BIM与IoT融合技术在延庆冬奥村PPP工程施工阶段的应用

文|万仁威 殷博

一、项目概况

1.项目简介

延庆冬奥村项目由中建一局华江建设有限公司承建，位于北京2022年冬奥会延庆赛区内，为高海拔延庆海坨山区，距北京市区100 公里，是冬奥村高山滑雪项目的举办地。本工程为其配套的冬奥村北区，位于一个多层台地古村落区域，项目施工部分是其中靠北的5 个建筑组团，建筑面积58100m2，工程主体为钢结构，总用钢量为 9400t，施工总工期 733 天（图1）。

图1 延庆冬奥村项目效果图

2.项目创新性

本项目为高质量标准的奥运工程，地理位置特殊，且为中国首例土地使用权、总承包建设权、赛后运营权三合一的招标PPP 项目，在冬奥会结束后本项目将被改造为一个滑雪度假酒店，因此项目的BIM 及数字化技术应用跨越深化设计与施工管理，并需要为后期运维阶段提供符合要求的模型和数据。

3.项目难点

团队根据本项目各方面情况总结了工程中四个方面的重难点：

一是高海拔多层台地地形：施工场地东西向和南北向均存在30～42m 的高差，山林遍布，土方挖掘、场地规划、物资运输、场地安全等高海拔山区环境为项目施工带来种种困难。

二是奥运赛事级验收标准：举国关注，责任重大。整体工程必创“中国钢结构金奖”，最终争创“鲁班奖”，各项高标准促使项目团队使用高效的技术管理手段全方面提高施工及质量水平。

三是绿色奥运，超低能耗：秉承绿色奥运的设计理念，第六运动员组团被立项为第二批北京市超低能耗试点建筑。因地处山地，各项指标都区别于常规地理位置，加之外围护结构相对复杂且造型特殊，需要利用新的手段对超低能耗建筑标准的施工选材、工艺和验收进行控制。

四是PPP 工程：本项目是中国首例集土地使用权、总承包建设权、赛后运营权三合一的招标项目，BIM 管理定位前后延伸，从施工阶段、赛事阶段及运维阶段推进BIM 在真正意义上的全生命期中的应用价值。

4.应用目标

针对本项目的重难点，总结以下BIM 技术解决方案的应用目标：

一是多专业设计优化：通过BIM 相关设计辅助软件，对工程机电安装、钢结构、超低能耗等专业图纸进行深化设计，并以多种可视化的形式提升沟通效率，提前发现设计缺陷，避免后期施工返工的情况和资源浪费。

二是施工管理提升：利用三维扫描技术，快速采集高山场地信息，辅助场地规划、土方管理；同时结合智慧工地物联网技术，从进度、劳务、等方面提高施工管理效率。

三是面向PPP 运维的数据准备：为后期搭设BIM 智能运维平台进行模型和数据流程的准备工作，探索模型交付标准和数据需求，以便在冬奥会赛事期间以及改造结束后对奥运村进行智能运维管理（表1）。

表1 冬奥村数字技术应用内容

二、BIM 整体方案

针对以上项目需要攻克的技术、管理及业务上的难点，项目团队策划了一系列应用实施方案。

1.组织架构与分工

在人力组织架构方面，作为冬奥PPP 工程，本项目的BIM 及数字化技术的实施包含中建一局项目团队及PPP 管理单位——国家高山滑雪有限公司。形成以业主需求为导向， 总包过程实施为基础的多方协作BIM 管理模式（图2）。

图2 项目组织架构图

2.软、硬件配置（表2）

表2 冬奥村数字技术应用软、硬件一览表

3.标准保障

本工程的模型标准按照《中建一局工程施工BIM 建模标准》执行。智慧工地建设标准参考《北京市智慧工地技术规程》DB11/T 1710—2019 执行。

三、BIM 实践过程

1.人员技术培训

项目团队在前期针对项目全体成员进行了BIM 技术基础理论、智慧工地实施方案的内部培训，并邀请各软、硬件厂商针对不同岗位进行BIM 相关软件和智慧工地平台模块的操作培训。

2.技术应用过程

本工程的数字化技术应用主要围绕特殊山地地形场地管理、优质钢结构工程质量控制以及BIM+物联网提升施工管理效率三个方面。

（1）特殊山地地形场地管理

本工程位于海坨山高海拔台地，地形层叠错落，团队从特殊地形的部署规划、土方成本及场地安全角度进行了数字化技术应用。

高海拔山地地形数字化应用：由于冬奥会高山滑雪赛区地形特殊，为高海拔的山地及多层台地地形，传统的GPS 场地测绘精度低，操作危险且耗时较长，因此团队额外采用了三维扫描的方式来获取整个场地的精准模型。

