā)放智能頭盔以及手環(huán)，通過這些設(shè)備可以實時監(jiān)測施工人員的體征，例如心率、體溫、加速度運(yùn)動等。監(jiān)測所得數(shù)據(jù)可直接利用射頻網(wǎng)絡(luò)，整理上傳到智慧工地云平臺以及APP 中[6]。如果施工人員體征異常，那么平臺或APP 將會自動預(yù)警，提示施工人員注意身體健康。

3.2 面向施工現(xiàn)場的管理

利用智慧工地平臺對施工現(xiàn)場進(jìn)行管理，主要涉及施工現(xiàn)場物料管理、二維碼交底、預(yù)制構(gòu)件加工、風(fēng)險檢測、遠(yuǎn)程監(jiān)控、人機(jī)料三維定位等，下面分別展開分析：

3.2.1 物料管理

施工現(xiàn)場比較傳統(tǒng)的物料管理方式難免單一，而且集中性不強(qiáng)。采用“BIM+信息集成”智慧工地平臺，可以實現(xiàn)物料管理和施工進(jìn)度的整合，從而針對物料實際使用展開精準(zhǔn)控制[7]。如此一來，便可以很好地規(guī)避成本浪費(fèi)，有效提高施工現(xiàn)場物料使用效率。

3.2.2 二維碼交底

設(shè)計涵蓋安全信息與技術(shù)交底信息的二維碼，上方覆蓋防水紙，并將二維碼張貼在施工現(xiàn)場的醒目位置。施工人員可以利用智慧工地APP 掃描二維碼，讀取信息，切實提高了交底效率。

3.2.3 預(yù)制構(gòu)件加工

利用BIM 技術(shù)構(gòu)建模型，對施工現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件加工提供指導(dǎo)，可保證預(yù)制構(gòu)件以及預(yù)制構(gòu)件設(shè)計圖紙的精確性，檢驗布設(shè)位置條件的合理性，以免構(gòu)件加工失誤或者是返工等現(xiàn)象。

3.2.4 風(fēng)險檢測

對于施工現(xiàn)場的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)以及設(shè)備，需要安裝不同類型的傳感器，例如應(yīng)力傳感器和傾角傳感器等，利用傳感器自動采集地下水水位、高支模架體、塔吊周圍風(fēng)速等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)還需上傳到風(fēng)險監(jiān)控平臺中[8]。結(jié)合監(jiān)控平臺的設(shè)定值，如果超出設(shè)定值則自動報警。智慧工地云平臺以及APP 內(nèi)，工作人員可結(jié)合要求提前設(shè)置報警閾值。因為傳感單元均支持射頻定位，所以可按照自動生成的歷史數(shù)據(jù)異常狀況—地點(diǎn)頻率熱力圖，及時發(fā)現(xiàn)一些風(fēng)險。

3.2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控

利用智慧工地平臺，在施工現(xiàn)場相應(yīng)位置設(shè)置三維可移動網(wǎng)絡(luò)攝像頭，采集搭配的監(jiān)控影像與信息，可以在PC 端、智慧工地云平臺以及APP 中查閱，并且還能夠聽取存留音視頻。工作人員利用PC 端、智慧工地云平臺以及APP，還可以對攝像頭轉(zhuǎn)向、焦距等進(jìn)行調(diào)整與控制。

3.2.6 人機(jī)料三維定位

利用基站射頻定位技術(shù)，可以在構(gòu)建的BIM 模型中融入人員、設(shè)備的所在位置，快速獲取施工現(xiàn)場工作人員、機(jī)械設(shè)備布置，并對其進(jìn)行調(diào)配。其中對工作人員的定位，主要是利用手環(huán)以及頭盔，并在射頻基站作用下得以實現(xiàn)，機(jī)械設(shè)備的定位則是通過機(jī)械定位模塊與射頻基站得以實現(xiàn)。定位射頻、射頻基站通訊技術(shù)在應(yīng)用中，還需要應(yīng)用無線組網(wǎng)技術(shù)，技術(shù)規(guī)格參數(shù)在433MHz～2.4GHz 之間，而且不需要手機(jī)基站、GPS，便可傳輸數(shù)據(jù)并定位[9]。如果沒有嚴(yán)格定位精度的情況下，建議應(yīng)用433MHz 定頻定位，條件允許還可利用多基站定位技術(shù)，按照周圍基站反饋信息實施精準(zhǔn)定位。在精度要求非常高的情況下，工作人員還需應(yīng)用手環(huán)、頭盔，實現(xiàn)互相定位的輔助。

3.3 面向安全的管理

“BIM+信息集成”智慧工地平臺中的重要組成部分之一是安全管理，主要是以安全預(yù)警系統(tǒng)的形態(tài)存在，對施工現(xiàn)場所有工作人員進(jìn)行動態(tài)定位。此環(huán)節(jié)需要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和在線傳感設(shè)備等相關(guān)技術(shù)，幫助管理人員獲取所有設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀，并對現(xiàn)場施工的基本情況進(jìn)行監(jiān)督，從而為施工安全提供保障[10]。另外，在安全管理中，建議采用VR 技術(shù)，針對所有工作人員展開沉浸式的安全培訓(xùn)與教育，將高危場景模擬存在難度的問題予以解決。

