城市核心區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的超高層綜合體智慧建造施工管理

趙鶴泉 簡(jiǎn) 立 錢煒駿

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

隨著城市化的飛速發(fā)展，城市核心區(qū)的建造速度大大加快，中心城區(qū)大型綜合體建設(shè)項(xiàng)目也越來越多。為滿足商業(yè)需求，此類項(xiàng)目往往選擇“超高層、大面積商業(yè)、軌道交通上蓋”的建設(shè)模式，這種模式實(shí)現(xiàn)了商業(yè)效益最大化，但其建造過程的難度大大增加，加之周邊環(huán)境復(fù)雜，這對(duì)項(xiàng)目建設(shè)管理提出了更高的要求[1-4]。本文以上海徐匯區(qū)核心區(qū)某超高層項(xiàng)目為背景，介紹了如何應(yīng)用多種數(shù)字化管理系統(tǒng)，提升施工總承包管理的專業(yè)化和精細(xì)化，確保城市核心區(qū)超高層項(xiàng)目建設(shè)的有序進(jìn)行。通過項(xiàng)目實(shí)施中的應(yīng)用，逐步摸索智慧建造的進(jìn)一步發(fā)展方向。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)況

本項(xiàng)目的超高層綜合體位于上海市徐匯區(qū)核心地帶，作為大型城市高端綜合體，建成后將成為新的城市地標(biāo)。項(xiàng)目總用地面積6.6萬 m2，由3座塔樓及商業(yè)裙房、地下車庫(kù)組成，總建筑面積約78萬 m2。其中T1塔樓建筑高度220 m，T2塔樓建筑高度370 m，地上70層，建成后將成為浦西第一高樓，總商業(yè)面積達(dá)22萬 m2，車庫(kù)為地下6層。項(xiàng)目周邊環(huán)境極其復(fù)雜，地下管線密布，北側(cè)地鐵線穿越項(xiàng)目基坑，東側(cè)地鐵車站與項(xiàng)目共用地下室外墻。另外，裙房基本完全占據(jù)整個(gè)場(chǎng)地，導(dǎo)致施工空間局促（圖1）。

圖1 周邊環(huán)境示意

1.2 超高層建造的關(guān)鍵難點(diǎn)

1）設(shè)計(jì)修改繁雜，設(shè)計(jì)施工一體化集成管理難度大。由于港資項(xiàng)目的特點(diǎn)，施工總承包將面臨如何協(xié)調(diào)和管理數(shù)十家設(shè)計(jì)單位以及近百家專業(yè)施工單位的問題，這對(duì)項(xiàng)目一體化集成管理提出了很高的要求。

2）城市核心區(qū)復(fù)雜周邊環(huán)境與超高空立體作業(yè)造成隱患風(fēng)險(xiǎn)疊加。城市核心區(qū)的項(xiàng)目有著復(fù)雜的周邊環(huán)境，50 m范圍內(nèi)遍布了地鐵、學(xué)校、辦公樓、酒店、商場(chǎng)、居民樓等各種公共設(shè)施建筑。東側(cè)地下室與地鐵共用外墻，滿布的裙樓又同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)材料運(yùn)輸、堆放造成非常大的影響。超高層施工與裙房、基坑同時(shí)施工也造成了更多的立體作業(yè)。

3）新冠肺炎疫情常態(tài)化下的用工以及現(xiàn)場(chǎng)管理壓力大。本項(xiàng)目在整個(gè)建設(shè)過程中有近5年的用工高峰期。在此期間，有近3 000名工人和管理人員在現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)。隨著新冠肺炎疫情管控的常態(tài)化，如何更好地管理工人以及人員流動(dòng)信息，給現(xiàn)場(chǎng)人員管理乃至項(xiàng)目的正常運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

4）對(duì)進(jìn)度、質(zhì)量、安全整體總承包管理要求高。如何在保證進(jìn)度、質(zhì)量和安全的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)和掌握各分包商的勞動(dòng)力和材料信息，對(duì)總承包管理提出了巨大的挑戰(zhàn)。

2 超大型項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)智能化管理關(guān)鍵技術(shù)

