智慧工地在工程建设中的应用

高 宏 伟

(中国人民解放军96784部队，河南 洛阳 471000)

建筑业是国民经济的重要组成部分，在改善居住环境、完善基础设施、缓解就业压力、促进经济增长等方面发挥着积极作用。随着城镇化进程的加快，建筑业逐渐呈现出规模体量大型化、构造功能多样化、工艺流程复杂化、现场管理精细化等特点。传统粗放式的发展模式，存在人员流动频繁、现场管理混乱、安全事故多发、环境污染严重、资源利用率低等问题，已不再适应建筑领域节能环保、安全高效、持续健康发展的总体要求。因此，在现场施工过程中如何科学、合理、有效地进行管理，杜绝各种违规操作、提高建筑工程质量、增强企业竞争能力和确保社会安全稳定，成为摆在政府部门、业界人士和专家学者面前的一项重要研究课题。

在这样的时代背景下，随着人工智能、无线传感、信息技术的迅猛发展，智慧工地建设应运而生。它是一个集安全、质量、进度、设备、物资及劳务管理为一体的综合信息平台，应用于工程建设全生命周期过程中，让传统的建筑工地长出“智慧大脑”，最终实现施工管理智能化、数据采集自动化、过程监管可视化和行政决策科学化[1]。智慧工地的实施，可以帮助建筑企业节省人力投入、提升管理水平、确保质量进度、预防安全事故。目前，智慧工地建设在我国的北京、上海、杭州、深圳等多个城市都出现了比较成功的案例，并且取得了显著成效。

1 智慧工地概述及其系统架构

智慧工地是智慧城市理念在建筑领域的具体体现，它借助先进的BIM技术对工程项目进行精准设计和施工模拟，应用高度集成的信息管理系统，将物联网采集到的大量数据进行汇总分析，建立信息协同共享、工作互联互通、施工全面智能、管理科学高效、风险智慧预控的信息化生态圈，从而提高建筑工程的整体质量、管理水平和决策能力，有利于促进建筑业的转型升级和持续健康发展[2]。智慧工地紧紧围绕施工现场的人、机、料、法、环等关键要素，综合运用互联网、物联网、BIM、云计算、大数据、虚拟现实、移动通信、3S等技术，将分布于不同终端、不同阶段、不同类型的信息数据，进行全面准确及时的收集汇总、分析计算，达到整个施工过程可优化、施工进度可控制、施工各方可协同、施工风险可预见的目标。

智慧工地综合信息管理系统呈现出纵向多层次、横向网格化的结构特点，遵循标准化、系统化、模块化的原则，同时考虑到系统的开放性、扩展性和易用性，其系统架构主要包括信息采集层、网络传输层、平台处理层和用户应用层[3]，如图1所示。

信息采集层是基础，通过摄像机、传感器、智能手机、RFID和GPS等终端设备，对人员作业状态、机械运行情况、现场施工环境等要素进行实时监控、智能感知和数据采集，为整个系统提供全面准确的信息保障。网络传输层是桥梁，依据约定好的网络传输接口和协议，通过特定的传输介质将项目数据信息，准确无误、无延时地进行双向传输与交换。平台处理层是关键，主要是借助大数据云平台对不同类型的感知设备获取的海量原始数据进行存储、解析、计算和挖掘，让项目各参建方更便捷的进行数据访问和信息交互。用户应用层是核心，它将平台处理后的相关数据分类纳入不同的功能模块，并以图表、模型、视频、报警等直观可视化的方式进行呈现，可以作为人员管理、施工指导、辅助决策、风险预测和方案编制的有效依据。在上述四层结构之外，还需要建立相应的规范标准和管理制度，以保障信息有序汇集、存储、应用和共享，强化平台管理、使用的规范性和安全性。

2 基于物联网技术的智慧工地在工程建设中的应用

物联网(The Internet of Things，IOT)通过信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等技术设备，按照事先约定的协议内容，把工程建设中涉及到的重点关键要素与互联网相连接，实现对它们的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。基于物联网技术的智慧工地综合信息管理系统，融合现场管理、行政监督以及文明施工等为一体，为各项决策的判断和制定提供重要依据。

