智慧化信息技术在施工工地的应用和研究

2020-11-10胡鹰志李锦富

建筑施工 2020年7期

胡鹰志李锦富

深圳市隧道工程有限公司广东深圳 518028

近年来，随着城市轨道交通、铁路隧道、综合管廊的快速发展，基建需求持续扩张，工地数量不断增加，建筑行业分散化、流动化、不稳定性等特点造成的管理难题和建筑行业本身安全事故多发的问题也困扰着整个行业，采用物联网、互联网、云平台、BIM及GIS等技术手段，开展“智慧工地”建设，提高施工管理效率和项目管理信息化水平，成为有效解决工程建筑行业痛点的有效手段[1-3]。本文以深圳地铁3号线南延线3131标福保—益田区间盾构施工项目为例，通过物联网、互联网、云平台、BIM、GIS及移动设备应用程序和智能应用程序等先进技术的综合应用，让施工现场感知更透彻、互通互联更全面、智能化更深入，大大提升了现场作业人员的工作效率，同时有助于实现施工现场“人、机、料、法、环”各关键要素实时、全面、智能的监控和管理，有效支持现场作业人员、项目管理者、企业管理者协同管理，提高施工质量、安全、成本和进度的控制水平，减少浪费，达到提高工程项目精益化管理水平的目的。

1 智慧化信息系统的构成

智慧工地信息化建设架构分为采集传输层、网络通信层、硬件设施层、数据资源层、商业支撑软件、应用交互层（图1）。

2 智慧化系统的建设

智慧化工地建设按照智慧工地全面感知的要求，建立覆盖工程现场“人、机、料、法、环”的数字化工地，将相关数据按照发包人要求传输到监控中心，具体建设内容包括工地总览、人员定位系统、关键施工设备设施状态监控、原材料过程监控、视频监控、安防与门禁、环境感知、安全监测、专家系统等。

图1 智慧化信息系统技术构成示意

2.1 工地总览——数字化全景三维电子沙盘

建立本标段数字化全景三维电子沙盘，总览本标段所有范围的规划布局，标识本标段内智慧工地主要信息。

2.1.1 实施流程

倾斜摄影三维地形图→创建工程BIM模型→实时过程数据录入→关联模型和进度→对数字沙盘进行VR 观看

2.1.2 倾斜摄影三维地形图

倾斜摄影三维地形图主要采用GIS技术，对标段范围内的空间数据（主要包括影像数据、数字高程数据、电子地图、地质数据、交通数据、地下管线数据等内容）进行采集，用于模型建设与制图分析工作。

GIS数据是通过无人机、现场拍摄、点云等方式现场获取，然后在Context Capture里对勘测数据进行运算，形成实景模型。无人机航空摄影测量系统由无人机分系统、地面站分系统、后处理分系统构成。

无人机分系统的倾斜摄影是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、侧视等不同的角度采集影像。专业倾斜相机由5个摄像头组成，中间相机拍摄正射影像，其余4个相机拍摄倾斜影像（图2）。

图2 无人机航空测量摄影示意

地面站分系统需根据成图比例尺、地面分辨率/航向重叠率、旁向重叠率自动进行航线计算。同时可以进行蛇形航线与套耕航线选择。

后处理分系统是数据处理中心，将影像快速制作成专业、精确的二维地图和三维模型。

2.1.3 利用BIM技术创建工程模型

采用Bentley Project Wise平台进行模型创建，内容包括：设置协同工作环境，统一工作空间和种子文件；定义统一的定位坐标体系，建立典型层次工作目录，规定文件命名规则，分配各专业工作任务，合理划分模型；根据分工，设置团队成员的服务器访问权限；各专业协同建模，依据工作流程进行资料互提和建模设计工作，定义模型各种信息属性，为统计工程量、出图与数字化交付做好数据准备；通过Context Capture进行环境的实景建模勘测，与 GINT完成的场地设计勘测数据对比，进行初期方案的布置；利用Open Road可以在场地模型上进行开挖，并进行场地规划设计或完成隧洞模型；使用Open Plant来确定管道及设备的参数，完成三维模型和施工图设计。最终的成果文件可以从实际三维模型中进行图纸抽取，完成材料清单、平立剖面图来进行交付，并为施工阶段提供全方位的数字化模型技术支持，而Navigator则对所有的过程进行动态浏览，碰撞校审，利用LumenRT来进行最合理的渲染和动画展示。