為了安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成工程量巨大、大型設(shè)備眾多、施工人員復(fù)雜的超大型工程，本項(xiàng)目應(yīng)用了無人機(jī)技術(shù)、監(jiān)控視頻融合、材料運(yùn)輸物聯(lián)網(wǎng)、二維碼信息等手段，進(jìn)行了一系列智慧建造的施工管理探索。

2.1 基于無人機(jī)拍攝的施工現(xiàn)場(chǎng)信息采集技術(shù)

由于現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面非常多，特別是室外作業(yè)內(nèi)容，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的清晰簡(jiǎn)潔表達(dá)，項(xiàng)目上采用無人機(jī)局部拍攝再結(jié)合特殊軟件處理進(jìn)行制作整合。這種可視化的方案，讓現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度呈現(xiàn)得更加直觀，也讓管理人員更全面地了解現(xiàn)場(chǎng)的整體道路、場(chǎng)地布置等信息，為項(xiàng)目分階段的策劃與實(shí)施工作提供了有力的支撐。同時(shí)，也通過時(shí)間軸的方式記錄了整個(gè)項(xiàng)目的形象進(jìn)展（圖2）。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)航拍

2.2 針對(duì)安全隱患風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻融合技術(shù)

通過采用高清攝像機(jī)和機(jī)房視頻AI識(shí)別的方式，對(duì)安全隱患風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及視頻融合技術(shù)管理。例如在T2塔樓鋼平臺(tái)這個(gè)重點(diǎn)區(qū)域，在鋼平臺(tái)2臺(tái)塔吊駕駛艙下四側(cè)安裝全景攝像機(jī)，輻射鋼平臺(tái)施工區(qū)域，在外框四周各安裝3臺(tái)攝像機(jī)對(duì)外框區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)施攝像監(jiān)控能夠讓管理人員隨時(shí)直觀地了解現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量、安全、進(jìn)度情況，進(jìn)一步提升項(xiàng)目精細(xì)化的管理水平。同時(shí)，視頻AI融合技術(shù)的周界入侵檢測(cè)功能可以即刻發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)動(dòng)作，給出危險(xiǎn)預(yù)警信號(hào)（圖3、圖4）。

圖3 鋼平臺(tái)上的全景監(jiān)控?cái)z像機(jī)

圖4 塔樓外框的全景監(jiān)控?cái)z像機(jī)

2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)

由于工期需求緊，本項(xiàng)目的塔樓、裙樓在同一階段同時(shí)施工，且鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量多，鋼筋模板土建使用量非常大，在施工高峰期，現(xiàn)場(chǎng)有12臺(tái)動(dòng)臂式塔機(jī)同時(shí)作業(yè)，安全隱患較大。

針對(duì)這種情況，現(xiàn)場(chǎng)引入了塔機(jī)群智能防碰撞系統(tǒng)，利用傳感器計(jì)算臂架伸出長(zhǎng)度與角度，相鄰塔機(jī)臂架參數(shù)可以在駕駛室的主機(jī)屏幕上顯示。該系統(tǒng)可以讓駕駛員更直觀地了解周邊塔吊的運(yùn)行情況。

2.4 預(yù)制構(gòu)件加工、運(yùn)輸及施工信息化管理技術(shù)

由于2棟塔樓均為框筒結(jié)構(gòu)，南裙房分布著大量的SRC柱、梁，北裙房為鋼結(jié)構(gòu)裙房，鋼構(gòu)件的吊裝作業(yè)區(qū)分布在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)所有施工區(qū)域。本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)吊裝量為2.2萬 t/年。由于鋼結(jié)構(gòu)的形式復(fù)雜，在深化設(shè)計(jì)、加工、運(yùn)輸和吊裝管理等方面都有更高的要求。因此本項(xiàng)目引入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控工廠的物料準(zhǔn)備、加工和運(yùn)輸情況，供應(yīng)商、施工單位和監(jiān)理都可以在云平臺(tái)中對(duì)構(gòu)件情況進(jìn)行確認(rèn)（圖5）。

圖5 鋼構(gòu)件物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)

2.5 基于二維碼信息的現(xiàn)場(chǎng)檢查管理技術(shù)

