張建基，陳景輝

(廣東省六建集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528000)

1 工程概況

季華實驗室一期建設(shè)項目位于佛山市三龍灣高端創(chuàng)新集聚區(qū)核心區(qū)，文翰湖公園以北，京廣線以南，規(guī)劃泰山路以東，規(guī)劃文翰北路以西(見圖1)。其占地面積67 286.43m2，建筑面積約104 529.92m2，其中地下約18 860m2，地上約85 669.92m2，土建招標(biāo)控制價為41 374.79萬元。廣東省六建集團(tuán)有限公司與廣東省建筑設(shè)計研究院聯(lián)合設(shè)計施工聯(lián)合體承包。本工程分B，C 2個區(qū)，具有建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高空作業(yè)多、危險性高，多專業(yè)綜合性強(qiáng)、協(xié)同要求高、新技術(shù)應(yīng)用多、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高，對施工精度要求高等特點，給設(shè)計和施工系統(tǒng)管理與綜合防控提出更高要求。針對工程特性，項目策劃采取智慧建造措施。

圖1 季華實驗室一期建設(shè)項目

國內(nèi)主要的智慧工地建設(shè)和發(fā)展過程存在以下重難點，嚴(yán)重影響大型復(fù)雜工程項目施工的信息化和智慧化：①單項監(jiān)控多，綜合監(jiān)控少，施工監(jiān)控系統(tǒng)性不強(qiáng)，各類監(jiān)控可視化程度低；②各類檢查數(shù)據(jù)和設(shè)備體系不同，數(shù)據(jù)交換困難，數(shù)據(jù)集成和可視化程度低；③現(xiàn)場數(shù)據(jù)、BIM模型與云平臺數(shù)據(jù)和模型傳輸受無線傳輸帶寬限制，因數(shù)據(jù)卡頓難以實現(xiàn)監(jiān)控預(yù)警的實時同步，影響工程安全。

因此，結(jié)合BIM、仿真、現(xiàn)代施工監(jiān)控和云平臺大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)施工項目協(xié)同管理和智慧建造，是解決此類問題的關(guān)鍵。

2 施工技術(shù)特點

2.1 基于BIM的智慧監(jiān)控集成平臺集成方法

集成塔式起重機(jī)安全監(jiān)控管理子系統(tǒng)、人貨梯安全監(jiān)控管理子系統(tǒng)、混凝土綜合監(jiān)測子系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測子系統(tǒng)、高大支模監(jiān)測子系統(tǒng)、人員定位監(jiān)測子系統(tǒng)、綠色施工與環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，并接入智慧建造綜合監(jiān)控集成軟件平臺。

2.2 施工綜合監(jiān)測信息的集成管理

自動化信息采集設(shè)備由綜合采集模塊與各類型傳感器組成，采集的數(shù)據(jù)通過GPRS技術(shù)傳送至數(shù)據(jù)服務(wù)端。在云端實現(xiàn)與現(xiàn)場采集設(shè)備的交互，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，構(gòu)成可視化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)一步實現(xiàn)施工可視化監(jiān)測預(yù)警。

根據(jù)工程構(gòu)件形狀特點及部位，細(xì)化增加無線傳輸中繼模塊，確保數(shù)據(jù)采集的代表性、有效性。

2.3 基于Revit+Dynamo可視化大數(shù)據(jù)智慧監(jiān)測預(yù)警方法

使用Dynamo作為可視化監(jiān)測預(yù)警平臺，結(jié)合BIM技術(shù)、仿真技術(shù)、現(xiàn)代施工監(jiān)控技術(shù)和云平臺大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)施工項目協(xié)同管理和智慧建造。

通過本工法協(xié)助項目實現(xiàn)智慧建造，提高作業(yè)效率、節(jié)省施工費用、有效縮短工期、降低管理成本。

3 工藝原理

1)現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高空作業(yè)多、危險性高；多專業(yè)綜合性強(qiáng)，協(xié)同要求高，新技術(shù)應(yīng)用多，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高，對施工精度要求高，給設(shè)計和施工系統(tǒng)管理與綜合防控提出更高要求。因檢查條目繁多，管理人員專業(yè)水準(zhǔn)參差不齊，易引起驗收工作遺漏和疏忽，導(dǎo)致施工質(zhì)量失控、工作效率低。

施工綜合監(jiān)控平臺基于互聯(lián)網(wǎng)，集成7大子系統(tǒng)，增加可視化監(jiān)控，支持多方在系統(tǒng)上協(xié)同工作，實現(xiàn)高質(zhì)量施工、安全施工及高效智慧施工。