利用BIM技术模拟施工的现场，建立4D的模拟过程，根据不同的施工现象，对整体的施工进行合理的分配调动，这样就可以降低隧洞工程建设中出现的风险，提高施工效率，保证在工期内完成建设工作。主要施工应用包括：施工总平面布置与规划模拟、盾构机吊装模拟、盾构掘进（包括管片拼装、灌浆等）模拟等。

2.1.4 电子沙盘主要功能

利用现场倾斜摄影、BIM、VR等技术，在三维全景电子地图工作平台上制作项目三维全景电子模型，实现三维线路导览、整体面貌把控、关键指标查询、施工资源清点等功能。

1）三维线路导览。通过电子沙盘中三维线路导览功能，沿线路从视觉漫游的角度对项目进行直观的三维查看浏览。

2）整体面貌把控。将项目整体施工进展情况通过三维建模形成带有建设管理信息的建筑模型，然后导入至系统中，以人机交互的手段实现展示。从宏观的角度进行项目查看浏览，有利于对项目整体形象面貌的把握。BIM技术的信息化特点能够实现同构件之间的相互关联、图纸与模型反馈基础上的可视效果。

3）辅助现场场地布置。施工场地布置是指根据图纸，结合现场勘察情况，并考虑进度的总体安排，按照文明施工、安全生产的要求，对现场情况施工布置进行总体安排的过程。通过BIM对场地及拟建的建筑物空间数据进行建模，帮助项目在规划阶段评估场地的使用条件和特点，从而作出新建项目最理想的场地规划、交通流线。

4）关键指标查询。关键指标查询包括进度、质量、安全等方面的关键数据展示，为管理者判断实际施工情况提供量化指标。

5）施工资源清点。施工资源清点是在电子沙盘中展示本项目中各施工部位所使用的人、机、料等施工资源，并进行统计汇总，能够使管理者直观掌握本项目目前的资源投入和匹配情况，以作为判断是否增加或减少资源投入的根据。

2.2 人员定位系统

建立工地人员定位系统，实时显示所有进入施工现场（包括隧洞内）人员定位信息，与BIM模型结合，能在监控中心实时了解人员当前的位置状态（图3）。

图3 人员定位系统示意

2.3 盾构机状态监控系统

盾构法隧洞施工实施项目信息化管理，盾构机满足moudbus等OPC工业协议或xml、json等标准固定的数据格式，具备网络连接功能，按要求发送数据到智慧工地信息化建设平台。

盾构机监测的内容主要包括盾构机运行状态，推进系统压力、铰接系统油压、注浆系统状态、刀盘系统工作状态、皮带机工作状态、导向系统等设备的运行状态。

每台盾构机配套安全预警平台，接入盾构机本体控制设备，获取盾构机相关的运行状态信息。主要系统功能如下：

1）施工管控。施工管控实现施工过程的管理、控制，主要包括：施工总览、施工指令、施工日报、盾构监控、盾构视频监控、安全预警、进度管理和质量管理等。

2）施工日报。施工日报包含自动填报和手动填写两部分内容。自动填报的内容包括：盾构监控数据、工程监测数据、趋势图等。已提交的日报自动归档到工程数据库。

3）实时监控。对盾构机远程监控，监控内容包括：掘进参数、姿态参数等盾构机能提供的所有其他参数。掘进参数实时监控是指对盾构机推进过程中各个子系统的运行数据进行实时监控，包括刀盘、推进系统、渣土改良、注浆系统、盾尾油脂、铰接系统、螺旋机等。盾构导向系统数据实时监控是将导向系统中的盾构机姿态、切口里程、盾构机切口坐标、盾尾坐标以及盾构机俯仰角、滚动角等数据采集并发送至远程监控管理平台，通过导向系统数据实时监控功能展示，实现盾构机导向数据的实时监控。在盾构机头、尾部等重点部位安装视频摄像机，满足重点部位的全方位监测需要。存储最近3个月的视频，且系统支持视频实时浏览、录像回放、抓拍等功能。

