可视化协同管理在工程建设管理领域的应用研究

文｜广州市城乡建设信息中心 刘 瑜

随着我国国民经济的不断发展，2016年全国建筑业总产值为193567亿元，占国内生产总值的26%，为加强工程建设领域在项目前期、规划设计、工程造价、施工过程、责任主体等全过程的监管，相关部门多年来在工程建设信息化管理方式上历经了阶段性的发展过程。

第一阶段从2000年开始，随着“十五计划”中政务信息化的推广，工程建设管理部门纷纷开始了建设领域中各业务信息系统的建设，建立设计施工等主体企业资质备案、工程项目业务审批、建设类行政许可等管理系统。这一阶段主要是通过建立各项业务信息登记及备案系统，建立建筑市场信息化监督管理体系。

第二阶段是2005年平安城市建设理念的提出，公安部科技局决定在全国开展城市报警与监控系统建设。随着社会治安监控建设的推广，利用安全防范技术对于建筑工地的监控管理也逐步进行。同时，管理部门加强了对于建筑工程质量安全以及工地现场的监管。此阶段的特点是管理部门开始利用各种技术将关注点转向工程现场。

第三阶段是以智慧城市和社会诚信体系建设为契机。2009年物联网被列为国家五大新兴战略性产业之一，成为智慧城市建设的重要组成部分，工程建设领域逐步开展将各种传感器安装在建筑工程的工程结构、建筑材料、工程机械的应用尝试。随着对于建筑工程各方面的深度管理，为工程建设领域信用体系建设提供了数据支持，契合国家2011年“十二五”提出“加快社会信用体系建设”的总体要求。

第四阶段是2015年住建部提出《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》。2017年国务院的新一代人工智能发展规划，要求构建城市智能化基础设施，发展智能建筑，推动地下管廊等市政基础设施智能化改造升级，实现对城市基础设施和城市绿地、湿地等重要生态要素的全面感知以及对城市复杂系统运行的深度认知。对工程建设领域的发展提出了推进城市规划、建设、管理、运营全生命周期智能化的更高要求。

在工程建设管理领域不同阶段的发展中，从早期的行政审批和信息登记，到利用安防、物联网等技术管理建筑工程的现场实体，再到利用建筑信息模型（BIM）对工程建筑的仿真模拟，针对建筑实体、建筑模型和数据信息的监管成为了工程建设管理的三个重要方面。

加强对工程建设领域的管理，就是要将这三个方面更加直观有效的展现出来。而视觉是人类获取信息最重要也是最有效的渠道，可视化管理是将事物通过二维或多维的数据表达，辅助人们更直观的理解事物的概念和过程，使单纯的视觉感知达到深层次的思维认知。将工程建设管理与可视化相结合，形成针对工程现场的实体可视化，立足于建筑模型的虚拟可视化及建立在过程数据中的数据可视化。

图1 建筑实体、建筑模型、数据信息关系图

一、可视化管理在工程建设领域的现状

1、实体可视化

实体可视化是以成像设备对工程建筑的实景拍摄，可采用拍摄照片的管理方式，在安防设备成熟以后，视频监控成为工地实体可视化管理的主要手段。早期在建筑工地上采用光纤直连的方式，遇到工地监控点位经常移动、场地情况复杂的问题，随着4G技术的发展，工地更多采用无线传输的监控设备，同时辅以手机分发、可移动监控等手段进行补充。近年来，随着无人机和三维扫描等技术的发展，监控方式更加多样化。

实体可视化管理可以做到发生问题及时纠正或反应，比如工人是否佩戴安全帽，工程是否按规程施工，工地有无使用袋装水泥，施工过程是否存在明显的安全隐患等。随着科学技术的不断发展，未来和人工智能、图像识别等技术的结合使用，监管模式将更加智能化。

2、虚拟可视化

虚拟可视化从早期的建筑动画模型发展到建筑信息模型（BIM），是从工程项目设计开始，构建建筑本身及建设过程的虚拟模型。可以对工程各参与方在建设过程中提供直观的模型展示，促进施工生产力的有效提升，实现建筑工程的所见即所得。

3、数据可视化

数据可视化是通过对信息数据的可视化表达来提高工程建设领域的管理效率。一种是趋势可视化，比如在成本控制中项目所需要的材料、设备与人力的综合统计分析，评估项目成本是否超过预期。还有项目施工进度，将项目进度的各项材料数据与计划进度数据的综合比对，反映项目是否有超出工期的风险。一种是状态的可视化，比如采用物联网技术对项目深基坑的传感器监测，当综合位移值等指标的变化进入危险范围时进行预警。

二、可视化管理内容分析

工程建设领域管理的可视化其实也是借鉴科技研究的成果和其他领域的相关经验，以建筑本身和建设过程中所采集和模拟的信息为基础，构建虚拟化的模型，并通过数据上的关联分析来对工程建筑的实施过程乃至整个建设领域进行更多细节的掌控和更深层次的监管。所以可视化管理的目标就是要把建筑实体、虚拟模型和信息数据三者协同关联起来，从而使建筑工程全生命周期内的各种信息要素相结合，把管理和对实施过程的促进融合起来，使之成为建筑工程顺利实施的保障，也为达成更高层次管理目标打下基础。

三、可视化协同管理应用探索

工程建设领域的管理要点如图2。

1、项目前期阶段

项目在前期阶段，主要是从城市总体建设规划的角度论证项目的可行性，可结合可视化的建筑信息模型对项目选址、环境评价、地质评估来综合考虑，并估算项目投资。比如20公里范围内是否有飞机场对建筑高度的影响，涉及深基坑、隧道的项目对周边建筑的安全影响；以及建筑施工后对于该地区人口流动、道路交通的影响；原有建筑物、地下管线的迁移成本。