2)施工綜合監(jiān)控平臺借助自動化信息采集設(shè)備與無線傳輸技術(shù)GPRS完成監(jiān)測信息采集工作，構(gòu)成可視化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)一步實現(xiàn)施工可視化監(jiān)測預(yù)警。

3)基于Autodesk Revit的運行環(huán)境，依托Revit對IFC文件的解析能力，直接對IFC模型進(jìn)行操作。通過試驗證明，Dynamo不僅支持Revit原生格式的讀寫，對IFC格式也有良好的支持性。Dynamo提供豐富的節(jié)點，實現(xiàn)自動化與批量化操作。Dynamo擁有良好的擴(kuò)展性能，通過二次開發(fā)才能實現(xiàn)，滿足可視化監(jiān)測預(yù)警需求。

4 施工工藝流程

施工工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→建立并應(yīng)用智慧建造平臺→監(jiān)測智慧建造平臺→智慧建造平臺預(yù)警。

5 施工操作要點

5.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)施工圖、設(shè)計變更文件和專業(yè)安裝單位深化圖等資料，完善施工專項方案，建立BIM模型。

5.2 建立智慧建造平臺

5.2.1集成塔式起重機(jī)安全監(jiān)控

該塔式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)是集互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)采集儲存技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等于一體的綜合性新型儀器。該儀器能實現(xiàn)多方實時監(jiān)管、區(qū)域防碰撞、塔群防碰撞、防傾翻、防超載、實時報警、實時數(shù)據(jù)無線上傳及記錄、實時視頻、語音對講、數(shù)據(jù)黑匣子、遠(yuǎn)程斷電、精準(zhǔn)吊裝、塔式起重機(jī)遠(yuǎn)程網(wǎng)上備案登記等功能，特別是該儀器后臺著重加強(qiáng)監(jiān)管部門對塔式起重機(jī)的管理備案程序，能高效執(zhí)法。

塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)由主機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)測管理平臺組成。主機(jī)安裝在塔式起重機(jī)上，連接幅度、高度、轉(zhuǎn)角、質(zhì)量、傾角、風(fēng)速、人臉識別模塊等傳感器，具備內(nèi)置制動控制和數(shù)據(jù)存儲等功能。集成塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示，塔式起重機(jī)安全監(jiān)控安裝位置如圖3所示。

圖2 塔式起重機(jī)安全監(jiān)控管理子系統(tǒng)構(gòu)成

圖3 塔式起重機(jī)安全監(jiān)控安裝位置

施工單位聯(lián)合設(shè)備單位開發(fā)塔式起重機(jī)變形安全監(jiān)控功能模塊，即防碰撞、吊鉤可視化功能。

5.2.2人貨梯安全監(jiān)控系統(tǒng)

人貨梯安全監(jiān)測、記錄、預(yù)警及智能控制系統(tǒng)能全方位實時監(jiān)測施工人貨梯的運行工況，有危險源時及時發(fā)出警報和輸出控制信號，可全程記錄人貨梯的運行數(shù)據(jù)，同時將工況數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。

人貨梯安全監(jiān)控子系統(tǒng)安裝有載重監(jiān)測、人數(shù)監(jiān)測、速度監(jiān)測(防墜)、傾斜度監(jiān)測、高度限位監(jiān)測、防沖頂監(jiān)測、門鎖狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備。

5.2.3大混凝土綜合監(jiān)測管理系統(tǒng)

大混凝土綜合監(jiān)測管理系統(tǒng)集互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)采集儲存技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等于一體。多點無線溫度自動測試系統(tǒng)是分布式、全自動、多點溫度靜態(tài)數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)，該儀器能實現(xiàn)多方實時監(jiān)管、實時監(jiān)測大混凝土溫度和濕度，具有超標(biāo)預(yù)警、上傳及記錄等功能，數(shù)據(jù)云儲存可遠(yuǎn)程監(jiān)管現(xiàn)場混凝土狀況，隨時調(diào)整養(yǎng)護(hù)措施，對混凝土降溫速率進(jìn)行信息化控制。

5.2.4鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測系統(tǒng)

鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測系統(tǒng)是集互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)采集儲存技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等于一體的綜合性新型儀器，由監(jiān)測傳感器、綜合測試儀、自動綜合采集系統(tǒng)構(gòu)成。智能數(shù)碼弦式應(yīng)變計可實時監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力，綜合測試儀可直接顯示物理量值，通過設(shè)置超標(biāo)預(yù)警提醒、系統(tǒng)數(shù)據(jù)在線方便多方遠(yuǎn)程監(jiān)管施工過程。

5.2.5高大支模監(jiān)測系統(tǒng)

