可視化協(xié)同管理在工程建設(shè)管理領(lǐng)域的應(yīng)用研究

文｜廣州市城鄉(xiāng)建設(shè)信息中心 劉 瑜

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，2016年全國建筑業(yè)總產(chǎn)值為193567億元，占國內(nèi)生產(chǎn)總值的26%，為加強(qiáng)工程建設(shè)領(lǐng)域在項(xiàng)目前期、規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程造價(jià)、施工過程、責(zé)任主體等全過程的監(jiān)管，相關(guān)部門多年來在工程建設(shè)信息化管理方式上歷經(jīng)了階段性的發(fā)展過程。

第一階段從2000年開始，隨著“十五計(jì)劃”中政務(wù)信息化的推廣，工程建設(shè)管理部門紛紛開始了建設(shè)領(lǐng)域中各業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的建設(shè)，建立設(shè)計(jì)施工等主體企業(yè)資質(zhì)備案、工程項(xiàng)目業(yè)務(wù)審批、建設(shè)類行政許可等管理系統(tǒng)。這一階段主要是通過建立各項(xiàng)業(yè)務(wù)信息登記及備案系統(tǒng)，建立建筑市場信息化監(jiān)督管理體系。

第二階段是2005年平安城市建設(shè)理念的提出，公安部科技局決定在全國開展城市報(bào)警與監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。隨著社會治安監(jiān)控建設(shè)的推廣，利用安全防范技術(shù)對于建筑工地的監(jiān)控管理也逐步進(jìn)行。同時(shí)，管理部門加強(qiáng)了對于建筑工程質(zhì)量安全以及工地現(xiàn)場的監(jiān)管。此階段的特點(diǎn)是管理部門開始利用各種技術(shù)將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)向工程現(xiàn)場。

第三階段是以智慧城市和社會誠信體系建設(shè)為契機(jī)。2009年物聯(lián)網(wǎng)被列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，成為智慧城市建設(shè)的重要組成部分，工程建設(shè)領(lǐng)域逐步開展將各種傳感器安裝在建筑工程的工程結(jié)構(gòu)、建筑材料、工程機(jī)械的應(yīng)用嘗試。隨著對于建筑工程各方面的深度管理，為工程建設(shè)領(lǐng)域信用體系建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支持，契合國家2011年“十二五”提出“加快社會信用體系建設(shè)”的總體要求。

第四階段是2015年住建部提出《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》。2017年國務(wù)院的新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃，要求構(gòu)建城市智能化基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展智能建筑，推動(dòng)地下管廊等市政基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造升級，實(shí)現(xiàn)對城市基礎(chǔ)設(shè)施和城市綠地、濕地等重要生態(tài)要素的全面感知以及對城市復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行的深度認(rèn)知。對工程建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展提出了推進(jìn)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)營全生命周期智能化的更高要求。

在工程建設(shè)管理領(lǐng)域不同階段的發(fā)展中，從早期的行政審批和信息登記，到利用安防、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)管理建筑工程的現(xiàn)場實(shí)體，再到利用建筑信息模型（BIM）對工程建筑的仿真模擬，針對建筑實(shí)體、建筑模型和數(shù)據(jù)信息的監(jiān)管成為了工程建設(shè)管理的三個(gè)重要方面。

加強(qiáng)對工程建設(shè)領(lǐng)域的管理，就是要將這三個(gè)方面更加直觀有效的展現(xiàn)出來。而視覺是人類獲取信息最重要也是最有效的渠道，可視化管理是將事物通過二維或多維的數(shù)據(jù)表達(dá)，輔助人們更直觀的理解事物的概念和過程，使單純的視覺感知達(dá)到深層次的思維認(rèn)知。將工程建設(shè)管理與可視化相結(jié)合，形成針對工程現(xiàn)場的實(shí)體可視化，立足于建筑模型的虛擬可視化及建立在過程數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)可視化。

