高 宏 偉

(中國人民解放軍96784部隊，河南 洛陽 471000)

建筑業(yè)是國民經濟的重要組成部分，在改善居住環(huán)境、完善基礎設施、緩解就業(yè)壓力、促進經濟增長等方面發(fā)揮著積極作用。隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，建筑業(yè)逐漸呈現出規(guī)模體量大型化、構造功能多樣化、工藝流程復雜化、現場管理精細化等特點。傳統(tǒng)粗放式的發(fā)展模式，存在人員流動頻繁、現場管理混亂、安全事故多發(fā)、環(huán)境污染嚴重、資源利用率低等問題，已不再適應建筑領域節(jié)能環(huán)保、安全高效、持續(xù)健康發(fā)展的總體要求。因此，在現場施工過程中如何科學、合理、有效地進行管理，杜絕各種違規(guī)操作、提高建筑工程質量、增強企業(yè)競爭能力和確保社會安全穩(wěn)定，成為擺在政府部門、業(yè)界人士和專家學者面前的一項重要研究課題。

在這樣的時代背景下，隨著人工智能、無線傳感、信息技術的迅猛發(fā)展，智慧工地建設應運而生。它是一個集安全、質量、進度、設備、物資及勞務管理為一體的綜合信息平臺，應用于工程建設全生命周期過程中，讓傳統(tǒng)的建筑工地長出“智慧大腦”，最終實現施工管理智能化、數據采集自動化、過程監(jiān)管可視化和行政決策科學化[1]。智慧工地的實施，可以幫助建筑企業(yè)節(jié)省人力投入、提升管理水平、確保質量進度、預防安全事故。目前，智慧工地建設在我國的北京、上海、杭州、深圳等多個城市都出現了比較成功的案例，并且取得了顯著成效。

1 智慧工地概述及其系統(tǒng)架構

智慧工地是智慧城市理念在建筑領域的具體體現，它借助先進的BIM技術對工程項目進行精準設計和施工模擬，應用高度集成的信息管理系統(tǒng)，將物聯網采集到的大量數據進行匯總分析，建立信息協(xié)同共享、工作互聯互通、施工全面智能、管理科學高效、風險智慧預控的信息化生態(tài)圈，從而提高建筑工程的整體質量、管理水平和決策能力，有利于促進建筑業(yè)的轉型升級和持續(xù)健康發(fā)展[2]。智慧工地緊緊圍繞施工現場的人、機、料、法、環(huán)等關鍵要素，綜合運用互聯網、物聯網、BIM、云計算、大數據、虛擬現實、移動通信、3S等技術，將分布于不同終端、不同階段、不同類型的信息數據，進行全面準確及時的收集匯總、分析計算，達到整個施工過程可優(yōu)化、施工進度可控制、施工各方可協(xié)同、施工風險可預見的目標。

智慧工地綜合信息管理系統(tǒng)呈現出縱向多層次、橫向網格化的結構特點，遵循標準化、系統(tǒng)化、模塊化的原則，同時考慮到系統(tǒng)的開放性、擴展性和易用性，其系統(tǒng)架構主要包括信息采集層、網絡傳輸層、平臺處理層和用戶應用層[3]，如圖1所示。

信息采集層是基礎，通過攝像機、傳感器、智能手機、RFID和GPS等終端設備，對人員作業(yè)狀態(tài)、機械運行情況、現場施工環(huán)境等要素進行實時監(jiān)控、智能感知和數據采集，為整個系統(tǒng)提供全面準確的信息保障。網絡傳輸層是橋梁，依據約定好的網絡傳輸接口和協(xié)議，通過特定的傳輸介質將項目數據信息，準確無誤、無延時地進行雙向傳輸與交換。平臺處理層是關鍵，主要是借助大數據云平臺對不同類型的感知設備獲取的海量原始數據進行存儲、解析、計算和挖掘，讓項目各參建方更便捷的進行數據訪問和信息交互。用戶應用層是核心，它將平臺處理后的相關數據分類納入不同的功能模塊，并以圖表、模型、視頻、報警等直觀可視化的方式進行呈現，可以作為人員管理、施工指導、輔助決策、風險預測和方案編制的有效依據。在上述四層結構之外，還需要建立相應的規(guī)范標準和管理制度，以保障信息有序匯集、存儲、應用和共享，強化平臺管理、使用的規(guī)范性和安全性。

2 基于物聯網技術的智慧工地在工程建設中的應用

物聯網(The Internet of Things，IOT)通過信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、激光掃描器等技術設備，按照事先約定的協(xié)議內容，把工程建設中涉及到的重點關鍵要素與互聯網相連接，實現對它們的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。基于物聯網技術的智慧工地綜合信息管理系統(tǒng)，融合現場管理、行政監(jiān)督以及文明施工等為一體，為各項決策的判斷和制定提供重要依據。

