珠海横琴国际金融中心大厦项目智慧工地集成化应用

前广

(中建三局第一建设工程有限责任公司，武汉 430000)

1 工程背景介绍

1.1 项目简介

橫琴国际金融中心大厦工程位于珠海横琴新区十字门中央商务区横琴片区离岸金融岛8号地块，总建筑面积21.92万m2，建筑高度337m，塔楼69层，裙楼4层，地下室4层，是甲级写字楼、商业会展、餐饮与商务公寓等多种业态于一体的城市综合体，也是在建的珠海澳门第一高楼。

图1 IFC项目效果图

1.2 工程特点和难点

本项目具有品质定位高、工期紧、总包协调量大、造型复杂、工艺要求高等特点，在协同管理等多方面对智慧工地物联网技术提出了很高的要求： ①本项目争创鲁班奖，全国建筑业绿色施工示范工程，在管理上有很高的要求； ②办公塔楼采用了智能化顶升模架系统并采用了塔吊不倒梁顶升的新技术，项目安全监控要求高； ③总工期仅1 151天，且工程体量大，专业分包多，现场各专业同时施工工作面协调难度大，传统计划管理方式自动化低，管理过程繁琐，容易出现过程管理缺失等问题，无法满足本项目管理需要。

2 组织与应用环境

2.1 应用目标

图2 智慧工地总体框架

项目通过BIM相关技术的应用，引入无人机航测、激光扫描、AR/VR等新技术，依托物联网、云平台等信息系统，实现信息互联，同时将“物联网+”理念与工程项目实施过程中的进度、安全、质量、技术等管控要素相结合让新技术有机的结合在一起，打造智慧工地，让工地成为“生命体”。消除数据孤岛、打通数据传递链条，提升建设工地监督管理水平，促进建设工程科技创新，最终实现精益建造的目标。其具体功能分工情况如图2所示。

2.2 软硬件配置

选用软件是项目应用的关键，要明确选用平台的功能和特点，支撑项目各项应用目标。软件选用优势互补、数据共享、高效协同是打造智慧工地、实现精益建造的核心[1]，如表1所示。

表1 软件选用

3 智慧工地应用

3.1 管理平台概述

项目致力于探索消除数据孤岛、打通数据传递链条、实现数据的自动采集自动监管，企业三大管理平台以及进度计划管理系统，是信息管理的核心大脑，对各方面进行着分析和指挥。在项目上尝试将各平台数据进行整合，通过统一的数据标准、接口标准相互关联，实现数据的互通和共享。以施工现场管理系统为核心，打通项目信息横向传递链条，为项目管理服务。同时打通计划、成本等信息的竖向传递链条，为企业管理、决策服务。

智慧工地各平台协同工作流程如图3所示。

图3 智慧工地各平台的协同工作

3.2 各管理平台应用情况

3.2.1 公司纵向层面管理

公司层面，应用了自主研发的三大平台(图4)：

1)决策支持平台(DSS)

集成企业主要运营指标、风险预警的化解情况、为企业决策提供大数据支持；

2)综合管理信息系统(IMS)

企业内控流程管理平台，对企业运营风险进行管控；

3)项目现场管理信息系统(PMS)

为项目现场管理提供支撑与服务的信息化应用工具。

图4 纵向数据管理示意图

图5 通过参数快速生成总控计划

图6 计划分析

三个系统分别满足三个管控层级不同的管理需求，通过统一的数据标准、接口标准相互关联，实现数据的互通和共享。而智慧工地云平台则是为三大管理系统提供数据支持、监管项目的“耳目”。

3.2.2 基于BIM的进度管理

自主研发的基于BIM的施工项目总承包进度计划管理系统为项目提供快速参数化编制计划、线性分析优化、过程工作面可视化管理等功能，显著提高了计划的编制效率和可执行性提高工程进度管控能力[2]。

图7 自动生成施工模拟

3.2.3 PW协同管理平台

作为超高层大型公建项目，项目参建单位众多，通过PW平台及项目管理系统实现跨专业的数据共享和交流，通过高效的检索和数据储存，解决各参建方信息交互的问题(图8)。

3.3 BIM相关应用

3.3.1 BIM建模

为提高设计施工协同效率，基于设计图所做的单专业模型绘制，旨在于以三维的角度对二维设计的空间结构、复杂节点等进行图纸复核审查，查缺补漏纠错优化，避免现场返工，达到提高效率、节省成本的目的。如图9所示。