高大支模監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測傳感器(由振弦式軸力計、水平傾角探頭、固定式測斜儀等構(gòu)成)、采集單元、無線收發(fā)、DSC無線自動綜合采集軟件系統(tǒng)構(gòu)成。高大支模監(jiān)測項目包括軸向應(yīng)力、傾斜角、豎向位移、水平位移。

5.2.6人員定位監(jiān)測系統(tǒng)

人員定位監(jiān)測系統(tǒng)由定位標(biāo)簽、定位網(wǎng)關(guān)、定位基站、服務(wù)器等組成，在主要出入口安裝人臉識別門禁系統(tǒng)，刷臉進(jìn)出工地，確保人員身份信息，避免無關(guān)人員進(jìn)入。進(jìn)出數(shù)據(jù)可實時同步到云平臺，方便項目管理者隨時查看、考勤和統(tǒng)計分析。人員定位系統(tǒng)可將人員定位數(shù)據(jù)實時發(fā)送到項目管理系統(tǒng)，通過可視化界面顯示人員實時位置，統(tǒng)計工作面實時人數(shù)。

5.2.7綠色施工與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

在施工現(xiàn)場、生活區(qū)主線路上安裝智能水、電表，采集實時用電數(shù)據(jù)，通過電表傳感器將數(shù)據(jù)傳輸給后臺，后臺再將數(shù)據(jù)推送至手機(jī)APP上，用戶可在手機(jī)上實時查詢具體用電情況。

5.3 智慧建造平臺應(yīng)用

5.3.1塔式起重機(jī)安全監(jiān)控

利用BIM模型對塔式起重機(jī)進(jìn)行選型布置和安全管理監(jiān)控，預(yù)防塔式起重機(jī)出現(xiàn)安全事故，保障建筑工地施工安全。借助BIM與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，動態(tài)模擬塔式起重機(jī)運行情況，以發(fā)現(xiàn)碰撞點，合理科學(xué)安排塔式起重機(jī)的數(shù)量及間距，實時自動化動態(tài)收集現(xiàn)場安全信息，使塔式起重機(jī)安全作業(yè)。

通過設(shè)置各類傳感設(shè)備，實時監(jiān)測塔式起重機(jī)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)塔式起重機(jī)與云平臺、塔式起重機(jī)間的實時通信，做到過程記錄、過程分析、提前預(yù)警、危險截斷等，有效保障群塔作業(yè)安全。

5.3.2人貨梯安全監(jiān)控

本項目通過人貨梯安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，在施工電梯上安裝傳感器，實時監(jiān)測電梯運行過程中的荷載、高度、樓層、傾斜角等，實現(xiàn)樓層呼叫、門鎖報警功能。

通過云平臺可實時查看施工電梯的荷載、人數(shù)、速度、高度限位、門鎖狀態(tài)、導(dǎo)軌架傾斜、操作人員身份管理等信息，可有效規(guī)避系統(tǒng)危險，并傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理平臺，實現(xiàn)對建筑機(jī)械的遠(yuǎn)程管理和控制。自動語音播報系統(tǒng)在系統(tǒng)出現(xiàn)危險、電梯啟動運行、電梯到達(dá)目標(biāo)層時均自動發(fā)出語音播報，提醒操作人員和乘客。意外斷電時，斷電保護(hù)系統(tǒng)依靠備用電源安全鎖定設(shè)備，提高安全性。

5.3.3大混凝土綜合監(jiān)測管理子系統(tǒng)應(yīng)用

混凝土在制作過程中需嚴(yán)格監(jiān)管，包括混凝土養(yǎng)護(hù)溫度、強(qiáng)度、濕度等的監(jiān)測。在混凝土制作過程中部署能適應(yīng)不良環(huán)境、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好等的傳感器，利用傳感器實時傳遞構(gòu)件內(nèi)的信息，方便管理人員整理反饋信息?；炷琉B(yǎng)護(hù)時需注意避免溫度應(yīng)力過大，控制溫度，利用光纖光柵溫度傳感器(分辨率±0，1℃，精度±0，3℃)監(jiān)測溫度。

5.3.4鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

根據(jù)工程特點與理論分析計算結(jié)果，在桿件應(yīng)力最大、應(yīng)力變化突出及結(jié)構(gòu)變形特征點布置監(jiān)測點。另外，在施工關(guān)鍵節(jié)點處布置測點。臨時支護(hù)體系的監(jiān)測點應(yīng)根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)安裝及卸載先后順序，將監(jiān)測點適當(dāng)調(diào)整至關(guān)鍵受力部位。

