基于CIM 的建设工程检测监测应用场景研究

梁驹 冯正平* 邝婧雯 何永彬 符颖操

(广州市住房城乡建设行业监测与研究中心)

广州市被列为首批CIM 平台建设试点城市以来，率先建成CIM 基础平台并一直积极探索基于CIM 的多场景应用，引领性地完成智慧工地、城市更新、智慧社区、智慧园区等20 多个场景应用示范[1]。CIM 基础平台不仅仅包含真实城市的数字孪生模型，更重要的是其将动态数据赋能城市规划、设计、建造、运营、管理全生命周期的智能化过程。国务院发布《关于完善质量保障体系提升建筑工程品质的指导意见》指出：建筑工程质量关乎人民群众生命财产安全和新型城市发展，强化主管部门对建设工程质量的全过程管理工作[2]。因此，研究基于CIM 基础平台在建设工程质量检测和建设工程监测领域应用，进一步加强行业管理，促进建设工程质量安全监督工作有序开展，对于提升智慧城市建设水平具有积极意义。

1.BIM 与CIM

1.1 建筑信息模型

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）以建筑体的三维模型为基础，整合项目工程数据，实现项目的监控、数字化管理、信息分析与加工等功能，具有可视化、信息化、协调性的特点，可以提高工作效率，减少工程设计初期的错误和工程建设过程中的失误，降低风险，保障工程质量[3]。

1.2 城市信息模型

城市信息模型（City Information Modeling，CIM）概念最初被定义为城市尺度的三维地理信息系统（Geographic Information System，GIS）模型[4]。后来在发展中陆续加入了建筑信息模型和物联网技术（Internet of Things，IoT）。当前普遍认为CIM 是由IoT、GIS、BIM 和其他相关技术融合的、拥有多数据源的数字孪生模型，包含城市运行过程中多方面的数据[5]，如图1 所示。如何利用这个数字孪生模型为城市管理和发展赋能？这就需要一个基础应用平台，将数据盘活并合理利用，城市信息模型基础平台应运而生。住房和城乡建设部2021 年发布《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》中指出，城市信息模型基础平台是管理和表达城市立体空间、建筑物和基础设施等三维数字模型，支撑城市规划、建设、管理、运行的基础性操作平台[6]。

图1 CIM 组成架构

2.建设工程检测与监测

2.1 建设工程质量检测

在2023 年3 月开始施行的中华人民共和国住房和城乡建设部第57 号令《建设工程质量检测管理办法》中对建设工程质量检测有明确的定义，在新建、扩建、改建房建和市政基础设施工程中，依据有关国家法律、法规和标准、法规和标准前提下，具有相关检测资质机构接受委托，对进入施工现场的建筑材料、构配件、设备，涉及结构安全、使用功能的检测项目和工程实体质量等开展的检测工作[7]。广州市根据现实条件，提出进一步完善建设工程质量检测监管平台建设，通过提高信息化水平，实现对检测活动的有效监督管理的要求。

2.2 建设工程监测

在2018 年6 月开始施行的中华人民共和国住房和城乡建设部第37 号令《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》中指出，在危险性较大的分部分项工程（简称“危大工程”）现场安全管理方面，施工单位应开展相应的监测和安全巡视工作，按要求如需开展第三方监测的工程，建设单位应当委托具备相应勘察资质的机构开展监测工作[8]。

3.现状分析

3.1 广州市城市信息模型规划与现状

广州市CIM 基础平台采用“1+N”的建设模式，即一个CIM 基础平台、N 个基于CIM 的统一业务平台模式，探索构建一个三维可视化、附带丰富数据的CIM 基础平台。按照新时代高质量发展的要求，坚定创新、协调、绿色、开放、共享发展理念，2022 年广州市住房和城乡建设局编制了《广州市基于城市信息模型的智慧城建“十四五”规划》[9]，提出在市级层面科学谋划、整体推进广州CIM 平台的建设，并以CIM 平台建设深度赋能广州市智慧城市建设。目前，广州市已顺利完成建设CIM 基础平台试点工作并已建成相关试点应用场景。主要成果如下：构建了涵盖规划，建筑设计方案和施工图审查、竣工验收备案等功能的CIM 基础平台；实现在CIM 基础平台上进行施工图三维数字化审查和基于三维数字化模型竣工验收备案；形成了在广州2000 坐标基准下面向全市的全空间、全要素、全链条、广覆盖的数据库，涉及地形图、地下空间、全市白模、倾斜摄影三维模型、重点区域若干BIM 模型等多种格式的二三维数据。

