超高層建筑的數(shù)智化施工管理探索

許浩波

(云南建投第三建設(shè)有限公司)

當(dāng)前建筑業(yè)面臨著資源浪費、施工效率低、安全監(jiān)管松散等問題，同時由于超高層建筑項目一般建設(shè)周期較長、資料種類及數(shù)量較多，導(dǎo)致管理效率低下、施工成本高。而建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)能滿足工程項目精細化管理的需求，其核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫[1-2]。但由于超高層建筑施工范圍一般較廣，僅依靠BIM 技術(shù)進行管理較為困難[3]。而地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）能有效彌補BIM 缺少空間宏觀信息，無法進行大規(guī)模的建筑群體空間信息定位的技術(shù)空白。因此，為了實現(xiàn)超高層建筑的數(shù)智化施工管理，研究利用BIM/GIS 集成的數(shù)智化管理平臺對昆明市山海灣8 號項目進行了施工管理，實現(xiàn)了項目安全文明施工形象和效益的雙重提升。

1.超高層建筑的數(shù)智化施工管理平臺

1.1 數(shù)智化施工管理平臺關(guān)鍵技術(shù)

建筑行業(yè)規(guī)模雖然在不斷擴展，但受其落后的管理水平及參建主體間信息不互通的限制，往往施工效率低下，且建筑成本較高。而BIM 技術(shù)能囊括建筑的設(shè)計與施工的全部信息，并且信息集成過程可以從建筑開始運行持續(xù)至建筑全壽命周期的終結(jié)為止。BIM 技術(shù)有效地提高了工作效率，實現(xiàn)了節(jié)省資源、降低成本的目的，為可持續(xù)發(fā)展作出了有力貢獻[4-5]。但在住宅小區(qū)的建設(shè)中，由于建筑面積往往較大，施工管理困難，因此將GIS 技術(shù)與BIM 技術(shù)進行集成有利于提高大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力。在BIM/GIS 集成管理中，為了對建筑實體、實體屬性等相關(guān)關(guān)系進行描述，研究采用了IFC 模型信息作為語義模式。在利用IFC 進行模型信息的傳遞時，其重點在于如何定義IFC 屬性集。在超高層住宅建筑施工工程中，需要在標(biāo)準(zhǔn)IFC 的基礎(chǔ)上對超高層住宅建筑的特點進行擴充，并根據(jù)這些特點對屬性表達方式進行定義[6]。同時考慮到超高層住宅建設(shè)的需求，研究選用的GIS 平臺為Cesium 平臺。由于BIM 使用的坐標(biāo)系為相對坐標(biāo)系，而IFC 一般為笛卡爾坐標(biāo)系或地理坐標(biāo)系，因此需要對坐標(biāo)系進行轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式見式（1）。

式（1）中，x0表示BIM 模型的局部坐標(biāo)點；x1表示轉(zhuǎn)換后的直角坐標(biāo)；Tr表示轉(zhuǎn)換關(guān)系；R 表示旋轉(zhuǎn)矩陣；Rx、Ry和Rz均表示對應(yīng)的齊次坐標(biāo)；T 表示平移矢量；Tx、Ty和Tz分別表示T 在不同軸上的分量。Rx、Ry和Rz的計算公式見式（2）。

式（2）中，θx、θy和θz分別表示繞不同軸的旋轉(zhuǎn)角度。為了對BIM 模型進行三維渲染，需要將IFC 轉(zhuǎn)換為Cesium 平臺的兼容格式。同時為了實現(xiàn)BIM 與GIS 數(shù)據(jù)的融合，需要在保留必要屬性的基礎(chǔ)上，對模型構(gòu)件賦予標(biāo)識編碼，并按項目-工點-構(gòu)件的層級進行劃分管理[7-8]。此外在BIM/GIS 集成管理中，數(shù)據(jù)庫也是一個十分重要的模塊?？紤]到數(shù)據(jù)庫的可延性、開放性及客戶端支持和應(yīng)用模式，研究選擇了MySQL 作為數(shù)智化管理平臺的數(shù)據(jù)庫。

