張 毅 葛 斌 鄭果

(1.中國建筑工程(香港)有限公司，中國香港 999077； 2.中建國際醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，中國香港 999077)

引言

近年來，隨著人民對美好生活需要的日益增長，國家對于建筑業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展也提出了更多要求。加快智能建造在工程建設全過程中的應用，提升工程質(zhì)量安全、效益和品質(zhì)，有效拉動內(nèi)需，實現(xiàn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級和持續(xù)健康發(fā)展已成為社會需求及政策指引的主要方向[1]。其中，以BIM為平臺，集成相關(guān)數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)，成為發(fā)展智能建造的重要支撐[2-3]。

香港感染控制中心是中央援建香港的同心抗疫工程，該項目的順利完工并投入使用，進一步增強了香港抗擊新冠肺炎疫情的能力，充分體現(xiàn)了“一國兩制”的制度優(yōu)勢和強大生命力。

香港感染控制中心除了采用新型設計理念及建造技術(shù)外，還充分實踐應用智能建造技術(shù)，即以BIM技術(shù)為載體進行深度創(chuàng)新，結(jié)合VR、AR、IoT、MES、智慧工地系統(tǒng)等信息化技術(shù)，為涵蓋項目設計、生產(chǎn)、建造及運營的工程全生命期的智慧管理提供關(guān)鍵支撐。通過科技賦能，在提升生產(chǎn)建造效率的同時確保工程質(zhì)量，助力項目在120天內(nèi)高標準、高質(zhì)量、高效率完工。

本文將以中央援建香港感染控制中心項目為例，分享智能建造在香港緊急防疫項目全過程中的創(chuàng)新應用探索及實踐，以期為業(yè)界提供一些參考。

1 香港感染控制中心項目概況

1.1 項目背景及基本信息

2020年7月，香港爆發(fā)第三波新冠肺炎疫情，7月至8月新增3 500余個確診病例。在危機關(guān)頭，香港在中央的援助下興建臨時醫(yī)院，后正式命名為“北大嶼山醫(yī)院香港感染控制中心”(以下簡稱“香港感染控制中心”或“項目”)。作為中央援助香港的三大抗疫項目之一，香港感染控制中心的建成將大大提升香港應對疫情的能力，紓緩香港醫(yī)療系統(tǒng)壓力，為香港防疫抗疫工作做出新的貢獻。

項目位于香港亞洲國際博覽館旁，毗鄰香港國際，總占地面積為29 000m2，建筑面積為44 000m2，由6座病房大樓、1座醫(yī)療大樓、1座能源中心及液氧缸、危險品貯存間及醫(yī)療氣體總站組成。全院共設136間6人負壓隔離病房，提供816張床位。項目采用Design & Build(設計施工一體化)模式建設，合約工期僅4個月。

項目基于DfMA(Design for Manufacture and Assembly)方法的模塊化醫(yī)院設計思路，采用MiC(Modular Integrated Construction)技術(shù)快速建造，打造了國際一流品質(zhì)防疫醫(yī)院，成為我國首家采用MiC建造技術(shù)的永久醫(yī)院、全球首家全MiC負壓隔離病房傳染病醫(yī)院。

1.2 智能建造方案探索

考慮到香港感染控制中心項目有建設工期極緊張、設計工藝復雜、施工精度高、驗收標準嚴格以及管理協(xié)調(diào)難度大等特點，項目計劃應用“BIM+X”，即以BIM技術(shù)為核心，集成虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)、擴增現(xiàn)實技術(shù)(AR)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)(MES)、三維激光掃描技術(shù)及智慧工地等其他信息技術(shù)、管理手段，作為智能建造的整體實施方案。

1.3 組織架構(gòu)

項目特別設立了智能建造統(tǒng)籌小組(如圖1所示)，全面負責項目智能建造相關(guān)事宜，下設深港BIM團隊協(xié)調(diào)、正向設計協(xié)調(diào)、智慧工地統(tǒng)籌、智能防疫工作、運維工作協(xié)調(diào)等五大板塊。

圖1 項目智能建造組織架構(gòu)

