基于BIM的智慧工地管理体系研究★

裴俊华，刘维珩，侯 斌，石福彬

(1.甘肃林业职业技术学院,甘肃 天水 741020; 2．甘肃建投土木工程建设集团有限责任公司,甘肃 兰州 700070)

0 引言

随着城乡一体化进程的推进,建筑业发展规模不断增大,自2012年以来,建筑业占国内生产总值的比重一直保持在6.85%以上,2021年,建筑业总产值达到29.3万亿元,国民经济支柱产业地位持续巩固。与此同时,建筑市场依然存在生产效率低、能耗高、管理粗放、质量安全事故多发、环境影响明显等现象,建筑业也从“量”的扩张转向“质”的提升[1]。研究表明,现阶段建筑业在国内能源资源的消耗占比达29%,是发达国家的3倍～4倍,其中,水泥用量超过世界先进水平的50%[2]。另外,在建筑施工的同时会产生大量扬尘和施工噪声,建筑施工扬尘约占大气污染物的20%[3-4],长期处在噪声干扰下生活和工作,会对人的健康造成极大的影响[5]。综上,传统建筑业长期存在着生产效率低下、质量可靠性差、能源消耗高、环境污染严重以及资源利用率低等问题[6]。作为国民经济的重要支柱产业,建筑业已处于由高速增长阶段向高质量发展阶段转变的关键转折期,要实现这一目标,需加快建筑工业化升级、提升建筑数字化水平。将建筑信息模型(BIM)、物联网、大数据、云计算、5G、人工智能、区块链等新技术融入建造过程,使得智慧建造成为了信息技术、数字技术与施工现场深度融合的产物,在这样的背景下,面向工程项目的智慧工地应运而生。

建筑信息模型Building Information Modeling(BIM)是在建筑工程及设施全生命期内,对其物理和功能特性进行数字化表达,并依此进行设计、施工、运营的过程和结果的总称[7]。BIM技术经历了从2008年的“设计院1.0时代”到2015年“管理咨询4.0时代”,再到2016年至今的“运维5.0时代”的发展变革。BIM技术有载体,能够让管理者清晰、直观地了解对象,实现工程建设各相关方的数据共享与协同,其包含全生命周期的数据信息则能帮助管理者及时调整生产流程、集中管理、降低成本、提升效率。BIM模块是数字建筑服务平台的重要组成部分,是建筑业数字化转型的核心构件,其应用深度与广度在业内得到持续推广和拓展。

智慧工地是综合应用BIM和信息化、数字化技术手段对施工现场的人、机、料、法、环等关键要素实现全面感知和实时互联,通过数据采集、挖掘、共享和协同,实现工地的数字化、网络化、智能化,构建以项目为主体的互联协同、多级联动、管理预控、智能决策、整合高效的智能化生产工地。构建基于BIM技术的智慧工地管理体系,对其中的模块进行全面明确的分析,实现技术和管理的结合,这对于改善传统施工现场的各项问题具有重要的工程意义和实践价值。

1 构建基于BIM的智慧工地管理体系

1.1 构建基于BIM的智慧工地管理体系的必要性

智慧工地可利用物联网与通信技术,对施工过程进行全面的感知、监测和管理,通过安装传感器和监控系统,实时监测和预警施工现场的环境、设备和人员的状态,实现设备和人员的联网管理,有效协调各个施工环节,收集数据并进行分析,帮助监督施工过程和检查质量,及时发现和解决问题,保障施工安全、提升工程质量。智慧工地可通过自动化设备和机器人来完成部分繁重、危险或重复性工作,减少人工介入,利用BIM技术进行精细化设计并优化施工计划,减少施工时间,降低人力成本和业主利息成本。智慧工地可通过智能照明、空调控制等技术手段,减少能源消耗,对建筑垃圾采用智能垃圾分类处理,降低污染风险,可利用智能喷淋系统对施工区域进行定时喷淋,减少施工中的粉尘排放,最大程度地满足环保要求,实现绿色建造。智慧工地可采用大数据、人工智能、物联网等技术和手段,实现对施工现场各项数据和信息的汇聚、分析、管理和应用,大幅提升现场管理、安全生产、效益管理等方面的效能,实现信息共享和数据集成,促进纵横向建设参与方的协同合作和信息交流,提高项目整体效益和社会经济效益。

