公路工程BIM技術與智慧工地平臺的融合研究

摘要：為推動公路工程建設的高質量發(fā)展，提高工程智能化、信息化與數字化水平，對BIM技術與智慧工地平臺的深度融合開展研究，通過智慧工地平臺的架構設計，對業(yè)務平臺子系統(tǒng)進行開發(fā)，完成基于BIM技術的智慧工地平臺系統(tǒng)構建，提出了BIM技術與基礎業(yè)務、工業(yè)化建造及物聯(lián)網檢測之間的融合方式，為公路工程數字化建設路徑提供有益參考。

關鍵詞：公路工程；BIM技術；智慧工地平臺

一、前言

近年來，交通運輸部先后發(fā)布BIM應用指導意見，開展公路示范工程建設，大力推動BIM技術在公路工程建設領域中的應用[1-3]。BIM技術不僅是行業(yè)前沿性技術，也是行業(yè)發(fā)展的大趨勢[4]。由于公共工程建設呈帶狀結構，使得BIM技術的應用未能廣泛深入推廣，因此發(fā)掘BIM技術在高速工程建設項目中的應用價值，進一步提升公路的建設及管理的品質，是新時代交通基礎設施建設面臨的重要課題。

智慧工地技術是指基于物聯(lián)網、BIM、大數據、云計算等信息化技術的工程現(xiàn)代化技術，形成具有 PC 端和移動端的“智慧工地云平臺”，并通過對工程中的“人、機、料、法、環(huán)”全面控制，獲取施工各工序的過程數據，達到對工程的有效動態(tài)監(jiān)管[5-7]。

對于BIM技術與智慧工地的融合應用，國內學者做了相關研究[8-9]，但公路工程中的智慧工地技術應用與BIM技術應用未能有效融合，各子系統(tǒng)的數據掛接不能協(xié)同開放，導致無法最大程度發(fā)揮技術優(yōu)勢?；诖耍狙芯拷Y合公路工程建設特點，進行基于BIM技術的智慧工地平臺設計構建，對BIM技術與智慧工地平臺的融合方式開展研究分析。

二、基于BIM的智慧工地平臺設計

（一）架構設計原則

公路工程建設項目的智慧工地系統(tǒng)設計重點是實現(xiàn)原有應用系統(tǒng)的全面升級以及新的應用系統(tǒng)的開發(fā)，從而建立行業(yè)全面的應用系統(tǒng)架構群。為了保證系統(tǒng)正常運行，并實現(xiàn)預期的功能，智慧工地系統(tǒng)的設計、選型、以及開發(fā)過程應該遵循如下原則：

（1）總體規(guī)劃、分層實施原則；以對系統(tǒng)進行總體設計而開始設計工作，而且接下來的工作是在總體設計指導下進行的分步開發(fā)。

（2）完備性原則：系統(tǒng)的完備性是指系統(tǒng)應該滿足體系化思想，全面考慮用戶需求和邏輯架構，保證系統(tǒng)結構合理性和規(guī)范性。

（3）可靠性原則：即在一定的時間內，系統(tǒng)能夠準確的完成一定的功能。

（4）安全性原則：指在系統(tǒng)所有業(yè)務里都應該考慮避免遭受計算機病毒、惡意程序的攻擊而發(fā)生數據的丟失與泄露。

（5）可操作性原則：系統(tǒng)軟件嚴格按照需求定制功能，布局清晰、操作簡單靈活、符合用戶群體操作習慣，能夠流暢響應用戶的操作，直觀展示系統(tǒng)界面及輸出數據，避免功能冗余、不符合實際使用需求。

（二）平臺架構設計

智慧工地平臺是一個綜合管理平臺，平臺中的功能涉及到項目施工過程及管理中的各項業(yè)務，平臺主要業(yè)務模塊包括智慧檢測、智慧梁廠、路基施工、路面施工、橋隧施工和安全環(huán)保等。

