基于BIM+GIS技术的智慧工地建设技术研究

卫少阳 张朝晖 严超群 胡平

1.杨凌职业技术学院 陕西杨凌 712100；2.陕西路桥集团有限公司 陕西西安 710075

智慧工地是在施工过程中应用智慧工地管理系统的工地。智慧工地管理系统是综合运用物联网、云计算、边缘计算、人工智能、移动互联网、BIM、GIS等技术手段，对人员、设备、安全、质量、生产、环境等要素在施工过程中产生的数据进行全面采集与处理，并实现过程数据互联共享与业务数字化协同，最终实现全面感知、泛在互联、安全作业、智能生产、高效协作、智能决策、科学管理的施工过程智能化管理系统。

1 智慧工地现场管理系统

智慧工地现场管理系统应由感知层、平台层和应用层组成，如下图所示。

智慧工地现场管理系统架构图

感知层应由信息采集的各类软硬件设备构成，应具有身份识别、图像采集、声音采集、空气环境监测、设备运行状态监测、移动终端采集和信息识别、控制、显示等功能。

平台层应利用政府综合信息管理平台提供的相关功能完成，企业可自建智慧工地现场管理体系。平台层应具有协同管理、互联网协作、移动互联、物联网接入等功能，对感知层收集的信息数据进行过滤、接收、处理和存储，为应用层提供具体应用支撑。

平台层应包含如下类别的功能：BIM、GIS、物联网接入、网络协作、管理协同、移动互联，通过以上功能映射、汇聚、整合施工现场获取的人员、材料、设备、环境、安全、质量、生产、造价等信息数据，进一步为业务管理功能性模块的集成运行提供支撑，为应用层的具体应用提供支撑。平台层提供的支撑能力包括但不限于协议适配、资源管理、业务逻辑、技术平台和接口开放等。其中技术平台是实现智慧工地业务的关键技术能力支撑，涉及互联网协作类功能、管理协同类功能、基于“互联网+”的移动互联类功能，实现与其他智慧工地平台信息交互的移动互联能力、物联网设备的IOT接入类功能、BIM和GIS专业技术类功能。

应用层由工程基本信息、人员实名制管理、视频监控、环境监测、施工升降机监控、塔式起重机监控等模块构成，向建设、监理、施工等参建单位、从业人员、政府监管部门等用户提供应用服务。应用层应提供PC端和移动端两种展现手段，满足用户接入需求。

2 智慧工地管理系统中BIM管理功能

2.1 BIM管理功能模块内容

BIM管理功能模块内容包括但不限于BIM系统、施工模拟、进度管理、质量可视化管理、安全可视化管理等。BIM管理功能模块应符合下表中内容的规定，且留有扩展接口，满足功能扩展的需要。

BIM管理功能要求表

施工组织设计管理应提供工序安排BIM模拟展示供资源配置BIM模拟展示、平面布置BIM模拟展示等功能；施工工艺管理应提供复杂节点BIM三维展示、脚手架施工工艺模拟BIM三维展示、大型设备及构件安装工艺模拟BIM三维展示、预制构件拼装施工工艺模拟BIM三维展示、模板工程施工工艺模拟BIM三维展示、临时支撑施工工艺模拟BIM三维展示、提供土方工程施工工艺模拟BIM三维展示等功能；进度管理，项目管理的核心动作，也是生产管理中非常重要的管理环节，所以在进度管理中涉及WBS分解，以实现精细进度管控，也需要具备形象进度管理，结合BIM技术实现进度与模型的有机结合；在智慧工地进度管理方面，应提供形象进度与BIM关联、现场进度管理与BIM关联等功能。

2.2 智慧工地BIM模型要求

2.2.1 BIM模型技术要求

智慧工地管理系统中BIM模型应用主要指将BIM模型集成在系统中，在施工阶段加以应用。施工阶段应用BIM模型的总体应用目标是通过BIM模型辅助实现信息共享和工作协同。协同的基础是基于开放的BIM模型数据协同环境，协同的方式包括模型协同、数据协同和文件协同。共享的数据指信息接收方需要的、由数据生产岗位创建的基础数据，包括但不限于构件信息、分析信息(如工程量)、过程信息(如进度信息)等。BIM模型在施工阶段应用过程中，各参与方宜在协同环境下开展工作，共享信息。BIM模型作为工程及设施物理与功能特性数字化表达的方式和手段，其应用效果和效益必要性与设计、施工、建设单位等应用主体的应用基础密切相关，其中技术、管理的标准化程度以及相关业务的信息化水平等都是BIM模型发挥价值的重要基础。因此，在进行项目BIM模型应用策划时，需要结合项目实际加以考虑，特别是考虑模型接入智慧工地管理系统。施工阶段BIM模型的应用，应在施工图设计阶段交付模型的基础上，通过继承、扩展和补充形成施工深化模型。

在施工深化模型基础上，通过补充相关信息形成施工过程模型。BIM模型宜在设计阶段交付成果的基础上，随施工过程逐步丰富，也可在施工阶段创建，但是如果施工阶段创建的话将会耗费较大的成本，同时将会拖慢智慧工程管理系统的建设进度。BIM模型在设计阶段交付成果的基础上，随施工过程逐步丰富，即充分考虑利用模型的可共享特征，优先在继承的模型基础上扩展而成。一般而言，设计阶段交付成果中的BIM模型仅包含工程“产品模型”层面的信息，该部分信息优先考虑继承上游模型。如果不能继承，则基于设计交付成果(包含二维设计图纸等)建立。