1.2 建立基于BIM的智慧工地管理体系的可行性

工程建设项目涉及多专业和多学科领域,建设周期长、规模大、资源消耗大、参与人员多、复杂性程度高、物理信息交互的频率大,若沿用传统的施工管理手段,必然会存在进度延误、成本超预算、工作效率低下、安全事故频发等弊病。随着全球信息化进程不断增速,建筑行业进入信息化时代是必要的,利用BIM技术在建设工程项目全寿命周期的参建多方之间进行信息传递,集成人员、流程、数据、技术和业务系统实时数据,实现工程信息的交互和共享,形成建筑产品数字虚拟和建筑实体的“数字孪生”,达到不受时空限制进行设计、施工、管理的优化。借助基于BIM技术的智慧工地管理平台,利用IOT技术采集工地人、机、料、法、环数据,服务进度、成本、质量、安全管理,标准化各分系统,传递、引用、分析工作的数字成果,精细掌握工地情况,准确预测施工中各项资源需求,寻找风险因素,完成合同分析、过程管理、指标管理、成本分析和质量控制等工作,实现项目管理的数字化、智能化。

1.3 基于BIM的智慧工地管理平台系统架构

智慧工地管理平台围绕建筑施工现场“人、机、料、法、环”五大要素,运用BIM信息化模型、物联网、大数据、5G、人工智能等高科技信息化处理技术,构建进度、质量、安全、劳务、物料管理、物联监测等业务板块体系,实时监控施工进度、质量状况、安全防控、环境监测、人员管理等功能。平台在提高施工现场管理水平的同时,还为项目各相关方搭建沟通协调、信息共享的环境,可为项目工地、企业、监理、业主、行业监管等多个方面提供管理权限划分。

智慧工地管理平台体系架构由五部分组成,分别为感知层、网络层、平台层、应用层以及用户层,以实现工程物理感知、信息网络传输、数据归集共享、业务互联协同、用户监管决策之用,达到工程项目节能减排、降本增效、精益建造、提质创优之目的,具体如图1所示。五个层级的组成与作用如下:

1)感知层作为BIM+智慧云平台系统的基础,包含感知设备、识别设备、控制设备以及执行设备等模块,通过传感器等硬件感知物品及各类环境信息,实现各类数据的智能化采集,将物理世界用数字技术实现信息化联通。感知层应用的技术有传感器技术、射频识别技术、定位技术、图像采集技术等。

2)网络层是感知层和平台层的纽带,又称为传输层。根据传输距离与用途可分为私有网络、互联网、有线和无线通信网等。主要作用是将感知层采集到的各种数据,安全可靠地传输到应用层。网络层通过接入网和传输网实现接入功能和传输功能。其中传输网主要由互联网、电信网、移动网等公网及专网组成,接入网主要有光纤接入、无线接入以及卫星接入等多种方式。信息传递会根据实际情况,依照每种网络的特点和用途,进行组合构建。对于物联网体系结构而言,其网络层承担着巨大的数据量,面临更高的数据传输质量要求,故而对原网络层需要进一步提升和改进,采用新技术进行扩展融合,达到广泛和高效的互联功能,例如4G/5G通信,IPv6,Wi-Fi,蓝牙,ZigBee等。

3)平台层包含两部分:一是数据层,二是支撑层。数据层包括智慧工地的静态数据和动态数据。智慧工地静态数据包括建筑工程施工项目基本信息、各方责任主体信息、施工人员基本信息、施工图信息、地理空间信息等低频变化的数据。智慧工地动态数据包括施工人员考勤管理数据、门禁通行管理数据、施工设备监测数据以及扬尘噪声监测数据等随工程进度同步变化的数据。数据层应满足各应用场景与各工程参与者数据的逻辑组织及归集要求,且应具备数据统计、分析、预警、共享及协同的功能。支撑层主要提供应用所需的各种服务和共享资源,以云计算、大数据、人工智能等核心技术作为支撑,为系统对数据进行管理、处理、监控、分发、检索等服务。

4)应用层也称业务层,是针对项目管理、面向不同对象、不同阶段的各类应用集合。主要集成实现了BIM+智慧工地云平台系统。它可根据项目属性分为诸如安全质量监管系统模块、项目管理系统模块、项目管控系统模块、项目信息管控系统模块、BIM轻量化设计系统模块、劳务实名制系统模块、附加信息系统模块等。应用层模块随建设工地性质的不同而有所侧重。