1）安全巡檢。通過二維碼技術(shù)，本項(xiàng)目整合了各類施工設(shè)備的參數(shù)信息、檢查記錄、人員工種資質(zhì)和安全教育等信息?，F(xiàn)場(chǎng)管理人員可以通過掃描二維碼，實(shí)時(shí)核實(shí)驗(yàn)證相關(guān)信息，其他檢查人員也能通過安全巡檢記錄碼確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)安全的管理狀況。

2）技術(shù)交底。技術(shù)交底、施工方案等文件也通過二維碼的形式，展示現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面，工人可在操作前掃描二維碼，再次查看施工要點(diǎn)，減少現(xiàn)場(chǎng)安全問題。

3）動(dòng)火證管理。通過二維碼的形式，將當(dāng)天各個(gè)動(dòng)火作業(yè)點(diǎn)的時(shí)間、人員和周邊環(huán)境情況進(jìn)行匯總，再采用BIM模型進(jìn)行匯總顯示。管理人員可以通過BIM模型來確認(rèn)作業(yè)點(diǎn)，并進(jìn)行有針對(duì)性的檢查。檢查時(shí)，可以通過掃描二維碼，檢查動(dòng)火作業(yè)的手續(xù)是否齊全，周邊環(huán)境是否安全。

3 基于機(jī)械設(shè)備智能化集成化的施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超高層建筑的施工垂直運(yùn)輸集成化關(guān)鍵技術(shù)

T2塔樓工程體量巨大，施工過程中對(duì)建筑材料、機(jī)電設(shè)備、施工人員的垂直運(yùn)輸作業(yè)需求量非常大。因此，垂直運(yùn)輸施工技術(shù)的研究與創(chuàng)新將會(huì)顯著提高施工效率。本項(xiàng)目主要采用了以下幾個(gè)技術(shù)方案。

1）塔樓造樓裝備集成技術(shù)（圖6）。通過將大噸位吊機(jī)與鋼平臺(tái)、外圍護(hù)架、提升鋼模板、智能布料機(jī)等集成一體化安裝，從過去著力在結(jié)構(gòu)上的獨(dú)立塔吊，轉(zhuǎn)變?yōu)榘惭b在整體鋼平臺(tái)筒架上的一體化塔吊，使得其安全性大大提升，也避免了之前塔吊與鋼平臺(tái)交叉爬升造成的安全風(fēng)險(xiǎn)與工期影響。

圖6 塔樓造樓裝備集成

2）躍層電梯技術(shù)（圖7）。躍層電梯技術(shù)是超高層施工中較為先進(jìn)的垂直運(yùn)輸技術(shù)。通過臨時(shí)電梯機(jī)房等一系列爬升機(jī)構(gòu)，使得能在結(jié)構(gòu)完成前就提前使用永久的消防電梯。躍層電梯技術(shù)的使用，使消防梯能夠提前使用約70周。消防電梯相較于施工人貨電梯，其穩(wěn)定性、運(yùn)輸速度、運(yùn)輸噸位都具有巨大優(yōu)勢(shì)，躍層電梯的使用為材料和人員的運(yùn)輸帶來了極大的便利。

圖7 躍層電梯

3.2 高性能混凝土超高層施工關(guān)鍵技術(shù)

1）超高層混凝土智能布料技術(shù)（圖8）。使用最新型的智能化布料機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作，定位精度在0.2 m以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)澆點(diǎn)一鍵校準(zhǔn)定位、自動(dòng)規(guī)劃澆筑路徑、自動(dòng)定點(diǎn)澆筑。一體化集成的布料機(jī)還解決了現(xiàn)有布料設(shè)備控制精度低、澆筑存在盲區(qū)的問題，大大提高了混凝土的澆筑效率和質(zhì)量。另外，本項(xiàng)目引入的物料物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和監(jiān)控設(shè)備可以通過本地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控相結(jié)合的方式，對(duì)混凝土澆筑情況和數(shù)量進(jìn)行綜合管理。

圖8 鋼平臺(tái)集成布料機(jī)

