既有建筑改造项目智慧工地系统架构研究

应宇垦，叶旭峰，陈琳，张嘉玲，赵昕

（1 上海慧之建建设顾问有限公司，上海 200090； 2 上海申通地铁资产经营管理有限公司，上海 200092； 3 同济大学土木工程学院，上海 200092）

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进，城市轨道交通系统在解决城市中心区交通问题中发挥着不可替代的作用。同时由于城市更新、轨道交通车站升级以及商业运营的需要，既有车站改扩建工程项目的需求也日益突显。 因此，既要保证地铁车站能够正常运转，不影响市民的日常出行，同时又要安全高效环保地完成地铁车站的改扩建施工，这对建设单位的施工管理水平带来了极大的挑战。 上海莲花路地铁站为上海地铁1 号线的既有车站，1999 年竣工使用至今，已达20 年之久。此次改扩建为了完成对该地铁车站的升级改造，同时将车站附属区域进行再利用，实现车站改造商业一体化，充分发挥地铁站区域的商业价值。 地铁区域商业生态如图1 所示。

图1 莲花路地铁站商业生态

从2018 年开始莲花路地铁站进行不停运改扩建， 如图2 所示。整个项目全程通过应用BIM 技术、 视频监控技术等数字化技术，有效解决了既有建筑改造项目所面临的施工管理难题。将BIM技术应用到地铁车站的建设中，能有效满足模型创建、碰撞检查、现场模拟分析等多方面的需求[1]，并且能有效控制施工周期[2]，降低工程造价[3]。

图2 莲花路地铁站不停运改扩建项目

目前我国既有建筑改造项目的技术水平、施工方法和管理措施等都已有很大的提升，但仍然面临一些困难，主要包括：（1） 既有建筑原结构对场地空间的限制使得改造施工难度较大，改造后建筑环境变差、建筑空间规划不合理；（2） 施工条件复杂，人员无法控制，建筑周边状况复杂，使得施工管理难度较大；（3） 国内对既有建筑的改造主要局限在安全性加固、空间扩展或节约能耗等单一目标，涉及建筑整体综合性能改造的较少，现有的施工管理技术要实现既有建筑改造后性能的全面提升困难重重[4]。

要解决当前既有建筑改造项目所面临的困难，从根本上改变传统的施工管理模式变得尤为重要。由于既有建筑现状相对新建建筑更为复杂，在改造过程中对项目工期、资源和成本的把控与施工方法和管理要求上更为严格[5]。 传统的施工管理模式在应对安全性、作业环境以及现场管理有更高要求的既有建筑改造项目时，其弊端变得尤为明显，往往会导致实际施工进度与计划存在较大差距，造成更多的实际成本投入。 相比之下，结合了BIM 技术、传感技术、物联网技术、大数据技术、RFID 以及VR 等新兴信息化技术的智慧工地系统则为管理者提供了一个更为高效的信息化、可视化、智能化的施工管理平台，可以有效地弥补传统施工管理的不足[6]。

本文针对既有建筑改造项目施工管理，提出智慧工地系统架构，旨在结合BIM 技术、传感网络技术、物联网技术、大数据技术、RFID 和VR 等新兴技术方法，运用信息化手段，以满足施工工地现场的管理需求为目的，搭建智能化管理平台，实现工程的精准设计和施工模拟。 围绕建设过程管理，建立互联互通协同、智能生产、科学管理的建设项目信息生态圈，实现工程建设可视化智能化管理，提高项目管理信息化水平，逐步实现绿色施工、生态施工。

2 我国现阶段既有改造项目在施工管理中存在的主要问题

2.1 传统施工管理

我国传统施工管理存在的主要问题包括以下几方面：劳务用工管理混乱，用工情况缺乏精确数据支撑，人员散落各处难以管理，劳资纠纷隐患严重；大型设备监管困难，安全使用、监测以及定期检修等工作存在疏漏，从而导致安全事故频发；材料清点手段落后，成本虚高，造成大量物资浪费；施工工地危险区域繁多，监控教育和预防手段落后；项目参与方众多，信息共享不及时，信息不对称或断层，走了大量施工弯路[7-8]。

