基于BIM+5G 环境的智慧工地集成化应用技术

陈阳 王攀 李辉 李建奎 刘春远 张明

（中建八局第一建设有限公司，济南 250100）

引言

随着信息技术的不断发展，建筑行业的信息化程度的不断提高，在政府的支持下，BIM 技术在建设行业得到了广泛的推广和应用，同时，伴随着大数据时代的到来，智慧城市的理念上升到国家战略的高度，智慧城市的建设也得到了不断的推进和发展，在此背景下，在建筑工程领域提出了“智慧工地”模式[1]。

近几年，随着5G 技术的问世与深圳市的5G 独立组网全覆盖，深圳率先进入5G 时代。深圳5G 基站已累计建成超过4.6 万个、密度全国第一，5G 标准必要专利总量全球领先，5G 产业规模、5G 终端出货量全球第一。深圳市抓住5G 率先独立组网的历史机遇，大力实施“5G+”行动，推出更多应用场景和示范工程。而智慧工地的发展，是需要采集到的海量数据能够准确、快速传输、集中加工分析，快速反馈至智能设备做出反应和动作[2]，这恰恰只有5G 才能满足这一信息传输要求，5G 是新阶段智慧工地的命脉[3]。本项目抓住这一机遇，率先将5G 网络引入建筑工地，结合BIM技术，将智慧工地的发展推向新高潮。

1 项目介绍

本项目位于深圳罗湖区布心，为超高层+地下商业，塔楼37 层（高度达180m），商业裙楼4 层，另带3 层地下室，总建筑面积22.2 万㎡。项目地下室结构复杂、异形构件多、尺寸大，北侧与深圳地铁5 号线相连，南侧跨市政道路通过地下通道及连廊与超300 m粤海总部大楼相连，且相邻地块项目地下人防结构均设置在本项目，人防面积大、变化多。全新的建造标准、考验着更高标准的项目管理能力，因此，本项目对数字化、智慧化管理提出了更高的要求。

2 BIM+5G 数字化管理体系

强化顶层设计、整合与共享各类资源[4]，我司建立了基于5G 的公司层级的数字化管控平台和基于BIM的项目层级管理平台。主要包含管理分析端、手机端、大数据展示平台端三端后台，BIM 化、移动化、智能化、集成化、数据化五特性。公司统一质量标准体系及工作流程，对工程全生命周期的各类信息开展分析、重组、融合，以5G 为切入点，利用AI 人工智能[5]、物联网、区块链等技术打造高精度、高效率、高品质标杆工程。

2.1 基于5G 的数据抓取AI 分析平台

利用物联网、人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术[6]，改变传统施工现场管理的交互、工作方式和管理模式，实现对人、机、料、法、环的全方位实时监控，变“被动监督”为“主动监管”。 利用了5G 网络的大宽带、低时延等特性，完善智慧工地、突破固定模式，将人工智能引入项目管理，如图1 所示。

图1 基于5G 的数据抓取AI 分析平台

2.2 基于BIM 的项目数字管控平台

基于5G 环境下，该平台以BIM 模型为载体，以大数据分类集成为主线，以项目管理流程为脉络，运用IoT、BIM、大数据分析、5G、人工智能、图像识别以及虚拟现实等技术[7]，实现了数据立体化、设备精简化、操作简单化、互动协同化、AI 智能化的“五化”全要素、全过程、全方位、全绿色的新型数字建造管控模式[8]，如图2 所示。

图2 基于BIM 的项目数字管控平台

3 BIM+5G 数字化管理应用

根据现场实际情况，从时间、空间的角度，为本项目全生命周期网络覆盖定制了5G 专属方案，在满足各阶段的网络需求、保证网络覆盖效果的同时，使整个施工过程更加安全有序，进而提高劳动生产效率。为此项目搭建了专用5G 基站，实现通信覆盖难点（地下室、超高作业面）的移动网络覆盖，以此满足高清数据传输需求，实现5G 网络最高实际速率954 Mbps，平均速率700 Mbps，支持全部高清广角摄像头的低时延高清数据传输，如图3 所示。

