基于BIM+智慧工地平台的数字化管理及应用

2023-01-31方敏杰夏志彬

智能城市 2022年11期

杜威方敏杰周华卫华夏志彬

（中建铁投路桥有限公司华中分公司，江西南昌 330038）

数字化逐渐成为全球技术变革的核心战略方向。为了应对建筑业面临的挑战，我国在《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》中明确提出要在“十三五”期间全面提高建筑业信息化水平，着力增强BIM与大数据、云计算、物联网等信息技术集成的应用能力[1]；我国十九大报告中指出，要“推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”[2]。将这些信息技术与BIM相结合，促进建筑业数字化转型。

在此背景下，学者进行了相关理论与应用研究。张云翼等[3]通过文献调研，指出我国新兴互联网技术与BIM的融合应用尚处于初级阶段，仍需在理论分析与工程应用方面进行突破；王成龙等[4]针对BIM云平台提出的分割算法可以实现三维模型任意角度的剖切，解决BIM云平台中三维模型剖切面信息获取的难题；李英攀等[5]基于Cloud-BIM构建的施工现场智能安全系统，实现了场地分析以及对人、材、机移动路径的实时监测与预警，有效降低事故发生的频率；谢琳琳等[6]构建的BIM+数字孪生技术管理平台，实现了物理施工系统与虚拟施工系统之间的实时交互；Cheung等[7]通过BIM-loT技术构建的系统，对施工现场有害气体进行集成监控，提高了施工安全管理效率；代进雄等[8]通过BIM+物联网技术构建的工程建设管理平台，解决了信息孤岛问题，提升了工程管理水平与工作效率；陈苏[9]通过BIM及物联网技术构建的城市地下综合管廊数据平台，降低了维护成本，实现了智慧化、信息化的智慧运维。上述研究发现，目前研究多以单点应用研究为主，且大多研究集中于某一阶段以及某一技术与BIM的结合，缺乏全生命周期中多项技术集成应用研究。

基于此，文章致力于全生命周期内多项技术与BIM的集成应用研究，综合应用物联网、云计算、大数据、5G、AI与BIM技术，构建适用于全生命周期的BIM+智慧工地平台，解决项目全生命周期的信息断层问题，改善工程数据的积累、存储、管理及应用状况，实现施工项目的精细化管理和智慧型决策，为新兴信息技术与BIM交叉融合应用的相关研究提供参考。

1 BIM+智慧工地平台研发

1.1 平台建设思路

以工程三维模型为载体，打造基于BIM技术的工程项目管控系统，形成以进度控制为主线，成本控制为核心，质量安全为目标，统一模型、统一标准、统一应用的信息系统[10]。利用物联网技术大幅扩展工程数据来源，云计算技术实现大规模数据的分布式存储，大数据技术实现海量数据分析与挖掘，5G技术提高传输速度，最终实现建筑实体、生产要素、管理过程的全面数字化，为项目提供生产提效、管理有序、成本节约和风险可控的项目数字化解决方案。

1.2 平台架构

基于上述建设思路，构建BIM+智慧工地平台，平台总体架构由物联感知层、数据层、控制处理层和应用层四层结构组成，层间利用5G网络进行数据信息传输。物联感知层通过摄像头、各类传感器、计量表、I/O模块等智能设备进行信息采集[11]。数据层集成现场软件和硬件数据，通过统一的主数据和领域数据模型，形成项目数据中心。控制处理层由集成大数据、物联网和云计算技术的决策系统组成，对数据层传递的数据信息进行分析，并向应用层设备发送处理信息。应用层通过前端设备将控制处理层的处理结果展示给管理者，为现场的资源调配、施工管理和风险预警提供帮助。平台访问方式包括浏览器、移动端、客户端。

BIM+智慧工地平台总体架构如图1所示。

图1 BIM+智慧工地平台总体架构

1.3 BIM+5D+智慧工地数据决策系统

BIM+5D+智慧工地数据决策系统围绕项目管理需求进行模块划分，以下将从技术管理、生产管理、质量管理、安全管理、物料管理等五个模块进行评述。

技术管理系统包括图纸及变更管理、技术交底、方案管理等模块，可进行图纸变更及施工组织方案策划的过程管理，并统计管理各种技术交底视频。

进度管理系统包括施工计划、进度分析、生产进度展示等模块，可直观了解施工进度情况以及影响因素，加强对施工整体进度的三维可视化把控。

质量管理系统包括质量验收、质量巡检、质量预警及质量问题统计等模块，可做到对各检验批工序的精细化管理及质量问题的可见可控管理。

安全管理系统包括风险分级管控、隐患排查治理、安全隐患类型等模块，可实现对项目风险点的排查及管控，并对安全问题进行统计和分析。

物料管理系统包括物料验收、物料跟踪和施工物料计划等模块，加强了施工物料的动态管理以及物料进出场的验收保障。

2 BIM+智慧工地平台的应用研究

2.1 工程概况

文章基于某人民医院综合楼建设进行平台验证。项目总建筑面积183 320.04 m2，地上建筑面积147 704.27 m2，地下建筑面积35 183.77 m2，主要建筑包含门急诊住院综合楼（门急诊、住院部、医技、行政办公）、感染楼、120急救中心、地下车库等。

