智慧工地系統(tǒng)在項(xiàng)目數(shù)字化管理中的應(yīng)用

常 彪 齊志豪 岳久杰 孫利兵 黨金忠 石 磊 譚國煒

中建三局集團(tuán)有限公司（北京） 北京 100097

近期，住建部等十三部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出，要以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級為動力，創(chuàng)新突破相關(guān)核心技術(shù)，加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，形成涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系[1-5]。

智能建造不僅僅是工程建造技術(shù)的變革創(chuàng)新，更將從產(chǎn)品形態(tài)、建造方式、經(jīng)營理念、市場形態(tài)以及行業(yè)管理等方面重塑建筑業(yè)。 一直以來，中國建筑致力于推動智能建造，包括智慧設(shè)計(jì)、智慧工廠、智慧工地等，尤其是項(xiàng)目施工全過程的智慧建造。本文結(jié)合具體項(xiàng)目，就智慧工地是如何推動項(xiàng)目生產(chǎn)方式和行為管理模式的變革等內(nèi)容進(jìn)行論述。

1 工程概況

北京市海淀區(qū)建設(shè)工程項(xiàng)目總建筑面積17萬 m2，地上多個(gè)樓棟，建筑層數(shù)以4層為主。建成后為多功能綜合類建筑。

2 項(xiàng)目管理重難點(diǎn)

1）信息安防壓力大。如何確保項(xiàng)目信息及安防安全是本工程的重難點(diǎn)。

2）生產(chǎn)履約工期緊，質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)高。本工程為國家重點(diǎn)工程，總工期825日歷天，工期十分緊張，其間因受疫情影響暫停施工，如何確保工期至關(guān)重要。

3）安全管理難度大。本工程安全目標(biāo)為創(chuàng)建成“北京市綠色安全樣板工地”，且建筑物單體平面分散，臨邊洞口及高處作業(yè)等危險(xiǎn)源較多，如何做好危險(xiǎn)源控制及安全文明施工是安全管理方面的難點(diǎn)。

4）施工機(jī)械監(jiān)管難。施工現(xiàn)場每日有百余臺各類車輛進(jìn)出，車輛進(jìn)出場審查的工作量繁雜，且現(xiàn)場共布置有11臺塔吊、14臺施工電梯，大型機(jī)械作業(yè)的監(jiān)督管理難度非常大。

5）人員監(jiān)管排查嚴(yán)。本工程各參建單位人員有千余人，如何滿足眾多工友的生活需求，如何分配現(xiàn)場勞動力、規(guī)范人員行為是人員管控方面的難點(diǎn)。

3 智慧工地系統(tǒng)建設(shè)思路

針對管理方面的重難點(diǎn)，圍繞“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等基本要素，打造以局域網(wǎng)及BIM技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)的智慧工地系統(tǒng)，著力開展設(shè)計(jì)數(shù)字化、生產(chǎn)數(shù)字化、施工數(shù)字化、交付數(shù)字化和運(yùn)維數(shù)字化這“五個(gè)數(shù)字化”管理應(yīng)用。

4 智慧工地系統(tǒng)三大中心

為推進(jìn)“五個(gè)數(shù)字化”落地應(yīng)用，充分發(fā)揮智能建造各系統(tǒng)功能。項(xiàng)目搭建三大中心（BIM中心、總控中心、指揮中心），以BIM中心為基礎(chǔ)，以總控中心為樞紐，以指揮中心為大腦，形成對現(xiàn)場全面數(shù)字化的指揮與監(jiān)管。

1）BIM中心。作為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、交付及運(yùn)營數(shù)字化的核心，提供設(shè)計(jì)、監(jiān)理、總包、機(jī)電及裝飾等單位可視化協(xié)同辦公支撐。

2）總控中心。作為項(xiàng)目管控預(yù)警中心，值班人員通過各系統(tǒng)信息化終端設(shè)備顯示的數(shù)據(jù)及圖像，對項(xiàng)目保密及安防、生產(chǎn)及安全情況進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)管，為項(xiàng)目提供可視化的決策支持。