首先是通过多点设站，利用三维扫描仪对开挖前后的基坑土方进行扫描，完成了精度2mm 以内的施工场地点云模型，并与土方方格网测量数据及地勘报告进行校核，完成最终的场地数字化模型，整个数据采集过程用时3 天，大幅提升了测量效率。

之后再将三维点云模型导入Revit 中进行逆向建模，形成了场地的实体BIM 模型，缩短了大量场地建模时间，再对其按施工计划分阶段进行施工现场、生活区规划等场地三维可视化动态规划工作，帮助团队更高效准确地完成高山场地的场地规划和模拟工作（图3）。

图3 BIM 三维场地布置规划

山地土方算量：使用传统的GPS+方格网对高山台地地形进行土方量计算难以得到足够准确的数据，因此团队将该点云模型逆向建模后与最终基坑BIM 模型进行核减处理，用于土方量的精准把控。

土方算量中，对于三维扫描和BIM 的数据目前还比较谨慎，目前方格网数据仍是主要的土方工程成本的审核依据，因此利用好BIM 技术来进行精细化管理和成本结算创效就有了较大的潜力。

山地基坑放坡的情况在台地交接部分需要特殊处理，在BIM 建模时也特别考虑了这个部分，最终由技术和商务人员将BIM+三维点云的计算结果作为总包的内控标准量（图4）。

图4 在 Revit 中进行土方计算

团队将三维扫描与BIM 出的量作为土方实际标准量与土方各工程下游企业交接，并将该量作为总包内控的标准量，大幅提升了总包的土方成本管控精度。

永久性高边坡应力监测系统：项目的北侧有一条长约120m 的永久性高边坡防护结构，是保证冬奥区域土地安全的重要屏障，但由于山地、大风、暴雨、大雪等极端天气比较多，第三方检测单位无法随时进行数据采集，而这个时候往往也是事故发生的时候。

因此，项目团队使用了一套针对高边坡应力安全的监控系统，在工程最北侧危险系数最大的永久性高边坡结构中，每间隔30m 布设测斜传感器、位移传感器和高精度静力水准仪（图5），加之远程物联网传输模块，形成自动物联网应力监测传感系统，并且将该系统与项目智慧工地平台进行联动，让管理人员能够实时通过电脑端和手机端查看监控数据并接收报警信息，为施工和冬奥村的后期使用提供了重要安全保障。

图5 高边坡监测传感器定期检查

（2）BIM+ 智慧工地技术在PPP 工程管理中的运用

BIM 模型和数据面向全生命期：PPP 工程数字化应用最重要的基础就是整个生命期模型和数据的传递，具体每个阶段会产生的数据，下一个阶段需要接收的数据，以及最终会形成的成果，围绕冬奥村的项目需求，团队对各阶段都进行了规划和梳理，并形成了一个全过程的模型和数据管理计划。图6所示的传递流程图包含了各专业设计数据到最终商业运维的所有数据大类内容，这种面向全生命期的 Open-BIM 管理流程对 PPP 工程能够产生巨大的效益。

图6 全生命期模型和数据传递示意

在模型的使用上，团队也以PPP 项目管理的模式为基础，把模型作为设计、业主、分包进行技术沟通的重要依据和形式，还联合外部技术团队仅用时一天通过Unity 制作了BIM+VR 机房沉浸式会议室，并进行了一次机房深化协调内部会议的尝试，由于目前硬件成本较高，未进行大范围使用，但其体感效果真实、不受地域限制、数据记录便捷的特点得到了多方的肯定，在一些重要工程技术方案论证和特殊精装设计协同会议中有很大的应用潜力。

为提升工程交付质量，在二次结构完工的部位使用了可以现场直接进行质量数据采集并与BIM比对分析的新一代点云处理技术，该技术能够直接通过现场操作平板进行点云自动拼接，在现场就可以检查比对多个部位的施工偏差，相较于传统扫描技术的质量对比，节省了80%的后期操作时间。

冬奥村秉承绿色奥运的设计理念，要求其中一个运动员组团最终以超低能耗标准进行建设，团队选取了一个校准的运动员房间，通过对其装修做法、墙面、楼地面、门窗材料进行模拟，通过Revit 进行综合的能耗参数的计算，选择既满足北京市超低能耗标准，又符合成本、工期以及施工条件要求的工艺及材料清单，节省大量施工方案的编制论证时间，样板的建设工期提前了3 天。