4）安全预警。建立施工预警机制，提高安全防范能力。预警分为智能警示和人工预警两类。智能警示根据预警规则在线计算和分析从盾构机、导向系统、龙门吊、轨道车采集的数据，当触发预警则推送预警信息，并在平台上存储预警记录。智能警示种类包括掘进参数警示、姿态警示、盾尾间隙警示、监测警示、进度超限警示、断线警示、风险点警示、长期超限警示等。人工预警由人工在综合分析各种数据并结合工地实际情况后发布，分为监测预警、巡视预警、综合预警等。预警发布后，各相关人员将按照预警处置流程对预警进行处置，直到消警为止。

5）进度管理。记录每日施工进度，根据施工计划判定进度状态，施工进度状态分为按期运行、进度较慢、进度较快3种状况，根据最近7 d的施工进度预测完工日期。

6）质量管理。提供隧洞质量信息录入功能，按要求将隧洞质量信息上传至平台后永久保存，方便用户进行查询。录入时可上传隧洞质量照片，包括修复前和修复后照片。隧洞质量总览中，绿色代表正常的管片，其他不同的颜色代表不同的管片质量问题，可直观地查看管片在水平和垂直方向的偏差情况。点击可查看管片详细信息，包括修复前与修复后照片，K块位置等。同时对各种管片质量问题的数量进行统计。主控项目的质量达到100%时，合格；一般项目的质量达到95%及以上时，合格；具有完整的施工质量验收依据和质量验收记录。

2.4 门式起重机（龙门吊）状态监控系统

门式起重机（龙门吊）满足moudbus等OPC工业协议或xml、json等标准固定的数据格式，具备网络连接功能，可按要求接入工区建设的有线、无线WIFI、NB-IOT，或自带4G、5G通信等模组，按要求发送数据到智慧工地信息化建设平台。需要配备相应管理软件，具备实时数据监测、数据统计分析等功能。管理软件需采用B/S架构，满足采用单点登录、页面集成等接入平台的要求。监测的内容主要包括风速、门式起重机载荷、天车行程、大车行程、卷扬机升降情况、钩重和高度信息（图4）。

本项目接入门式起重机（龙门吊）本体控制设备，获取门式起重机相关的运行状态信息。

2.5 砂浆搅拌站监控系统

砂浆生产系统满足标准的数据格式，具备网络连接功能，可按要求发送数据到智慧工地信息化建设平台。

图4 门式起重机（龙门吊）监控系统示意

监测的内容主要包括搅拌机运行状态、生产的每盘混凝土的数据信息（配比、水泥量、粉煤灰量、水胶比、参配比、拌和产量等）、噪声、扬尘等信息。

砂浆搅拌机含有智能监控箱，传感层是搅拌机本体内设有减速机、液压系统和润滑系统，其特征在于液压系统内油液位传感器、温度传感器。将传感器或者PLC连接数传终端，数传终端通过无线4G/5G网络等，将数据传输至云平台。管理中心客端数据可视化，系统根据项目设计要求等指标对砂浆生产过程进行严格监测。实现生产过程中的数据实时监测，并进行实时分析、上传。

2.6 车辆状态监控系统

车辆监控系统是利用终端数据采集技术、移动通信技术与互联网技术的结合，把车辆的位置、状态等数据反馈给车辆管理人员的软件。

车辆监控系统可对车辆进行定位、追踪、轨迹查看、监听、监视等操作，并且可以把数据等相关信息导出作为车辆行驶的历史依据，帮助车辆调度管理人员掌控车辆的在途信息，提升车辆管理效率。

2.7 原材料过程监控系统

智慧工地施工原材料监控过程主要针对原材料源头开始的全过程质量控制体系，对原材料（砂石料、混凝土、管片等主要材料）生产过程进行过程监控。使用过程中材料管理的中心任务就是检查、保证进场施工材料的质量，妥善保管进场的物资，严格、合理地使用各种材料，降低消耗，保证实现管理目标。

2.8 视频监控系统

建立覆盖现场重要位置（工地大门、材料堆场、生活区、办公区、龙门吊、高空作业设备与深基坑等关键危险区、全局区等）的视频监控系统，实现视频安全行为识别、安全抓拍。

系统要求实现实时视频播放及录像、云台控制、录像回放、人脸抓拍应用、违法行为判断、视频智能运维应用、统计分析应用等功能。

2.9 安防与门禁系统

建立安防门禁管理系统，本项目采用人脸识别门禁系统，系统采用网络信息加密传输，支持远程控制和管理。

系统功能要求：人员进出管理控制、人员考勤管理、访客管理、LED屏信息显示、紧急开闸、语音播报、人数统计、远程发布和管理等（图5）。

图5 门禁系统布置示意

2.10 环境感知系统

建立全面的现场环境感知，包括PM2.5、PM10、空气、温度、湿度、噪声等，设施满足所在地区及行业管理要求（图6）。

系统功能要求实现：环境测量指标（PM2.5/PM10）、气象参数（温度、湿度、风速、风向、大气压、雨量）、支持治理设备接入（喷淋、雾炮）、噪声监测和判断、扬尘监测和判断等功能。