目前行業(yè)中各子業(yè)務系統(tǒng)模塊在項目上都有成熟的應用，但缺乏一個統(tǒng)一的綜合的業(yè)務管理平臺將項目施工及管理中的各項業(yè)務都統(tǒng)一管理起來，打通各業(yè)務系統(tǒng)間的數據壁壘，實現(xiàn)數據的統(tǒng)一和共享，并能為項目決策提供數據支撐。

本研究利用信息及數據交互技術，擬建設一個包括項目施工過程及管理各類業(yè)務的綜合管理平臺，并真正實現(xiàn)各業(yè)務模塊數據間的深度融合和共享。智慧工地各個子系統(tǒng)之間業(yè)務獨立互相不影響，各個子系統(tǒng)子開發(fā)業(yè)務功能，從代碼架構、功能開發(fā)、功能測試、功能上線都是獨立進行，互相不干擾，各子系統(tǒng)開發(fā)采取完全前后端分離，后臺采取spring框架開發(fā)，前端采取vue.js架構，開發(fā)人員崗位精細化管理，開發(fā)效率較高。

三、基于BIM的多業(yè)務智慧工地平臺開發(fā)

（一）智慧管理

對于項目主要管理人員、機械設備、物料進行綜合管理，實現(xiàn)項目主要管理人員的工作考勤、特定人員工作軌跡查詢，主要進場機械的在線進場履約檢查、作業(yè)狀態(tài)管理，主要物資材料的進場信息管理。

1.人員管理

人員管理功能主要包括人員考勤、人員資料庫、人員勞務管理、人員軌跡。通過人員考勤機、智能安全帽、智能手環(huán)等設備將人員的相關信息上傳至平臺，在平臺中實時查看施工人員的姓名、進出施工區(qū)域時間、所在班組、位置等信息，實現(xiàn)施工人員的在線監(jiān)管，保證工資及時發(fā)放，提高人員流動信息的統(tǒng)計效率。

2.設備管理

設備管理系統(tǒng)是實現(xiàn)對工程項目主要施工機械的數量、工作狀態(tài)、工作時長及施工位置等關鍵信息的實施記錄、統(tǒng)計和分析；依照“平安工地”建設需求，同步導入設備相關材料，包括維修保養(yǎng)記錄、進出場登記信息等，形成完整項目設備詳情信息，管理人員可根據實際情況在線完成設備的進場或離場操作。設備離場，系統(tǒng)自動記錄并同步隱藏數據庫相應數據信息。設備進場，管理人員可在線上傳相關信息，系統(tǒng)自動在資料庫中新增該設備詳細信息。

3.物料管理

物料管理通過計算機技術、物聯(lián)網技術、紅外技術、視頻技術等實現(xiàn)對物資材料過磅數據采集，材料信息在系統(tǒng)中入庫。平臺中記錄材料批次、類型、規(guī)格、入庫數量、標段、時間等信息。

（二）智慧施工

智慧施工部分包括對路基施工、路面施工、橋梁施工的質量管理以及施工進度的在線監(jiān)控，通過傳感器、智能化施工機械等將生產及施工過程中時間、樁號、速度、溫度等數據進行實時采集并上傳至平臺，實現(xiàn)施工過程的進度監(jiān)管、數據分析、質量預警等功能。

1.路基施工

路基施工部分包括樁基施工及路基壓實施工。

（1）樁基施工

對樁基礎的施工過程進行監(jiān)測，實時查看各標段樁基的施工進度，根據樁號統(tǒng)計的樁基礎的施工工藝、成樁時間、以及樁頂標高等檢測信息也通過物聯(lián)網儀器上傳至平臺，形成記錄供用戶進行查看。

（2）路基壓實施工

路基壓實施工首頁對整體施工段落進行進度的展示，還可在平臺中及時查看當天各標段總施工里程、施工軌跡圖及施工過程回放等，通過歷史數據查看施工機械連續(xù)上傳的實時施工數據。

