摘要：針對現(xiàn)有建筑施工管理技術(shù)模式難以滿足建設(shè)單位主體管理特定需求、技術(shù)系統(tǒng)在信息描述維度及分析層面存在局限性等問題，采用魚骨圖分析法歸納分析建筑施工管理存在的問題及需求，構(gòu)建基于全要素、全過程的建筑施工智能化管理技術(shù)模式，開展施工場景三維模型構(gòu)建及施工全時空數(shù)據(jù)采集與分析關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)，以“三維虛實場景構(gòu)建-施工動態(tài)監(jiān)控-智能分析-管理決策”為業(yè)務(wù)技術(shù)主線，研發(fā)建筑施工智能化管理技術(shù)平臺，通過系統(tǒng)平臺的應(yīng)用，實現(xiàn)建設(shè)施工全時空、多層次的動態(tài)智能化管理，保障建筑施工安全、質(zhì)量可控，提高建設(shè)單位對工程現(xiàn)場的管理水平。

關(guān)鍵詞：建筑施工；技術(shù)模式；三維模型；智能化管理；建設(shè)單位

0 引言

隨著數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在建筑行業(yè)的深入應(yīng)用，建筑領(lǐng)域信息化、智能化水平不斷發(fā)展^[1-3]，為開展智能化建筑施工奠定了堅實基礎(chǔ)^[4-6]。然而，目前相關(guān)研究與技術(shù)應(yīng)用對象主要面向施工單位、建設(shè)集團(tuán)和政府監(jiān)管單位，缺乏基于建設(shè)單位主體管理需要的智慧施工管理技術(shù)解決方案。此外，智能化管理技術(shù)層面因缺乏系統(tǒng)性技術(shù)模式及深層次數(shù)據(jù)分析模型，導(dǎo)致系統(tǒng)多以數(shù)據(jù)展示為主，數(shù)據(jù)分析水平相對較低。建設(shè)單位作為業(yè)主單位，其關(guān)注的焦點主要集中于建筑施工的安全管理、質(zhì)量把控和進(jìn)度跟蹤，因此，需要根據(jù)建設(shè)單位的管理需求，面向施工涉及的關(guān)聯(lián)要素及施工全過程，通過部署智能監(jiān)控傳感器，依托物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計算、大數(shù)據(jù)、3DGIS等技術(shù)^[7-8]，構(gòu)建建筑工地施工智能管理技術(shù)模式，梳理數(shù)據(jù)分析模型，研發(fā)技術(shù)系統(tǒng)，有效開展建筑施工態(tài)勢感知、分析與管理輔助決策。

1 建筑施工智能化管理需求分析

1.1 建筑施工管理存在的主要問題

建筑施工管理是基于建筑施工工地空間及施工工序開展的各項管理活動，參與建筑施工管理的主體包括建設(shè)單位、建筑設(shè)計、施工單位、施工監(jiān)理、材料供應(yīng)商等，面向不同管理主體的建筑施工管理內(nèi)容及需求有所不同。本研究主要從建設(shè)單位視角，采用魚骨頭分析法開展建筑工程施工管理需求分析。

建筑施工工地作為施工管理的客體，其涉及施工人員、施工機(jī)械、建筑物資、工地環(huán)境及建筑主體等多元化要素，上述要素疊加在封閉、緊湊的立體空間區(qū)域內(nèi)?；谑┕すさ刂T要素特點及當(dāng)前施工管理模式，分析施工管理存在的主要問題。建筑施工工地特點及管理存在的主要問題如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，建筑施工管理存在6個方面的問題。其中，施工人員管理問題主要表現(xiàn)為人員類別復(fù)雜、人員數(shù)量大、安全意識淡薄、操作不規(guī)范；施工機(jī)械設(shè)備管理問題主要表現(xiàn)為機(jī)械設(shè)備種類多、安裝不規(guī)范、操作不規(guī)范、維護(hù)不及時；建筑施工物資管理問題主要表現(xiàn)為物資種類多、物資體量龐大、堆放保管不規(guī)范、驗收操作不規(guī)范；建筑施工質(zhì)量管理問題主要表現(xiàn)為基坑監(jiān)測、高支模監(jiān)測自動化程度低，關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)監(jiān)管不到位，施工階段全過程監(jiān)管未覆蓋；建筑施