图8 PW平台查看模型，模型检索

图9 建立各专业模型

图10 顶模深化设计及工况模拟

图11 无人机实景建模、场地规划、空中巡检

图12 激光扫描测量高大空间、扫描点云与模型的对比、辅助调整机电模型

图13 利用带智能放样机器人实现精确高效的放样 图14 项目沙盘

图15 VR用于方案体验

3.3.2 深化设计

项目施工模拟根据建筑主体结构特点，以满足施工安全和主体结构施工要求为前提，建立顶模系统中标准构件族库，包括贝雷片、立柱、挂架立杆、翻板、模板等标准化构件，对顶模系统进行模数化设计。对顶升过程进行模拟，对顶模模型的安全防护、操作空间等进行检查。尽量考虑到顶模施工过程中的各种工况，确认设计符合安全要求和施工便利性[3]。如图10所示。

3.3.3 实景建模、激光扫描及智能放样

项目采用无人机倾斜摄影建模，可视化地对场地进行规划，并采用无人机巡检，提升项目巡检效率。为解决裙楼钢构与幕墙的精确定位和放样、保障管道复杂区域的深化设计可执行性，项目综合采用激光扫描仪和放样机器人。采用激光扫描快速、精确地采集点云数据，用于实测实量、深化设计验证、空间定位。采用智能全站仪对定位数据进行精准放样，实现施工现场的高效精确定位及放样[4]。如图11-13所示。

3.3.4 其他BIM探索

1)3D打印

项目将BIM三维场地布置模型通过3D打印技术将模型打印成立体、直观、真实的BIM沙盘模型，在沙盘上对现场的布置进行部署、规划和演练，可以更加直观、深刻的反映项目CI设计及布置情况。如图14所示。

2)VR应用

在设计中，利用VR进行沉浸式体验，虚拟实境给人更直观的感受，在顶模施工模拟推演、机电深化设计方案核查中比平面的屏幕更容易发现问题，更有利于方案调整。如图15所示。

3)AR应用

本项目AR应用处于探索阶段，实验性地研发了AR施工、运维系统，将BIM模型加载到平板中，项目精确设置二维码，扫描二维码后，即可通过平板查看模型，即可将待施工的模型叠加在现实的图像中，辅助管理人员掌握现场的复杂状况。运维阶段可以帮助管理者查看隐藏在墙后的管道模型，查看相关信息如流量、功率，如果是加装了控制器的线路，还可以控制其开关。如图16所示。

图16 AR辅助施工、运维

图17 物联网发展规划

图18 物联网数据传输流程

3.4 智慧工地物联网云平台

3.4.1 物联网应用概述

智慧工地物联网平台，是建立在BIM、物联网、云计算、移动互联网、大数据等信息技术之上的工程信息化建造平台，它是信息技术与先进工程建造技术的融合，其中最关键的是应用数据的收集和分析，有了数据的有效分析，才能通过数据来支撑项目管理。基于行业发展现状，我们制定了分三步走的智慧工地物联网发展计划(图17)。

图19 RFID监管人员在各区域的出入时间

图20 巡更巡检及车辆进出记录

本项目物联网应用范围涵盖人员管理、大型设备管理、质安管理、环境及能耗管理、材料管理五大模块。物联网的工作流程如图18所示。由工地现场各传感器的数据采集，经过数据处理后，通过通用无线传输模块把数据上传到云平台，在云平台处理分析数据，各监管部门根据云平台大数据进行分析决策。

3.4.2 人员管理应用

1)人员管理概述

主要进行施工现场的人员管理，快速了解现场作业人员的情况，同时将管理人员考勤、保安巡更巡检、车辆进出登记等纳入项目智能物联网进行综合管理，完善项目非作业人员、车辆的管控。

2)施工现场人员管理

项目在工地门口，及关键区域的出入口加装了RFID感应器，在安全帽内加装预载人员身份信息的RFID芯片，对进场作业人员进行进退场考勤登记及资质认证，自动统计区域作业工种及人数上传至平台。精确管理工人在各个楼层工作面上的人员数量、专业、工作时间等，为精细化的人员管理提供数据支持。如图19所示。

3)巡更巡检管理

在巡检点设置二维码，指定人员需在规定时间沿巡更路线扫码进行签到，文字、拍照或语音进行巡检情况汇报，上传平台进行归档。

4)进出车辆自动登记管理

在施工现场主要出入口加装高清摄像头，对进出施工现场的车辆进行拍照登记，包含车辆牌照号码，车型，车辆进出场时间，数据上传平台进行归档。如图20所示。

3.4.3 质安管理应用

质安管理概述：主要对大体积混凝土无线测温、高支模变形监测、视频监控、区域管制报警等零散的应用集成到平台中统一管理，并通过开发手机端APP方便项目管理人员查看数据。