5)用户层主要是为主管部门、建设单位、项目工地、施工企业、监理单位等用户提供多功能的智慧工地平台服务。构建覆盖集团公司、子分公司、项目现场多方联动的工地监督管理平台,实现跨区域的多个承建单位、多个公司、多个项目部工地数据的汇总、分析,为管理人员提供决策支持。通过设置权限,按照分级管理结构,工地建设企业、监理单位、施工企业、监管部门等可实现资源共享,互联互通,实现项目级、企业级以及监管方平台为一体的多功能化和数据差异性大屏端、PC端和移动端等多应用场景功能。

1.4 基于BIM的智慧工地管理体系

智慧工地管理体系的目标是服务建设工程项目全生命周期中项目的决策阶段、实施阶段和使用阶段之间各类信息的流通、集合、共享、协同,形成具有信息化、数字化、网络化、协同化的智能建造工地,通过施工技术、信息管理、决策分析、风险管控措施实现信息与管理联通,提高决策的时效性、科学性。

把建设工程项目的主体层、对象层、目标层通过信息化、数据化方式融合、交汇于智慧工地云平台,形成一种基于信息化技术和智能化设备的智慧工地管理系统,实现对建设工地质量、进度、环境保护等多方面的管理。主体层包括参与建设工程项目的业主单位、施工单位、设计单位、监理单位和政府监管部门,不同参与主体在项目建设全生命周期的不同阶段通过BIM技术进行虚拟现实模拟实现建设项目各阶段问题早发现、早预防、科学决策、提升效能。对象层围绕工地要素进行实时、全面、智能监控和管理。例如:工地环境监测应用场景通过前端传感设备和视频设备,实时监测工地扬尘数据,实现对施工现场噪声、网速、风向、温湿度、PM2.5,PM10等内容的实时数据监测和预警并将数据上传政府监管平台,自动生成统计报表,数据超标自动预警,并自动开启喷淋系统降尘,为监管部门提供实时有效的动态颗粒物、噪声数据和图像数据;塔式起重机安全管理应用场景借助安装在塔身的高度、力矩、回转、幅度传感器和风速仪等感知硬件,集合互联网、嵌入式技术实时显示运行数据,实时反馈塔机情况,量化分析工作量、工作效率,提供项目管理数据信息,判断设备疲劳程度,反映设备状态,执行危险行为切断控制指令。目标层项目管理任务因主体不同而有差异,从业主和施工方综合考虑,主要包括质量、成本、进度、安全、合同、健康和环境管理。例如:进度管理中,进度可视化用不同颜色三维展示当前进度情况,建设进展直观掌控;智能预警提醒可设置关键节点,对延期风险进行智能预警、对已延期进度自动提醒,实现动态及时的进度监测。可以看到,利用智慧工地云平台能更好围绕对象层,服务主体层,实现目标层管理任务,借助信息技术对管理对象进行管控以实现项目的管理目标,使得整个建造过程更智慧化。基于BIM的智慧工地管理体系如图2所示。

2 应用成效

2.1 智慧工地管理应用场景

建设工程施工方项目管理任务包括安全、合同、信息管理和成本、进度、质量控制及与施工有关的组织协调等。工地管理围绕建设过程中的人、机、料、法、环等关键要素开展,因此,智慧工地管理一般应该包括安全、人员、质量、进度和环境管理等内容,如图3所示。

安全管理是工地管理中最为重要的环节,包括作业前的安全教育管理和作业时的违章管理。人员培训时需实名制登记,安全教育后要签字确认,确保每个人员作业前完成安全教育。作业时的安全管理包括重点区域远程视频监控、安全防护防拆检测、未戴安全帽抓拍和报警、危险边缘区域声光警报等。

人员管理包括人员的实名制管理和考勤管理、从业资格管理和教育交底管理、诚信管理及工资管理等。智慧工地管理系统对现场人员快速登记,解决上千工人信息登记烦琐的问题。通过对工人日常行为监测,补充现场管理漏洞,解决监管覆盖不全面、不到位的问题。

质量管理包括质量隐患巡查管理和实测实量管理、质量检测报告管理等。主要为监控工程实施的各质量环节信息和流程自动化,质量管理模块将上传到系统的巡查和检测数据自动生成报表,分析趋势,并对具有较大风险的数据进行预警显示。数据资料也可与授权部门进行共享,提高政府部门对工程数据的检索、检查的效率。