2.1 劳务实名制管理

现阶段，我国建筑劳务市场的用工量非常庞大，同时也存在着企业用工不规范、从业门槛比较低、人员流动很频繁、技能水平参差不齐等问题，难免会产生劳务纠纷、影响工程质量、发生安全事故。劳务实名制管理子系统是项目部进行规范管理、规避风险、保障工人合法权益、提高企业经济效益的有效途径和具体举措，它将工人的姓名、年龄、工种、入职时间、技能水平和资质许可等信息录入系统，形成完善的人员数据库，实现对劳务人员年龄构成、性别比例、属地来源、季节性影响等因素的研究分析，便于劳务队伍的优化选择和有效管理[4]。在人员考勤方面，利用人脸识别、指纹采集、虹膜验证、门禁闸机、智能IC等先进技术和手段，实时核验并记录作业人员的身份、班组、工种、进出场时间等信息，帮助管理人员完成考勤登记和工时统计，为劳务人员的绩效奖惩和工资结算提供真实可靠的数据依据，避免出现劳务纠纷，同时还能有效杜绝外来无关人员进入，强化现场人员安全管理。建筑企业还可以利用GPS及北斗定位功能，通过佩戴智能安全帽、智能手环、手机APP等设备，对现场作业人员的心率、体温、作业状态、所处位置和运动速度等情况进行实时监测，当数据出现异常情况时，自动发出报警信息，有效降低安全事故发生几率。

2.2 远程视频监控

在建筑工地点多、线长、面广，作业面高度分散、转移频繁的条件下，如何确保施工人员、物资材料、机械设备的安全，及时准确掌握施工作业动态、质量和进度情况，是建筑企业关心的头等大事。智慧工地中的远程视频监控子系统采用高清智能摄像机、航拍无人机等设备，实现对施工现场主要出入口、材料堆放区、设备操作台、施工作业面及周边环境的全覆盖无死角远程监控，及时发现并消除存在的隐患问题，避免因人员违规作业、设备操作不当、物料遗失被盗造成的人身和财产损失[5]。各相关单位可以通过手机APP和PC客户端，随时查看人员作业情况、现场管理情况、进度质量情况及整改落实情况。视频监控子系统的广泛应用，不仅可以提高现场管理的正规化水平，弥补人员不足带来的管理死角，还可以加强对安全生产事故的防范，最大限度降低施工安全隐患。

2.3 环境在线监测

建筑业产生的扬尘和噪声污染，对城市空气质量和周边居民生活造成了严重影响。2018年中共中央、国务院印发的《关于全面加强生态环境保护，坚决打好污染防治攻坚战的意见》指出，要强化城市建设施工扬尘管控措施，明显改善大气环境质量，增强人民的蓝天幸福感。施工现场的环境监测子系统，通过各类传感器实现对扬尘、噪声、气象、能耗及污水排放是否达标等环境数值进行实时监测，监测数据通过有线或无线方式传输到后端平台进行分析、处理，并做出相应的预判和报警[6]。具体模块功能如下：

1)扬尘监测。当检测到的数值超限时，自动开启联动雾化喷淋设备。

2)噪声监测。对噪声进行实时数据监测，超标预警进行短信推送。

3)气象监测。对风速风向进行实时监测，自动换算建筑受力，形成风压大数据库；对有毒有害气体浓度进行监测，自行驱动换气机构进行通风。

4)能耗监测。对水电油气等各类能耗进行精细计量、实时监测、智能处理和动态管控。

3 基于BIM技术的智慧工地在工程建设中的应用

BIM(Building Information Modeling)借助计算机和三维数字技术，收集和整理建筑全生命周期的数据和信息，并以三维立体模型的方式展现出来，真正实现了建筑信息集成化协同处理。BIM技术的应用，能够实现建设项目生命周期内全部动态信息的创建、管理和共享，使得从规划设计、构件生产、施工管理、运营维护等都印上数字化的属性，能最大限度地减少或避免问题的发生。

3.1 设计阶段的应用

建筑设计是后续施工活动有序展开的关键所在，如果设计方案不合理，将直接影响到建筑物的功能、质量和安全，并造成不同程度的资源浪费和环境污染。BIM技术在设计阶段的应用主要表现在以下几个方面：