2.11 安全监测系统

建立项目工程安全监测信息系统，包括：在施工过程中按照要求部署及落实的安全监测系统数据、发包人委托的第三方安全监测数据、地面建筑物保护监测等数据，并关联后台专家系统，根据监测数据预警及时联络相关专家进行分析判断。

3 智慧监管中心建设

3.1 工程监管中心建设

工程监管中心汇集现场数字工地及其他监控数据，进行集中监控，本工程设置一间不小于100 m2的监控值班室，配置大屏幕、音频设备、照明、网络、供电、服务器、监控工作站、机柜、UPS系统、数据库管理软件、操作系统等。

图6 环境监控系统示意

3.2 智慧中心建设

3.2.1 智慧工地通信

1）对外通信。铺设一条运营商企业互联网宽带，实现工区与标段监控分中心等互联。互联网带宽要求不小于100 Mib/s，要满足所需数据、视频的传输要求。

2）语音通信。设置统一的语音通信系统，配置程控交换机，程控交换机与当地网络运营商网络连接，开通国内、国际长途及其他通信业务，并满足容量要求，其中主控、电源板等关键板件实现双冗余。设置模拟话机，模拟话机通过语音接入网关接入。

3）隧洞内通信。隧洞内通信采用有线通信方式，敷设与外界连通的光纤通信通道，纤芯数量需满足隧洞内盾构机、人员定位设备、视频监控设备、安全监测等对外通信需求。隧洞内覆盖无线通信网络，要求采用基于 IEEE802.11a/b/g/n/ac通信标准的无线通信协议；可采用中继节点增加无线覆盖距离；无线接收设备接入隧洞内光纤交换机。隧洞内安全监测系统光纤技术要求：安全监测系统通信光纤选择4芯光纤；光缆型号GYTA，具体标准参照相关国家标准。

3.2.2 应急通信保障

应急通信保障主要是保障火灾等情况下隧洞内、外通信线路的可靠性。要求隧洞内、隧洞内与外部通信光缆采用阻燃光缆；隧洞内与外部通信光缆全程采用穿管后明敷方式，穿管敷设接合处（如分接盒）等应做好防火封堵措施。对于采用穿管后明敷段，应在套管外涂刷防火材料。

3.2.3 智慧工地办公网络

智慧工地办公网络需增强网络设备及链路的可靠性，实现安全、高速、可靠的数据、语音、图像等多业务通信。配置接入交换机，以及无线AP设备，为办公场所、施工现场提供有线、无线网络环境。通过路由器接入互联网，采用防火墙设备加强内网安全。

3.2.4 视频会商系统

远程视频会商系统保证了各级管理部门之间可以进行更充分、及时的交流，有助于提高业务会商决策的时效性和准确性，各视频会商系统要具有相互兼容性，并有满足使用的移动客户终端的授权，以便于与相关重要管理人员进行及时的视频会商。

4 系统集成及智慧化的应用

智慧工地将数据、视频等按要求采集，分别集成至智慧工地管理信息平台。将各感知系统的数据按照要求分别接入智慧管理信息平台的相关接口中，并形成数据字典等相关文档，完成数据的采集、交换和视频交换工作，实现智慧工地管理信息平台对智慧工地的实时感知、分析、预警等。

5 智慧成果的管理和应用

智慧成果的管理和应用是基于BIM＋GIS的工程建设模块设计的基础上，统筹工程质量、进度、成本管理及相关信息管理，将工程项目划分、质量验评与工程进度、合同结算等功能进行整合关联并实现工程的动态控制。

5.1 质量管理

1）基于BIM模型的质量管理。按照项目划分（单位、分部、分项工程）的方式进行BIM模型构建，并完善质量关联信息（质量标准、原材料、资源投入、技术方案、质量中间控制信息等）。