2.2 设计阶段

通过构建三维可视化模型，能够直观反映设计图与周围环境的空间关系，便于设计方案的确定；通过应用碰撞分析软件进行深化设计，提高设计效率和质量，避免后续阶段不必要的设计变更。

（1）模型建立。

结合综合楼设计标准以及平台内部的BIM标准技术文档，使用Revit建立建筑、结构、机电等模型。针对工程设备机房、设备管线布置密集交错的区域进行深化设计建模，并根据设备供应厂商提供的设备信息进行深化，提升施工效率，缩短施工工期。完成后将模型及其信息导入BIM+智慧工地平台，实现模型的可视化参数驱动。

（2）碰撞分析。

将综合楼模型导入Navisworks软件进行碰撞分析，从多方位、多接口、多角度进行观察，并将分析结果上传数据共享中心，完成平台对设计方案的可视化验证。

样本项目经审查发现，碰撞点3 000余处、图纸问题30余处，平台通过对问题的整理、汇总，形成碰撞检查报告及图纸问题报告。并对接设计部，对问题逐一处理，以满足实际施工需求，最大限度优化空间设计，避免施工过程中变更返工问题的出现，预计间接节约成本约300余万元。

综合楼数据大屏展示如图2所示。

图2 综合楼数据大屏展示

2.3 施工阶段

BIM平台解决信息孤岛问题，使各参与方可以进行跨阶段信息协同交流。因此，设计阶段BIM模型在深化后，可以在施工阶段继续使用。

（1）施工现场布置。

由于项目施工现场狭小，施工工期紧张，为了工程施工顺利进行，采用现场布置软件，根据各施工阶段的特点，分阶段进行布置，执行动态调整；根据施工现场中临建设施、安全体验区、生产操作区的分布，合理组织施工场地，提高现场机械设备的覆盖率，降低运输费用及材料二次搬运成本。

（2）技术管理。

在技术交底方面，以往交底多以二维平面图纸和Word文档形式为主，存在交底内容不够直观和难以精确表达复杂结构等问题。而文中系统通过三维可视化进行技术交底，并生成二维码，方便手机端随时查看，有效增加了交底内容的直观性和精确度，提高了工作效率，施工班组也能直观理解设计方案和设计意图，保证了施工目标的顺利实现。相较于以往的工程，通过应用智慧管理系统进行可视化交底，避免了交底不清导致的大量返工，使交底效率提高30%。

（3）进度管理。

平台利用Navisworks进行4D施工模拟建造，对比周、月进度计划与实际进度，动态跟踪，及时纠偏；同时，利用无人机航拍技术直观呈现现场进度，使现场管理从粗放式转变为集成化、信息化，保证项目节点工期目标顺利实现。

管理人员通过系统对现场详情获得更加直观地了解，可以根据施工任务完成情况，实时调整现场施工任务优先级，对现场施工资源进行合理分配，保证整体施工进度顺利进行；系统自动对影响施工进度的因素、资源进行分析并分级预警，有效减少了劳动力、材料、设计等原因导致的延迟。通过应用智慧管理系统进行精细化的施工管理，使得项目整体工期缩短约6%。

（4）质量管理。

质量验收方面，系统内置国家质量验收标准及规范，并关联施工进度计划，推送验收提醒，有效解决了以往验收流程不规范、验收不及时、关键工序漏检等现象。

质量巡检作为保障施工质量的重要方式，以往的巡检效果并不理想，多存在问题描述不清晰、跟踪不及时等状况。而智慧管理系统通过内置近万条各专业通用的质量问题，规范问题描述，且附带整改措施，辅助施工人员进行整改；同时在线跟踪，实时提醒，确保问题不遗漏。相较于以往工程，智慧管理系统的使用确保了质量问题的整改效率和完成度，进一步保证了工程质量。

（5）安全管理。

安全管理系统辅助管理人员了解项目上的安全问题，并通过风险分级管控、隐患排查治理等手段，提前对危险源进行判断，在危险源附近快速进行防护设施布置，提高了施工现场安全管理水平和安全管理效率，实现了对现场的有力掌控。并利用VR技术进行可视化教育与交底，增强作业人员的安全意识，提高现场安全防护管理。

同时，采用人工智能技术辅助管理。通过人工智能手段，智能识别是否佩戴安全帽、安全带，并及时提醒；配置电子围栏，人员进入安全隐患区域，会发出现场鸣笛、安全帽震动等警告，并有安全人员实时通讯，引导走出危险区域；电子地图实时展现人员、车辆信息及历史轨迹，实现人员车辆动态监控。

（6）物料管理。

在物料管理方面，系统不仅会自动计算WBS节点的日、周、月各项施工物料计划用量，辅助管理人员进行物料的调度[12]；还可以根据施工过程中其他信息的改变，动态调整物料使用计划。同时，借助BIM技术实现管线构件编码，将构件进行节点、模块化拆分，进行装配式工厂加工，快速装配，缩减工期。同时通过扫描构件上的二维码，获取构件的安装位置等信息，协助管理人员进行管理，确保构件的可追溯性。