2.2 既有建筑改造项目施工管理

既有建筑改造项目对安全性、作业环境以及现场管理的要求更高，使得其施工管理难度更大。 由于需要维持建筑的正常运营使用，既有建筑改造项目的安全监测和防护相比传统施工管理的要求更高，作业环境污染限制更加严苛。 同时，由于既有建筑的存在造成堆场使用空间局限，场布管理十分困难。 以上情况都表明，我国现阶段既有改造项目在施工管理中存在的问题以及面临的困难十分显著， 若要全面解决目前管理模式中存在的各种问题，需要引入一套全新的施工管理模式。 因此，智慧工地系统应运而生。

3 智慧工地系统的目标分析

智慧工地取自智慧建设概念，是指借助BIM 技术、传感网络技术、物联网技术、大数据技术、RFID 和VR 等技术手段[9]，发挥互联网、物联网和传感网等网络组织作用，形成的基于多维信息、数据挖掘及动态决策的工地形态与智慧环境[10]。 针对既有建筑改造项目在施工管理中存在的问题，智慧工地系统的建立将主要实现以下几点功能目标：

（1） 可查看：视频管理、视频画面远程调用和数据图表综合分析，全天候、多方位的施工现场实时监控，视频画面智能处理，视频汇总集中，数据处理和存储，实现对施工现场的可视化管理和智能分析，防止施工事故的发生；

（2） 可查找：地理信息系统管理，站点地理信息的标记和显示，实现智能查询和监督，根据辖区内站点的超标程度（严重超标、预警、正常）进行各种提示，加强站点位置，方便重点监管；

（3） 可预警：环境监测，对扬尘、噪声、温湿度进行详细监测，自动匹配国家标准，超标报警，加强现场超标整改，缓解环境污染，促进环境保护和可持续发展；

（4） 可管控：实时预警执法，采集现场预警，自动分析呈现，再进行针对性监管；对现场设备、安全、人员等因素进行安全预警，自动识别风险因素，启动预警机制，推进一键在线执法监管，降低现场安全风险，强化现场安保；

（5） 可沟通：政企互动，搭建信息交流平台，加强民生、政企多向沟通，实现信息互通，丰富政府信息监管，丰富农民工信息查询；

（6） 可调度：应急指挥服务，建立快速响应机制，最大限度减少突发事件的影响；

（7） 可录入：将数据存储和文件数据流记录归档到云平台，方便用户随时查询和调用，提高工作效率。

4 智慧工地系统的架构研究

智慧工地系统框架主要包括两大类： 协调管理和工程管理。在此基础上又进一步细分出多个子系统。 整体架构图如图3 所示。

图3 智慧工地系统架构

4.1 协调管理

4.1.1 劳务管理

人员实行劳务实名制，所有劳务人员详细信息等相关数据与劳务管理平台对接，全程记录劳务人员的生产作业信息。 通过手机或其他智能穿戴设备等实现位置打卡，记录上工状态、作业时长等，并实时管理作业人员所处的位置，有效合理分配不同作业区域劳务人员数量，最大化提高劳务用工效率。

4.1.2 阶段和资料管理

根据工程施工阶段（工程设计、土方施工、地下结构施工、主体结构施工、装饰施工）和文件类型（文件、图片、图纸、BIM 模型、音视频）划分资料，并对项目各参与方赋予不同的访问权限。 用户可以根据自身权限对不同项目资料进行查询或修改。 通过建立云平台， 可以实现用户远程实时通过网页或手机APP 查看项目资料、交付接收音视频和BIM 模型等应用成果、上传和接收变更记录、任务集成发布以及项目验收等。

4.1.3 会议管理

会议任务安排贯穿项目全阶段，会议数量多、不定时的特点使得会务工作的管理变得繁杂。 通过在系统平台中添加单独的会议管理子系统，可以实现从会议室预定、会议室使用、会议通知，再到会议日历、会议纪要等会议资料的记录和管理等全方位的会议管理，从而提高项目施工过程中各方协调沟通的效率。