图3 现网站点位置及新增基站点位

全本项目BIM+5G 数字化管理应用主要包括基于BIM 的项目数字管控平台、基于BIM 技术的精细化管理、基于BIM 的装配式安装技术、基于5G 的AI 安全监管系统、基于5G 的AI 现场管理系统、基于5G的AI 移动巡检系统、基于5G 的AI 测量系统、基于5G 的建筑职业健康管理系统，以此辐射到项目各职能部门系统性信息化集成管理中，提升项目智慧化管理能力。

3.1 基于BIM 的项目数字管控平台应用

（1）进度管控BIM 化

将BIM 模型结合分区与现场实际浇筑分块拆解模型如图4 所示，根据计划进度上传数字化分区单元模型平台自动识别模型位置整合，与无人机航拍现场进度进行对比分析，从人、机、料、法、环等多维度剖析导致进度滞后的原因，提出解决方案。

图4 项目模型及模型分区

（2）会议管理BIM 化

根据各类会议特点，借助BIM+无人机倾斜摄影技术，让会议更加直观生动。充分展示BIM 技术的模拟性、可视化等特性，可节约会议时间近35%。截止目前项目已有效组织会议场次260 余次，综合分析初步估算已节约会议成本17 万元。会议问题及时通过数字管控平台发布，通过平台进行跟踪，将会议问题及时闭合率由原来45%提高至100%。

（3）技术复核BIM 化

通过平台查看设计图纸、规范、模型等，复核现场构件参数。BIM 技术与传统技术复核融合，如图5所示，技术复核BIM 化、简单化、可视化、无纸化。重点检查复杂节点、楼板开洞、降板、混凝土强度等情况，发现问题及时通过C8BIM 平台发布问题并关联对应构件，推送至整改责任人。

图5 现场技术复核

3.2 基于BIM 技术的精细化应用

依据设计图纸进行土建、机电、钢结构等专业建模，精度达到LOD400 标准，并随设计修改更新模型，通过公司研发的轻量化BIM 平台（C8BIM），整合各专业模型，发现图纸问题，提前预判，减少因图纸质量问题引起的返工。

采用BIM 技术辅助方案编制，形象展示构件连接等细部构造以及构件空间关系等，使方案更加形象生动，易懂，实现BIM 化管理。

实体样板+BIM 虚拟样板虚实结合助力现场质量管控。严格执行样板引路制度，各分项施工前，现场制作实体样板，设置样板展示区，方便组织工人交底；建立BIM 虚拟样板如图6 所示，丰富交底形式，施工过程以样板标准进行管控。

采用BIM 技术对地下室内支撑闷拆施工方案、地下受限空间预留土方传送出土方案、塔楼超高泵送方案等进行研讨分析如图7 所示，采用参数化BIM 模型对现场操作人员进行可视化交底，提高交底效率，确保方案切实落地应用。

图7 塔楼超高泵送方案

3.3 基于BIM 技术的装配式安装

基于BIM 的装配式安装技术由以下几个步骤。

（1）模块化设计

基于BIM 的模块化装配式安装是以建筑信息模型为基础，科学合理的拆分、组合机电安装单元，采用工业化生产的方式，实现工程现场高效精准的模块化装配式施工。自主研发基于Revit 软件的参数化BIM快速设计系统，形成了装配模块的标准构件库，实现了机电设备和管线装配模块的快速建模。

（2）综合误差补偿体系

实施环节中，针对存在的土建施工误差、预制加工误差、装配施工误差，误差难消除的问题，形成了一套集“控差、减差、消差”的综合误差补偿体系，主要包括误差控制技术、误差缩减技术、递推式施工消差技术等，有效减少误差点，减小误差量，实现精确装配。

（3）数字化加工、装配式施工

由于BIM 数据与加工设备直接、有效地对接难度大，我们研发了数据“提取+转换+导入”方法，通过插件提取数据，进行数据转换，输入加工设备，实现BIM 软件与加工设备的数据互通，较之前通过图纸信息指导生产的方式，预制加工效率提高20%。