3）指揮中心。作為項(xiàng)目指揮大腦，匯聚項(xiàng)目相關(guān)運(yùn)營數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)重要事項(xiàng)或緊急事件時(shí)，可為決策者提供智能化的決策支持。

5 項(xiàng)目數(shù)字化管理應(yīng)用

5.1 BIM+設(shè)計(jì)數(shù)字化管理應(yīng)用

圍繞“設(shè)計(jì)數(shù)字化”，項(xiàng)目充分利用BIM技術(shù)，開展設(shè)計(jì)及深化設(shè)計(jì)工作。

在施工圖紙階段，主要進(jìn)行設(shè)計(jì)可視化、空間定位分析、方案比選、建筑性能分析、多專業(yè)協(xié)調(diào)、造價(jià)分析等，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

例如在安全疏散方面，通過模擬分析，得到疏散時(shí)間與疏散門通過率，優(yōu)化了公共區(qū)域的疏散門位置，并將疏散門的尺寸信息增加在了規(guī)范要求中，提升了用戶的使用體驗(yàn)。

在深化設(shè)計(jì)階段，主要進(jìn)行基坑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、幕墻等全專業(yè)深化設(shè)計(jì)管理，并結(jié)合VR技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)成果評審及交底。

1）通過基坑模型復(fù)核與周邊地下管線的關(guān)系，確保施工過程中無破壞周邊地下管線的情況。同時(shí)，通過精準(zhǔn)的模型進(jìn)行工程量提取及過程控制。

2）結(jié)構(gòu)模型深化設(shè)計(jì)，主要是對集水坑、女兒墻、出屋面結(jié)構(gòu)及洞口進(jìn)行深化，與機(jī)電管線進(jìn)行綜合，復(fù)核機(jī)電預(yù)留洞口與安裝之間的關(guān)系，為機(jī)電凈高分析提供基礎(chǔ)，指導(dǎo)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)施工。

3）二次結(jié)構(gòu)模型深化，主要是對圈梁、構(gòu)造柱、過梁等構(gòu)件進(jìn)行深化，優(yōu)化門垛做法，復(fù)核機(jī)電預(yù)留洞口，導(dǎo)出二次結(jié)構(gòu)深化圖以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

4）鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，使用Tekla進(jìn)行模型深化設(shè)計(jì)，導(dǎo)出*.IFC格式與Revit結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行碰撞檢查，確認(rèn)無誤后，在Tekla中進(jìn)行加工圖出圖，加工圖經(jīng)各方確認(rèn)后在工廠進(jìn)行預(yù)制加工及組裝，隨后運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行拼裝。

5）在幕墻專業(yè)深化設(shè)計(jì)過程中，復(fù)核幕墻專業(yè)預(yù)埋件與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及埋件與龍骨之間的關(guān)系，將沖突問題反饋至深化設(shè)計(jì)人員并進(jìn)行處理，在深化設(shè)計(jì)過程中若發(fā)現(xiàn)多處埋件未能附著于結(jié)構(gòu)上，應(yīng)與設(shè)計(jì)人員協(xié)調(diào)進(jìn)行修改，減少現(xiàn)場拆改量。

6）在機(jī)電綜合管線深化方面，由于限高，層高較低，同時(shí)管線較為復(fù)雜，通過管線及支吊架優(yōu)化，提高凈高15 cm。

7）在裝修深化方面，對家具及機(jī)電末端等構(gòu)件建模，并與使用單位討論其在使用功能等方面的優(yōu)化。

通過設(shè)計(jì)數(shù)字化手段進(jìn)行多視角分析，使得項(xiàng)目在限高控制下完美融入“三山五園”意境；綜合優(yōu)化建筑布局，增加有效車位20個(gè)；提出并解決圖紙問題百余條，優(yōu)化管線排布，提升房間凈高15 cm。

5.2 BIM+生產(chǎn)數(shù)字化管理應(yīng)用

基于BIM精細(xì)化模型數(shù)據(jù)，在項(xiàng)目建設(shè)全自動機(jī)電和鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線，對管段進(jìn)行編碼，提取管道規(guī)格、長度信息等精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

