既有建筑改造項(xiàng)目智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)研究

應(yīng)宇墾，葉旭峰，陳琳，張嘉玲，趙昕

（1 上?；壑ńㄔO(shè)顧問有限公司，上海 200090； 2 上海申通地鐵資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司，上海 200092； 3 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市軌道交通系統(tǒng)在解決城市中心區(qū)交通問題中發(fā)揮著不可替代的作用。同時(shí)由于城市更新、軌道交通車站升級(jí)以及商業(yè)運(yùn)營(yíng)的需要，既有車站改擴(kuò)建工程項(xiàng)目的需求也日益突顯。 因此，既要保證地鐵車站能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不影響市民的日常出行，同時(shí)又要安全高效環(huán)保地完成地鐵車站的改擴(kuò)建施工，這對(duì)建設(shè)單位的施工管理水平帶來了極大的挑戰(zhàn)。 上海蓮花路地鐵站為上海地鐵1 號(hào)線的既有車站，1999 年竣工使用至今，已達(dá)20 年之久。此次改擴(kuò)建為了完成對(duì)該地鐵車站的升級(jí)改造，同時(shí)將車站附屬區(qū)域進(jìn)行再利用，實(shí)現(xiàn)車站改造商業(yè)一體化，充分發(fā)揮地鐵站區(qū)域的商業(yè)價(jià)值。 地鐵區(qū)域商業(yè)生態(tài)如圖1 所示。

圖1 蓮花路地鐵站商業(yè)生態(tài)

從2018 年開始蓮花路地鐵站進(jìn)行不停運(yùn)改擴(kuò)建， 如圖2 所示。整個(gè)項(xiàng)目全程通過應(yīng)用BIM 技術(shù)、 視頻監(jiān)控技術(shù)等數(shù)字化技術(shù)，有效解決了既有建筑改造項(xiàng)目所面臨的施工管理難題。將BIM技術(shù)應(yīng)用到地鐵車站的建設(shè)中，能有效滿足模型創(chuàng)建、碰撞檢查、現(xiàn)場(chǎng)模擬分析等多方面的需求[1]，并且能有效控制施工周期[2]，降低工程造價(jià)[3]。

圖2 蓮花路地鐵站不停運(yùn)改擴(kuò)建項(xiàng)目

目前我國(guó)既有建筑改造項(xiàng)目的技術(shù)水平、施工方法和管理措施等都已有很大的提升，但仍然面臨一些困難，主要包括：（1） 既有建筑原結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)地空間的限制使得改造施工難度較大，改造后建筑環(huán)境變差、建筑空間規(guī)劃不合理；（2） 施工條件復(fù)雜，人員無法控制，建筑周邊狀況復(fù)雜，使得施工管理難度較大；（3） 國(guó)內(nèi)對(duì)既有建筑的改造主要局限在安全性加固、空間擴(kuò)展或節(jié)約能耗等單一目標(biāo)，涉及建筑整體綜合性能改造的較少，現(xiàn)有的施工管理技術(shù)要實(shí)現(xiàn)既有建筑改造后性能的全面提升困難重重[4]。

要解決當(dāng)前既有建筑改造項(xiàng)目所面臨的困難，從根本上改變傳統(tǒng)的施工管理模式變得尤為重要。由于既有建筑現(xiàn)狀相對(duì)新建建筑更為復(fù)雜，在改造過程中對(duì)項(xiàng)目工期、資源和成本的把控與施工方法和管理要求上更為嚴(yán)格[5]。 傳統(tǒng)的施工管理模式在應(yīng)對(duì)安全性、作業(yè)環(huán)境以及現(xiàn)場(chǎng)管理有更高要求的既有建筑改造項(xiàng)目時(shí)，其弊端變得尤為明顯，往往會(huì)導(dǎo)致實(shí)際施工進(jìn)度與計(jì)劃存在較大差距，造成更多的實(shí)際成本投入。 相比之下，結(jié)合了BIM 技術(shù)、傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、RFID 以及VR 等新興信息化技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)則為管理者提供了一個(gè)更為高效的信息化、可視化、智能化的施工管理平臺(tái)，可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)施工管理的不足[6]。

本文針對(duì)既有建筑改造項(xiàng)目施工管理，提出智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)，旨在結(jié)合BIM 技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、RFID 和VR 等新興技術(shù)方法，運(yùn)用信息化手段，以滿足施工工地現(xiàn)場(chǎng)的管理需求為目的，搭建智能化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和施工模擬。 圍繞建設(shè)過程管理，建立互聯(lián)互通協(xié)同、智能生產(chǎn)、科學(xué)管理的建設(shè)項(xiàng)目信息生態(tài)圈，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)可視化智能化管理，提高項(xiàng)目管理信息化水平，逐步實(shí)現(xiàn)綠色施工、生態(tài)施工。

