智慧工地系统在项目数字化管理中的应用

常 彪 齐志豪 岳久杰 孙利兵 党金忠 石 磊 谭国炜

中建三局集团有限公司（北京） 北京 100097

近期，住建部等十三部门联合印发的《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》指出，要以大力发展建筑工业化为载体，以数字化、智能化升级为动力，创新突破相关核心技术，加大智能建造在工程建设各环节中的应用，形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产业体系[1-5]。

智能建造不仅仅是工程建造技术的变革创新，更将从产品形态、建造方式、经营理念、市场形态以及行业管理等方面重塑建筑业。 一直以来，中国建筑致力于推动智能建造，包括智慧设计、智慧工厂、智慧工地等，尤其是项目施工全过程的智慧建造。本文结合具体项目，就智慧工地是如何推动项目生产方式和行为管理模式的变革等内容进行论述。

1 工程概况

北京市海淀区建设工程项目总建筑面积17万 m2，地上多个楼栋，建筑层数以4层为主。建成后为多功能综合类建筑。

2 项目管理重难点

1）信息安防压力大。如何确保项目信息及安防安全是本工程的重难点。

2）生产履约工期紧，质量要求标准高。本工程为国家重点工程，总工期825日历天，工期十分紧张，其间因受疫情影响暂停施工，如何确保工期至关重要。

3）安全管理难度大。本工程安全目标为创建成“北京市绿色安全样板工地”，且建筑物单体平面分散，临边洞口及高处作业等危险源较多，如何做好危险源控制及安全文明施工是安全管理方面的难点。

4）施工机械监管难。施工现场每日有百余台各类车辆进出，车辆进出场审查的工作量繁杂，且现场共布置有11台塔吊、14台施工电梯，大型机械作业的监督管理难度非常大。

5）人员监管排查严。本工程各参建单位人员有千余人，如何满足众多工友的生活需求，如何分配现场劳动力、规范人员行为是人员管控方面的难点。

3 智慧工地系统建设思路

针对管理方面的重难点，围绕“人、机、料、法、环”等基本要素，打造以局域网及BIM技术应用为基础的智慧工地系统，着力开展设计数字化、生产数字化、施工数字化、交付数字化和运维数字化这“五个数字化”管理应用。

4 智慧工地系统三大中心

为推进“五个数字化”落地应用，充分发挥智能建造各系统功能。项目搭建三大中心（BIM中心、总控中心、指挥中心），以BIM中心为基础，以总控中心为枢纽，以指挥中心为大脑，形成对现场全面数字化的指挥与监管。

1）BIM中心。作为设计、生产、交付及运营数字化的核心，提供设计、监理、总包、机电及装饰等单位可视化协同办公支撑。

2）总控中心。作为项目管控预警中心，值班人员通过各系统信息化终端设备显示的数据及图像，对项目保密及安防、生产及安全情况进行监控监管，为项目提供可视化的决策支持。

3）指挥中心。作为项目指挥大脑，汇聚项目相关运营数据，当出现重要事项或紧急事件时，可为决策者提供智能化的决策支持。

5 项目数字化管理应用

5.1 BIM+设计数字化管理应用

围绕“设计数字化”，项目充分利用BIM技术，开展设计及深化设计工作。

在施工图纸阶段，主要进行设计可视化、空间定位分析、方案比选、建筑性能分析、多专业协调、造价分析等，提高设计质量。

例如在安全疏散方面，通过模拟分析，得到疏散时间与疏散门通过率，优化了公共区域的疏散门位置，并将疏散门的尺寸信息增加在了规范要求中，提升了用户的使用体验。

在深化设计阶段，主要进行基坑、结构、机电、幕墙等全专业深化设计管理，并结合VR技术进行深化设计成果评审及交底。

1）通过基坑模型复核与周边地下管线的关系，确保施工过程中无破坏周边地下管线的情况。同时，通过精准的模型进行工程量提取及过程控制。

2）结构模型深化设计，主要是对集水坑、女儿墙、出屋面结构及洞口进行深化，与机电管线进行综合，复核机电预留洞口与安装之间的关系，为机电净高分析提供基础，指导现场结构施工。

3）二次结构模型深化，主要是对圈梁、构造柱、过梁等构件进行深化，优化门垛做法，复核机电预留洞口，导出二次结构深化图以指导现场施工。

4）钢结构专业根据设计图纸，使用Tekla进行模型深化设计，导出*.IFC格式与Revit结构模型进行碰撞检查，确认无误后，在Tekla中进行加工图出图，加工图经各方确认后在工厂进行预制加工及组装，随后运输至现场进行拼装。

5）在幕墙专业深化设计过程中，复核幕墙专业预埋件与结构之间的关系，以及埋件与龙骨之间的关系，将冲突问题反馈至深化设计人员并进行处理，在深化设计过程中若发现多处埋件未能附着于结构上，应与设计人员协调进行修改，减少现场拆改量。

6）在机电综合管线深化方面，由于限高，层高较低，同时管线较为复杂，通过管线及支吊架优化，提高净高15 cm。

7）在装修深化方面，对家具及机电末端等构件建模，并与使用单位讨论其在使用功能等方面的优化。

通过设计数字化手段进行多视角分析，使得项目在限高控制下完美融入“三山五园”意境；综合优化建筑布局，增加有效车位20个；提出并解决图纸问题百余条，优化管线排布，提升房间净高15 cm。

