數(shù)字化施工與管理的展望

蘇道宏

摘要：隨著信息技術(shù)、全球定位技術(shù)、測量技術(shù)和設(shè)備以及工程進行的快速發(fā)展，數(shù)字化施工和管理在全球迅速興起，我國也已加入這個興起的行列。本文對數(shù)字化施工和管理中所需的軟硬件條件、功能和控制方式進行了闡述，并總結(jié)了數(shù)字化施工的的特點，最后論述了我國數(shù)字化施工的發(fā)展歷程及工程應(yīng)用和對未來發(fā)展趨勢的展望。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化施工；GPS；機械控制技術(shù)；工程機械

一、概述

什么是數(shù)字化施工？就是將施工過程數(shù)字化，它包括工程全部施工資料的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的過程。其核心思想是用數(shù)字化手段整體性地解決工程施工問題并最大限度地利用信息資源。

數(shù)字化施工就是在整個施工過程中充分信息化，并讓其貫穿整個施工過程。既通過空間數(shù)據(jù)平臺進行工程設(shè)計的3D數(shù)字化轉(zhuǎn)換、數(shù)字化機械施工、數(shù)字化工程進度管理、數(shù)字化檢查（監(jiān)理）和工程后期應(yīng)用。

二、現(xiàn)行數(shù)字化施工中應(yīng)用的軟件和硬件條件

目前，國際上3S技術(shù)（Remote Sensing、Geographical Information System和Global Position System，既RS、GIS和GPS）已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，并且在世界各地也建立了本地的地理信息系統(tǒng)，我國還積極正在建設(shè)智能化城市，這些都為數(shù)字化施工提供了強大的空間數(shù)據(jù)平臺。

在建設(shè)工程項目中為實現(xiàn)數(shù)字化施工所需的軟件、硬件條件也已經(jīng)具備。在數(shù)字化施工所需的軟件、硬件制造商中：美國天寶導(dǎo)航有限公司（簡稱天寶公司）是目前國際上數(shù)字化施工產(chǎn)品的領(lǐng)頭羊，技術(shù)能力涉及全面，處于領(lǐng)先地位。北京麥格天寶科技發(fā)展集團有限公司（簡稱麥格集團）是中國最大的、擁有世界上最先進位置信息技術(shù)的集團公司?？ㄌ乇死帐墙ㄖこ虣C械、采礦設(shè)備、柴油和天然氣發(fā)動機、工業(yè)用燃氣輪機以及柴電混合動力機組領(lǐng)域的全球領(lǐng)先企業(yè)。

軟件產(chǎn)品主要有：

工程數(shù)據(jù)軟件產(chǎn)品（TBC-HCE）：可以把傳統(tǒng)的施工圖紙變成三維設(shè)計模型，直接與機械控制產(chǎn)品聯(lián)合作業(yè)，貫穿工程設(shè)計、施工、監(jiān)理、驗收整個過程。如SCS700 Site Controller適合于貫穿整個施工過程的工地測量任務(wù)；SCS900 Site Controller是為大型道路、土石方施工的承包商研發(fā)的用來控制GPS和全站儀等測量傳感器的軟件，通過他用戶能夠進行工地控制、工地測量、坡度檢查以及放樣工作；SCS Data Manager是為工地定位系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計的一個簡單的數(shù)據(jù)管理器。為與第三方軟件結(jié)合使用而設(shè)計的能夠同時組織、管理以及跟蹤一個項目里多個工地、多個測量隊的軟件；Trimble Business Center用于隨時高效地管理在同一個工地施工的不同施工隊的數(shù)據(jù)。借助它，承包商可以導(dǎo)入、復(fù)查和分析圖形化的設(shè)計信息，并在整個項目進行期間，都能輕松地分配、管理以及跟蹤施工信息；Terramodel是一款成熟的三維設(shè)計、數(shù)據(jù)處理軟件；HYDROpro是一款專為數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)換所開發(fā)的軟件。

土方機械控制產(chǎn)品（GCS）和路面機械控制產(chǎn)品（PCS+GCS）：基于機械控制技術(shù)，該技術(shù)集合了激光、聲納、角度傳感器、GNSS、全站儀等測控技術(shù)，與工程機械完美結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字化施工。如Site Vision Office是機械控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理工具軟件。這款軟件是專門為工地數(shù)據(jù)管理員設(shè)計的，管理員用軟件將拿到的設(shè)計數(shù)據(jù)分成小部分，存儲到不同的數(shù)據(jù)卡里并分派給各個施工隊，施工人員將數(shù)據(jù)卡放入機械駕駛室里的控制箱，并實時根據(jù)控制箱屏幕上顯示的數(shù)據(jù)施工。