2 我國(guó)現(xiàn)階段既有改造項(xiàng)目在施工管理中存在的主要問題

2.1 傳統(tǒng)施工管理

我國(guó)傳統(tǒng)施工管理存在的主要問題包括以下幾方面：勞務(wù)用工管理混亂，用工情況缺乏精確數(shù)據(jù)支撐，人員散落各處難以管理，勞資糾紛隱患嚴(yán)重；大型設(shè)備監(jiān)管困難，安全使用、監(jiān)測(cè)以及定期檢修等工作存在疏漏，從而導(dǎo)致安全事故頻發(fā)；材料清點(diǎn)手段落后，成本虛高，造成大量物資浪費(fèi)；施工工地危險(xiǎn)區(qū)域繁多，監(jiān)控教育和預(yù)防手段落后；項(xiàng)目參與方眾多，信息共享不及時(shí)，信息不對(duì)稱或斷層，走了大量施工彎路[7-8]。

2.2 既有建筑改造項(xiàng)目施工管理

既有建筑改造項(xiàng)目對(duì)安全性、作業(yè)環(huán)境以及現(xiàn)場(chǎng)管理的要求更高，使得其施工管理難度更大。 由于需要維持建筑的正常運(yùn)營(yíng)使用，既有建筑改造項(xiàng)目的安全監(jiān)測(cè)和防護(hù)相比傳統(tǒng)施工管理的要求更高，作業(yè)環(huán)境污染限制更加嚴(yán)苛。 同時(shí)，由于既有建筑的存在造成堆場(chǎng)使用空間局限，場(chǎng)布管理十分困難。 以上情況都表明，我國(guó)現(xiàn)階段既有改造項(xiàng)目在施工管理中存在的問題以及面臨的困難十分顯著， 若要全面解決目前管理模式中存在的各種問題，需要引入一套全新的施工管理模式。 因此，智慧工地系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

3 智慧工地系統(tǒng)的目標(biāo)分析

智慧工地取自智慧建設(shè)概念，是指借助BIM 技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、RFID 和VR 等技術(shù)手段[9]，發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)組織作用，形成的基于多維信息、數(shù)據(jù)挖掘及動(dòng)態(tài)決策的工地形態(tài)與智慧環(huán)境[10]。 針對(duì)既有建筑改造項(xiàng)目在施工管理中存在的問題，智慧工地系統(tǒng)的建立將主要實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)功能目標(biāo)：

（1） 可查看：視頻管理、視頻畫面遠(yuǎn)程調(diào)用和數(shù)據(jù)圖表綜合分析，全天候、多方位的施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，視頻畫面智能處理，視頻匯總集中，數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的可視化管理和智能分析，防止施工事故的發(fā)生；

（2） 可查找：地理信息系統(tǒng)管理，站點(diǎn)地理信息的標(biāo)記和顯示，實(shí)現(xiàn)智能查詢和監(jiān)督，根據(jù)轄區(qū)內(nèi)站點(diǎn)的超標(biāo)程度（嚴(yán)重超標(biāo)、預(yù)警、正常）進(jìn)行各種提示，加強(qiáng)站點(diǎn)位置，方便重點(diǎn)監(jiān)管；

（3） 可預(yù)警：環(huán)境監(jiān)測(cè)，對(duì)揚(yáng)塵、噪聲、溫濕度進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)匹配國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)報(bào)警，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)超標(biāo)整改，緩解環(huán)境污染，促進(jìn)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展；

（4） 可管控：實(shí)時(shí)預(yù)警執(zhí)法，采集現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警，自動(dòng)分析呈現(xiàn)，再進(jìn)行針對(duì)性監(jiān)管；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、安全、人員等因素進(jìn)行安全預(yù)警，自動(dòng)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素，啟動(dòng)預(yù)警機(jī)制，推進(jìn)一鍵在線執(zhí)法監(jiān)管，降低現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)安保；

（5） 可溝通：政企互動(dòng)，搭建信息交流平臺(tái)，加強(qiáng)民生、政企多向溝通，實(shí)現(xiàn)信息互通，豐富政府信息監(jiān)管，豐富農(nóng)民工信息查詢；