管制区域报警系统是现场临边洞口边缘或限制进入的区域入口设置移动式感应装置器，当有人员进入红外人体感应器的监测范围时报警，相关警告上传云平台。视频监控是将监控设备的位置在三维模型中标记，通过模型可以直接点开监控点，进行视频影像查看。如图21所示。

大体积混凝土无线测温采用常规的混凝土无线测温设备，通过加装数据中继器将数据传到云端数据平台，通过电脑查看数据变化曲线，确保大体积混凝土浇筑质量。

图21 管制区域报警及视频监控

图23 塔吊及顶模监控系统

高支模监测使用形变式测量构件，实时监测高支模杆件变形、进行超限预警，并通过声光进行报警。相关数据上传平台，及时报警处理。如图22所示。

3.4.4 大型设备管理管理应用

1)塔吊、电梯、顶模平台

塔吊、电梯、顶模平台是工作业中最重要的施工机械，保证它们的安全使用，对保障施工安全、进度有着重要的意义。平台通过传感器对大型机械运行全过程进行监控、记录，及时预警。

2)塔吊防碰撞及监控系统

实时监测塔吊运行情况，包括塔吊转角、大臂仰角、风速、载重、幅度等数据，为塔机碰撞以及塔机超载提供实时预警，并进行制动控制。

3)顶模监控系统

主要包括液控系统和电控系统两个分系统，实现对各个主缸联动、同步控制和各支小油缸的控制，通过传感器监测构件应力应变变化，监测平台平衡，保证顶模顶升安全。如图23所示。

图24 按顺时针顺序依次是：扬尘监测及自动喷淋，污水监测、用水用电管理、噪音监测

图25 智能地磅称重和材料出入库管理

3.4.5 环境监测及能耗管理应用

设置自动监测环境仪器，对施工现场的PM2.5、噪音及污水等信息进行实时监测，通过数据分析并处理项目环境、能耗情况，满足绿色施工的监管要求，自动化进行绿色施工分析。如图24所示。

3.4.6 材料管理应用

材料管理方面，主要是智能地磅和仓库材料的信息化管理的应用。

智能地磅是指在地磅称重系统上加装传感器及摄像机，在材料车辆进场和出场分别进行称重，对下料净重进行计算、拍照记录，将数据进行上传在平台中自动形成材料进场报表。

仓库材料的信息化管理：项目各类物资入场时生成并粘贴相应二维码，物资调配时需通过扫描二维码进行材料提取，入库及调配信息将实时传输至智能云平台系统。如图25所示。

4 应用效果

通过将工地视作有机体进行智慧工地实践和研究，提升了设计、施工管理效率，节约了沟通时间和施工工期，实现了施工现场精细化的管理，产生了良好的经济和社会效益。经统计如下：

(1)发现结构图纸问题167条，建筑图纸问题36条；

(2)共发现并解决碰撞问题3万余个，出深化图共5类、 36张；

(3)节点深化设计50余个；

(4)辅助施工方案交底30个；

(5)召开了全国智慧工地现场观摩会、珠海市安全观摩会、横琴区智慧工地观摩会。

(6)提高顶模设计加工效率50%；

(7)智慧工地云平台上线后，项目管理能力显著提高。上线运行后累计测试、记录现场人员546人，累计运行104天，记录人员工时112 156h； 监测区域报警数量16次，顶模及塔吊预警9次； 监测扬尘、污水、噪音、用水用电103天，整改问题7个，有效节水563m3，节电1 200kW·h。

(8)智能地磅累计称重2 653次，其中入库数据(含冗余数据)33 265条，取稳定值2 653次。仓储信息化管理试运行中，入库32次，出库27次，取得了良好的研究实验效果。

5 总结

本项目在多方协同工作、深化设计、实景建模、激光扫描及放样、AR、物联网集成应用等方面进行了深入的探索尝试，取得了一定成效，但仍存在一些问题需要进一步改进。

(1)综合运用的平台太多，运用流程尚不完善

目前协同工作流程还处于探索阶段，效率不高，需要不断完善各单位的协同工作流程，转变传统项目管理思路，重复利用好智慧工地新工具。

(2)人才培养

通过完善相关激励、考核制度，通过多层次系统培训，重点加强智慧工地相关应用实践能力的培养，提高人员专业素质。

(3)探索研究

继续深入探索研究，继续创新，将更多的应用标准化，集成在智慧工地物联网云平台中，向精益建造的目标继续迈进。