2.路面施工

路面施工部分包括對水穩(wěn)基層以及瀝青混合料面層的實時拌和生產、運輸軌跡、攤鋪里程、壓實進度等全過程產生數據的在線查看、分析、監(jiān)管、預警等。

（1）路面施工主頁

路面施工主頁對當日施工各標段的拌和、運輸、攤鋪、壓實情況進行展示，通過主頁的地圖可直觀看到各標段各結構層前場施工實況。項目的施工進度也可以直接在主頁點擊查看。

（2）路面看板

路面看板可總體查看前場、后場的施工進度，對路面施工質量的試驗檢測情況，水穩(wěn)、瀝青砼兩種材料的拌和生產計劃及進度、拌和質量監(jiān)控、攤鋪壓實質量監(jiān)控等信息。

3.橋涵施工

智慧工地平臺中橋涵施工部分主要內容為預制梁廠的構件生產施工全過程在線監(jiān)管。通過運用二維碼掃描識別技術、RFID射頻識別技術等，實現(xiàn)構件編碼的唯一性管理，對構件生產、安裝進行追蹤溯源。

（三）智慧監(jiān)測

智慧監(jiān)測主要體現(xiàn)在項目的環(huán)保監(jiān)測及視頻監(jiān)控。在環(huán)境敏感區(qū)域，配置PM10、PM2.5、噪音、風速等環(huán)境監(jiān)測設備。在特大橋、樞紐互通、拌合站、預制場、瀝青路面攤鋪現(xiàn)場、工地試驗室等主要重要部位實施遠程視頻監(jiān)控，通過視頻AI檢測技術，對項目安全行為進行管控。

1.環(huán)保監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要對工地揚塵污染和噪聲污染進行監(jiān)控，出現(xiàn)異常推送預警信息，并通過環(huán)境監(jiān)測管理平臺對工程施工過程中的環(huán)保實施情況進行管理、監(jiān)測、評價。

2.視頻監(jiān)測

通過在施工現(xiàn)場安裝網絡云臺攝像機、網絡硬盤錄像機（錄像存儲），在試驗室、拌合站、預制場、等施工相關環(huán)節(jié)一些重點危險區(qū)域采取在線視頻監(jiān)控，采用寬帶、3G/4G等方式將視頻圖像上傳至服務器平臺，再通過終端設備遠程訪問現(xiàn)場視頻圖像，實現(xiàn)施工現(xiàn)場質量安全監(jiān)控的可視化、網絡化、及智能化。

（四）智慧大屏

通過智慧大屏實現(xiàn)本智慧平臺下各子系統(tǒng)的整合集成，實現(xiàn)業(yè)務數據貫通及賬號和權限互通，使用戶只需訪問該統(tǒng)一平臺而不必頻繁訪問不同的系統(tǒng)。系統(tǒng)使用中按照“小屏（APP）+中屏（PC）”的架構體系，中屏指電腦端，通過Web端填報、查詢詳細的數據信息，而小屏指APP，實現(xiàn)快速查詢相關信息。

各標段智控大屏對項目各標段及分項工程的施工進度進行展示，對項目施工及檢測質量進行評價，對項目整體的人員管理、設備管理、物料管理、安全管理進行綜合展示。

四、BIM技術與智慧工地平臺融合研究

（一）BIM技術與智慧工地平臺融合關系

BIM技術以三維為載體，能夠將工程項目的特性信息以數據信息模型方式展現(xiàn)，并圍繞模型實現(xiàn)碰撞檢測、施工模擬、算量分析等數字化應用，整合了離散的信息流程，避免了信息的歧義和不一致，減少了信息總量，促進了信息共享和協(xié)同工作，可以對整個工程項目進行全壽命周期的描述。

BIM與智慧工地平臺融合是將智慧工地平臺與BIM平臺的基礎信息進行深度融合，實現(xiàn)無縫集成，并為后面業(yè)務融合提供基礎支撐，主要研究內容包括人員管理融合、權限管理融合、組織機構管理融合和設備管理融合，以及試驗檢測融合、智慧梁廠融合、路面施工融合、路基施工融合。