1.2 數(shù)智化施工管理平臺功能設(shè)計

數(shù)智化施工管理平臺分為展示和管理兩大板塊，其中管理板塊又被分為決策、項目、設(shè)計、模型、進度、成本、物資、人員、安全、質(zhì)量、資料和基礎(chǔ)設(shè)置12 個模塊。數(shù)智化施工管理平臺構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 數(shù)智化施工管理平臺構(gòu)架

由圖1 可知，數(shù)智化施工管理平臺的業(yè)務(wù)層涵蓋了項目進度、質(zhì)量、安全和計價等需求，滿足了工程管理的各方面需求。展示層支持電腦和手機運行，方便隨時查看項目情況。由于功能模塊較多，研究將選擇成本、進度、物資、質(zhì)量及安全共5 個重點功能進行介紹。在成本管理模塊中，數(shù)智化施工管理平臺首先根據(jù)構(gòu)件屬性選擇模型構(gòu)件，然后從算量規(guī)則庫中選擇計算規(guī)則。接著選擇定額條目套價，并按實際情況對人員、材料及設(shè)備價格及消耗情況進行調(diào)整，再將結(jié)果匯總至清單條目并進行取費，最后生成報表。在進度管理中，首先導(dǎo)入進度計劃；然后通過甘特圖展示進度計劃，并進行多版本進度計劃比選和生成關(guān)鍵路徑；接著與模型信息和成本信息掛接，生成5D施工模擬，并錄入實際進度計劃。然后將實際進度與計劃進度進行對比，并生成進度前鋒線，將進度前鋒線錄入施工日志；最后根據(jù)施工模式和實際成本數(shù)據(jù)生成實際進度的施工模擬。物資管理分為物資計劃管理、供應(yīng)商管理和物料追蹤三部分，其中物資計劃管理主要負責(zé)根據(jù)現(xiàn)場實際需求制定采購計劃，并進行月度/季度計劃審批。物料追蹤的主要作用是通過二維碼對物料信息進行管理，以追溯物料的使用情況，保證物料的質(zhì)量合格，使用部位明確[9-10]。在質(zhì)量管理中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量問題時，通過管理平臺可以將缺陷部位與模型構(gòu)件進行綁定，以方便制定具有針對性的解決方案，同時為整改后的檢查提供便利。在安全管理中，施工主體按照風(fēng)險等級對風(fēng)險源進行申報審批，然后根據(jù)風(fēng)險生命周期進行風(fēng)險源管控。接著進行風(fēng)險源檢查，其可以在APP 端發(fā)起。同時為了提高對高風(fēng)險區(qū)域的管控力度，系統(tǒng)還提供風(fēng)險源盯控管理，即由包保人對高風(fēng)險區(qū)域進行專人盯控、定期巡檢。

2.數(shù)智化施工管理平臺的項目應(yīng)用效果

2.1 項目概況及總平面布置

位于昆明市官渡區(qū)福保半島環(huán)湖路南面的山海灣8 號項目，屬于超高層高端住宅建筑；具有車位配比高、地下室精裝修的優(yōu)點。山海灣8 號項目總建筑面積約30 萬m2，其中地下單層面積約3.8 萬m2，地上面積約22.5 萬m2，建筑高度為129.65 m。樁基礎(chǔ)為旋挖樁筏基礎(chǔ)，樁徑為800 mm，有效樁長為68 m?，F(xiàn)場布置嚴(yán)格按照三維圖紙實施，人車道路、消防、加工區(qū)、設(shè)備、防護棚、雨水收集池及太陽能燈等平面布局，確保了場內(nèi)人車分流暢通，材料堆放、加工、取料有序，有效避免二次搬運，提升場地使用效率。現(xiàn)場安全防護首先項目技術(shù)人員用BIM 模型進行立體策劃，將需要安全防護的部位和防護形式進行立體建模，形成三維圖紙并生成防護材料統(tǒng)計表，現(xiàn)場實施人員和材料員依照圖紙和材料統(tǒng)計表精準(zhǔn)下料和制作、安裝，提高安全防護時效性。