將BIM數(shù)據(jù)處理后導(dǎo)入全自動設(shè)備，進(jìn)行鍍鋅鋼管自動切割、套絲、壓槽等產(chǎn)業(yè)化預(yù)制加工，總投產(chǎn)量預(yù)計(jì)20萬 m，占項(xiàng)目總量的90%。與傳統(tǒng)模式相比，具備以下特點(diǎn)：

1）構(gòu)件預(yù)制加工自動化，構(gòu)件尺寸偏差小。數(shù)字化加工管道套絲質(zhì)量及切割質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)加工方式。

2）材料利用最大化，主材損耗降低約1%。采用傳統(tǒng)模式，管道主材損耗率約為2%，而采用數(shù)字化加工，其損耗率約為1%。

3）加工生產(chǎn)效率高。以本工程為例，針對20萬 m的投產(chǎn)量，傳統(tǒng)施工方式需要12個(gè)人加工7個(gè)月，而數(shù)字化加工僅需6個(gè)人加工4個(gè)月。

4）集中加工，綠色環(huán)保，大幅度減少噪聲污染、零星材料污染，減少建筑垃圾。

5.3 BIM+施工數(shù)字化管理應(yīng)用

5.3.1 計(jì)劃管理數(shù)字化

為了提高項(xiàng)目進(jìn)度管理水平，解決項(xiàng)目管理過程中出現(xiàn)的計(jì)劃編制周期長、標(biāo)準(zhǔn)化水平差等問題，項(xiàng)目采用基于EveryBIM協(xié)同管理平臺，進(jìn)行計(jì)劃的集成管理。每天對現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)度情況進(jìn)行錄入，通過模型對比計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度的偏差，在生產(chǎn)例會及進(jìn)度分析會上，根據(jù)模型可視化進(jìn)度對比結(jié)果分析工期滯后原因，調(diào)整現(xiàn)場部署，最終節(jié)約工期約30 d。

5.3.2 人員、物資、環(huán)境數(shù)字化管理

通過移動終端、智能傳感器等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的無紙化、實(shí)時(shí)化、數(shù)字化，提高管理互動效率以及管理數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

1）利用勞務(wù)實(shí)名制系統(tǒng)，采用人臉識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)出場信息實(shí)時(shí)記錄。建立人員數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)勞動力自動統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行勞動力分析及各工種配置分析。另外，詳實(shí)的考勤數(shù)據(jù)可作為工人工資結(jié)算的有效證據(jù)，輔助薪酬結(jié)算。

2）利用智能地磅驗(yàn)收物資，僅需手機(jī)等移動端即可完成收發(fā)工作。在線上完成電子簽單審批，無需簽單，可有效降低現(xiàn)場材料浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)混凝土驗(yàn)收無紙化。

3）利用環(huán)境監(jiān)測、入侵報(bào)警等傳感器，自動采集周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)與自動噴淋系統(tǒng)、項(xiàng)目總控中心聯(lián)動，及時(shí)對環(huán)境因素進(jìn)行干預(yù)。

5.3.3 現(xiàn)場管控?cái)?shù)字化

通過BIM、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用，推動現(xiàn)場管控手段的變革，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場管理數(shù)字化、智能化。

1）通過現(xiàn)場平面BIM建模，輔助施工現(xiàn)場可視化平面布置，提高現(xiàn)場平面布置的合理性。

2）利用BIM＋3D打印技術(shù)，使項(xiàng)目整體及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)可視化，能更加直觀地進(jìn)行交底。

3）利用BIM建立虛擬質(zhì)量樣板，并以此作為交底。較傳統(tǒng)實(shí)體樣板，其展現(xiàn)形式更加直觀，并且節(jié)省材料及人力。

4）利用BIM＋VR技術(shù)，進(jìn)行技術(shù)方案評審、交底、安全教育等，效果更加直觀，交底效果更好。

5）利用鷹眼及球機(jī)，對高支模、動火作業(yè)等危險(xiǎn)源進(jìn)行監(jiān)督，對混凝土澆筑、回填土等重要工序施工旁站，通過對講機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場協(xié)調(diào)指揮及隱患整改。