工進(jìn)度管理問題主要表現(xiàn)為計劃與現(xiàn)場實際施工脫節(jié)、施工進(jìn)度信息記錄缺失或難以共享、進(jìn)度監(jiān)測缺乏有效技術(shù)手段；建筑施工微環(huán)境管理問題主要表現(xiàn)為場地布置不合理，場地環(huán)境對施工影響大，揚塵、噪聲治理不規(guī)范，氣象數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工利用不足。通過對以上六大類問題的分析可知，傳統(tǒng)粗放式建筑施工管理模式難以滿足科學(xué)化、智能化工地的管理需求。

1.2 建筑施工智能化管理需求分析

建筑施工管理面向不同的管理主體，其管理需求各異，針對上述對建筑施工工地特點及管理存在的主要問題的分析可知，在目前的施工管理模式下，雖然已經(jīng)開展了相應(yīng)的信息化系統(tǒng)建設(shè)，但因缺乏全時空、多要素協(xié)同作用的認(rèn)知視角，受限于傳統(tǒng)地理信息開發(fā)思想，施工要素及施工過程信息全面實時獲取、多維表述與深度分析存在缺陷，未能建立物理世界與信息世界的雙向映射與融合。

以上述施工管理及信息化建設(shè)存在的問題為導(dǎo)向，將管理對象細(xì)化為施工場景、施工要素、施工過程等客體，借助物聯(lián)感知、數(shù)字孿生及地理信息等技術(shù)手段，全面感知管理對象多粒度信息^[9]，采用三維模型建模技術(shù)，建立施工場地三維場景模型，將施工動態(tài)過程信息與三維模型疊加，實現(xiàn)基于三維場景的施工態(tài)勢展示、分析及管理輔助決策，通過對建設(shè)過程進(jìn)行全生命周期跟蹤，提升管理的科學(xué)分析、決策和預(yù)判能力，保障項目建設(shè)安全順利實施。確立建筑施工智能化管理需求，如圖2所示。

2 智能化管理技術(shù)模式構(gòu)建

2.1 技術(shù)模式構(gòu)建

技術(shù)模式是指針對特定技術(shù)環(huán)境，建立解決某種特定技術(shù)問題的方法或方案。依據(jù)上述面向建設(shè)單位的建筑工程施工智能化管理需求分析，結(jié)合建筑施工全程動態(tài)智能化管理技術(shù)平臺建設(shè)目標(biāo)，參照建筑施工、計算機(jī)、通信等行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，面向建筑施工涉及的全要素、施工過程、施工環(huán)節(jié)，細(xì)分施工管理具體內(nèi)容，并對每項管理內(nèi)容進(jìn)行指標(biāo)化處理，建立施工管理技術(shù)指標(biāo)體系，通過多傳感器及數(shù)字化技術(shù)建立數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，利用信息技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理與分析，從而形成面向建設(shè)單位的建筑施工智能化管理技術(shù)模式，如圖3所示。

2.2 技術(shù)模式解析

在建筑施工智能化管理技術(shù)模式中，建筑施工管控的五大要素包含“人、機(jī)、料、法、環(huán)（4M1E）”，建筑工地智能化管理環(huán)節(jié)從縱向上按照施工過程劃分為場地平整與布設(shè)-地基基礎(chǔ)-基坑開挖-主體結(jié)構(gòu)-屋面施工-水電、消防、通風(fēng)、空調(diào)、門窗、護(hù)欄穿插安裝-內(nèi)外墻裝修-場地清理-試運行保潔-竣工驗收10個階段，從橫向上再將每個階段劃分為工程質(zhì)量控制、進(jìn)度控制、合同與信息管理、安全生產(chǎn)與環(huán)境管理，從橫縱兩個方向明確建設(shè)單位在建筑施工各環(huán)節(jié)開展的管理內(nèi)容，建立與其對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，形成以指標(biāo)體系為驅(qū)動的施工管理?；谏鲜龉芾韺ο?、管理內(nèi)容，建立涵蓋技術(shù)裝備、數(shù)據(jù)庫與技術(shù)系統(tǒng)的建筑施工智能化管理技術(shù)體系，實現(xiàn)施工要素、過程數(shù)據(jù)采集、處理，施工態(tài)勢分析與輔助決策。建筑工地全程動態(tài)智能化管理技術(shù)模式在時間上貫穿于工程項目施工全生命周期，在空間上覆蓋工程項目各情境，實現(xiàn)施工管理所需的信息動態(tài)集聚、實時監(jiān)測分析、輔助決策等智能化管理。