2.2 項目管理成效

為了探究數(shù)智化施工管理平臺的性能，研究以昆明市山海灣8 號項目為例，對其管理效果進行了分析。在人員管理方面，為了保證施工現(xiàn)場無無關(guān)外來人員，采用人臉識別和實名制系統(tǒng)將班組人員的人臉信息、基本信息及進出場時間錄入到勞務(wù)系統(tǒng)，并利用帶有5G 芯片的安全帽對班組人員進行定位。以便及時了解勞務(wù)人員數(shù)量和施工位置等信息，及時調(diào)整勞務(wù)人員的分配情況。數(shù)智化施工管理平臺的勞務(wù)管理系統(tǒng)及安全檢查情況如圖2 所示。

圖2 勞務(wù)管理系統(tǒng)及安全檢查情況

由圖2（a）可知，通過勞務(wù)管理系統(tǒng)可以清楚地了解到山海灣8 號項目共有812 名工人，各工種的人數(shù)、在崗情況均一目了然。由圖2（b）可知，相較于傳統(tǒng)的安全檢查，數(shù)智化施工管理平臺的安全問題整理時間、記錄下發(fā)整改時間、整改回復(fù)時間分別降低了66.67%、33.33%和66.67%?？梢姡瑪?shù)智化施工管理平臺在勞務(wù)管理及安全檢查方面具有獨到優(yōu)勢。數(shù)智化施工管理平臺的物資管理情況如圖3 所示。

圖3 數(shù)智化施工管理平臺的物資管理情況

由圖3（a）可知，通過數(shù)智化施工管理平臺可以對升降機的使用工效進行分析，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，提高升降機的使用安全性。由圖3（b）可知，數(shù)智化施工管理平臺可以通過吊鉤可視化系統(tǒng)為司機提供安全監(jiān)控，降低盲吊事故的發(fā)生概率，提高施工的安全性。由此可知，數(shù)智化施工管理平臺在物資設(shè)備管理方面能極大地減少大型設(shè)備的使用安全隱患，為安全施工提供有力支持。數(shù)智化施工管理平臺的高危工程管理及綠色施工管理如圖4 所示。

圖4 高危工程管理及綠色施工管理

由圖4（a）可知，數(shù)智化施工管理平臺對于項目的高危工程能實時監(jiān)測高支模支撐系統(tǒng)桿軸力、水平位移、立桿傾斜、模板沉降和地基沉降等情況，相關(guān)人員通過手機端應(yīng)用即可實時了解各監(jiān)測點位的情況，及時對異常情況做出相應(yīng)處理。由圖4（b）可知，智能噴淋系統(tǒng)可以根據(jù)施工現(xiàn)場的溫度、濕度、PM2.5、PM10 等數(shù)據(jù)進行智能噴淋降塵。該智能噴淋系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)節(jié)約用水用電各11500 m3和2273 kWh。可見，數(shù)智化施工管理平臺不僅能對高危工程進行實時監(jiān)控，還能實現(xiàn)綠色施工。

3.結(jié)論

為了改變建筑行業(yè)管理效率低下的問題，研究提出BIM 和GIS 技術(shù)集成的數(shù)智化施工管理平臺，并結(jié)合昆明市山海灣8 號項目對平臺的管理效果進行了探討。結(jié)果顯示，數(shù)智化施工管理平臺的安全問題整理時間、記錄下發(fā)整改時間、整改回復(fù)時間分別降低了66.67%、33.33%和66.67%，且能對高支模支撐系統(tǒng)的情況進行實時監(jiān)測。在物資管理方面，數(shù)智化施工管理平臺能對各類設(shè)備的情況進行監(jiān)控，極大地減少大型設(shè)備的使用安全隱患；在綠色施工方面，智能噴淋系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)節(jié)約用水用電各11500 m3和2273 kWh。上述結(jié)果表明，數(shù)智化施工管理平臺在超高層建筑的施工管理方面具有獨到優(yōu)勢，能實現(xiàn)安全施工、綠色施工。