圖1 建筑實(shí)體、建筑模型、數(shù)據(jù)信息關(guān)系圖

一、可視化管理在工程建設(shè)領(lǐng)域的現(xiàn)狀

1、實(shí)體可視化

實(shí)體可視化是以成像設(shè)備對工程建筑的實(shí)景拍攝，可采用拍攝照片的管理方式，在安防設(shè)備成熟以后，視頻監(jiān)控成為工地實(shí)體可視化管理的主要手段。早期在建筑工地上采用光纖直連的方式，遇到工地監(jiān)控點(diǎn)位經(jīng)常移動(dòng)、場地情況復(fù)雜的問題，隨著4G技術(shù)的發(fā)展，工地更多采用無線傳輸?shù)谋O(jiān)控設(shè)備，同時(shí)輔以手機(jī)分發(fā)、可移動(dòng)監(jiān)控等手段進(jìn)行補(bǔ)充。近年來，隨著無人機(jī)和三維掃描等技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控方式更加多樣化。

實(shí)體可視化管理可以做到發(fā)生問題及時(shí)糾正或反應(yīng)，比如工人是否佩戴安全帽，工程是否按規(guī)程施工，工地有無使用袋裝水泥，施工過程是否存在明顯的安全隱患等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來和人工智能、圖像識別等技術(shù)的結(jié)合使用，監(jiān)管模式將更加智能化。

2、虛擬可視化

虛擬可視化從早期的建筑動(dòng)畫模型發(fā)展到建筑信息模型（BIM），是從工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)開始，構(gòu)建建筑本身及建設(shè)過程的虛擬模型。可以對工程各參與方在建設(shè)過程中提供直觀的模型展示，促進(jìn)施工生產(chǎn)力的有效提升，實(shí)現(xiàn)建筑工程的所見即所得。

3、數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化是通過對信息數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)來提高工程建設(shè)領(lǐng)域的管理效率。一種是趨勢可視化，比如在成本控制中項(xiàng)目所需要的材料、設(shè)備與人力的綜合統(tǒng)計(jì)分析，評估項(xiàng)目成本是否超過預(yù)期。還有項(xiàng)目施工進(jìn)度，將項(xiàng)目進(jìn)度的各項(xiàng)材料數(shù)據(jù)與計(jì)劃進(jìn)度數(shù)據(jù)的綜合比對，反映項(xiàng)目是否有超出工期的風(fēng)險(xiǎn)。一種是狀態(tài)的可視化，比如采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對項(xiàng)目深基坑的傳感器監(jiān)測，當(dāng)綜合位移值等指標(biāo)的變化進(jìn)入危險(xiǎn)范圍時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

二、可視化管理內(nèi)容分析

工程建設(shè)領(lǐng)域管理的可視化其實(shí)也是借鑒科技研究的成果和其他領(lǐng)域的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，以建筑本身和建設(shè)過程中所采集和模擬的信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建虛擬化的模型，并通過數(shù)據(jù)上的關(guān)聯(lián)分析來對工程建筑的實(shí)施過程乃至整個(gè)建設(shè)領(lǐng)域進(jìn)行更多細(xì)節(jié)的掌控和更深層次的監(jiān)管。所以可視化管理的目標(biāo)就是要把建筑實(shí)體、虛擬模型和信息數(shù)據(jù)三者協(xié)同關(guān)聯(lián)起來，從而使建筑工程全生命周期內(nèi)的各種信息要素相結(jié)合，把管理和對實(shí)施過程的促進(jìn)融合起來，使之成為建筑工程順利實(shí)施的保障，也為達(dá)成更高層次管理目標(biāo)打下基礎(chǔ)。

三、可視化協(xié)同管理應(yīng)用探索

工程建設(shè)領(lǐng)域的管理要點(diǎn)如圖2。

1、項(xiàng)目前期階段

項(xiàng)目在前期階段，主要是從城市總體建設(shè)規(guī)劃的角度論證項(xiàng)目的可行性，可結(jié)合可視化的建筑信息模型對項(xiàng)目選址、環(huán)境評價(jià)、地質(zhì)評估來綜合考慮，并估算項(xiàng)目投資。比如20公里范圍內(nèi)是否有飛機(jī)場對建筑高度的影響，涉及深基坑、隧道的項(xiàng)目對周邊建筑的安全影響；以及建筑施工后對于該地區(qū)人口流動(dòng)、道路交通的影響；原有建筑物、地下管線的遷移成本。