4.2 工程管理

4.2.1 现场管理

对于既有建筑改造项目，由于施工现场场地条件复杂，使得现场管理和作业难度极大。 因此智慧工地系统结合BIM 技术，创建施工场地三维模型， 在此基础上实现场地布局空间的合理规划，设备设施、大型机械合理布置，保证施工作业井然有序。 除了现场地空间的管理，现场设备设施物料的管理则要更加繁杂。 对于施工现场的设备设施管理，在预先创建的BIM 模型中就已包含相应设备设施的通用基础信息，包括设备设施的生产厂商、规格参数、二维码标识等。 系统全程详细记录各设备的管理人、操作记录、维修档案等信息，实时监测作业设备的运行状态、进场时间、运行时间，并通过GPS 定位设备所在位置。 对于施工现场的物料管理，系统记录物料的规格型号和供应商。 生成材料计划单后，供应商发货自动生成发货单，通过智能门禁系统记录物料进场时间和车牌，地磅记录物料数量。 收料员根据系统记录的物料进场数据和现场验收，对物料审核拍照，自动生成物料验收单。

4.2.2 进度管理

智慧工地系统通过BIM 辅助进度管控，将项目整体进度计划进行分解，并通过系统平台上传任务计划，将任务分配给相关责任人。 责任人对任务进度实时更新，同时提交进度照片和音视频。将最新的进度信息加载到整体BIM 模型中，并根据不同进度状态分类显示。 各参与方可实时查看项目各区域进度及现场照片。

4.2.3 质量管理

施工现场管理人员可利用手机APP 进行质量检查，通过二维码获取构件信息，同时，在巡场过程中如发现质量问题可立即拍照填表，上传至系统平台并及时将问题反馈到责任人。 现场质量问题上传到平台后将自动生成整改通知单， 下发至相应的负责人，相应的负责人需要到现场进行确认。 在整改完成后，同样需要现场拍照并回复，确认后系统自动将相关资料进行归档。

4.2.4 安全管理

安全管理作为工程管理的重中之重， 主要包含三个方面：安全监测预警、安全体验培训、环境管理。 在安全监测预警方面，通过将不同的安全监测预警子系统统一整合到一个平台中，并利用物联网进行实时传感数据采集和传输，实现全方位、无死角的现场安全监测预警。 在安全体验培训方面， 结合BIM 三维模型和VR 技术，开展安全教育培训和不同危险场景沉浸体验，让工人在虚拟场景中进行隐患辨识、排查以及应急处置的学习。 基于网络可实现多人协同模拟应急演练。 在环境管理方面，则通过检测设备实时监测工地环境数据，包括PM2.5、PM10、温度湿度、风力风向、噪音等。 根据检测数据发出预警信号，自动启动扬尘抑制系统。 此外，系统还可实时跟踪工地生产和生活区的水、电使用情况，并可实现能耗定额，能耗预警。 能源消耗可按面积、分项统计，并进行优化能源管理，实现节能减排的目标。

4.2.5 施工方案管理

在BIM 模型的基础上，增加施工方法、施工工艺、施工顺序等信息，直观模拟施工过程，充分利用BIM 模型对方案进行分析和优化，提高方案审核的准确性，实现平台施工方案的可视化公开。通过BIM 对结构、建筑、机电、设备等模型进行集成，对各专业的碰撞点进行分析和优化，解决项目前期管线碰撞问题，避免临时设计变更和返工。

5 结语

本文基于既有建筑改造项目在传统施工管理模式中的痛点，提出了结合BIM 技术、传感网络技术、物联网技术、大数据技术、RFID 和VR 等信息化技术所搭建的智慧工地系统，梳理了该系统的具体组织架构，详细阐述了智慧工地系统各个子系统在施工管理各方面中的具体应用措施和方案。 通过智慧工地系统的构建，能够有效地解决既有建筑改造项目在施工管理中面临的困难，并真正实现工地施工现场的智能化管理、 信息化管理和可视化管理。 目前，该系统框架体系在具体实施应用上还有许多内容需要协调完善，但在如今飞速发展的信息化、智能化的时代背景下，智慧工地系统在未来施工管理中的广泛应用指日可待。