进度管理在传统Project,P6系统进度管理基础上,或采用诸如斑马双代号网络图系统,通过数据对比,发现实际工期与计划工期的差距、资金支付、主材使用、人员劳动效率等方面问题,科学地掌控项目的进度。

生态环境管理是项目建设非常重要的内容,项目建设产生的扬尘噪声、废水、废气、废弃物和能源的使用都会对周围的区域产生一定的影响,基于BIM构建的智慧工地管理系统,能够自动记录环境监测仪、污水感应传感仪器、废气传感仪器等设备检测到的数据,管理系统能够及时检测到超标值并发出预警,并实现自动处置。例如,当工地中的扬尘量较大超出预警值时,设备将会自动开启喷淋系统,以降低粉尘颗粒浓度。

2.2 实际效果

智慧工地管理体系可以实现如下几方面的作用:通过三维虚拟场景模拟施工过程,优化施工方案,合理安排施工工序,减少人力资源,缩短施工时间,降低施工成本、提高施工效率。通过可视化表现和检测,减少实际测量和验收的误差,帮助施工和监理人员及时发现问题并解决,减少施工质量问题和纠纷,提升过程质量管理水平。通过GPS定位、视频监控、RFID识别等技术手段,对建设工地的人员、车辆、材料等进行全面监管,实现全时段、全方位的在线监控和工地现场全面监管。利用传感器、人工智能等技术手段,对建设工地的潜在风险进行预警和管理,增加施工安全措施,减少潜在错误和风险,构建全方位无死角的施工安全管理体系,减少事故发生的概率,保障施工人员安全和健康,实现智能化风险管控。借助移动终端、互联网等技术手段,实现建设工地的信息化管理和协同合作,提高施工质量和工程进度,完成精细化质量管理。通过智能化调度、进度管控等手段,实现建设工地的精准管理和快速响应,提高施工效率,实现高效化进度控制。利用环保监测设备、智能节能设备等技术手段,实现建设工地的节能环保和可持续发展,降低工地建设对环境的污染和破坏,促进绿色化,实现环境保护。

BIM+智慧工地平台的应用实现了施工现场的“人、机、料、法、环”各关键要素实时、全面、智能的监控和管理,有效支持了现场作业人员、项目管理者各层协同和管理工作,提高了施工质量、安全、成本和进度的管理水平,减少浪费[8]。同时,帮助工程人员发现安全隐患,规范质量检查及检测行为,实现质量溯源和劳务实名制管理,有效支撑主管部门对工程现场的质量、安全、进度、人员的监管[9]。

3 结语

通过基于BIM的智慧工地管理系统在项目管理全过程的深度应用,综合运用物联网、人工智能、移动互联网、云计算等信息技术,采集项目现场生产、监测数据,集成项目子应用系统,以可控化、数据化、可视化的方式对项目进行全方位立体化监测和智能响应,实现工地关键要素全面感知、互通互联、智能协同,保障施工项目全要素、全流程、全参与方共享共用的信息化、数字化、智能化管理。工程数字化体系将大幅提升企业的精益生产能力,提高工程运营效率,降低工程管理成本,提升管理水平与决策能力,提高项目建设目标全寿命周期竞争力,为工程的建设和使用增值。

但也要清楚的看到,和其他行业相比,目前建筑业还处于工业化还没有完全实现,信息化正在系统建设,数字化治理刚起步的工业化、信息化、数字化三线并行的跨阶段发展时期。BIM对应的是建筑产品的数字化,智慧工地技术对应的是人、机、料等要素的数字化,从当前智慧工地建设情况来看,依然存在诸如数据没有形成系统化资源,留有信息孤岛;碎片化系统未形成有效连接与协同,对业务的支撑有限,无法满足全局优化的需要;建设项目各阶段口径、标准不一致,数据冗余,无法形成持续优化的数据应用闭环;缺乏可随时调用的结构化数据和有效解构到元素级数据的能力等问题。而实施数据驱动、数字赋能,推动建设模向信息化、数字化、智能化模式转型,已经成为建设方企业保障存续的必由之路,以项目现场各岗位作业数字化为手段,实现虚实结合精细化管控及数字化集成交付[10],依托系统性数字化能力,持续保障智慧工地深度应用与发展,以系统性数字化建设推动建造过程数字化、智能化升级,是推动建筑业数字化转型和高质量发展的有效途径。