基于CIM的智慧工地建設與應用

馮 帆，羅乾鵬

（中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司，湖北 武漢 430000）

1 建筑工程發(fā)展現(xiàn)狀

工程建設項目涉及眾多單位，包括業(yè)主方、設計院、施工總承包商、各子分包商、監(jiān)理等。各單位在施工生產(chǎn)工作中需要頻繁溝通，共享信息并協(xié)同合作，但各參建方使用的項目管理系統(tǒng)相對分散和獨立，無法達到信息共享和協(xié)同辦公，工作效率比較低下。

不同的項目需要的信息化功能往往也不一致，定制化開發(fā)正成為信息化項目發(fā)展的趨勢，但面對眾多參與單位和部門，系統(tǒng)個性化也存在著較多的分歧。一方面，需要根據(jù)使用單位的需求，充分調(diào)研后對系統(tǒng)架構進行重構，增加了較多的時間和人力成本；另一方面，一個項目的建設周期一般也僅有幾年，完工后便不再使用。

信息化系統(tǒng)賦能施工項目有限，傳統(tǒng)的工程項目更習慣于以往的工作方式，面對新的信息化管理模式，需要學習成本，甚至產(chǎn)生抵觸心理。建筑項目的參建單位眾多，對信息化的推進重視程度不同，其中一方的信息滯后可能導致多方的數(shù)據(jù)不同步。

2 基于CIM的智慧工地建設目標

基于當前的建設工程信息化發(fā)展現(xiàn)狀，在傳統(tǒng)的工地管理方式上，需要迫切建立一種既符合現(xiàn)場實際施工需求又智能化的信息管理系統(tǒng)。

城市信息模型(CIM）采用GIS技術，通過物聯(lián)網(wǎng)(IoT）技術將建筑信息模型(BIM）進行三維可視化和場景展示，實現(xiàn)從城市到城區(qū)、街道以及樓房的各級展示，構建出城市的三維信息以及時空數(shù)據(jù)綜合體。

基于CIM的智慧工地系統(tǒng)是在城市信息模型的基礎上，圍繞施工現(xiàn)場管理，通過三維立體技術對工程建設項目進行模型化處理，建立起工地建筑物、生產(chǎn)機械設備、施工物料、人員等三維數(shù)字模型，表達和管理工地現(xiàn)場三維空間。該系統(tǒng)將平臺數(shù)字化數(shù)據(jù)和實際施工現(xiàn)場的工程信息形成數(shù)據(jù)倉庫，經(jīng)大數(shù)據(jù)技術處理后，提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計和趨勢預測，為建設工程的設計、施工、使用、維護等提供基礎性的操作和可視化的管理平臺，滿足施工、物資、安全、監(jiān)管等的應用需求，提升建設項目的精確高效生產(chǎn)管理水平，促進建筑企業(yè)轉型升級，實現(xiàn)施工過程的“高效、安全、規(guī)范、環(huán)保、智能、精細”發(fā)展目標。

3 基于CIM的智慧工地系統(tǒng)詳細設計

統(tǒng)一建設項目基礎信息管理，將分散在各業(yè)務系統(tǒng)中的項目信息整合到統(tǒng)一的系統(tǒng)，如圖1所示，做到項目報建統(tǒng)一入口，項目審批過程信息統(tǒng)一對接，項目基礎信息變更統(tǒng)一維護，與發(fā)改委、自然資源局、審批局對接，獲取項目的立項信息、土地信息、規(guī)劃信息、審批信息，完善項目基礎數(shù)據(jù)，保證基礎信息的準確性。

圖1 系統(tǒng)設計

3.1 施工現(xiàn)場綜合管理系統(tǒng)

施工現(xiàn)場綜合管理系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)、現(xiàn)場人員管理子系統(tǒng)、工程物資管理子系統(tǒng)、機械設備管理子系統(tǒng)等組成。各子系統(tǒng)之間相互協(xié)同應用，構成施工現(xiàn)場一體化的管理系統(tǒng)。

3.1.1 現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)

感知監(jiān)測管理，通過前端感知設備實時顯示各監(jiān)測點的行為數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析技術，對采集的數(shù)據(jù)進行分類研判以及連續(xù)的挖掘分析，最終以圖形可視化的形式直觀展示。

自動預警管理，當感知設備實測數(shù)據(jù)超出預設參數(shù)標準值范圍時，平臺自主判斷，定位故障點位，并第一時間發(fā)出告警信號，通知系統(tǒng)設定的指定人員進行現(xiàn)場處理。