3 建筑施工智能化管理技術(shù)開發(fā)

3.1 建筑施工智能管理關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 施工場景三維模擬技術(shù)

采用三維模擬技術(shù)，構(gòu)建施工場景虛擬世界，以該虛擬場景為底座和信息載體，實施建筑施工智能化管理，有利于從全局視角掌握工程施工全局，動態(tài)管控施工要素行為，及時識別施工安全隱患。施工場景涵蓋的地理實體對象主要包括建筑物、構(gòu)筑物、施工配套設(shè)備、施工機(jī)械設(shè)備，以及施工區(qū)域及周邊環(huán)境等內(nèi)容。根據(jù)上述實體特點，考慮模型的適用性及經(jīng)濟(jì)效益，采用混合式三維建模方法，建筑施工場景及模型構(gòu)建方法如圖4所示。其中，建筑物、構(gòu)筑物模型采用BIM技術(shù)建模，施工配套設(shè)施、施工機(jī)械設(shè)備采用CAD技術(shù)建模，施工區(qū)域及周邊環(huán)境采用傾斜攝影技術(shù)建模。

該項目實施過程中，建筑物BIM模型采用Autodesk Revit軟件建立，數(shù)據(jù)格式為*.rvt，空間坐標(biāo)系為局部坐標(biāo)系；施工配套設(shè)施、施工機(jī)械設(shè)備三維模型采用3ds MAX軟件建立，數(shù)據(jù)格式為*.max，空間坐標(biāo)系為局部坐標(biāo)系；施工區(qū)域及周邊環(huán)境三維模型采用無人機(jī)傾斜攝影測量建模軟件ContextCapture建立，數(shù)據(jù)格式為*.osgb，空間坐標(biāo)系為WGS-84。由于建模采用的技術(shù)手段不同，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括多數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及空間位置匹配^[10]。根據(jù)開發(fā)工具的選擇，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為3DTiles文件格式。隨后進(jìn)行多模型的空間參考系統(tǒng)三維配準(zhǔn)，配準(zhǔn)方法采用奇異值分解法，設(shè)定建筑區(qū)三維實景模型為目標(biāo)模型，其他要素三維模型為源模型，在目標(biāo)模型和源模型對應(yīng)選擇量取3對以上的均勻分布的同名點，求取源模型向目標(biāo)模型配準(zhǔn)所需的旋轉(zhuǎn)、平移參數(shù)，實現(xiàn)模型的配準(zhǔn)。

3.1.2 基于傳感器的建筑施工動態(tài)數(shù)據(jù)獲取與分析技術(shù)

為了實時獲取和掌握建筑施工過程中產(chǎn)生的各類動態(tài)信息，采用物理、化學(xué)、生物等類別傳感器對監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行感測，解決動態(tài)數(shù)據(jù)實時接入及更新技術(shù)問題，可為開展即時性分析與決策提供數(shù)據(jù)保障。傳感器感測的數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括目標(biāo)對象的狀態(tài)、行為、位置等，并按照一定的時間頻率持續(xù)采集與記錄。建筑施工智能化管理所需傳感器的選型與部署，主要面向施工人員、機(jī)械設(shè)備、施工質(zhì)量與進(jìn)度、施工環(huán)境等目標(biāo)對象，在施工區(qū)域內(nèi)部署對應(yīng)的傳感器并進(jìn)行組網(wǎng)，從而實現(xiàn)對監(jiān)測目標(biāo)的感知。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)語義轉(zhuǎn)換，在施工三維場景中進(jìn)行標(biāo)定與分析，達(dá)到對施工過程的管理與決策。建筑施工過程物聯(lián)感知數(shù)據(jù)獲取與分析如圖5所示。