（6） 可調(diào)度：應(yīng)急指揮服務(wù)，建立快速響應(yīng)機(jī)制，最大限度減少突發(fā)事件的影響；

（7） 可錄入：將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文件數(shù)據(jù)流記錄歸檔到云平臺(tái)，方便用戶隨時(shí)查詢和調(diào)用，提高工作效率。

4 智慧工地系統(tǒng)的架構(gòu)研究

智慧工地系統(tǒng)框架主要包括兩大類： 協(xié)調(diào)管理和工程管理。在此基礎(chǔ)上又進(jìn)一步細(xì)分出多個(gè)子系統(tǒng)。 整體架構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 協(xié)調(diào)管理

4.1.1 勞務(wù)管理

人員實(shí)行勞務(wù)實(shí)名制，所有勞務(wù)人員詳細(xì)信息等相關(guān)數(shù)據(jù)與勞務(wù)管理平臺(tái)對(duì)接，全程記錄勞務(wù)人員的生產(chǎn)作業(yè)信息。 通過手機(jī)或其他智能穿戴設(shè)備等實(shí)現(xiàn)位置打卡，記錄上工狀態(tài)、作業(yè)時(shí)長(zhǎng)等，并實(shí)時(shí)管理作業(yè)人員所處的位置，有效合理分配不同作業(yè)區(qū)域勞務(wù)人員數(shù)量，最大化提高勞務(wù)用工效率。

4.1.2 階段和資料管理

根據(jù)工程施工階段（工程設(shè)計(jì)、土方施工、地下結(jié)構(gòu)施工、主體結(jié)構(gòu)施工、裝飾施工）和文件類型（文件、圖片、圖紙、BIM 模型、音視頻）劃分資料，并對(duì)項(xiàng)目各參與方賦予不同的訪問權(quán)限。 用戶可以根據(jù)自身權(quán)限對(duì)不同項(xiàng)目資料進(jìn)行查詢或修改。 通過建立云平臺(tái)， 可以實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通過網(wǎng)頁或手機(jī)APP 查看項(xiàng)目資料、交付接收音視頻和BIM 模型等應(yīng)用成果、上傳和接收變更記錄、任務(wù)集成發(fā)布以及項(xiàng)目驗(yàn)收等。

4.1.3 會(huì)議管理

會(huì)議任務(wù)安排貫穿項(xiàng)目全階段，會(huì)議數(shù)量多、不定時(shí)的特點(diǎn)使得會(huì)務(wù)工作的管理變得繁雜。 通過在系統(tǒng)平臺(tái)中添加單獨(dú)的會(huì)議管理子系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)從會(huì)議室預(yù)定、會(huì)議室使用、會(huì)議通知，再到會(huì)議日歷、會(huì)議紀(jì)要等會(huì)議資料的記錄和管理等全方位的會(huì)議管理，從而提高項(xiàng)目施工過程中各方協(xié)調(diào)溝通的效率。

4.2 工程管理

4.2.1 現(xiàn)場(chǎng)管理

對(duì)于既有建筑改造項(xiàng)目，由于施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件復(fù)雜，使得現(xiàn)場(chǎng)管理和作業(yè)難度極大。 因此智慧工地系統(tǒng)結(jié)合BIM 技術(shù)，創(chuàng)建施工場(chǎng)地三維模型， 在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地布局空間的合理規(guī)劃，設(shè)備設(shè)施、大型機(jī)械合理布置，保證施工作業(yè)井然有序。 除了現(xiàn)場(chǎng)地空間的管理，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施物料的管理則要更加繁雜。 對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備設(shè)施管理，在預(yù)先創(chuàng)建的BIM 模型中就已包含相應(yīng)設(shè)備設(shè)施的通用基礎(chǔ)信息，包括設(shè)備設(shè)施的生產(chǎn)廠商、規(guī)格參數(shù)、二維碼標(biāo)識(shí)等。 系統(tǒng)全程詳細(xì)記錄各設(shè)備的管理人、操作記錄、維修檔案等信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間，并通過GPS 定位設(shè)備所在位置。 對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的物料管理，系統(tǒng)記錄物料的規(guī)格型號(hào)和供應(yīng)商。 生成材料計(jì)劃單后，供應(yīng)商發(fā)貨自動(dòng)生成發(fā)貨單，通過智能門禁系統(tǒng)記錄物料進(jìn)場(chǎng)時(shí)間和車牌，地磅記錄物料數(shù)量。 收料員根據(jù)系統(tǒng)記錄的物料進(jìn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，對(duì)物料審核拍照，自動(dòng)生成物料驗(yàn)收單。

