智慧工地建设研究与工程应用

（中车科技园发展有限公司，北京 100071）

0 引言

随着互联网技术迅速发展，在国家“互联网+”政策推动下，施工现场信息化开始突破原有模式，许多新技术如BIM、物联网、云计算、大数据等开始逐渐集成应用在施工现场，与传统信息化集成平台实现优势互补，使施工现场呈现出数字化、智能化、可视化等特点，在此基础上，“智慧工地”的需求应运而生。智慧工地是智慧城市理念在建筑施工行业的具体体现，是建立在信息化基础上的一种支持对人和物全面感知、施工技术全面智能、工作互联互通、信息协同共享、决策科学分析、风险智慧预控的新型信息化手段。智慧工地紧紧围绕人、机、料、法、环等关键要素，综合运用BIM、物联网、云计算、大数据、移动和智能设备等软硬件信息化技术，与现场生产过程相融合，提高施工现场的生产管理效率、决策能力，实现工地的数字化、精细化、智慧化管理。

国内已有许多工程技术人员和高校对智慧工地进行了研究和实践：马凯等[1]基于工程项目管理实践，以“BIM+信息集成”为核心，以项目施工阶段管理为主线，探索搭建智慧工地管理平台。从海虎等[2]从技术管理、成本管理、安全管理和进度管理4个方面分析如何有效应用BIM技术打造四维一体的智慧工地，发挥其应用价值，进一步促进工程施工的稳定发展。丁彪等[3]阐述了智慧建设对工程施工的价值和意义，分析了智慧建设理念下BIM运用模式，针对基于BIM的智慧工地管理体系框架展开了深入研究。周永明等[4]结合横琴国际金融中心大厦项目，基于智慧工地理念，对协同平台、BIM、物联网等方面进行了一系列的研究与开发。郑小云[5]以设计优化及智慧工地建设为切入点，对BIM技术的应用进行了研究。

1 基于BIM技术的现场综合管理

目前，BIM技术（建筑信息模型，Building Information Modeling）已在工程建设领域广泛应用。在施工方案制定过程中，可利用BIM技术进行施工模拟，对施工组织方案的合理性、安全性、可行性进行综合分析，排除可能存在的问题和隐患。如对施工方案中模板脚手架方案进行模拟，能够使模板配置更加方便快捷，降低设计强度、提高设计效率；通过分析脚手架模型的安全信息，实现安全问题的有效控制，从而降低安全风险，传统模式与BIM模式下的脚手架方案对比如图1所示。在管线综合排布中采用BIM技术进行模拟，利用BIM的可视化功能进行管线碰撞检测（见图2，3），将碰撞信息反馈给设计人员，以便设计人员及时调整，从而减少管线碰撞及返工，降低成本。

图1 模板脚手架方案对比

图2 管线综合排布

图3 管线碰撞检查与调整

在施工过程中，将成本、进度等信息要素与模型集成，形成完整的5D施工模型，帮助管理人员实现施工全过程动态管理，实现施工过程的成本、进度和质量的数字化管控。在工程应用中，将主要分部分项工程按照施工顺序编制计划，编制完成后将计划任务与BIM模型进行关联，实现工期进度对比，从而帮助管理人员更好地掌握工程进度安排。目前，BIM技术的应用逐渐呈现出与物联网、智能设备、移动技术等集成应用的趋势。在竣工交付环节，所有图纸、设备清单、采购信息、施工资料等均可基于BIM模型统一管理。施工资料的可视化为建筑物的后期运维管理提供了有效的数据支撑。

2 物联网技术

物联网是通过在施工现场安装RFID、红外传感器、定位系统、激光扫描器等传感设备，将与工程建设相关的人或物品与互联网相连接，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网可弥补传统技术和方法在管理中的不足，实现对“人、机、料、法、环”的实时全方位监控。

2.1 自动识别技术

1）条形码 条形码技术克服了传统手工输入数据效率低、错误率及成本高的缺点，已逐渐应用于施工中。条形码技术非常适用于建筑材料和机械设备的管理，通过移动终端对建筑材料和设备进行扫描，可准确获得材料和设备的相关信息，实现精细化管理，确保材料和设备的有效利用，减少不必要浪费。