該項目B1棟橢圓形立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用懸掛空間鋼管桁架形式，用于掛外立面幕墻的菱形管桁架結(jié)構(gòu)，通過208根鋼管立柱形成橢圓結(jié)構(gòu)，連接屋面裝飾桁架，在橢圓形中間通過彈性鉸支座混凝土結(jié)構(gòu)連接屋面裝飾桁架，共設(shè)置16座。主體結(jié)構(gòu)外圍混凝土柱(梁)共設(shè)置16組(32個支撐點)支撐架，該支撐架為監(jiān)測區(qū)域(見圖4)。

圖4 監(jiān)測區(qū)域布置

結(jié)構(gòu)原有的二維圖很難讓工人或技術(shù)人員理解構(gòu)件間的相對位置及結(jié)構(gòu)形式，而BIM模型三維節(jié)點深化、展示可很好地解決該問題。利用BIM模型，在鋼結(jié)構(gòu)受力大的節(jié)點處埋設(shè)監(jiān)測傳感器。

考慮本工程的特殊性，在本方案的監(jiān)測設(shè)計中引入自動化監(jiān)測，利用計算機(jī)通信技術(shù)，構(gòu)成完整有效的監(jiān)測系統(tǒng)，主要由DSC無線自動綜合采集軟件系統(tǒng)、無線收發(fā)模塊、采集單元、監(jiān)測傳感器模塊組成。

監(jiān)測傳感器模塊由荷載計、傾角探頭、鋼絲位移計組成。自動化綜合測試系統(tǒng)主要由綜合采集模塊、總線采集模塊、無線傳輸模塊、電源防雷模塊、信號防雷模塊、防水密封保護(hù)機(jī)箱、高可靠性空氣開關(guān)、可充電電源模塊等組成。

5.3.5高大支模監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

該項目最高模板支撐是B4棟高空通道結(jié)構(gòu)，高33.9m，高大支模采用扣件式鋼管支撐體系。在高大支模立桿鋼管搭設(shè)過程中安裝軸力計，支模安裝完成后安裝固定式測斜儀、水平傾角探頭。監(jiān)控點設(shè)置在主梁跨中及主次梁交叉處。高支模部分沉降變形允許值為8mm，報警值為10mm；水平變形預(yù)警值為8mm，控制值為10mm。

混凝土施工時應(yīng)建立高支模支撐系統(tǒng)變形監(jiān)控措施，澆筑混凝土?xí)r需連續(xù)監(jiān)控，直到混凝土澆筑完畢人員退場。

5.3.6人員定位監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

該項目工期短，施工現(xiàn)場人員長期達(dá)1 000人，安裝人員定位監(jiān)測系統(tǒng)方便管理。

5.3.7綠色施工與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

該項目于2019年通過“廣東省安全、文明施工樣板工地”2次檢查。

5.4 智慧建造平臺監(jiān)測

各項監(jiān)測值的大小為施工各階段、主要構(gòu)件、關(guān)鍵節(jié)點提供應(yīng)力、應(yīng)變及位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，可實時對比、分析設(shè)計要求，為構(gòu)件受力狀態(tài)分析提供可靠數(shù)據(jù)，及時預(yù)警險情，做到信息化設(shè)計、施工，取得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土強(qiáng)度，塔式起重機(jī)的高度、幅度、轉(zhuǎn)角、風(fēng)速、傾角、吊重、力矩等通過集成7大子系統(tǒng)，可實時監(jiān)測獲取參數(shù)，分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變化規(guī)律，制訂合理的施工方案，實現(xiàn)施工綜合智能化及可視化的實時預(yù)警功能。

5.5 智慧建造平臺預(yù)警

采用Dynamo軟件可將當(dāng)前的預(yù)警視圖以圖片格式導(dǎo)出，實現(xiàn)智慧監(jiān)測預(yù)警。

6 結(jié)語

工程施工重大危險源主要產(chǎn)生于鋼結(jié)構(gòu)吊裝、高大支模、塔式起重機(jī)運行、人貨梯運行等大型機(jī)械安全施工過程中。施工重難點包括鋼結(jié)構(gòu)、高大支模施工質(zhì)量控制。施工綜合監(jiān)控平臺技術(shù)通過綜合應(yīng)用BIM、可視化、云平臺大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備、施工對象、施工人員和施工環(huán)境的一體化智能監(jiān)控；解決監(jiān)視器、傳感器的數(shù)據(jù)交換和信息可視化與集成問題，同時建立智慧監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)?IFC 擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過云平臺系統(tǒng)開發(fā)，解決模型、監(jiān)測數(shù)據(jù)與云平臺的快速傳輸和模型再現(xiàn)問題，建立智慧建造平臺。施工綜合監(jiān)控平臺施工技術(shù)集7大子系統(tǒng)于一體，實現(xiàn)施工項目協(xié)同管理和智慧建造，保障施工安全、綠色施工高質(zhì)量。