視頻監(jiān)控管理，使用“邊緣計算技術＋智能終端攝像頭”對施工現(xiàn)場進行實時監(jiān)控，重點監(jiān)測危大工程施工現(xiàn)場工作人員及環(huán)境狀況，如深基坑、地下暗挖等超過一定規(guī)模的危險性較大工程；對現(xiàn)場人員的不文明行為，如未戴安全帽、未穿反光衣等，第一時間進行語音形式告警，同時系統(tǒng)自動進行文明施工的考核；對施工現(xiàn)場監(jiān)控到的關鍵影像備份留存，自動分類標記。

通過傳感器監(jiān)測鋼絲繩內(nèi)部斷絲、斷股等損傷情況，實現(xiàn)鋼絲繩安全狀態(tài)自動化監(jiān)測，實現(xiàn)遠程監(jiān)管，

實時傳輸數(shù)據(jù)至智慧工地管理平臺。使用設備檢測工地中使用的鋼絲繩，并上傳系統(tǒng)，上傳數(shù)據(jù)包括項目工地、時間、檢測人、檢測時間、檢測鋼絲繩所屬設備編號以及檢測結果；系統(tǒng)根據(jù)設定的檢測指標要求，對檢測數(shù)據(jù)進行比對，篩選出不同風險評級的數(shù)據(jù)；監(jiān)督部門根據(jù)評級下發(fā)限時整改要求；對逾期未上報的工地進行系統(tǒng)自動預警。

塔機激光定位系統(tǒng)是通過安裝在塔吊小車上的激光發(fā)射器實現(xiàn)精準定位，其夜視效果清晰，能輔助駕駛員在夜間施工環(huán)境下準確定位吊鉤位置，保障塔機安全，并將吊鉤每次變動的相對位置數(shù)據(jù)傳送到智慧工地平臺。

在架體加裝傳感器，能實時監(jiān)測架體的水平位移、傾斜數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)超出規(guī)范要求的情況，并上傳至智慧工地管理平臺?；谖锫?lián)網(wǎng)技術和傳感技術的結合，對懸挑架的工字鋼支撐沉降繞曲和架體的水平位移進行重點監(jiān)測，包括重力實時監(jiān)測模塊、預警控制模塊、異常報警模塊和施工方案調(diào)整模塊等。通過無線組網(wǎng)和壓力傳感器裝置，隨時監(jiān)測腳手架架體的壓力變化、傾斜角度變化、位移變化等非常規(guī)性變化，一旦有異常變化發(fā)生，系統(tǒng)會自動報警，提示負責人調(diào)整施工方案。從而實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)問題，早應對、早預防，解決現(xiàn)有腳手架體系存在的諸多不足，推進腳手架體系施工信息化建設，減少和預防腳手架坍塌等施工事故。

3.1.2 現(xiàn)場人員管理子系統(tǒng)

系統(tǒng)實行實名制登記。進入現(xiàn)場的人員通過身份證刷卡登記，并人臉識別比對，建立人員數(shù)據(jù)庫，同時可以完善工作崗位、職業(yè)證書、培訓經(jīng)歷等信息。通過上場人臉識別系統(tǒng)記錄人員的考勤信息，自動生成每名人員的考勤數(shù)據(jù)，能對農(nóng)民工進行考勤，并通過接口將考勤數(shù)據(jù)定期上傳到需要數(shù)據(jù)上傳的對應系統(tǒng)?？记诠芾硐到y(tǒng)支持多維度條件查詢，支持查詢月度考勤、當日考勤明細、考勤信息統(tǒng)計、考勤與工資單對比等。

現(xiàn)場人員定位。智能安全帽與現(xiàn)場人員相對應，基于終端的定位設施實時監(jiān)控人員的位置、分布情況，行動軌跡記錄在三維模型中，管理者通過可視化平臺進行遠程管理。

安全帽防護。基于終端的智能算法芯片，識別現(xiàn)場工作人員脫帽、跌倒、墜落等行為，便于管理者在接收預警后第一時間組織應急預案，保障現(xiàn)場人員安全。

教育培訓。結合AR/VR產(chǎn)品，在較為重要的工序開工前，對操作人員進行虛實結合沉浸式的安全技術交底，增強員工的安全意識和技能水平。同時，將現(xiàn)場交底的時間、人員、資料等信息自動留底保存。