项目应用了我司独创高效、精准、模块化装配式施工一体化技术（BIDA 一体化技术）如图8 所示，较传统方式，施工现场人员投入减少50%，装配周期缩短50%，操作工人高空作业减少40%，焊接作业减少90%，声光气污染减少80%；同时，提升施工质量，装配一次成优。

图8 装配式施工

3.4 基于BIM 的虚拟与现实技术应用

（1）BIM+AI 智慧图集技术装配式施工

智慧图集区别于传统图集，触控图集界面任一文字描述或2D 线条或3D 模型，实现任一构件三种级别描述方式同时呼应亮显，把传统施工指导图集升级为人机交互性强、多维效果演示、易掌握理解的智能图集。以人机交互形式促技术知识普及、吸收，通过降低技术理解的难度，促进工程现场施工质量的提升。

（2）AR 增强现实二维码技术

将我司自主研发的“中建八一二维码云计算平台”、“基于BIM 的建筑信息全生命周期管理系统”与AR 增强现实相结合，拓展二维码的运用维度，基于AI 视觉AR 技术，创新提出二维码兼顾承载三维BIM 模型信息应用形式，起到了“一码识别”全过程信息追溯的效果，促进了建筑工程施工现场的快速建造。

3.5 基于5G 的AI 安全管理系统应用

（1）AI 智能分析功能

基于AI 监控视频实现对火焰和烟雾报警、周界防护、临边洞口、未戴安全帽、未穿反光衣、未佩戴口罩、塔吊下方危险区域等要素自动分析识别，如图9 所示。

图9 AI 智能识别分析

（2）自动报警并按需推送、规范处理流程

将不同的报警类别、摄像头编号与产生的报警信息通过APP 消息、短信消息、电话提醒等方式通知到指定人员，按规范流程处置，并可现场通过现场广播提醒、佩戴手环震动、桌面弹窗等方式实时实地提醒。

对现场特种作业人员佩戴智能手环，实时监测人员生命体征（心率、脉搏、体温、血压、血氧等），发现问题，对施工人员震动、蜂鸣预警，并及时通过5G网络回传数据。同时，结合AI 智能识别系统，对发现翻越电子围栏、进入危险区域等情况，智能手环均可实现自动预警，如图10 所示。

图10 各类现场实时反馈机制

（3）报警分析与报表统计

平台按照事件类型、发生地点（摄像头编号及AI分析数据）、时间、处理状态与用时等维度对产生的报警信息上传云系统、进行统计分析[9]，如图11 所示。

图11 AI 报警推送

3.6 基于5G 的AI 现场管理系统应用

通过在工地进行5G 网络规划，选取合理点位，进行5G 网络信号补强及优化，实现公网与工地专网的有效结合，从而达到工地在施工作面5G 网络无死角全覆盖。

（1）实名制智慧管理

通过全局布设的5G+AI 智能摄像头进行组网，集成5G 网络、实名制管理平台，与后端劳务人员信息对接,实现现场使用AI 智能手机或佩戴AI 眼镜识别人员信息（身份资料、所在班组、安全教育、违章记录、行为安全之星得分等），提高实名制管理质量。同时支持人员核查，实现现场人员身份甄别，对外来人员、未登记记录人员、未通过进场安全教育人员等自动核查，将异常情况推送至安全管理人员，如图12 所示。

图12 AI 人员智慧管理

（2）全方位智能考勤

通过全局布设的5G+AI 智能摄像头，点位覆盖整个平面及人员出入口，可精确统计人员进出工地、作业面、休息区频次，无需闸机通道刷卡、人脸识别等，实现作业人员全方位智能考勤；支持人员数量清点，自动抓拍人脸特征，记录人员进出场时间、留存工作记录，提升考勤与薪酬支付精细化管理水平。