2 智慧設計

2.1 BIM正向設計的應用

全專業(yè)、全流程協(xié)同是BIM正向設計的關(guān)鍵[4]。在本項目設計工作啟動的早期，全專業(yè)、全流程的BIM正向設計模式的統(tǒng)籌布局工作就已啟動：建立了由項目智能建造統(tǒng)籌小組直接領導的深港兩地BIM工作小組，確立了深港BIM小組線上24小時無間斷協(xié)同作業(yè)模式的工作機制和工作流程。成立線上協(xié)同云平臺，并為不同項目參與方設立了不同的平臺權(quán)限：例如，設計部有上傳和刪除設計圖、觀看模型和標記的權(quán)限； 工程部有補充設計圖，觀看模型和標記的權(quán)限； 所有分包商有觀看模型的權(quán)限； 而項目管理團隊以及深港兩地BIM小組則享有平臺全部權(quán)限。深港兩地BIM小組利用該云平臺進行建筑和機電模型的線上無縫銜接配合工作，改變下載模型并更新之后再上傳這樣的傳統(tǒng)協(xié)同模式，采用可以兩地多賬號同步云端更改模型并同步更新、結(jié)合24小時無間斷協(xié)同作業(yè)模式，將項目溝通及協(xié)同效率最大化，確保了在最短時間內(nèi)生產(chǎn)出最新協(xié)同模型(如圖2所示)。線上協(xié)同云平臺也確保了BIM正向設計的信息傳遞高效性和保密性，也為項目后期的生產(chǎn)建造協(xié)調(diào)工作確立了相應的網(wǎng)絡工作平臺。

利用線上協(xié)同云平臺，項目團隊只耗時1天便完成模塊化負壓病房所有相關(guān)專業(yè)圖紙的上傳、分析、整理、建模等相關(guān)工作。短短幾天內(nèi)，采用BIM模型解決了所有專業(yè)的碰撞和檢查、圖紙協(xié)同、材料尺寸面積統(tǒng)計等工作，并運用已完成協(xié)調(diào)的BIM模型直接出圖，用于模塊化病房箱體的生產(chǎn)工作。

本項目將先進制造業(yè)的DfMA方法應用于建筑施工領域，著重考慮設計對于簡化制造和組裝最終建筑組件的重要性，減少了設計與現(xiàn)場需求的脫節(jié)。BIM技術(shù)的應用，使得DfMA的關(guān)鍵作用得以發(fā)揮，例如借助3D模型輔助部品部件的分析及優(yōu)化，有助于減少設計圖轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)施工圖的時間成本，促進了設計、制造、施工與管理環(huán)節(jié)的協(xié)同工作。

BIM正向設計工作的高效落實順利地幫助了項目團隊在模塊化病房生產(chǎn)開始的關(guān)鍵節(jié)點完成全部設計協(xié)調(diào)統(tǒng)籌和出圖工作，為項目生產(chǎn)建設的順利實施打下了堅實的基礎。

圖2 運用BIM進行多專業(yè)協(xié)調(diào)過程，有效提高了溝通效率，節(jié)省67%溝通時間

2.2 BIM+VR技術(shù)輔助室內(nèi)設計

VR(虛擬現(xiàn)實技術(shù))與BIM技術(shù)的結(jié)合，是利用VR設備的全方位代入式沉浸體驗的特點，將BIM模型在VR設備中展示，令設計團隊和項目使用者第一時間可以體驗到最新的室內(nèi)設計并給出專業(yè)意見。當多方同時帶上VR設備進入同一個虛擬場景后，可以進行虛擬空間互動、溝通，實時看到其他參與者的標注和建議。VR技術(shù)對于項目早期的室內(nèi)設計起到了不可或缺的作用。一方面，設計團隊運用VR技術(shù)即時查看最新的室內(nèi)設計，可以在虛擬立體空間內(nèi)優(yōu)化洗手盆出水高度、潔具的實際高度使用體驗等，使項目室內(nèi)設計在極短時間內(nèi)完成全方位且人性化的實用設計；另一方面，VR技術(shù)幫助項目使用者在設計早期階段通過虛擬的方式親身體驗，在早期確定相關(guān)設計細節(jié)，推動項目進展[5]。