3.2 建筑工地智能化管理技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

建筑工地智能化管理技術(shù)系統(tǒng)是基于上述面向建設(shè)單位的建筑工地智能化管理技術(shù)模式而建設(shè)開發(fā)的模塊化、集成化的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，通過獲取施工場地空間信息，結(jié)合施工場地三維實景模型，疊加多傳感器采集的施工動態(tài)信息，實現(xiàn)對施工人員、機(jī)械設(shè)備、環(huán)境要素及施工過程的全面感知，以及對施工安全、施工質(zhì)量、施工進(jìn)度及施工環(huán)境的科學(xué)管理。建筑工地智能化管理技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

由圖6可知，應(yīng)用層利用智能手機(jī)、電腦、大屏等顯示應(yīng)用終端，形成多樣化應(yīng)用的功能表達(dá)和呈現(xiàn)，具體功能包括基坑自動化監(jiān)測、高支模監(jiān)測、施工人員智能化管理、大型施工機(jī)械安全監(jiān)控、施工場地環(huán)境安全自動化監(jiān)測、施工進(jìn)度監(jiān)控、施工現(xiàn)場視頻立體監(jiān)控等多個自動化監(jiān)管子平臺；感知層由物聯(lián)感知終端構(gòu)成，實現(xiàn)對施工建設(shè)過程的實時監(jiān)控、智能感知、數(shù)據(jù)采集、多維互聯(lián)；網(wǎng)絡(luò)層通過多種網(wǎng)絡(luò)通信形式，建立感知層傳感器與業(yè)務(wù)平臺服務(wù)器之間的信息傳輸通道，即感知層采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳入數(shù)據(jù)層，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗與處理后，進(jìn)入數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫存儲管理；數(shù)據(jù)層用于施工要素、施工動態(tài)過程數(shù)據(jù)的存儲與交互，支持施工管理數(shù)據(jù)決策分析；支撐層由統(tǒng)一框架接口和各種成熟的中間件構(gòu)成；基礎(chǔ)設(shè)施層是系統(tǒng)實現(xiàn)各類應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺，由網(wǎng)絡(luò)、通信、辦公等硬件組成，為系統(tǒng)平臺運行的載體。

3.3 系統(tǒng)功能開發(fā)

3.3.1 項目實施總控看板

建立施工現(xiàn)場三維場景模型，疊加物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，展示項目狀態(tài)信息，并通過項目風(fēng)險分析，實時掌控項目施工總體狀況。系統(tǒng)功能開發(fā)項目實施總控看板功能如圖7a所示。

3.3.2 施工安全管理

施工安全管理主要包含施工人員安全管理和施工機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)控。

施工人員安全管理基于衛(wèi)星、藍(lán)牙、視頻GIS定位方法的施工人員室內(nèi)/室外一體化定位技術(shù)，實時掌握施工人員活動軌跡，智能識別施工人員違規(guī)作業(yè)行為，并及時語音播報警示，保障施工人員安全作業(yè)。系統(tǒng)功能開發(fā)施工人員安全管理人員定位與軌跡分析功能如圖7b所示。

施工機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)控通過部署在大型施工機(jī)械監(jiān)測位置的多傳感器，實時監(jiān)控升降機(jī)、塔吊運行實時動態(tài)情況，進(jìn)行險情預(yù)警與告警等，以控制設(shè)備作業(yè)過程中的危險因素和安全隱患，有效地防范安全生產(chǎn)事故發(fā)生。系統(tǒng)功能開發(fā)大型施工機(jī)械塔吊運行狀態(tài)及安全監(jiān)測功能如圖7c所示。