智慧工地與BIM模型的融合首先根據項目施工設計要求進行BIM模型的設計，將智慧工地各業(yè)務平臺獲得的數據通過模型中設計的對應編碼進行識別并從數據庫提取，從而實現(xiàn)智慧工地施工、檢測、管理數據與BIM模型對應位置的掛接，實現(xiàn)道路施工的全壽命周期管理的可視化。

（二）BIM與智慧工地基礎業(yè)務的融合

智慧工地系統(tǒng)對項目施工全過程進行管控，應用BIM技術可將基礎信息與其他施工信息關聯(lián)，將人員變動、設備使用情況、物料的出入庫情況，以及對施工環(huán)境的監(jiān)測情況，建立關系，便于相關人員進行高效管理。

（1）人員管理和視頻監(jiān)測關聯(lián)

通過施工現(xiàn)場的監(jiān)控器，對施工人員違規(guī)操作進行AI識別并抓拍，形成記錄，將人員考勤數據、人員定位數據與視頻監(jiān)測數據關聯(lián)，為人員管理提供有力依據，同時BIM平臺還可以統(tǒng)計違規(guī)操作次數、預警次數等，同樣對管理者提供確實的數據支撐，有利于在復雜的施工環(huán)境中，對施工人員進行基本的考勤管理以及行為安全管理。

（2）安全管理與BIM融合

對BIM模型進行工藝分類，將智慧工地平臺安全管理模塊設置的安全隱患、防范預控措施等信息按照特定編碼與BIM模型對應位置掛接，根據實際施工進度自動提醒，并對存在安全隱患位置進行施工全過程的追蹤，對項目的安全管理情況進行考核評價，有利于保障施工過程人員、機械的安全，為后期運維提供數據參考。

（3）物料管理與試驗檢測關聯(lián)

在智慧工地平臺的物料管理模塊，物料的入庫、使用情況與試驗檢測平臺、BIM協(xié)同平臺數據互聯(lián)互通，從而將物料數據與工程實體相關聯(lián)，及時準確地提供質量數據跟蹤分析，有利于在對應工程部位出現(xiàn)質量問題時，為預警原因、處理方法提供參考依據。

（三）BIM與工業(yè)化建造的融合

公路基礎建設主要包括路基工程、路面工程、橋梁工程、隧道工程等主體分項工程，從材料生產、運輸、施工的每個階段，采用智能壓實控制技術、3D攤鋪技術、無人駕駛技術等先進技術時，利用BIM技術可實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的技術引導，進而在保證施工質量的同時，提高施工效率以及促進先進技術的發(fā)展。

在公路工程項目實施中，項目進度的管理是極其重要的組成部分，工程進度管理直接關系到項目建設期限、成本控制以及質量目標的具體實現(xiàn)。由于傳統(tǒng)管理方式的不足，在工程體量龐大、施工周期較長、參與單位和人員眾多、受環(huán)境因素影響較大的種種情況下，對于道路建設項目建設過程，施工進度計劃與實際管理過程中的進度有出入，對項目的經濟效益和社會效益產生直接影響。

因此，通過BIM技術與各分項工程施工過程產生的多源數據融合，將進度管理細化，并將施工計劃進度、實際進度、計劃產值、實際產值等重點指標以圖表等形式展現(xiàn)出來，管理者可通過BIM平臺對項目的進展實時掌控，提高管理及決策的科學性，將BIM可視化管理貫穿服務于所有分項工程的全周期階段。

五、結語

公路工程中BIM技術與智慧工地平臺融合是將智慧工地平臺與BIM平臺基礎信息進行深度融合，實現(xiàn)無縫集成，為后續(xù)業(yè)務，如試驗檢測、智慧梁廠等融合提供基礎支撐。BIM技術應作為核心大腦控制施工整體進度，智慧工地技術則作為數據采集手段，將全周期、全工序的施工數據通過信息化設備采集上傳至平臺，并與BIM構件掛接，實現(xiàn)兩者的有機融合。

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（作者單位：江蘇中路信息科技有限公司）