3 智慧生產(chǎn)

3.1 BIM正向設計出圖生產(chǎn)

在BIM工作的統(tǒng)籌計劃過程中，BIM工作小組就已經(jīng)制定詳細的BIM建模工作標準流程、模型族命名框架、模型信息文字標準格式等。其中，BIM建模工作標準流程包括圖紙上傳流程、圖紙命名規(guī)范、建模命名規(guī)范、兩地分工部署、更改模型流程及記錄等。在設計協(xié)調(diào)過程中，BIM小組按照標準流程嚴格執(zhí)行模型的信息整合工作，包括材料信息，材料供應商、材料顏色、物料單價、機電設備能耗信息、設備運營維護信息等。項目團隊通過正向設計完成的BIM模型直接輸出生產(chǎn)圖紙，用于MiC箱體生產(chǎn)工作，以此確保設計與生產(chǎn)無縫銜接。

3.2 MES智能系統(tǒng)

MiC實時數(shù)據(jù)面板是控制項目關(guān)鍵路線進度的關(guān)鍵面板。該面板反映了所有組成香港感染控制中心病房的MiC箱體的生產(chǎn)、物流、質(zhì)檢、安裝等全程的實時動態(tài)。所有數(shù)據(jù)均來自每一個對應環(huán)節(jié)中，運用MES(生產(chǎn)管理系統(tǒng))系統(tǒng)對于箱體上二維碼的掃碼及確認，確保實時跟蹤，實時反饋。雖然MiC箱體于中國內(nèi)地生產(chǎn)，但通過項目總指揮室智慧工地系統(tǒng)的項目數(shù)據(jù)中心，團隊對于中國內(nèi)地廠房的生產(chǎn)、物流、質(zhì)檢以及到港日期等每一個環(huán)節(jié)的把控都能夠做到了如指掌。

4 智慧建造

4.1 基于BIM的施工模擬

利用已建立的BIM模型進行施工模擬，是香港感染控制中心項目應用BIM技術(shù)的一個重點。在實際操作中，利用BIM模型參與的施工模擬動畫及施工機械演示有效地幫助了項目管理團隊提前制定標準病房大樓的建造順序、機械移動路線與擺位、物料運輸路線及順序等建造管理關(guān)鍵方案。BIM工作小組和項目工程部緊密合作，在3D模擬過程中加入相應的施工機械的型號、關(guān)鍵時間節(jié)點、構(gòu)件信息標注、工法重點標注等，更加深度、準確、高效地模擬建造過程。而施工建造模擬的過程本身也幫助項目工程部提前發(fā)現(xiàn)了一些現(xiàn)場部署安排的重難點問題，并且得以提前解決，在未進場施工前已做好周全的計劃。

4.2 BIM技術(shù)輔助工程造價管理

通過BIM工作標準流程中的信息整合環(huán)節(jié)，工程造價部門可利用BIM模型中已嵌入的材料信息、物料單價以及供應商信息等直接生成最新設計模型對應的材料清單、造價統(tǒng)計清單、訂貨追蹤清單等，令工程計量工作和設計工作保持信息同步，對于項目的材料采購和成本控制工作的高效、精細化管理也起到了關(guān)鍵作用[6,7]。

4.3 BIM+AR技術(shù)——安裝缺陷檢查

AR(增強現(xiàn)實技術(shù))可以在真實環(huán)境中無縫融合虛擬場景，并進行實時交互，與BIM技術(shù)結(jié)合能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢[8]，更好地幫助實現(xiàn)建造信息化、智能化。在項目BIM工作小組更新完BIM模型后，通過AR軟件上傳模型并生成對應區(qū)域的區(qū)域二維碼。工程師在項目現(xiàn)場通過AR手持平板設備掃描定位二維碼，便可以在設備上看到并操作疊加在現(xiàn)實場景中的虛擬BIM模型。這一應用方便了工程師直觀地對比施工現(xiàn)場和設計模型，系統(tǒng)化地檢查結(jié)構(gòu)龍骨、機電系統(tǒng)、裝修飾面等工序的安裝進度、安裝位置及完成質(zhì)量。AR系統(tǒng)還可以實現(xiàn)單一構(gòu)件的隱藏，以便查看已隱蔽驗收的構(gòu)件，方便在錯綜復雜的管道中定位到具體某個系統(tǒng)或者構(gòu)件(如圖3所示)。