3.3.3 施工質(zhì)量管理

施工質(zhì)量管理包括施工階段基坑監(jiān)測、高支模安全監(jiān)測、施工質(zhì)量巡查核查等內(nèi)容。

基坑工程的施工過程中，利用動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，同時采用可視化技術(shù)將自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化管理，將監(jiān)測信息與基坑結(jié)構(gòu)屬性進(jìn)行時空關(guān)聯(lián)分析，從而及時識別基坑形變異常情況。系統(tǒng)功能開發(fā)基坑工程施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析功能如圖7d所示。

高支模監(jiān)測通過現(xiàn)場布設(shè)傳感器設(shè)備，實現(xiàn)對高支模模板沉降、立桿軸力、桿件傾角、支架整體水平位移4個參數(shù)的高頻率自動采集，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)無線傳輸、數(shù)據(jù)處理分析和現(xiàn)場聲光報警等功能。

施工質(zhì)量巡查核查是一種管理方法，一旦發(fā)現(xiàn)施工質(zhì)量問題，通過系統(tǒng)上傳現(xiàn)場質(zhì)量問題信息，包括問題描述、檢查部位、問題庫和圖片資料等，相關(guān)單位或整改委員會立即收到問題信息并及時予以回復(fù)。整個質(zhì)量管理流程在線上完成，大大縮短了問題處理的周期?，F(xiàn)場質(zhì)量問題由監(jiān)理單位用戶上傳，選擇檢查部位，處理完成后，監(jiān)理單位會同建設(shè)單位對施工單位的質(zhì)量整改結(jié)果進(jìn)行審核確認(rèn)。

3.3.4 施工進(jìn)度管理

以項目施工計劃作為施工進(jìn)度管理目標(biāo)，采用BIM模型與施工計劃建立時空關(guān)聯(lián)自動比對分析，以三維可視化方式跟蹤施工進(jìn)展，針對存在的施工進(jìn)度偏差，采取措施及時調(diào)整施工計劃，保障施工進(jìn)度。

3.3.5 施工環(huán)境監(jiān)控

依托自動化監(jiān)測設(shè)備，對施工現(xiàn)場區(qū)域環(huán)境的天氣、空氣及噪聲進(jìn)行實時監(jiān)測，其中室外環(huán)境監(jiān)測設(shè)備可對噪聲、顆粒物濃度（PM2.5、PM10）、風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、溫度、大氣壓等多項環(huán)境參數(shù)要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場精確測量。系統(tǒng)能夠?qū)λO(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)管綠色施工實施情況，保障施工人員在安全的外部環(huán)境下工作。

4 結(jié)語

本文面向建設(shè)單位項目施工管理需求，以“保安全、重質(zhì)量、促進(jìn)度”為項目目標(biāo)，兼顧施工現(xiàn)場“人、機(jī)、料、法、環(huán)”各要素及建筑施工全過程，以“三維虛實場景構(gòu)建-施工動態(tài)監(jiān)控-智能分析-管理決策”為技術(shù)路徑，融入建筑施工全程動態(tài)管控的內(nèi)容與指標(biāo)體系，構(gòu)建兼顧全要素、全過程的施工工地智能化管理技術(shù)模式；利用信息化、智能化先進(jìn)技術(shù)，建設(shè)包括施工安全、施工質(zhì)量、施工進(jìn)度、施工環(huán)境等管理功能模塊的建筑施工智能化管理平臺。通過建筑施工管理信息化技術(shù)手段的建設(shè)及應(yīng)用，全面提升了建設(shè)項目管理的規(guī)范化、數(shù)字化、智能化、高效化水平，轉(zhuǎn)變了參建各方現(xiàn)場管理的交互方式、工作方式和管理模式，提高了企業(yè)對工程現(xiàn)場的管理水平。隨著人工智能、數(shù)字孿生、傳感器、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，施工場景、施工過程的全方位、多層次、多尺度模擬與施工數(shù)據(jù)智能化分析與輔助決策是建筑施工智能化管理技術(shù)未來重要的研究方向。

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收稿日期：2023-09-26

作者簡介：

鄒亮（1981—），男，工程師，研究方向：后勤信息化管理。

殷岳峰（1984—），男，工程師，研究方向：后勤管理。