5.2 BIM+生产数字化管理应用

基于BIM精细化模型数据，在项目建设全自动机电和钢结构生产线，对管段进行编码，提取管道规格、长度信息等精准数据。

将BIM数据处理后导入全自动设备，进行镀锌钢管自动切割、套丝、压槽等产业化预制加工，总投产量预计20万 m，占项目总量的90%。与传统模式相比，具备以下特点：

1）构件预制加工自动化，构件尺寸偏差小。数字化加工管道套丝质量及切割质量优于传统加工方式。

2）材料利用最大化，主材损耗降低约1%。采用传统模式，管道主材损耗率约为2%，而采用数字化加工，其损耗率约为1%。

3）加工生产效率高。以本工程为例，针对20万 m的投产量，传统施工方式需要12个人加工7个月，而数字化加工仅需6个人加工4个月。

4）集中加工，绿色环保，大幅度减少噪声污染、零星材料污染，减少建筑垃圾。

5.3 BIM+施工数字化管理应用

5.3.1 计划管理数字化

为了提高项目进度管理水平，解决项目管理过程中出现的计划编制周期长、标准化水平差等问题，项目采用基于EveryBIM协同管理平台，进行计划的集成管理。每天对现场实际进度情况进行录入，通过模型对比计划进度与实际进度的偏差，在生产例会及进度分析会上，根据模型可视化进度对比结果分析工期滞后原因，调整现场部署，最终节约工期约30 d。

5.3.2 人员、物资、环境数字化管理

通过移动终端、智能传感器等，实现数据采集的无纸化、实时化、数字化，提高管理互动效率以及管理数据的真实性。

1）利用劳务实名制系统，采用人脸识别技术，实现人员进出场信息实时记录。建立人员数据模型，实现劳动力自动统计，并进行劳动力分析及各工种配置分析。另外，详实的考勤数据可作为工人工资结算的有效证据，辅助薪酬结算。

2）利用智能地磅验收物资，仅需手机等移动端即可完成收发工作。在线上完成电子签单审批，无需签单，可有效降低现场材料浪费，实现混凝土验收无纸化。

3）利用环境监测、入侵报警等传感器，自动采集周边环境数据，并且实现与自动喷淋系统、项目总控中心联动，及时对环境因素进行干预。

5.3.3 现场管控数字化

通过BIM、物联网等技术的应用，推动现场管控手段的变革，实现现场管理数字化、智能化。

1）通过现场平面BIM建模，辅助施工现场可视化平面布置，提高现场平面布置的合理性。

2）利用BIM＋3D打印技术，使项目整体及复杂节点可视化，能更加直观地进行交底。

3）利用BIM建立虚拟质量样板，并以此作为交底。较传统实体样板，其展现形式更加直观，并且节省材料及人力。

4）利用BIM＋VR技术，进行技术方案评审、交底、安全教育等，效果更加直观，交底效果更好。

5）利用鹰眼及球机，对高支模、动火作业等危险源进行监督，对混凝土浇筑、回填土等重要工序施工旁站，通过对讲机进行现场协调指挥及隐患整改。

6）利用塔吊“防碰撞＋可视化”，实现驾驶室及总控中心双监督，加强塔吊运行监管，全面降低现场11台塔吊设备的运营风险。

7）通过建立周界防范及入侵报警系统，防止翻越围墙及闯入重要房间进行盗窃、窃取情报、窃取影像等情况的发生，实现全天候布防，弥补人员巡视间隙漏洞。

5.3.4 知识共享数字化

通过知识成果积累，逐步充实完善数字化管理平台，可为企业提供标准化、数字化知识成果，有利于提升企业现场管理的规范性。比如当前项目建立的BIM安全模型库、质量样板库等，今后可逐步成为企业共享的知识成果。

5.4 BIM+交付数字化管理应用

随着数字技术的快速发展，对于产品交付，项目计划不仅进行实物建筑产品的交付，同时进行基于BIM的数字建筑产品交付。目前，项目计划在施工过程中，将机电设备信息、竣工验收信息、BIM辅助验收报告、全景相机资产盘点等信息录入至竣工交付模型中，形成运维信息模型，并尝试将运维信息模型与智慧园区平台关联，成为后期资产和运维管理的基础。

5.5 BIM+运维数字化管理应用

根据项目设计及使用单位需求，与专业厂家进行智慧园区建设，架设园区内部专线，并对所有接入硬件进行测试，定制开发针对本项目的内网智慧园区平台，具有设备维护管理、物联网数据集成管理、BIM业务数据融合、数据分析管理这四大模块功能。

推动BIM模型与智慧园区系统融合，将前期设计思路和理念延续到后期运维和管控当中，实现BIM模型与运维管理数据的完美融合，其特点如下：

1）各系统设备在BIM模型中可直观地进行空间定位，方便运维人员管理。

2）在模型中可直观地对设备生产信息及维护信息进行查询，遇到故障时自动生成设备维护方案，方便运维人员快速排除故障及维修。

3）三维显示及分析能耗信息，依托模型进行分区统计，可直接发现异常区域，并针对性地进行设备检修及参数调整。

4）设备运行监控，将BIM模型与能源管理系统、楼宇控制系统、智慧建筑运维管理平台相结合，将整个建筑的运行状况在3D模型上通过特定标识进行展示，使运维人员能准确高效地进行安全管控、能耗分析、节能改造等工作。

最终，通过BIM＋IOT等技术，打造“管—控—营”一体化平台，实现运维数字化管理的应用目标。

6 结语

本项目通过对建筑工业化、数字化建造的探索，在多方面取得了较为成功的应用。由BIM＋智慧工地平台组成的智慧工地系统，在本项目中充分发挥了各子系统的管理作用，实现了现实世界与数字化世界的实时对照，更好地利用数字化手段实现了建筑业的转型升级。