硬件產(chǎn)品主要有：

工地定位產(chǎn)品：該產(chǎn)品是GPS或全站儀定位傳感器硬件，結(jié)合專門為數(shù)字化施工應(yīng)用開發(fā)的Trimble SCS900工地管理員軟件。從而不需要測量員，便能使施工單位靈活地完成任何任務(wù)并通過快速解決現(xiàn)場問題來減少停工時間。如SPS系列接收機是全面支持GPS、GLONASS、Galileo、Compass、QZSS，5種衛(wèi)星信號的GNSS系統(tǒng)，支持OmniSTAR、SBAS的一體化接收機，可以作為高度靈活的基站或流動站，用于施工工地測量；SPS930全站儀是一臺儀器實現(xiàn)伺服、自動鎖定、機器人、無反射器和ATS坡度控制五種操作模式，能夠在作業(yè)現(xiàn)場輕松應(yīng)對任何監(jiān)視、測量、無反射 器測量或坡度控制任務(wù)的五為一體全能設(shè)備，能夠滿足現(xiàn)場定位、坡度控制等所有需求。

施工機械設(shè)備：各種工程機械通過機械控制技術(shù)，既激光、聲納、角度傳感器、GNSS、全站儀等測控技術(shù)和Trimble SCS900工地管理員軟件。只要將3D數(shù)字模型直接安裝在施工機械上而無需操作人員的干預(yù)，就可以對各種工程機械進行精確定位和實現(xiàn)各種作業(yè)功能，使其具有智能化施工的能力。

其中土方機械控制產(chǎn)品功能包括：挖掘機挖掘作業(yè)中的邊坡修整、溝渠開挖、復(fù)雜造型，推土機土地平整中的層厚控制、高程控制、坡度控制，壓路機壓實控制中的遍數(shù)監(jiān)測、層厚監(jiān)壓實質(zhì)量檢測，平地機精細平整中的層厚控制、高程控制、坡度控制。路面機械控制產(chǎn)品的功能包括：攤鋪機攤鋪作業(yè)中的層厚控制、坡度控制，銑刨機銑刨作業(yè)中的層厚控制、坡度控制，壓路機壓實控制中的遍數(shù)監(jiān)測、料溫監(jiān)測、壓實質(zhì)量監(jiān)測。

三、數(shù)字化施工的特點

1.設(shè)計數(shù)據(jù)3D化：可將2D設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D模型，并把3D數(shù)字模型直接安裝在施工機械上，實現(xiàn)了無紙化、無樁化施工。

2.施工過程可視化：可以通過信息采集設(shè)備實時的知道壓縮層到底是誰做的，情況怎樣，還可以顯示施工報告實時掌控施工的過程，把數(shù)字化模型放到機械控制中，可以確保在第一次施工中就可達到要求，進而掌控整個施工過程的施工質(zhì)量。

3.施工機械設(shè)備智能化：工程機械通過數(shù)字化施工的技術(shù)，能夠讀懂圖紙，圖紙直接告訴工程機械怎么操作，操作手只是在旁邊起一個輔助的作用，以減少人的控制和誤差。

4.施工進度控制可調(diào)：建立動態(tài)的工程進度數(shù)字化模型，為施工進度提供數(shù)字化依據(jù)，遇設(shè)計變更、自然災(zāi)害時可隨時更改，使工作人員很直觀地了解工程進度。

5.施工檢查（監(jiān)理）全盤化：通過工地管理軟件了解實時的工程進度、對工地進行實時的質(zhì)量控制、合理調(diào)配現(xiàn)場人員和設(shè)備。并能建立和檢查工程測量控制點，以及工地坐標(biāo)系統(tǒng)的校準(zhǔn)；工程最初的測量，檢查原始設(shè)計數(shù)據(jù)，提供更精確的工程預(yù)算；土方施工，基礎(chǔ)建設(shè)，道路施工等等工程的放樣打樁工作；填挖方的施工決策；產(chǎn)生每天、每周、每月的工地土方量報告，方便進行工程進度管理；原材料的采購存貯參考和挖掘量計算。

6.工程后期監(jiān)測連續(xù)化：全部施工數(shù)據(jù)的電子文檔保存，便于今后調(diào)用和維護使用。通過建立GPS基站網(wǎng)絡(luò)，在一些具有特殊意義的構(gòu)（建）物上架設(shè)GPS接收機進行變形、沉降觀測；局部氣象預(yù)報；管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理-GIS應(yīng)用；車輛調(diào)度等。