2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)用可視化的建筑信息模型（BIM）對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行直觀的分析論證。結(jié)合項(xiàng)目環(huán)境，可以對項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能分析和采光分析，并輔助工程造價(jià)分析。工程造價(jià)中材料費(fèi)用通常占預(yù)算費(fèi)用的70%以上，依據(jù)三維的建筑信息模型，可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行工程量計(jì)算，再結(jié)合建筑材料的價(jià)格分析，可以使項(xiàng)目的造價(jià)預(yù)算更為合理。從管理部門的角度來說，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段結(jié)合建筑信息模型和電子地圖，可以將不同單位的行政審批業(yè)務(wù)結(jié)合起來。比如準(zhǔn)確的規(guī)劃用地范圍，到項(xiàng)目實(shí)施過程中按部分建筑或單體建筑進(jìn)行的施工許可、工程報(bào)監(jiān)信息，以及預(yù)售時(shí)按建筑層、梯的劃分，都可以通過統(tǒng)一的建筑信息模型確定具體的行政許可范圍，為綜合性的城市管理提供可關(guān)聯(lián)的更加有效的數(shù)據(jù)支持。

3、建設(shè)施工階段

3.1 施工管理

圖2 管理架構(gòu)圖

在項(xiàng)目進(jìn)行深化設(shè)計(jì)時(shí)，可以建立包括管理部門、建設(shè)單位、施工總包、專業(yè)分包、咨詢、設(shè)計(jì)、監(jiān)理等項(xiàng)目參與各方以建筑信息模型為中心的工作平臺，實(shí)現(xiàn)工程實(shí)施的多主體協(xié)同。比如通過模型向總包和分包單位對建筑的鋼筋、管線等復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，共同優(yōu)化相關(guān)節(jié)點(diǎn)布置。也可以模擬模板支撐體系的受力狀況，以確保模板支撐體系的施工安全。在具體施工前，通過基于建筑信息模型的虛擬建造可以使施工單位更直觀的理解施工方案。在施工過程中，還可利用可視化的建筑信息模型對現(xiàn)場的塔吊、起重機(jī)、施工電梯等安全風(fēng)險(xiǎn)較大的設(shè)備進(jìn)行安裝位置、運(yùn)行范圍的規(guī)劃。

3.2 質(zhì)量安全管理

建筑工程質(zhì)量安全關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)，可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對于建筑材料、建筑構(gòu)配件和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，作為工程建筑質(zhì)量安全的保障。

對于施工過程可通過視頻監(jiān)控檢查施工單位是否按照方案實(shí)施，工人是否符合安全施工要求；對施工材料監(jiān)管上可采用RFID等電子標(biāo)簽，及對接檢測機(jī)構(gòu)的檢測設(shè)備獲得取樣試件的檢測數(shù)據(jù)，保證工程使用合規(guī)合格的建筑材料；對處于地下工程、深基坑等風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高階段的工程，可采用壓力計(jì)、應(yīng)力計(jì)、位移計(jì)等物聯(lián)網(wǎng)傳感器監(jiān)測實(shí)時(shí)狀態(tài)；對建筑使用的塔吊、施工電梯等起重設(shè)備監(jiān)測其重量、力矩、環(huán)境風(fēng)速、傾斜度等指標(biāo)。以這些監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在BIM上構(gòu)建監(jiān)測模型，當(dāng)出現(xiàn)預(yù)警時(shí)，監(jiān)控設(shè)備可直接指向相關(guān)部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使管理人員準(zhǔn)確快速地確定問題位置。對工程施工責(zé)任人員方面，比如將建造師和監(jiān)理師在工地的管理信息同招標(biāo)時(shí)相關(guān)人員比對，可判斷相關(guān)企業(yè)是否有更換項(xiàng)目經(jīng)理的行為。