2）超高層混凝土泵送技術(shù)。在施工前期，通過多次的非原位模擬柱試驗(yàn)，在不同溫度的天氣下，在不同施工高度的情況下，對(duì)混凝土泵送料進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，優(yōu)化并確定了最終的配合比。同時(shí)，采用了吊具與泵管的數(shù)字化快速連接技術(shù)，對(duì)混凝土泵管采用液壓提升，保證混凝土泵管能快速提升，又采用激光自動(dòng)測(cè)距和自補(bǔ)償柔性澆注管實(shí)現(xiàn)精確連接。

3.3 智能控制整體鋼平臺(tái)模架與大型施工機(jī)械集成造樓裝備

T2塔樓使用了智能控制的整體鋼平臺(tái)模架與大型施工機(jī)械集成造樓裝備（圖9）。

圖9 鋼平臺(tái)上施工機(jī)械位置示意

該集成造樓裝備由鋼平臺(tái)系統(tǒng)、吊腳手架系統(tǒng)、鋼梁爬升系統(tǒng)、筒架支撐系統(tǒng)、大承載筒架支撐系統(tǒng)和模板系統(tǒng)六部分組成。該平臺(tái)通過大承載力筒架的使用，使整體鋼模架、大型塔機(jī)、新型智能布料機(jī)、施工升降機(jī)的一體化成為了現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)各類機(jī)械設(shè)備的協(xié)同工作，大幅提升超高層結(jié)構(gòu)施工的效率。

在使用過程中，造樓設(shè)備采用智能檢測(cè)技術(shù)，對(duì)重點(diǎn)部位的應(yīng)力、變形及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過施工過程大量數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集分析，實(shí)現(xiàn)集成造樓裝備爬升狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4 數(shù)字化附能的總承包管理

通過將先進(jìn)的信息化技術(shù)融入項(xiàng)目的日常管理工作中，進(jìn)一步提高了成本、進(jìn)度、質(zhì)量與安全等方面的管理水平，提高現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目管理的效率，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目更精細(xì)化的管控。

4.1 基于BIM的施工現(xiàn)場(chǎng)管理技術(shù)

作為數(shù)字化工具的代表，BIM技術(shù)在本項(xiàng)目的策劃、設(shè)計(jì)、施工和管理等各方面都發(fā)揮了重要的作用。

1）基于BIM的施工進(jìn)度管理。超高層建筑標(biāo)準(zhǔn)層的施工工序周期化重復(fù)，模塊化程度高。本項(xiàng)目在施工過程中，采用BIM模型對(duì)施工工序進(jìn)行可視化管理。通過管理平臺(tái)針對(duì)不同的專業(yè)和施工工序，設(shè)置標(biāo)注各工序的流程及相應(yīng)顏色。同時(shí)，可以通過手機(jī)掃碼更新流程，讓進(jìn)度控制更直觀（圖10）。

圖10 BIM可視化管理模型

2）基于BIM技術(shù)的協(xié)同工作管理。在BIM可視化管理模型上傳過程中，如果施工進(jìn)度出現(xiàn)延誤，需要所有相關(guān)專業(yè)人員提交進(jìn)度延誤文件，并綁定到相應(yīng)的施工工段。在總承包的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理下，施工延誤可追溯，索賠能力得到更好的保留（圖11）。

圖11 BIM工期追溯及進(jìn)度管理平臺(tái)

4.2 基于互聯(lián)網(wǎng)的勞務(wù)狀態(tài)信息化管理

由于疫情期間的常態(tài)化管理，現(xiàn)場(chǎng)施工人員的勞務(wù)管理成為影響現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素之一。在勞務(wù)人員流動(dòng)性控制無法通過單個(gè)項(xiàng)目去解決的情況下，本項(xiàng)目利用互聯(lián)網(wǎng)對(duì)勞務(wù)人員進(jìn)行信息化管理，提升現(xiàn)場(chǎng)的管理水平，其要點(diǎn)如下：

1）勞動(dòng)實(shí)名制管理信息化。總承包商和專業(yè)分包商勞務(wù)管理員負(fù)責(zé)對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行實(shí)名登記。