6）利用塔吊“防碰撞＋可視化”，實(shí)現(xiàn)駕駛室及總控中心雙監(jiān)督，加強(qiáng)塔吊運(yùn)行監(jiān)管，全面降低現(xiàn)場11臺塔吊設(shè)備的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。

7）通過建立周界防范及入侵報(bào)警系統(tǒng)，防止翻越圍墻及闖入重要房間進(jìn)行盜竊、竊取情報(bào)、竊取影像等情況的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)全天候布防，彌補(bǔ)人員巡視間隙漏洞。

5.3.4 知識共享數(shù)字化

通過知識成果積累，逐步充實(shí)完善數(shù)字化管理平臺，可為企業(yè)提供標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化知識成果，有利于提升企業(yè)現(xiàn)場管理的規(guī)范性。比如當(dāng)前項(xiàng)目建立的BIM安全模型庫、質(zhì)量樣板庫等，今后可逐步成為企業(yè)共享的知識成果。

5.4 BIM+交付數(shù)字化管理應(yīng)用

隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，對于產(chǎn)品交付，項(xiàng)目計(jì)劃不僅進(jìn)行實(shí)物建筑產(chǎn)品的交付，同時(shí)進(jìn)行基于BIM的數(shù)字建筑產(chǎn)品交付。目前，項(xiàng)目計(jì)劃在施工過程中，將機(jī)電設(shè)備信息、竣工驗(yàn)收信息、BIM輔助驗(yàn)收報(bào)告、全景相機(jī)資產(chǎn)盤點(diǎn)等信息錄入至竣工交付模型中，形成運(yùn)維信息模型，并嘗試將運(yùn)維信息模型與智慧園區(qū)平臺關(guān)聯(lián)，成為后期資產(chǎn)和運(yùn)維管理的基礎(chǔ)。

5.5 BIM+運(yùn)維數(shù)字化管理應(yīng)用

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及使用單位需求，與專業(yè)廠家進(jìn)行智慧園區(qū)建設(shè)，架設(shè)園區(qū)內(nèi)部專線，并對所有接入硬件進(jìn)行測試，定制開發(fā)針對本項(xiàng)目的內(nèi)網(wǎng)智慧園區(qū)平臺，具有設(shè)備維護(hù)管理、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)集成管理、BIM業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析管理這四大模塊功能。

推動BIM模型與智慧園區(qū)系統(tǒng)融合，將前期設(shè)計(jì)思路和理念延續(xù)到后期運(yùn)維和管控當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)BIM模型與運(yùn)維管理數(shù)據(jù)的完美融合，其特點(diǎn)如下：

1）各系統(tǒng)設(shè)備在BIM模型中可直觀地進(jìn)行空間定位，方便運(yùn)維人員管理。

2）在模型中可直觀地對設(shè)備生產(chǎn)信息及維護(hù)信息進(jìn)行查詢，遇到故障時(shí)自動生成設(shè)備維護(hù)方案，方便運(yùn)維人員快速排除故障及維修。

3）三維顯示及分析能耗信息，依托模型進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，可直接發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域，并針對性地進(jìn)行設(shè)備檢修及參數(shù)調(diào)整。

4）設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控，將BIM模型與能源管理系統(tǒng)、樓宇控制系統(tǒng)、智慧建筑運(yùn)維管理平臺相結(jié)合，將整個(gè)建筑的運(yùn)行狀況在3D模型上通過特定標(biāo)識進(jìn)行展示，使運(yùn)維人員能準(zhǔn)確高效地進(jìn)行安全管控、能耗分析、節(jié)能改造等工作。

最終，通過BIM＋I(xiàn)OT等技術(shù)，打造“管—控—營”一體化平臺，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維數(shù)字化管理的應(yīng)用目標(biāo)。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目通過對建筑工業(yè)化、數(shù)字化建造的探索，在多方面取得了較為成功的應(yīng)用。由BIM＋智慧工地平臺組成的智慧工地系統(tǒng)，在本項(xiàng)目中充分發(fā)揮了各子系統(tǒng)的管理作用，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字化世界的實(shí)時(shí)對照，更好地利用數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)了建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。