广州市积极探索利用人工智能、物联网、大数据等信息技术推进城市建设工程质量检测和建设工程监测领域的智慧化应用。鼓励建设工程各方推进检测记录电子化、监测工作自动化落地应用并鼓励检测和监测单位汇集管理数据接入广州市CIM 平台，实现对全市建设工程项目的检测和监测数据进行统一动态的管理和利用，完善传统的行业监管模式，变被动监管为主动监管。积极探索利用物联网技术，开展新型城市基础设施建设，对城市运行安全健康状态进行智能化评估，着力构建全方位智慧城建安全管理体系。

3.2 广州市建设工程质量检测和建设工程监测领域现状

近年来，随着建设工程质量检测市场逐步放开，越来越多第三方检测机构纷纷加入检测市场，行业整体呈现蓬勃发展的态势，同时也加大了行业监管的难度。检测领域中存在一些不可忽视的问题，如检测机构不重视样本取样和送样过程，忽略第三方公正检测的重要性；检测人员培训不足，对设备维护、检定、校准、确认要求不明；检测机构设备档案混乱、设备超过校准周期未及时检定或校准、未能按照规定的程序对设备进行期间核查，甚至为迎合委托方需求，出具虚假检验数据和报告等问题。

广州市在建设工程监测方面起步较早，于2013 年印发了《广州市地下工程和深基坑安全监测预警办法》，首创的监测预警系统作为监管手段之一，通过扁平化管理、信息及时传递、实现提前预警，从而提高了监管效能。但随着2018年住房和城乡建设部发布的《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》，要求对于需要进行第三方监测的危险性较大的分部分项工程，建设单位应当委托具有相应勘察资质的单位进行监测。广州市在建设工程监测领域仍存在无法确定监测机构勘察资质等级是否满足监测业务要求；监测技术人员管理和规范培训不足；对监测机构现场操作行为监管手段不够全面，存在监管脱节和管理盲区；各区主管部门监管力度不一致；缺乏对新技术监测设备兼容和监测算法方法迭代更新的能力；缺乏推动自动化监测普及应用的动力等问题。

4.基于CIM 的基础应用场景

4.1 CIM 基础平台综合展示应用

广州市CIM 基础平台已试点建设具有规划、建筑设计方案和施工图等多种审查、竣工验收备案等功能的相关应用，有效精简和改革审批程序，但在工程项目建设过程中的质量检测和监测方面的应用有所欠缺，因此，可探索将已建设的工程建设质量检测和工程建设监测相关系统或业务平台与CIM 基础平台进行数据交互，在CIM 基础平台上积累相关从业机构信息和全市既有项目数据，打造全市工程建设质量安全板块。一方面展示广州市检测监测机构的存量情况、资质合规情况、单位和机构人员行为规范情况等，为相关监督主管部门提供全市层面的建设工程检测和监测行业的多维一体信息，掌握行业动态和为行业发展趋势分析提供有力支撑；另一方面从从业机构维度出发，追踪从业机构开展业务情况，多维度指标建立量化评价体系，鼓励行为规范、公平、公正的优质机构承接更多建设工程项目，从而实现规范行业行为，净化行业风气的目标，推动建设工程检测和监测行业不断发展进步。

4.2 BIM 数据挂接应用

BIM 不仅仅是对实体建筑的三维建模，更可汇聚参建各方的详细项目数据，为建筑工程提供从建设到运营全生命周期的技术支持。在施工阶段，工程建设质量检测和工程建设监测数据关乎工程质量安全和项目整体进度，可构建以BIM 为载体，承载监管部门相关的工程检测和监测管理平台数据。比如，检测方面可将建材供应商、施工方、施工时间、取样送检时间、检测类型、检测结果及报告、检测单位等检测全生命周期数据，监测方面可将监测类别、监测累计变化情况、报警情况信息、监测单位、监测频率周期等监测数据统一挂接在相应的检测或监测点位上。如图2 所示，通过监测数据分析基坑应力或支撑应力变化趋势，用动态展示形式挂接在BIM 模型中具体监测点位上。借助BIM 构件检索、多源异构模型装配、二三维联动、视点、批注、剖切、沉浸式漫游等浏览功能，监管部门既能从枯燥的检测和监测数据中形成更立体、更直观的认识，准确定位存在问题的工程部位，实现更深入的了解和分析；也能更高效的做好建设过程的质量和安全方面的把关，进一步提高监管水平。