智慧平台提升管理效率：为了提高项目的协调管理能力，保证冬奥会硬性节点进度，项目团队采用了基于BIM 和多种物联网设备的智慧工地平台，除了将永久性高边坡监控系统接入平台外，还主要包括以下三个方面（图7）。

图7 BIM5D+智慧工地数据决策系统

一是生产大数据处理。首先在劳务方面，团队考虑各组团施工队伍的人数较为分散，同时工地存在夜间施工、山林临区防火、安全巡视的要求，团队对现场劳务人员，尤其是施工周期较长的钢结构、市政分包的劳务人员，采用了智能劳务系统。通过物联感应能够在三维BIM 地图上，直观显示现场劳务的分布情况，提升团队对于山区施工劳务人员的管理效率。

二是AI 视频全天候监控。由于冬奥工程现场是与生活区分离的，且施工现场高差较大，因此现场布控了30 余个监控视频，并将所有视频监控都归集到智慧工地平台之中，利用现场三维地图随时通过网页、手机查看现场情况，同时通过AI 图像识别程序，将现场未佩戴安全帽、反光衣、防疫口罩的情况自动识别并储存，作为团队分包安全管理问责的重要依据，提升施工人员安全意识（图8）。

图8 智慧工地 AI 视频监控网页端截图

三是物联网施工数据采集。将高边坡物联网监测、视频安全监控、劳务管理、质量安全等数据，录入BIM 智慧工地系统中的项目报表模板，通过自动处理以上物联网采集的数据的后台中心，将公司的技术质量项目管理章程移植到平台中，让智慧工地直接导出可存档的报表，改善了现场管理人员填写各类生产报表的情况，提升了项目的报表整理效率。

（3）优质钢结构工程质量控制

首先施工总包直接接收了钢结构设计方基于BIM 的设计模型和出图，并能够直接交付加工厂，根据冬奥村流水施工进度进行快速工业化排产。

为保证结构本身质量避免钢结构后期开洞，团队也针对钢结构及机电交叉的部位进行了基于BIM的三维深化交底出图，避免机电安装出现碰撞开洞和返工的情况。

为了提升现场钢结构施工安装的效率，团队向重要的安装节点通过二维码的形式进行了可视化的张贴交底，张贴在现场对应的位置供安装工人随时查看。

在施工现场影响钢结构施工质量和进度有另一个关键因素就是钢构件的吊装，而在高海拔山地的冬奥区域施工，为了保证吊装安全施工，同时考虑山上的风力较大以及风荷载的影响，团队采用了塔吊制动系统（图9）。

图9 智慧工地塔吊监控系统网页端

团队将塔吊制动系统与BIM 场地模型进行挂接，由于山地风荷载强劲，曾发生过多次误报警并强制制动的情况，反而给现场正常施工造成了障碍，因此团队联合塔吊公司、制动系统技术人员一起专门针对塔吊的构件吊重进行了校核，并对制动机制进行了调试。

通过钢结构全流程的数字化管控，本项目成为首个结构封顶的冬奥运动员公寓，本工程也荣获了2020年中国钢结构质量金奖。

四、BIM 实践总结

数字化土方工程成本管控技术应用效益显著。团队对比了方格网与三维扫描+BIM 在山地地形建筑土方测绘中的功效，三维扫描+BIM 在人工、工期、精度、操作安全方面都有着巨大的优势，而最终的技术也减少了20%的土方成本。但该项应用也存在一些问题。比如在应用过程中发现土方测量软件如南方Cass、Arcgis 与Revit 之间要进行数据模型数据交换且较为困难，从Revit 要导出5×5方格网坐标，需要用虚拟参照平面功能画出所有测绘点，在通过CAD 进行数据标注读取导出文本，再导入其他软件（图10）。

图10 三维扫描土方测算与传统土方测算工效对比

随着物联网技术覆盖越来越广，以上类似的问题还是持续凸显，但我们认为基于BIM、物联网和大数据进行工程管理将是未来工程管理的必然趋势，相信通过大量工程的应用实践以及行业大数据意识的提升，将引发建筑行业的一系列智能化升级转型（表3）。

表3 冬奥村智慧物联网技术应用优劣势总结表

五、下一步规划

目前项目团队已经联合成本工程师总结了一套基于BIM 和三维扫描技术的土方成本管控指引，计划在其他新开项目中进行推广。

施工模型数据按照运维需求进行数据筛选和更改，形成可交付的竣工模型，为接入后期运维系统做好数据和模型基础。

同时，智慧工地在施工阶段所形成的数据和应用经验也将编入延庆冬奥村综合施工技术课题报告中，形成企业技术文献资料。