3.3 進(jìn)度管理

在建筑工程進(jìn)度控制中，通過建筑信息模型的虛擬建造可以在實(shí)施之前將很多設(shè)計(jì)缺陷或未預(yù)見的問題暴露出來，形成更完善的施工方案，使進(jìn)度計(jì)劃更加合理。

對于管理部門，可通過三維掃描設(shè)備、視頻監(jiān)控實(shí)景對工程主體和關(guān)鍵工序進(jìn)行進(jìn)度采集。一方面作為質(zhì)量安全的管理依據(jù)，另一方面與建筑信息模型的可視化比對，直觀地反映出工程進(jìn)度。對責(zé)任人員、機(jī)電、材料等人員物資合同和支出情況的分析，可體現(xiàn)出工程的資金進(jìn)度。

3.4 資產(chǎn)管理

建筑工程完工之后，形成的資產(chǎn)可分為實(shí)體資產(chǎn)與數(shù)據(jù)資產(chǎn)，實(shí)體資產(chǎn)為建筑工程完成竣工驗(yàn)收后的建筑實(shí)體，還有過程中的實(shí)體檔案及資料。而通過建筑信息模型構(gòu)建的協(xié)同工作平臺，可在工程前期開始到設(shè)計(jì)、施工的整個(gè)過程中使工程參與方持續(xù)完善工程的各項(xiàng)信息化材料，形成完整的資料庫。在此基礎(chǔ)上收集的信息數(shù)據(jù)和分析成果與竣工模型一起形成建筑工程的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

4、運(yùn)營使用階段

工程項(xiàng)目建設(shè)完成后，通過建筑信息模型可直接給房屋交易及租賃管理提供支持，比如與房地產(chǎn)測繪結(jié)合對房屋進(jìn)行產(chǎn)權(quán)和共有面積的劃分，房屋預(yù)售、現(xiàn)售時(shí)候構(gòu)建三維樓盤表。還可為后續(xù)建筑的安防設(shè)備、智能化管理設(shè)備的安裝提供三維模型的整合依據(jù)，并為房屋安全管理和消防管理提供支持。

四、可視化協(xié)同管理的意義

建筑信息模型、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等可視化的成果不僅對建筑工程的實(shí)施過程有極大幫助，對于城市范圍內(nèi)工程建設(shè)領(lǐng)域的管理也有積極的促進(jìn)作用。

建設(shè)工程從立項(xiàng)、方案、用地到施工運(yùn)營的過程需經(jīng)過發(fā)改委、國土、規(guī)劃、環(huán)保、住建等多個(gè)部門，其中各類行政審批業(yè)務(wù)多是從自身管理的角度或是企業(yè)申報(bào)的角度辦理，其中的管理主體或范圍常常有一對多或多對多的情況。如果引入建筑信息模型，結(jié)合電子地圖等技術(shù)，可以在數(shù)據(jù)檔案中準(zhǔn)確的劃分出審批業(yè)務(wù)的管理范圍，逐步構(gòu)建跨部門的全過程業(yè)務(wù)監(jiān)管體系。另一方面建筑工程的咨詢、勘察設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理各參與單位，以及注冊建造師、注冊監(jiān)理工程師等責(zé)任人員的監(jiān)管可通過納入工程建設(shè)管理監(jiān)督體系和誠信體系，實(shí)現(xiàn)對工程建設(shè)領(lǐng)域的主體監(jiān)管。在建筑工程的現(xiàn)場管理中，將建筑信息模型、實(shí)景監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析廣泛應(yīng)用在施工、質(zhì)量安全、進(jìn)度、資產(chǎn)等的管理中，不斷地探索對于施工現(xiàn)場及過程更有效的監(jiān)管模式。

通過應(yīng)用實(shí)體可視化和虛擬可視化對工程項(xiàng)目審批事項(xiàng)的業(yè)務(wù)監(jiān)管、對實(shí)施參與單位的主體監(jiān)管和對工程施工的過程監(jiān)管，管理部門可將收集到的數(shù)據(jù)通過多角度可視化的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合電子地圖，能夠?qū)φ麄€(gè)城市的工程建設(shè)領(lǐng)域進(jìn)行更有效的監(jiān)管，為智慧城市建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展提供有力支持。