（3）计算人员定位

采用5G+AI 摄像模组+蓝牙等定位方式，实现工地危险、敏感或重要区域的人员定位。首先为人员配备位置标签（智能手环），其次在作业面布置AI 摄像模组、蓝牙中继、基站、网关，通过蓝牙5.0 和蓝牙mesh 连接协议，经优化网络和应用处理器形成超低功耗射频前端、射频链路。在2.4GHz 频段基于RSSI 信号场强指示定位原理，形成人员定位信息，通过AI 模组传输至云端。实现工地危险、敏感或重要区域的人员靠近即时定位，实时采集人员信息，实时传输，发生异常及时反馈问题区域，提升事件处理效率。

（4）远程专家协作

通过5G 眼镜实现远程连线专家，实时进行视频、语音交互，实现同步指导，及时解决施工技术难题[10]，如图13 所示。

3.7 基于5G 的AI 移动巡检系统应用

将5G 模组、视频采集模组，光学显示模组集成于AI 移动摄像设备如图14 所示，在已打造的工地全方位5G 网络覆盖区域，实现随工地作业区移动而移动的重点区域便携式监控。

图14 5G+AI 移动巡检设备及平台端

（1）便携监控、灵活部署

工长“现场监管神器”，办公室管理现场，通过搭载移动高清摄像设备，实现全工地范围自由布放、180°实时监控，48h 续航，集成AI 安全监管功能，释放有限精力，提高管理效率。

（2）智能联动、多样推送

发现问题，系统联动，通过5G 无线传输，实现短信推送、广播提醒或对被识别人员进行电话提醒等多样化安全信息预警，实现奖罚有依，管理有序。

3.8 基于5G 的AI 测量系统应用

5G+AI 测量系统由点云数据采集终端（三维激光扫描仪）、AI 云平台、数据管理系统和手机APP 四部分组成，如图15 所示。基于5G 网络技术，可实现超高层建筑、超深地下室结构实测设备的网络信号覆盖及数据上传。每完成一次实测任务，生成的点云数据通过5G 终端实时回传至AI 云平台进行计算分析，云平台基于“虚拟模拟靠尺法”进行数据计算。测量结果即时通过云平台下发给手机APP 和网页后台，经手机和电脑向用户输出实测结果，输出形式包括实测成绩数据库、不合格点分布图和综合实测成绩单。

图15 5G+AI 测量设备

历史数据可永久保存，所有实测信息可追溯、可重复利用。在此基础上可实现对不同区域、不同历史时期项目的实测信息进行智能化对比分析，同时通过实测缺陷的可视化表达，可以帮助项目总结缺陷规律、发现问题，进一步加强质量管控。

（1）可见即可测

扫描仪有效距离均可测量，数据采集点超过100 万，每面墙的模拟靠尺数超过1 万尺；墙面垂直度、平整度、方正度、顶板水平度、开间进深净高等多种指标均可一次性完成实测，如图16 所示。

图16 5G+AI 测量系统平台端

（2）模拟靠尺法

为使测量结果更加具有实施性和具有公信力，每件构件测量方法以公司《工程实体质量实测实量标准》为标准，模拟靠尺测设位置，模拟测量点位，作为测定构件合格率判定标准，如图17 所示。

图17 模拟靠尺法

3.9 基于5G 的建筑职业健康管理系统应用

项目部署了5G 建筑职业健康管理系统，实现现场施工人员的血压、血氧、体温、心率等多项生理参数检测。同时结合人员实名制系统，判别人员健康情况是否符合作业要求，并通过5G 网络与建筑行业大数据平台实时交互，迅速形成医疗级别体检报告，为建筑工人的职业健康保驾护航，如图18 所示。

图18 5G 建筑职业健康管理系统

4 结语

随着5G 与AI 技术的发展，越来越多的企业和项目开始探索5G 智慧工地。本项目通过在公司层级建立企业级数字化管控平台、创新组织模式、统一标准化流程，在项目层级建立基于BIM 的项目数字管控平台和5G 数据抓取AI 分析平台等技术，5G+AI 智慧工地集成化应用的探索与研究获得了相关国际领先技术，制定了5G 智慧工地实施策划及建设标准，实现了工程施工真正意义上的可视化、智能、智慧管理，在项目管理中扮演着前沿角色，也为其他项目5G 智慧工地建设提供了良好的借鉴。