1)进行场地规划。利用BIM+GIS技术，可以对拟建项目的选址进行场地规划，实现三区分离、人车分流，对建筑性能、塔吊布置、采光日照等进行模拟分析，对拟建工程与现有建筑和周边环境的空间关系进行研究，增强总体规划的科学性、合理性和可行性。

2)协同设计与碰撞检查。传统的设计流程是一个线性的过程，各专业之间前期没有进行有效的沟通，等到施工中发现问题再反过来修改设计，造成人力、财力、时间的大量浪费。将BIM技术和“云端技术”进行有效结合，可以提供一个信息共享平台，各专业工程师在同一平台上对项目的建筑、结构和机电模型进行设计，有利于进行广泛深入的沟通交流，避免出现数据更新不及时的现象；同时借助BIM强大的碰撞检查和自动纠错功能，可以及早发现设计方案的不合理之处，从源头上减少因“错漏碰缺”导致的设计变更和返工[7]。

3)复杂节点分析。工程建设的关键问题是节点设计，要求构件连接具有较好的整体性和可靠性，以满足建筑物的抗震要求，避免施工过程中出现偏差。目前，构件节点的连接多采用灌浆套筒方式，通常会在接缝处开槽，形成锯齿状或预留一定的弯钩钢筋。利用BIM技术对构件类型、材质、规格、尺寸、配筋和预留预埋洞口等进行精准设计，减少用于方案调整的精力与时间。

3.2 施工阶段的应用

BIM技术在施工阶段的应用主要表现在以下几个方面：

1)物料管理。传统的物料管理主要通过人工进行到货验收、统计归类和放置存储，难免会出现堆放混乱、使用错误、被盗丢失的现象。根据BIM技术模拟的施工进度计划，合理安排进出场时间；在材料设备到货验收时，对其名称、规格型号、到货数量、材质标准等信息进行编码，根据BIM模型提供的施工顺序和安装位置进行分类存放，实现精细化管理。

2)吊装作业。吊装作业是建筑施工阶段的核心，对机械设备和施工人员的能力素质要求较高。施工展开前，利用BIM技术进行吊装模拟，确定塔吊运行角度、起重力矩、回转幅度及与拟建建筑物的位置关系，保证塔吊在施工全过程中的安全运行。

3)进度质量管理。在原有BIM-3D模型的基础上引入时间和资源两个维度形成的BIM-5D模型，可以帮助技术及管理人员实时跟踪掌握施工进度和资源投入情况，及时发现原始施工方案中的不合理性，动态调整施工计划，防止工期延误和成本增加。将专项检查和日常巡查过程中发现的质量问题拍照上传，使涉及到的质量问题直接关联到BIM模型的具体构件上，项目各责任主体均可在模型上查看整改落实情况。

3.3 安全管理中的应用

建筑施工中一旦出现安全事故，将给家庭、企业、社会带来极大的影响。传统的施工安全技术交底，通常是以耳口相传或书面文字的方式进行的，施工作业人员理解不深、记得不牢。通过建立高精度的BIM模型，对施工现场临边洞口、高处作业等危险部位进行标识并做出风险评估，事先掌控安全物资调配需求及安全设施布置效果，提升安全管理能效[8]。将BIM三维模型导入VR程序引擎，设计出逼真的场景环境，体验者可以身临其境的置身于这些“真实的”场景中，形象直观地感受安全事故带来的危害，例如机械伤害、支模坍塌、高空坠落、施工触电、火灾逃生等，让人们从主观上认识到安全生产、规范操作的重要性，提高安全防范意识，掌握应急救护措施，增强个人防护技能，达到安全教育和培训演练的目的。

4 结语

智慧工地建设过程中应用到了物联网、云计算、大数据、BIM、虚拟现实、网络通信、智能传感等技术，通过构建数据准确、传递畅通、响应及时的综合信息管理系统，实现了对风险进行及时预警，对环境进行在线监测，对现场进行精细管理，节约了企业人力成本，提升了项目管理水平，取得了良好的经济和社会效益，有利于促进建筑业朝着安全、绿色、智能的方向发展。