2、项目设计阶段

在项目设计中应用可视化的建筑信息模型（BIM）对设计方案进行直观的分析论证。结合项目环境，可以对项目进行节能分析和采光分析，并辅助工程造价分析。工程造价中材料费用通常占预算费用的70%以上，依据三维的建筑信息模型，可以快速准确地进行工程量计算，再结合建筑材料的价格分析，可以使项目的造价预算更为合理。从管理部门的角度来说，在项目设计阶段结合建筑信息模型和电子地图，可以将不同单位的行政审批业务结合起来。比如准确的规划用地范围，到项目实施过程中按部分建筑或单体建筑进行的施工许可、工程报监信息，以及预售时按建筑层、梯的划分，都可以通过统一的建筑信息模型确定具体的行政许可范围，为综合性的城市管理提供可关联的更加有效的数据支持。

3、建设施工阶段

3.1 施工管理

图2 管理架构图

在项目进行深化设计时，可以建立包括管理部门、建设单位、施工总包、专业分包、咨询、设计、监理等项目参与各方以建筑信息模型为中心的工作平台，实现工程实施的多主体协同。比如通过模型向总包和分包单位对建筑的钢筋、管线等复杂节点进行分析，共同优化相关节点布置。也可以模拟模板支撑体系的受力状况，以确保模板支撑体系的施工安全。在具体施工前，通过基于建筑信息模型的虚拟建造可以使施工单位更直观的理解施工方案。在施工过程中，还可利用可视化的建筑信息模型对现场的塔吊、起重机、施工电梯等安全风险较大的设备进行安装位置、运行范围的规划。

3.2 质量安全管理

建筑工程质量安全关系到人民生命财产，可结合物联网技术，对于建筑材料、建筑构配件和相关设备进行跟踪监测，作为工程建筑质量安全的保障。

对于施工过程可通过视频监控检查施工单位是否按照方案实施，工人是否符合安全施工要求；对施工材料监管上可采用RFID等电子标签，及对接检测机构的检测设备获得取样试件的检测数据，保证工程使用合规合格的建筑材料；对处于地下工程、深基坑等风险系数较高阶段的工程，可采用压力计、应力计、位移计等物联网传感器监测实时状态；对建筑使用的塔吊、施工电梯等起重设备监测其重量、力矩、环境风速、倾斜度等指标。以这些监测数据为基础，在BIM上构建监测模型，当出现预警时，监控设备可直接指向相关部位进行实时监控，使管理人员准确快速地确定问题位置。对工程施工责任人员方面，比如将建造师和监理师在工地的管理信息同招标时相关人员比对，可判断相关企业是否有更换项目经理的行为。

3.3 进度管理

在建筑工程进度控制中，通过建筑信息模型的虚拟建造可以在实施之前将很多设计缺陷或未预见的问题暴露出来，形成更完善的施工方案，使进度计划更加合理。

对于管理部门，可通过三维扫描设备、视频监控实景对工程主体和关键工序进行进度采集。一方面作为质量安全的管理依据，另一方面与建筑信息模型的可视化比对，直观地反映出工程进度。对责任人员、机电、材料等人员物资合同和支出情况的分析，可体现出工程的资金进度。

3.4 资产管理

建筑工程完工之后，形成的资产可分为实体资产与数据资产，实体资产为建筑工程完成竣工验收后的建筑实体，还有过程中的实体档案及资料。而通过建筑信息模型构建的协同工作平台，可在工程前期开始到设计、施工的整个过程中使工程参与方持续完善工程的各项信息化材料，形成完整的资料库。在此基础上收集的信息数据和分析成果与竣工模型一起形成建筑工程的数据资产。

4、运营使用阶段

工程项目建设完成后，通过建筑信息模型可直接给房屋交易及租赁管理提供支持，比如与房地产测绘结合对房屋进行产权和共有面积的划分，房屋预售、现售时候构建三维楼盘表。还可为后续建筑的安防设备、智能化管理设备的安装提供三维模型的整合依据，并为房屋安全管理和消防管理提供支持。

四、可视化协同管理的意义

建筑信息模型、视频监控、数据分析等可视化的成果不仅对建筑工程的实施过程有极大帮助，对于城市范围内工程建设领域的管理也有积极的促进作用。

建设工程从立项、方案、用地到施工运营的过程需经过发改委、国土、规划、环保、住建等多个部门，其中各类行政审批业务多是从自身管理的角度或是企业申报的角度办理，其中的管理主体或范围常常有一对多或多对多的情况。如果引入建筑信息模型，结合电子地图等技术，可以在数据档案中准确的划分出审批业务的管理范围，逐步构建跨部门的全过程业务监管体系。另一方面建筑工程的咨询、勘察设计、施工、监理各参与单位，以及注册建造师、注册监理工程师等责任人员的监管可通过纳入工程建设管理监督体系和诚信体系，实现对工程建设领域的主体监管。在建筑工程的现场管理中，将建筑信息模型、实景监控、物联网监测、数据分析广泛应用在施工、质量安全、进度、资产等的管理中，不断地探索对于施工现场及过程更有效的监管模式。

通过应用实体可视化和虚拟可视化对工程项目审批事项的业务监管、对实施参与单位的主体监管和对工程施工的过程监管，管理部门可将收集到的数据通过多角度可视化的数据分析，结合电子地图，能够对整个城市的工程建设领域进行更有效的监管，为智慧城市建设的进一步发展提供有力支持。