3.4 面向工程進(jìn)度的管理

針對工程進(jìn)度管理，下面分別從四維施工進(jìn)度管理、3D推演沙盤兩個方面做出介紹：

3.4.1 四維施工進(jìn)度管理

計劃進(jìn)度、實際進(jìn)度均可體現(xiàn)在BIM 模型中，工作人員在智慧工地平臺中構(gòu)建四維進(jìn)度模型。模型時間需要具體到“天”，形象需要具體到各個工序，為工作人員控制進(jìn)度提供便利，當(dāng)然也能夠提高工程進(jìn)度信息傳遞效率。統(tǒng)計工作人員在模型中選中已經(jīng)完成施工的部位，單擊右鍵修改屬性，并保存信息，便可在智慧工地平臺中自動生成包括三維進(jìn)度圖、工程量等報表[11]。

3.4.2 3D 推演沙盤

構(gòu)建BIM 模型之后，建議應(yīng)用3D 打印機(jī)，實現(xiàn)精確分塊打印，按照一定比例，縮小施工場地和建筑，使其轉(zhuǎn)變成為精確實體模型。具體可結(jié)合施工進(jìn)度拼裝模型，并且全真模擬施工進(jìn)度。除此之外，此實體模型體現(xiàn)出模擬性以及可視化性的特點(diǎn)，能夠?qū)⑸a(chǎn)協(xié)調(diào)討論的效率提升。

3.5 面向技術(shù)的管理

建筑工程施工中的技術(shù)管理，將會對項目質(zhì)量、安全帶來直接的影響。那么在技術(shù)管理中，采用“BIM+信息集成”智慧工地平臺，實現(xiàn)智慧管理和人工監(jiān)管的融合，有利于融合多項技術(shù)，提高施工質(zhì)量控制效果，還可以監(jiān)督施工管理技術(shù)的落實情況，以免因技術(shù)落實不到位誘發(fā)安全事故。

3.6 面向施工環(huán)境的管理

施工現(xiàn)場環(huán)境管理方面，直觀作用于環(huán)保質(zhì)量和施工進(jìn)度。采用“BIM+信息集成”智慧工地平臺，對施工現(xiàn)場所有工作人員進(jìn)行實時定位，并反饋網(wǎng)絡(luò)通信情況，根據(jù)施工現(xiàn)場環(huán)境的了解，協(xié)調(diào)解決施工環(huán)節(jié)存在的問題，以此來推進(jìn)施工進(jìn)度。

施工環(huán)境管理包括綠色施工，而綠色施工模塊在智慧工地平臺中也是非常重要的一部分。其中硬件包括各類傳感器、智能邏輯單元、射頻基站等組成，與433MHz 通訊系統(tǒng)結(jié)合，可在脫離手機(jī)基站、GPS 的情況下高效傳輸數(shù)據(jù)。綠色施工在智慧工地平臺中，主要具有檢測實時風(fēng)速、噪聲、揚(yáng)塵、溫度與煙霧、瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度的功能，并且在系統(tǒng)中儲存歷史數(shù)據(jù)，工作人員可直接在智慧工地云平臺以及APP 當(dāng)中，按照工程實際需求設(shè)置預(yù)警參數(shù)[12]。檢測瓦斯?jié)舛葧r，一旦發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)會自動預(yù)警、報警以作提醒，并啟動換氣機(jī)構(gòu)馬上通風(fēng)。檢測氧氣濃度時也是同樣的原理，如果氧氣濃度過低即會馬上預(yù)警、報警，開啟換氣機(jī)構(gòu)達(dá)到通風(fēng)的效果。

3.7 面向運(yùn)維管養(yǎng)的管理

建筑工程建設(shè)中產(chǎn)生的各項信息，需要將其錄入到BIM模型當(dāng)中，從而獲得與項目契合度高的竣工模型，由此便可以體現(xiàn)出建筑信息模型在信息數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用價值，也能夠為全面實現(xiàn)智慧化運(yùn)維夯實基礎(chǔ)。進(jìn)行到運(yùn)維管養(yǎng)環(huán)節(jié)，工作人員觀察之前構(gòu)建的BIM 竣工模型，從中發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備、管線及附近空間的基本情況，采集有價值的信息，為新增、移除設(shè)備提供依據(jù)，也有利于提高設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、檢修等的精確度。

4.結(jié)束語

綜上所述，建筑行業(yè)面對信息化環(huán)境，其本身也做出了一定的調(diào)整與改進(jìn)，尤其是智能建筑的出現(xiàn)。很多建筑工程組織現(xiàn)場施工期間，開始應(yīng)用一系列先進(jìn)技術(shù)，例如物聯(lián)網(wǎng)、BIM 技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)等，在各項技術(shù)的支持下構(gòu)建“BIM+信息集成”智慧工地平臺，可以實現(xiàn)施工現(xiàn)場各方各面的智能管理，集成信息做出判斷，對施工現(xiàn)場環(huán)境、施工技術(shù)、進(jìn)度等加以了解。如此一來，不僅可以提高施工現(xiàn)場工作效率，還有利于提高建筑工程的智能化水平，為今后我國建筑行業(yè)全面實現(xiàn)自動化、智能化夯實基礎(chǔ)。