2）RFID技术 射频识别技术RFID（Radio Frequency I-dentification），即为以无限点技术为依托，做到识别指定对象的要求，最后加以对数据的读写操作技术。RFID系统主要由电子标签、天线和读写器3部分组成。该技术在施工现场主要应用于现场人员、机械、材料等的跟踪和现场安全管理。和其他技术相比，RFID拥有远程读取和辨识数据的功能。以装配式建筑施工为例，将RFID电子标签置于预制构件内，记录其所在预制构件的尺寸、位置等信息，与BIM模型中的构件信息相对应。当识读预制构件中的电子标签时，其对应的质检、运输、进场、安装等信息，便会记录在电子标签中，而且会同步到云端。在预制构件管理系统和BIM模型中，均可看到对应编号预制构件的信息。预制构件信息同步到预制件管理平台，通过管理平台，可查询到对应时间段、对应构件编号的预制构件信息。施工过程中，现场管理人员可通过手持读写器，准确定位构件的吊装位置。通过在监测厂区内施工人员身上粘贴RFID标签，掌握现场作业人员状况，包括识别与进出管理、考勤上岗、总人数及区域人员定位管理等。RFID电子标签对应唯一的人员身份信息，包含姓名、性别等个人基本信息，以及工作班组、工作职责等身份信息。可通过RFID跟踪危险物品或现场废弃物，监视工作人员位置，当处于危险区域时，及时发出警告。

3）人脸识别技术 人脸识别是通过采集人的面部特征，将其与已知的人脸进行比对，从而确定每个人的身份。目前该技术已逐渐开始应用在工程现场，主要应用于现场门禁和考勤等领域，提高现场管理的效率和安全性。

2.2 定位跟踪技术

近年来，GPS技术在道路与桥梁、隧道、高层建筑施工等工程领域已有广泛应用。但GPS技术在室内环境下的精确度较低，如地下室施工等。室内定位跟踪技术的发展弥补了这一缺陷。常见的室内无线定位技术还有Wi-Fi、蓝牙、红外线、UWB（Ultra-wide Band）、ZigBee和超声波等。

2.3 图像采集技术

目前应用于施工中的图像采集技术主要包括3D激光扫描技术和视频监控技术。

2.3.1 3D激光扫描技术

3D激光扫描技术出现于20世纪90年代中期，利用激光测距原理作为新的空间信息获取技术，为快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化数学模型提供了一种全新的技术手段，可高效地对真实世界进行3D构建和模拟重现。该技术已广泛应用于建筑、规划设计、仿古建筑、桥梁、隧道等领域。上海世茂深坑酒店便采用了3D激光扫描与BIM技术相结合的方法对施工方案进行优化[6]。该工程是1座位于废弃矿坑中的五星级酒店，由于崖壁陡峭、断面不规则、深度较深，且设计独特，施工难度很大。结合坑内地貌运用3D激光扫描技术，基于扫描的精细点云生成坑内地貌的三维地形模型，可从三维地形模型中自动提取等高线，获取二维及三维数据资料，实现一次测量完成。

2.3.2 视频监控技术

目前，施工现场视频监控技术已比较成熟，除布置现场监控设备外，还有无人机拍摄实时传回平台。在文献[7]中，依托无人机飞行平台，利用视频监控进行现场巡视、信息采集、指令传达及应急处理，并结合风险控制清单，实现深基坑施工无人机安全巡逻与预警。

3 智能化技术

智能化技术是将计算机技术、精密传感技术、自动控制技术、GPS定位技术、无线网络传输技术等综合应用于工艺工法或机械设备等施工技术与生产工具中，提高施工的自动化程度和工作效率，有助于解决重点和危险的施工环节和场合问题。《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》明确提出发展智能化技术的转向应用，开展智能机器人、智能穿戴设备、手持智能终端设备、智能监测设备等在施工过程中的应用研究，提高施工质量和效率，降低安全风险。

4 移动互联网技术

移动物联网是一种通过智能移动终端，采用无线移动通信方式获取业务和服务的新兴业态，包含终端、软件和应用3个层面。随着宽带无线接入技术和移动终端技术的飞速发展，移动互联网已开始广泛应用于各个行业。而施工现场人员的主要工作一般在施工现场，移动技术应用恰恰适合项目一线管理人员的需求。目前，移动互联网技术广泛应用于施工现场的信息沟通、现场质量安全检查、规范资料的实时查询等方面。同时，移动应用与物联网技术，BIM技术、云计算等集成应用，在手机视频监控、二维码扫描跟踪、模型现场检查等得到深度应用，有效提高了现场管理水平和工程精细化程度。

5 大数据技术

项目施工过程中会产生海量的数据，包括设计图纸、合同、进度数据、供应商信息、劳务数据、质量安全资料、现场监控视频等。随着智慧工地的实施，BIM、物联网与移动互联网等技术的引入，相关数据更会成倍增长，而到了运维阶段，数据量还会增加。对这些数据进行收集整理并进行利用，可帮助企业更好地进行风险评估预测，提高决策能力；也可帮助业务人员提取相关的业务信息，用于以后的项目实践。

6 结语

智慧工地不局限于施工企业的应用，也包含行业对现场的智慧监管。政府主管部门通过相关平台，实现对项目现场、设备、临时设施等信息的采集汇总分析，及时发现隐患，减少和杜绝安全事故的发生。基于劳务实名制管理平台，可提高劳务人员的管理水平。