圖3 手持AR設備現(xiàn)場查看機電設計模型

4.4 BIM+IoT技術(shù)——MiC安裝進度實時動態(tài)追蹤

項目建造順序和進度的信息化、可視化管理是將BIM模型與IoT技術(shù)精準結(jié)合的成果。運用搭載箱體信息和病房構(gòu)件編號的BIM模型作為系統(tǒng)顯示載體，當現(xiàn)場MiC箱體安裝完成并且由管理人員現(xiàn)場驗收、掃碼確認后，智慧工地系統(tǒng)內(nèi)的進度頁面中對應位置的箱體模型就會顯示出來，令管理團隊隨時直觀地掌握MiC安裝情況。

4.5 BIM+三維激光掃描技術(shù)——質(zhì)量管控

三維激光掃描具有適應性強、測量速度快、精度高、信息量大及實時動態(tài)化等特點，BIM與該技術(shù)的集成應用成為大型復雜工程施工質(zhì)量過程管控的新興手段[9]。

項目團隊對現(xiàn)場施工中的構(gòu)件實體進行激光掃描，并將掃描得到的3D模型在云平臺中與設計模型進行點對點的對照分析(如圖4所示)。該技術(shù)應用可精準且無遺漏地檢查對比設計和現(xiàn)場，確保設計圖紙的落實和現(xiàn)場問題的精準發(fā)現(xiàn)。另外，激光掃描技術(shù)可以幫助團隊更快速地制作竣工圖，利用掃描產(chǎn)生的點云模型直接生成BIM模型，再導入相應的材料信息，例如材料供應商、材料顏色、材料特性等，這對于在有限時間內(nèi)完成竣工模型(As-built Model)起到了關(guān)鍵的作用。

圖4 工程師在現(xiàn)場檢查三維激光掃描生成的點云模型

4.6 BIM+IoT創(chuàng)新應用——智慧防疫

項目建設高峰期與香港第四波疫情重疊，單日最高新增案例高達115宗。疫情防控形勢非常嚴峻，科學精準防疫是項目順利推進的重要保障?；贗oT(Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng))原理的智能安全帽追蹤定位系統(tǒng)是香港感染控制中心智慧工地系統(tǒng)的另一大技術(shù)亮點(如圖5所示)，也是項目防疫工作的重要手段。

圖5 智能工人定位防疫系統(tǒng)截圖

當佩戴裝有定位芯片的智能安全帽的工人進入項目工地內(nèi)以后，裝在場地內(nèi)不同區(qū)域的芯片信號接收器就會接受到相應芯片發(fā)出的信號，并記錄該工人的進場時間、工作區(qū)域、工作位置、工作時長及實時記錄活動范圍。結(jié)合每一枚芯片本身已攜帶的該工人身份及所屬公司等信息，智慧工地系統(tǒng)便可以實時生成項目工人作業(yè)分布的數(shù)字網(wǎng)絡，包括實時統(tǒng)計現(xiàn)場分區(qū)作業(yè)人數(shù)、分層作業(yè)人數(shù)、作業(yè)總?cè)藬?shù)及各分包商作業(yè)人數(shù)等信息。憑借該系統(tǒng)，可以獲取過去14天內(nèi)所有工人的活動范圍和活動記錄。當有突發(fā)疑似疫情時，通過系統(tǒng)可以生成任何一個工人的歷史活動記錄，并且自動導出曾經(jīng)同區(qū)工作的密切接觸工友的列表。利用此技術(shù)，項目團隊可將疫情造成的影響降到最低，并且利用科學手段精準定位需隔離人群，實現(xiàn)嚴格精準防控。

4.7 項目現(xiàn)場智慧工地控制系統(tǒng)

智慧工地作為智能建造的重要一環(huán)，通過運用信息化手段，使工程項目全生命期的各個環(huán)節(jié)高度集成，實現(xiàn)系統(tǒng)上的集成性、功能上的智慧性以及使用上的便利性。