2）信息化管理APP。由第三方軟件供應(yīng)商開發(fā)定制專用程序，每個(gè)人經(jīng)過實(shí)名注冊(cè)后可以分配獲得一個(gè)獨(dú)立的賬戶。通過這專用程序，可以對(duì)每個(gè)人發(fā)布通知、進(jìn)行教育交底、學(xué)習(xí)培訓(xùn)等，也可以通過該程序生成的自己的專屬二維碼，便于后續(xù)實(shí)名管理。

3）實(shí)時(shí)人員統(tǒng)計(jì)管理。整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)通過使用閘機(jī)進(jìn)行封閉管理，所有人員通過專用程序生成的自己的專屬二維碼，并通過二維碼進(jìn)入工地現(xiàn)場(chǎng)，這樣可以更好地統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)各種人員的數(shù)量。

5 智慧建造管理成果及方向

5.1 智慧建造帶來的成果

城市核心區(qū)復(fù)雜的環(huán)境給超高層建筑的建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在巨大的管理壓力下，現(xiàn)場(chǎng)管理團(tuán)隊(duì)通過采用新技術(shù)、新工藝、新方法，摸索出一些智慧施工和施工管理的辦法。

本項(xiàng)目智慧建造管理的實(shí)施，為項(xiàng)目帶來了以下的幾點(diǎn)改進(jìn)：

1）技術(shù)策劃及管理成果改進(jìn)。在項(xiàng)目技術(shù)策劃方面，通過BIM、無人機(jī)等技術(shù)，更好地掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)堆場(chǎng)、道路等設(shè)施，保障項(xiàng)目有序運(yùn)行。通過大容量鋼平臺(tái)的設(shè)計(jì)和各種機(jī)械設(shè)備的集成，提高了超高層施工的技術(shù)管理水平和安全性。

2）安全管理數(shù)字化程度的提升。通過引入全景攝像、二維碼以及防碰撞系統(tǒng)等多種數(shù)字化管理手段，加強(qiáng)了管理人員對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的管控。通過實(shí)名制和互聯(lián)網(wǎng)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的用工管理，使得對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員流動(dòng)情況有了更全面的掌握。

3）節(jié)約管理成本，提高管理效率。項(xiàng)目精細(xì)化管理需要增加管理人員的配置，由于數(shù)字化、智能化管理技術(shù)的介入，在精簡(jiǎn)管理人員配置數(shù)量的同時(shí)，還能有效地降低現(xiàn)場(chǎng)管理成本和溝通成本，極大地提升了管理效率及管理能級(jí)。

5.2 未來的發(fā)展方向

數(shù)字化、智能化在工程建設(shè)領(lǐng)域中發(fā)展迅速，通過在這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施與探索，也發(fā)現(xiàn)一些需要進(jìn)一步優(yōu)化的內(nèi)容，主要如下：

1）勞動(dòng)力管理。實(shí)名制和人臉識(shí)別的普及將項(xiàng)目上勞務(wù)用工管理提升到一個(gè)新的水平，但由于在不同項(xiàng)目之間的相對(duì)獨(dú)立性，每個(gè)工人在每個(gè)工地都會(huì)遇到不同的實(shí)名制管理方式，會(huì)大大增加成本，同時(shí)可能導(dǎo)致準(zhǔn)確性的降低。如何整合統(tǒng)一進(jìn)行勞務(wù)用工實(shí)名制管理，是一個(gè)亟待解決的問題。

2）物料管理。從5G通信技術(shù)的商業(yè)開放，物聯(lián)網(wǎng)步入了新的時(shí)代。本項(xiàng)目應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)，還只是在組件信息傳輸方面。如何更好地提升物聯(lián)網(wǎng)的管理水平，比如對(duì)原材料網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控元器件的準(zhǔn)入、加工、裝配、驗(yàn)收全過程的管理，仍然需要一個(gè)不斷發(fā)展的過程。

3）數(shù)據(jù)管理。BIM模型、數(shù)字化技術(shù)和設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，有效地推動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)管理。但由于BIM模型平臺(tái)眾多，相關(guān)數(shù)字化解決方案?jìng)?cè)重的專業(yè)也不同。如何整合各數(shù)字化模塊，形成一個(gè)完整的數(shù)字化管控方案，是智慧建造從錦上添花到不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。