4.2.2 進(jìn)度管理

智慧工地系統(tǒng)通過BIM 輔助進(jìn)度管控，將項(xiàng)目整體進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行分解，并通過系統(tǒng)平臺(tái)上傳任務(wù)計(jì)劃，將任務(wù)分配給相關(guān)責(zé)任人。 責(zé)任人對(duì)任務(wù)進(jìn)度實(shí)時(shí)更新，同時(shí)提交進(jìn)度照片和音視頻。將最新的進(jìn)度信息加載到整體BIM 模型中，并根據(jù)不同進(jìn)度狀態(tài)分類顯示。 各參與方可實(shí)時(shí)查看項(xiàng)目各區(qū)域進(jìn)度及現(xiàn)場(chǎng)照片。

4.2.3 質(zhì)量管理

施工現(xiàn)場(chǎng)管理人員可利用手機(jī)APP 進(jìn)行質(zhì)量檢查，通過二維碼獲取構(gòu)件信息，同時(shí)，在巡場(chǎng)過程中如發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題可立即拍照填表，上傳至系統(tǒng)平臺(tái)并及時(shí)將問題反饋到責(zé)任人。 現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量問題上傳到平臺(tái)后將自動(dòng)生成整改通知單， 下發(fā)至相應(yīng)的負(fù)責(zé)人，相應(yīng)的負(fù)責(zé)人需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行確認(rèn)。 在整改完成后，同樣需要現(xiàn)場(chǎng)拍照并回復(fù)，確認(rèn)后系統(tǒng)自動(dòng)將相關(guān)資料進(jìn)行歸檔。

4.2.4 安全管理

安全管理作為工程管理的重中之重， 主要包含三個(gè)方面：安全監(jiān)測(cè)預(yù)警、安全體驗(yàn)培訓(xùn)、環(huán)境管理。 在安全監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，通過將不同的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)統(tǒng)一整合到一個(gè)平臺(tái)中，并利用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)全方位、無死角的現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警。 在安全體驗(yàn)培訓(xùn)方面， 結(jié)合BIM 三維模型和VR 技術(shù)，開展安全教育培訓(xùn)和不同危險(xiǎn)場(chǎng)景沉浸體驗(yàn)，讓工人在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行隱患辨識(shí)、排查以及應(yīng)急處置的學(xué)習(xí)。 基于網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同模擬應(yīng)急演練。 在環(huán)境管理方面，則通過檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工地環(huán)境數(shù)據(jù)，包括PM2.5、PM10、溫度濕度、風(fēng)力風(fēng)向、噪音等。 根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)揚(yáng)塵抑制系統(tǒng)。 此外，系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)跟蹤工地生產(chǎn)和生活區(qū)的水、電使用情況，并可實(shí)現(xiàn)能耗定額，能耗預(yù)警。 能源消耗可按面積、分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行優(yōu)化能源管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

4.2.5 施工方案管理

在BIM 模型的基礎(chǔ)上，增加施工方法、施工工藝、施工順序等信息，直觀模擬施工過程，充分利用BIM 模型對(duì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化，提高方案審核的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)施工方案的可視化公開。通過BIM 對(duì)結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)電、設(shè)備等模型進(jìn)行集成，對(duì)各專業(yè)的碰撞點(diǎn)進(jìn)行分析和優(yōu)化，解決項(xiàng)目前期管線碰撞問題，避免臨時(shí)設(shè)計(jì)變更和返工。

5 結(jié)語

本文基于既有建筑改造項(xiàng)目在傳統(tǒng)施工管理模式中的痛點(diǎn)，提出了結(jié)合BIM 技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、RFID 和VR 等信息化技術(shù)所搭建的智慧工地系統(tǒng)，梳理了該系統(tǒng)的具體組織架構(gòu)，詳細(xì)闡述了智慧工地系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)在施工管理各方面中的具體應(yīng)用措施和方案。 通過智慧工地系統(tǒng)的構(gòu)建，能夠有效地解決既有建筑改造項(xiàng)目在施工管理中面臨的困難，并真正實(shí)現(xiàn)工地施工現(xiàn)場(chǎng)的智能化管理、 信息化管理和可視化管理。 目前，該系統(tǒng)框架體系在具體實(shí)施應(yīng)用上還有許多內(nèi)容需要協(xié)調(diào)完善，但在如今飛速發(fā)展的信息化、智能化的時(shí)代背景下，智慧工地系統(tǒng)在未來施工管理中的廣泛應(yīng)用指日可待。