施工深化模型主要指工程中包括钢结构、机电等专业在内的，在施工准备阶段进行设计与施工组织意图表达的模型。施工过程模型是在施工过程阶段，由施工深化模型(或模型的一部分)及施工建造活动过程中需要或产生的相关数据集成而成，包含了更多的信息维度。对于不同应用点，以子模型的方式出现，包括施工组织BIM模型、安全BIM模型、质量BIM模型、进度BIM模型、成本BIM模型等。施工深化模型是在施工准备阶段继承、扩展、建立、管理和应用的BIM模型，包含反映施工深化设计与施工组织设计意图的相关几何、非几何信息。施工深化模型的构件范围包括永久工程和临时工程，模型信息既包括构件的材质、几何属性等信息，也包括体现施工组织设计意图的施工深化信息，如施工段划分等。施工深化模型的建立优先基于施工图设计阶段BIM模型，包括工程实体结构信息、环境(地质等)、临时工程信息等。施工图设计模型满足指导施工，则可直接作为施工深化模型。BIM模型精细度应符合相关规范规定，结合管理要求制定项目级交付要求用于指导信息交换。

施工过程模型是在施工过程阶段继承、扩展、建立、管理和应用的BIM模型，包含施工深化模型信息和施工过程信息。施工过程模型是在施工深化模型的基础上，结合施工过程中各参与方对信息的需求而建立的，对于不同的管理者和使用者，呈现为不同的子模型，包括用于施工组织管理、施工安全管理、施工质量管理、施工进度管理、施工成本管理和计量支付管理等主要应用场景下的子模型。施工过程模型包括施工图设计或施工深化阶段的工程设施产品信息(几何信息、非几何信息等)，也包括该工程及设施建造过程中的相关基础信息，如时间维度的进度信息、质量验收信息等。产品信息来源于上游即施工深化模型，而过程模型需将产品信息与相关的过程信息进行有机组织，以满足施工过程中的信息管理与应用需求。施工过程模型通过动态完善至交工验收阶段，即成为交工验收模型的基础，其中包括描述工程实际特征的几何信息、非几何信息，也包括施工过程中集成的质量验收等过程信息。实践中，为避免信息浪费，保证信息利用效益，倡导信息节约原则，在满足应用需求及本条规定的前提下，提倡采用相对较低的模型精细度。

BIM模型在施工阶段应用时，应保障信息安全。BIM模型中的数据信息是项目建设的资源，也是企业的数字资产，各相关方有义务按照相关信息安全管理规范，确保信息安全。信息共享和交换环节需利用技术手段有效避免数据被非法修改、增加、删除，避免信息被非法获取。

2.2.2 BIM模型应用要求

施工阶段BIM模型的主要应用场景包括施工准备、施工组织管理、施工安全管理、施工质量管理、施工进度管理、施工成本管理和计量支付管理等。BIM模型应用过程中的协同工作方式和工作流程应满足建设管理相关要求。施工现场应借助物联网等技术实现生产过程中数据的自动化采集。

施工准备阶段的场地布置、工艺模拟、构件加工等工作应基于BIM模型开展。在施工深化模型基础上，在施工准备阶段开展的几项主要工作，通过利用模型的可视化特征来开展。相关软件需能够借助公开数据格式等继承设计模型的几何表达信息，并且软件本身需具备可视化展示、模拟功能。

施工组织中的工作分解、资源配置、施工技术交底等工作应基于BIM模型开展。工作分解可基于BIM模型，辅以知识库等数据资源进行，形成工作分解结构。“知识库”指积累在系统平台中同类项目的工作分解结构编制模板库、标准化工序库等。基于BIM模型创建的工作分解结构(WBS)与模型架构实现关联映射。基于BIM模型的工作分解能够提升编制效率，但仍需人工参与。人工、材料、机械等资源可利用BIM模型中的构件信息、工程量信息等，结合总体进度要求、工效等数据资源，借助专业工具软件进行自动配置。

安全管理中的危险源辨识、安全技术交底、过程监控等工作可利用BIM模型开展。危险源辨识可基于施工深化模型，依据相应安全技术标准，集成相关危险源库等数据，进行危险源辨识和风险评价。安全技术交底宜利用模型可视化特征，提升交底效率和质量。过程监控可利用BIM模型集成、管理过程信息，为安全预警提供基础数据。BIM模型在施工安全管理各应用环节中的信息共享。

质量管理中的质量计划、质量验收、质量控制等工作应基于BIM模型开展。质量计划可基于施工深化模型及施工组织应用成果，参照质量验收规程等技术标准进行创建。质量验收可按照质量计划，集成实际质检信息，动态完善模型，实现质量验收指导。质量控制应将质量问题处理信息集成至BIM模型，实现基于模型的信息追溯与质量问题分析。BIM模型在施工质量管理各应用环节中的信息共享。

进度管理中的进度计划、进度分析与进度控制等工作宜利用BIM模型开展。进度计划应基于施工组织阶段的BIM模型开展模拟、审查等工作。基于BIM模型中的工程量、资源等基础数据，利用专业进度管理软件编制进度计划。专业软件与BIM模型管理平台之间基于统一的数据格式进行基础数据交换。进度计划的模拟或审查，通过BIM模型可视化模拟分析实现。进度分析应基于BIM模型开展实际进度和进度计划跟踪对比、进度预警等工作。

3 智慧工地管理系统中GIS类功能

GIS类功能是满足智慧工地GIS应用的要求，提供对于GIS空间数据管理能力及数据的提取和转化能力，以及在此基础上更进一层的数据管理、数据分析能力。GIS类功能应提供空间数据管理功能，包括但不限于图形管理、属性管理、拓扑管理、状态管理，提供数据提取和转换功能，包括但不限于参数提取、坐标变换、格式转换，具备三维数据管理、三维数据分析能力。