由項目智能建造統(tǒng)籌小組直接指揮并建立的智慧工地系統(tǒng)，在項目啟動初期已經(jīng)和項目設計工作并行開發(fā)。該系統(tǒng)涵蓋項目所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)及信息，包括生產(chǎn)、安全、進度、質(zhì)量及物流等所有動態(tài)數(shù)據(jù)。在項目現(xiàn)場的指揮部(如圖6所示)中，智慧工地系統(tǒng)的控制屏幕實時顯示所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)、最新BIM模型、項目實時CCTV、內(nèi)地生產(chǎn)車間的實時監(jiān)控畫面、質(zhì)量檢查體系的實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)(如圖7所示)等。項目指揮團隊還可以通過手機版智慧工地系統(tǒng)隨時隨地查看關(guān)鍵信息。

圖6 項目現(xiàn)場指揮部的智慧工地控制中心

圖7 智慧工地系統(tǒng)主控制頁面

5 智慧運營——基于BIM的可視化運維管理平臺

在項目的BIM建模過程中，各機電設備(Mechanical，Electrical and Plumbing，MEP)的運維信息的整理和輸入工作在同步進行。當正向設計完成后，BIM模型亦是運維模型。運維信息的系統(tǒng)分類、早期統(tǒng)籌、同步更新等部署工作為運維平臺的應用打下了堅實的基礎[10]。

圖8 項目運維管理平臺示例

項目智能運維平臺(如圖8所示)以BIM模型為載體，融合AR、IoT等技術(shù)，將建筑設備運維過程中的各個系統(tǒng)統(tǒng)一整合，實現(xiàn)了人、設備與建筑之間的互聯(lián)互通，提高智能化管理，全方位提升其運營與管理效率，例如，BIM+AR技術(shù)在項目運維工作中充分發(fā)揮作用。利用AR系統(tǒng)可以與虛擬對照結(jié)合顯示的特點，項目管理人員或維修人員得以在無須開啟天花板的情況下，精準定位并且查看天花內(nèi)部機電設備系統(tǒng)的排布、走向及系統(tǒng)信息。在AR手持平板設備上點擊顯示的虛擬構(gòu)件，還可以查看到相應系統(tǒng)的構(gòu)件信息如尺寸、安裝時間、品牌、特定系統(tǒng)信息、維修聯(lián)絡電話等，方便管理人員提高檢查維修的效率。

6 結(jié)語

本文以香港感染控制中心項目為例，介紹了智能建造在緊急防疫工程全生命期中的應用，結(jié)果表明：

(1)全專業(yè)、全流程BIM正向設計的應用極大地提高了設計及生產(chǎn)效率，各專業(yè)協(xié)同效應得到充分發(fā)揮，保障了圖紙質(zhì)量及設計、生產(chǎn)、建造環(huán)節(jié)之間的緊密銜接；

(2)BIM技術(shù)是實現(xiàn)DfMA設計理念的重要基礎，也是推進建筑工業(yè)化的技術(shù)保障；

(3)通過BIM深度結(jié)合VR、AR、MES、三維激光掃描等信息技術(shù)，實現(xiàn)了VR輔助室內(nèi)設計、AR輔助施工檢查、三維激光掃描助力質(zhì)量管控、智慧工地打通工廠現(xiàn)場、AR輔助維修更換等創(chuàng)新應用；同時，基于BIM實現(xiàn)了高效的施工模擬及精細化的工程造價管理等，將智慧化縱向貫穿于項目設計、生產(chǎn)、建造到運維的全生命期；

(4)基于自主搭建的智慧工地系統(tǒng)，實現(xiàn)了對項目生產(chǎn)、安全、防疫、進度、質(zhì)量、物流等多方位的科學、高效、信息化、精細化管理。

智能建造為中央援建香港感染控制中心項目的順利完工提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，其在工程建設多環(huán)節(jié)、多維度中的深入應用，符合建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化趨勢需求，具有一定的推廣示范價值。智能建造在本項目的成功探索及實踐，將為加快行業(yè)建造方式轉(zhuǎn)變、推動建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了有益的借鑒。