7.全球性和全天候：使用GPS定位技術(shù)，通過美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo和中國的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在全球進行24小時定位施工，不受天氣、地形等因素的影響，無累積誤差，測站間無須通視，從而提高整體精度、可靠性和作業(yè)效率。

8.施工費用低：由于無須打樁放樣，無須進行人工測量，可以大大的減少工程等待的時間，提高機械使用的效率，減少重復(fù)推平，降低油耗，節(jié)約物料等。

9.施工效率高：可以一次施工合格，避免返工，從而縮短工期，并且可以實現(xiàn)24小時不間斷的施工。

10.施工過程安全：因為可以實時的監(jiān)控施工的現(xiàn)場，知道人員、設(shè)備、機器的位置，可以實現(xiàn)施工的安全。同時因為減少了人機混合作業(yè)的時間，避免了事故的發(fā)生。

四、數(shù)字化施工的未來展望

早在1998年，美國天寶導(dǎo)航有限公司在中國正式成立辦事處。2002年11月，天寶在中國上海成立了其獨資子公司----特林波系統(tǒng)集成技術(shù)（上海）有限公司。2005年在上海設(shè)立了亞太區(qū)的培訓(xùn)支持服務(wù)中心，并且在上海、長春建立了工廠。2011年天寶在西安設(shè)立研發(fā)中心，以加快在中國的本地化進程。

天寶公司與全球最大工程機械生產(chǎn)廠商卡特彼勒的合作共同研發(fā)了數(shù)字化施工，也希望與中國工程機械制造企業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備配合在一起。天寶公司與卡特彼勒已經(jīng)成立了兩家合資公司，通過合資公司整合兩家公司在產(chǎn)品設(shè)計和軟件開發(fā)方面的專業(yè)知識與經(jīng)驗，推動數(shù)字化施工相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

以往傳統(tǒng)的工程施工方式是操作人員看圖紙根據(jù)自己的操作水平去使用工程機械來達到工程的效果，而未來可以轉(zhuǎn)換成工程機械能夠讀得懂的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會控制機械操作，減少人的控制和誤差。

隨著數(shù)字化產(chǎn)品的本地化生產(chǎn)，加速了數(shù)字化施工發(fā)展的進程。目前我國也有許多大型建設(shè)施工企業(yè)在一些建設(shè)項目上應(yīng)用數(shù)字化施工和管理，不但加快了工程進度、提高了工程質(zhì)量和降低了建設(shè)成本，并且積累了許多寶貴經(jīng)驗。例如2004年至2007年天寶公司參與杭州灣跨海大橋的建設(shè)，建筑施工單位在建設(shè)過程中運用了天寶公司的施工測繪系統(tǒng)，大幅度的提高了工作效率，進一步的優(yōu)化了工作流程和降低成本。2009年至2014年蘭新鐵路在數(shù)字化施工方面運用了天寶公司的智能壓實技術(shù)，以及最大限度地運用各種最先進地工具進行一體化測量、數(shù)據(jù)管理、工程機械施工和資產(chǎn)管理。通過這些前瞻性的技術(shù)和先進的解決方案使工作流程和整個工程建設(shè)周期得到完整的數(shù)字化體現(xiàn)，效率和安全性也隨之大大提高。鳥巢、中央電視臺大樓和上海世博會中國場館都運用了數(shù)字化施工來進行技術(shù)信息的分析；這使工程施工全面掌控自己的施工作業(yè)現(xiàn)場，從而有效的提高了工作效率與安全性。

數(shù)字化施工在我國建設(shè)施工行業(yè)雖然起步較晚，在其他行業(yè)（如機械加工、電子和管理等方面）早已滲入和運用，但隨著它快速發(fā)展還是可以帶動一系列行業(yè)的發(fā)展，如工程設(shè)計、工程造價和工程管理等都可以通過數(shù)字化施工整合到一起，形成一個完整的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。并且還可以推動其他行業(yè)的發(fā)展提升，如機械制造業(yè)、測繪儀器制造業(yè)、電子電器業(yè)和軟件業(yè)，使其產(chǎn)品與數(shù)字化施工配合，形成共同發(fā)展，共同提升，以全面形成數(shù)字化社會格局。

參考文獻：

[1]數(shù)字化施工淺議，2006-07-17，李景茹，胡程順

[2]數(shù)字化施工-工程機械應(yīng)用技術(shù)的未來，2012-10-31，柯銳思，陳朝暉