2.1 勞務實名制管理

現階段，我國建筑勞務市場的用工量非常龐大，同時也存在著企業(yè)用工不規(guī)范、從業(yè)門檻比較低、人員流動很頻繁、技能水平參差不齊等問題，難免會產生勞務糾紛、影響工程質量、發(fā)生安全事故。勞務實名制管理子系統(tǒng)是項目部進行規(guī)范管理、規(guī)避風險、保障工人合法權益、提高企業(yè)經濟效益的有效途徑和具體舉措，它將工人的姓名、年齡、工種、入職時間、技能水平和資質許可等信息錄入系統(tǒng)，形成完善的人員數據庫，實現對勞務人員年齡構成、性別比例、屬地來源、季節(jié)性影響等因素的研究分析，便于勞務隊伍的優(yōu)化選擇和有效管理[4]。在人員考勤方面，利用人臉識別、指紋采集、虹膜驗證、門禁閘機、智能IC等先進技術和手段，實時核驗并記錄作業(yè)人員的身份、班組、工種、進出場時間等信息，幫助管理人員完成考勤登記和工時統(tǒng)計，為勞務人員的績效獎懲和工資結算提供真實可靠的數據依據，避免出現勞務糾紛，同時還能有效杜絕外來無關人員進入，強化現場人員安全管理。建筑企業(yè)還可以利用GPS及北斗定位功能，通過佩戴智能安全帽、智能手環(huán)、手機APP等設備，對現場作業(yè)人員的心率、體溫、作業(yè)狀態(tài)、所處位置和運動速度等情況進行實時監(jiān)測，當數據出現異常情況時，自動發(fā)出報警信息，有效降低安全事故發(fā)生幾率。

2.2 遠程視頻監(jiān)控

在建筑工地點多、線長、面廣，作業(yè)面高度分散、轉移頻繁的條件下，如何確保施工人員、物資材料、機械設備的安全，及時準確掌握施工作業(yè)動態(tài)、質量和進度情況，是建筑企業(yè)關心的頭等大事。智慧工地中的遠程視頻監(jiān)控子系統(tǒng)采用高清智能攝像機、航拍無人機等設備，實現對施工現場主要出入口、材料堆放區(qū)、設備操作臺、施工作業(yè)面及周邊環(huán)境的全覆蓋無死角遠程監(jiān)控，及時發(fā)現并消除存在的隱患問題，避免因人員違規(guī)作業(yè)、設備操作不當、物料遺失被盜造成的人身和財產損失[5]。各相關單位可以通過手機APP和PC客戶端，隨時查看人員作業(yè)情況、現場管理情況、進度質量情況及整改落實情況。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的廣泛應用，不僅可以提高現場管理的正規(guī)化水平，彌補人員不足帶來的管理死角，還可以加強對安全生產事故的防范，最大限度降低施工安全隱患。

2.3 環(huán)境在線監(jiān)測

建筑業(yè)產生的揚塵和噪聲污染，對城市空氣質量和周邊居民生活造成了嚴重影響。2018年中共中央、國務院印發(fā)的《關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護，堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》指出，要強化城市建設施工揚塵管控措施，明顯改善大氣環(huán)境質量，增強人民的藍天幸福感。施工現場的環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，通過各類傳感器實現對揚塵、噪聲、氣象、能耗及污水排放是否達標等環(huán)境數值進行實時監(jiān)測，監(jiān)測數據通過有線或無線方式傳輸到后端平臺進行分析、處理，并做出相應的預判和報警[6]。具體模塊功能如下：

1)揚塵監(jiān)測。當檢測到的數值超限時，自動開啟聯動霧化噴淋設備。

2)噪聲監(jiān)測。對噪聲進行實時數據監(jiān)測，超標預警進行短信推送。

3)氣象監(jiān)測。對風速風向進行實時監(jiān)測，自動換算建筑受力，形成風壓大數據庫；對有毒有害氣體濃度進行監(jiān)測，自行驅動換氣機構進行通風。

4)能耗監(jiān)測。對水電油氣等各類能耗進行精細計量、實時監(jiān)測、智能處理和動態(tài)管控。

3 基于BIM技術的智慧工地在工程建設中的應用

BIM(Building Information Modeling)借助計算機和三維數字技術，收集和整理建筑全生命周期的數據和信息，并以三維立體模型的方式展現出來，真正實現了建筑信息集成化協(xié)同處理。BIM技術的應用，能夠實現建設項目生命周期內全部動態(tài)信息的創(chuàng)建、管理和共享，使得從規(guī)劃設計、構件生產、施工管理、運營維護等都印上數字化的屬性，能最大限度地減少或避免問題的發(fā)生。