图2 BIM 模型挂接动态监测数据

其次，可将工程检测和监测数据分享给参建各方责任主体，打通政企合作通道，有利于各方建设责任主体在建设阶段把控建设质量和工期进度、发现建设安全问题、优化建设方案，进一步提高参建各方的项目协同能力，解决很多利用传统建造方法中可能出现的质量或安全问题，同时也有利于降低运维阶段成本，最终实现提升整体建造质量的目标。

4.3 大数据分析及机器学习模型预测应用

按照建设工程检测和监测的业务需求建设相应的业务系统，一定程度上推进了本行业的信息化水平，但是由于很多与工程建设质量相关的基础数据保存形式多样化、零散化、碎片化，数据价值分析不够深入。因此，需要打破传统建筑工程质量管理模式，借助CIM 平台持续积累的相关数据，挖掘和分析现有数据规律，统计和计算与建筑工程项目质量相关的指标，继而完成工程项目质量把控和优化设计。

根据既往的检测和监测报告开展大数据文本挖掘研究，通过文本清洗、分词处理、词频统计、文本聚类等操作，统计分析领域关键性指标，为行业内量化评价提供依据，探索建设工程质量行业的热点问题和问题分布趋势，为及时发现、预判问题和提出有效的解决方案提供有力的基础条件。也可探索基于积累的建设工程监测数据，通过大数据分析总结出监测工作中出现可疑、异常数据的规则，例如监测点数与监测方案不一致、超额设置监测预警值、监测时间晚于上传监测数据时间等问题。运用数据分析技术及时预测潜在问题和安全隐患，实时报警，实现被动监管向主动监管、事后处理向事前预防的双转变，结合分析结果助力监管系统优化升级。利用机器学习方法，以庞大的建设工程检测和监测领域样本数据为输入，以检测报告结果或监测预警情况为输出，通过机器学习模型的有监督学习训练自动发现数据中的规律和模式，预测出相应的结果，与传统计算方式相互校验，减少检测结果误判和监测误报警情况，为监管部门科学决策提供有力依据。如图3 所示。

图3 利用大数据分析和机器学习模型预测的应用流程

5.拓展应用场景研究

5.1 基于区块链的自动化基坑安全监测应用

随着高层建筑物、地下管线管廊等建筑工程项目增多，基坑工程数量也随之增加，传统人工监测基坑存在工作量大、数据传输和计算分析不及时、数据真实性存疑等问题[10]。

目前对深层水平位移、轴力、地下水位、倾角等的自动化监测设备已愈趋成熟，结合天气、现场环境以及成本等因素，鼓励在预定点位布设自动化监测设备，通过设置合理的自动监测时间或频率实时采集施工现场监测数据。随即通过无线传输方式将监测数据发送到基坑安全监测系统完成存证保存和数据上链等操作，充分利用区块链技术防篡改、可追溯等特点保障数据的真实性和有效性。总体上实现数据不落地自动上传系统，系统将依据已经过专家评审的监测方案的预警限值进行分析判断，如图4 所示。当超出预警值，系统会通过手机短信通知和现场声光报警等形式提醒参建责任主体和现场施工人员。该应用方式首先可减少人工成本投入，达到降本增效目的；其次避免数据不真实或丢失情况；最后能实现实时监测预警，缓解预警滞后问题，保障生产作业安全。

图4 自动化基坑监测分析

5.2 起重机械设备安全监控应用

近年来工程建设规模不断扩大，各类建筑起重机械（塔吊、施工电梯、物料提升机等）的使用也与日俱增，由于建筑施工的复杂性，对起重机械的备案管理不完善，验收和使用流程审核不严，叠加施工现场各种客观原因（如施工环境）或主观因素（如违规作业）的影响，容易在使用过程中引发安全事故，甚至造成重大人员伤亡和财产损失。通过信息化的手段实现建筑起重机械的安全监控成为必然选择。