3.1.3 工程物資管理子系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的建筑工程項目中，對物資材料的管理大多僅依靠Excel等表格匯總，可控性不強，在數(shù)據(jù)共享和實時管控中受限?；诠こ涛镔Y管理系統(tǒng)，在材料進場前，對供貨物資的原產(chǎn)地、貨物制造生產(chǎn)情況、材料運輸狀態(tài)等進行實時監(jiān)控，管理人員掌握材料制造運輸情況后，結合現(xiàn)場進展，對材料供應進行有效管控。進場材料的驗收，通過移動終端設備進行掃碼點驗，將材料規(guī)格型號、到貨數(shù)量、產(chǎn)品合格證等物資信息與提前錄入系統(tǒng)的進貨需求進行比對，自動生成到貨驗收報告，對材料供應不足或不合格批次可通過應用形成的報告鏈接推送至廠商端。

3.1.4 機械設備管理子系統(tǒng)

在機械設備管理方面，通過平臺對工程施工進度計劃進行建模，三維展示各進度節(jié)點的實時工程形象，對機械設備調(diào)度做出周密部署。機械設備進場時，每臺設備安裝特制的前端感知裝置，通過上傳的數(shù)據(jù)掌握進場機械設備的位置、速度、油耗、溫度等工況信息，對機械設備的使用進行全面管理，保障項目利益。

3.2 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過建立數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)服務共享、數(shù)據(jù)接口等方式匯聚、聯(lián)接、融合各種數(shù)據(jù)源［1］，從施工現(xiàn)場管理的進度控制、工序安排、資料歸檔等多個方面進行綜合考慮，采集人、機、料、法、環(huán)5方面要素特征的相關數(shù)據(jù)［2］，同時從不同維度對數(shù)據(jù)進行結構化、標準化處理，最終通過機器學習、仿真模擬等大數(shù)據(jù)分析技術挖掘規(guī)律，做出合理決策和預測，輔佐管理人員對施工現(xiàn)場精細化管理，進而保障施工進度的有序推進。

3.3 可視化系統(tǒng)

可視化系統(tǒng)是在CIM的基礎上，建立起建設工程與城市空間、物質、環(huán)境、功能、文化等方面的有機同構［3］，采用符合實際區(qū)域的仿真地貌地形圖，從不同的維度對城市和建設工程模型進行立體化展現(xiàn)。

基于CIM的智慧工地系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)可視化技術，使得工程感知數(shù)據(jù)與空間位置實時對應，提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析圖形圖表、提示預警、發(fā)展趨勢等，最終通過運營指揮中心大屏動態(tài)展示，輔助工程管理人員掌握全面信息并提供決策。同時基于CIM平臺數(shù)據(jù)開放性的特點，接入政府、住建部門、建筑企業(yè)等，為各方提供實時性的建設數(shù)據(jù)，在更高的層次對項目進行監(jiān)督管理和布局。

3.4 協(xié)同工作系統(tǒng)

協(xié)同辦公是智慧工地系統(tǒng)運行的基礎功能，可對用戶角色、組織架構、功能權限、流程審批等系統(tǒng)基礎性功能進行管理。在系統(tǒng)設置中，系統(tǒng)管理人員可以方便地進行系統(tǒng)配置調(diào)整，使之適應不同特點的施工現(xiàn)場管理，并可在使用過程中不斷變更系統(tǒng)配置，無需研發(fā)者過多介入。協(xié)同辦公系統(tǒng)提供標準數(shù)據(jù)接口，便于各模塊數(shù)據(jù)的對接共享。

協(xié)同工作系統(tǒng)中的預警管理子系統(tǒng)可以實現(xiàn)對項目建設過程中各步驟不符合規(guī)定的操作進行預警，為監(jiān)管部門、建設、監(jiān)理、總包、分包、銀行等單位提供實時監(jiān)管信息。包括對總包企業(yè)規(guī)定時間內(nèi)不發(fā)工資發(fā)出預警，對監(jiān)理人員規(guī)定時間內(nèi)不到工地發(fā)出預警；提醒監(jiān)管部門、關聯(lián)單位審核工程項目相關流程，提醒合同企業(yè)各單位按時提交考勤，提醒銀行資金收付等。通過觸發(fā)預先設定的預警條件發(fā)出告警，對相關指令進行對應處理后消除告警。系統(tǒng)還對各類預警進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計全面的分析。

4 結語

智慧工地是數(shù)字經(jīng)濟大環(huán)境下，建筑施工行業(yè)轉型升級發(fā)展的有利支撐。面對新領域新形勢，探索智慧城市新趨勢，借助基于城市信息管理模型發(fā)展工地數(shù)字化、智能化新模式是未來發(fā)展的必然方向。通過基于CIM的智慧工地管理平臺，施工現(xiàn)場人員工作更加合理高效，項目管理更加精準，項目各參建單位信息始終保持共享和工作協(xié)同，行業(yè)監(jiān)管與服務更加透明和高效，建筑業(yè)的發(fā)展更加現(xiàn)代化和智能化。