2）进场原材料验收管理。组织原材料（管片、钢管、钢筋、水泥等材料）进场验收，并在系统中提交相关进场验收记录（包括验收现场照片），报批，以确保进场材料满足合同技术要求。

3）进场设备验收管理。组织进场设备验收，在系统中提交相关设备进场验收记录（包括验收现场照片），对于甲控乙供设备，通知发包人参加验收。

4）原材料及设备质量检测。按要求提交必要的原材料（包括钢筋、砂石、水泥、混凝土等主要材料或中间产品）及设备检测数据，协助发包人构建质量检测数据对比，对质量信息（承包人自检、监理平行检测、第三方质量检测）进行对比分析。

5）施工质量管理。严格落实现场质量“三检”制，按照明细的项目划分（单位、分部、分项工程）要求，提交施工项目验评数据及相关记录文件，汇总统计合格率、优良率等指标，并对质量不合格项落实闭环管理。

6）施工质量档案管理。将施工过程中的质量文件档案，包括记录隐蔽工程及关键工序等关键部位质量验收照片、录音录像等多媒体数据，根据档案管理的需要整理归档。

7）在施工现场管理中通过手机对质量安全内容进行拍照、录音和文字记录，并关联模型。软件基于云自动实现手机与电脑数据同步，以文档图钉的形式在模型中展现，协助生产人员对质量问题进行管理。

5.2 进度管理

结合项目特点，编制建设全过程进度计划，包括里程碑计划、总体计划、施工计划及多级计划，并按照系统要求提交审批、反馈、进度异常预警等，并通过进度计划与BIM模型结合，实现4D施工模拟、计划进度和实际进度的对比以及相关数据分析等功能。通过BIM技术，结合进度计划，形成4D工期模拟，不但可以有效地对现场进度进行可视化把控，同时对后期需要工期调整的施工工序可及时进行模型标注，方便各参建方的整体协调管理。

5.3 安全文明管理

安全管理使用安全培训管理平台，做好通信联络清单、安全教育培训、班前班后交底等业务的如实填报，分别在对应系统做好入场设备台账、危险源台账等信息的如实填报。

借助BIM技术对施工场地的安全文明施工设施进行建模，并进行尺寸、材料等相关信息的标注，形成统一的安全文明施工设施库。在项目中利用BIM建立三维模型，让各分包管理人员提前对施工面的危险源进行判断，在危险源附近快速地进行防护设施模型的布置，比较直观地对安全死角进行提前排查。

基于现场作业要求建立现场管理系统，主要包括：设置现场作业人员准入条件，如是否落实必要的安全教育、是否被禁止进入现场等；建立现场入场设备台账，明确具体责任人员，定期检查记录，并跟踪记录设备的维护保养情况；专项施工方案的备案及审查记录；特种作业证件管理：登记特种设备相关检验证书、特种作业人员操作证明文件等。

按照要求落实风险管控措施，主要包括：危险源管理，识别危险源，建立危险源台账，开展危险源分级管理措施，明确责任人员，并动态更新；重大危险源管理，对重大危险源采取措施，按照要求进行实时的监控与跟踪，并做好相关的应急准备；落实安全隐患排查与治理，采用多种形式建立安全隐患的动态台账，包括移动端等，实行安全隐患的闭环管理。

应急与事故管理，主要包括应急管理和建立应急管理体系[4-5]。具体包括应急预案管理、应急物资管理、应急组织网络、应急培训（包括应急演练）、应急评估等应急准备措施；事故管理，收集类似工程事故案例、如实记录事故报告等。

5.4 成本管理

以合同为基准，在系统中进行与合同相关的成本管理，完成合同支付、合同变更以及合同结算等相关功能。BIM数据库可实现任一时间节点上工程基础信息的快速获取，通过合同、计划与实际施工的消耗量、分项单价、分项合价等数据的对比，可以有效了解项目运营盈亏，实现对项目成本风险的有效管控。

通过提取BIM模型中的造价数据信息，可根据需要生成相关数据报表、材料清单以及工程量清单等。

5.5 辅助设计图纸核查

作为一个包含构件准确参数信息的三维立体模型，BIM模型的建立过程即是对传统二维图纸进行仔细研读与理解的过程。对于图纸中的每一个说明，每一个标注，每一个尺寸都必须进行仔细查看，然后才可以在BIM模型中进行准确建造。因此，BIM模型可以预见图纸设计问题，BIM三维模型的建立过程也是对图纸的再次审核过程。