建设起重机械设备安全监控系统能查看广州市起重机械分布地图、作业总览、作业计划、预警情况、企业数量等基本统计信息，主管部门能从全市或区域的角度了解起重机械概况信息，为监督执法提供有力数据支撑。以起重机械设备为中心，围绕打造从设备产权备案、设备安装检查、安装拆卸告知、设备监测和维保等各个环节的全过程管控，实现对特种作业设备的安全管理。同时利用移动端平台监督作业现场情况，制定关键节点的监护人管控“双确认”机制，通过互相监督和检查有效减少不规范操作行为的发生。利用在塔吊和施工电梯上安装的黑匣子物联网设备，实时监控设备的风速、载重、高度、角度和扭矩等工况信息，结合起重机械BIM 模型实现设备运行状态立体展示，系统根据黑匣子传回的监测数据依据设定的限值进行报警，及时通知相关监管部门和各方建设责任主体。在塔吊司机室安装监控设备，有效规范监控塔吊司机的行为，如图5 所示。分别建立企业库、设备库、标准节库、特种作业人员库，为行业监管提供有力支撑。

图5 起重机械安全监控

5.3 高大模板实时监测应用

结合广州市住房和城乡建设局《广州市住房和城乡建设委员会关于推进全市超过一定规模危险性较大的混凝土模板支撑工程和承重支撑体系自动化安全监测工作的通知》（穗建质〔2017〕1006 号）“加强高大支模工程施工的信息化安全管理，严防安全事故的发生”的政策精神，改搭建高大模板实时监测管理平台，实现监测机构、人员、设备和工程项目的信息维护管理、查询检索、项目地理位置分布情况统计功能；支持高大模板项目施工方案、监测方案上传备案和监测报告及历史监测数据追溯功能；平台核心功能是通过事先布置好的自动化监测传感器实时监控施工现场高大模板状态，如出现异常情况，通过无线网络形式迅速下发报警通知，现场声光设备及时通知现场作业人员撤离避险。触发报警后，相关建设责任主体根据规定处理流程完成相关工作，平台将追踪处理进度并记录各环节的整改情况反馈。平台能根据政策或监测要求变动实现预报警阈值的优化管理，支持监测预警指标的升级迭代；借助BIM 模型可视化数据展示窗口直观了解当前高大支模监测情况和监管重点，对管理数据进行汇总统计，支持监测参数异常情况监控，对不合理的数据变化进行辨别和记录；监测平台数据对接广州CIM 平台。通过监测平台建设有利于提高高大模板工程施工中各责任主体的安全意识，督促安全保障措施的落实，提高监管效率和水平。

6.总结与展望

随着广州市建筑行业的蓬勃发展，在建设工程检测监测领域也积累了一些传统管理方法难以解决的问题。党的二十大报告提出“提高城市规划、建设、治理水平”“打造宜居、韧性、智慧城市”，对城市治理提出了更高要求。CIM 平台作为智慧城市基础性和关键性的基础设施，支撑起城市规划、建设、管理、运行等各个环节。本文以广州市CIM 平台为基础，结合工程检测信息化管理和基坑工程、起重机械设备、高大模板工程等重大危险工程监测工作要求，探索结合运用物联网、大数据、人工智能等技术拓展具体应用场景。通过这些场景的应用，一方面强化工程检测和监测行业从业单位的行为规范和风险防范意识，进一步提升工程建设主管部门的监管水平和工作效率，推进从市级到区级、从宏观到局部、从行业到责任主体形成合作联动，对潜在问题提前预判，对既有问题统筹分析处理，为监管部门和建设主体科学决策提供有力依据，另一方面也有利于完善智慧城市基础平台建设，提升城市综合治理的信息化水平。

随着相关应用场景的落地实践，将推动广州市工程检测监测技术的进一步发展，更多结合广州建设工程检测监测特点、监管手段、具有广州特色的技术与行业管理文件的制订和出台管理，进一步规范行业机构和技术人员行为，推动建设工程检测监测行业高质量发展。