3.1 設計階段的應用

建筑設計是后續(xù)施工活動有序展開的關鍵所在，如果設計方案不合理，將直接影響到建筑物的功能、質量和安全，并造成不同程度的資源浪費和環(huán)境污染。BIM技術在設計階段的應用主要表現在以下幾個方面：

1)進行場地規(guī)劃。利用BIM+GIS技術，可以對擬建項目的選址進行場地規(guī)劃，實現三區(qū)分離、人車分流，對建筑性能、塔吊布置、采光日照等進行模擬分析，對擬建工程與現有建筑和周邊環(huán)境的空間關系進行研究，增強總體規(guī)劃的科學性、合理性和可行性。

2)協(xié)同設計與碰撞檢查。傳統(tǒng)的設計流程是一個線性的過程，各專業(yè)之間前期沒有進行有效的溝通，等到施工中發(fā)現問題再反過來修改設計，造成人力、財力、時間的大量浪費。將BIM技術和“云端技術”進行有效結合，可以提供一個信息共享平臺，各專業(yè)工程師在同一平臺上對項目的建筑、結構和機電模型進行設計，有利于進行廣泛深入的溝通交流，避免出現數據更新不及時的現象；同時借助BIM強大的碰撞檢查和自動糾錯功能，可以及早發(fā)現設計方案的不合理之處，從源頭上減少因“錯漏碰缺”導致的設計變更和返工[7]。

3)復雜節(jié)點分析。工程建設的關鍵問題是節(jié)點設計，要求構件連接具有較好的整體性和可靠性，以滿足建筑物的抗震要求，避免施工過程中出現偏差。目前，構件節(jié)點的連接多采用灌漿套筒方式，通常會在接縫處開槽，形成鋸齒狀或預留一定的彎鉤鋼筋。利用BIM技術對構件類型、材質、規(guī)格、尺寸、配筋和預留預埋洞口等進行精準設計，減少用于方案調整的精力與時間。

3.2 施工階段的應用

BIM技術在施工階段的應用主要表現在以下幾個方面：

1)物料管理。傳統(tǒng)的物料管理主要通過人工進行到貨驗收、統(tǒng)計歸類和放置存儲，難免會出現堆放混亂、使用錯誤、被盜丟失的現象。根據BIM技術模擬的施工進度計劃，合理安排進出場時間；在材料設備到貨驗收時，對其名稱、規(guī)格型號、到貨數量、材質標準等信息進行編碼，根據BIM模型提供的施工順序和安裝位置進行分類存放，實現精細化管理。

2)吊裝作業(yè)。吊裝作業(yè)是建筑施工階段的核心，對機械設備和施工人員的能力素質要求較高。施工展開前，利用BIM技術進行吊裝模擬，確定塔吊運行角度、起重力矩、回轉幅度及與擬建建筑物的位置關系，保證塔吊在施工全過程中的安全運行。

3)進度質量管理。在原有BIM-3D模型的基礎上引入時間和資源兩個維度形成的BIM-5D模型，可以幫助技術及管理人員實時跟蹤掌握施工進度和資源投入情況，及時發(fā)現原始施工方案中的不合理性，動態(tài)調整施工計劃，防止工期延誤和成本增加。將專項檢查和日常巡查過程中發(fā)現的質量問題拍照上傳，使涉及到的質量問題直接關聯到BIM模型的具體構件上，項目各責任主體均可在模型上查看整改落實情況。

3.3 安全管理中的應用

建筑施工中一旦出現安全事故，將給家庭、企業(yè)、社會帶來極大的影響。傳統(tǒng)的施工安全技術交底，通常是以耳口相傳或書面文字的方式進行的，施工作業(yè)人員理解不深、記得不牢。通過建立高精度的BIM模型，對施工現場臨邊洞口、高處作業(yè)等危險部位進行標識并做出風險評估，事先掌控安全物資調配需求及安全設施布置效果，提升安全管理能效[8]。將BIM三維模型導入VR程序引擎，設計出逼真的場景環(huán)境，體驗者可以身臨其境的置身于這些“真實的”場景中，形象直觀地感受安全事故帶來的危害，例如機械傷害、支模坍塌、高空墜落、施工觸電、火災逃生等，讓人們從主觀上認識到安全生產、規(guī)范操作的重要性，提高安全防范意識，掌握應急救護措施，增強個人防護技能，達到安全教育和培訓演練的目的。

4 結語

智慧工地建設過程中應用到了物聯網、云計算、大數據、BIM、虛擬現實、網絡通信、智能傳感等技術，通過構建數據準確、傳遞暢通、響應及時的綜合信息管理系統(tǒng)，實現了對風險進行及時預警，對環(huán)境進行在線監(jiān)測，對現場進行精細管理，節(jié)約了企業(yè)人力成本，提升了項目管理水平，取得了良好的經濟和社會效益，有利于促進建筑業(yè)朝著安全、綠色、智能的方向發(fā)展。