數(shù)字化施工與管理的展望

蘇道宏

摘要：隨著信息技術(shù)、全球定位技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和設(shè)備以及工程進(jìn)行的快速發(fā)展，數(shù)字化施工和管理在全球迅速興起，我國(guó)也已加入這個(gè)興起的行列。本文對(duì)數(shù)字化施工和管理中所需的軟硬件條件、功能和控制方式進(jìn)行了闡述，并總結(jié)了數(shù)字化施工的的特點(diǎn)，最后論述了我國(guó)數(shù)字化施工的發(fā)展歷程及工程應(yīng)用和對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)的展望。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化施工；GPS；機(jī)械控制技術(shù)；工程機(jī)械

一、概述

什么是數(shù)字化施工？就是將施工過程數(shù)字化，它包括工程全部施工資料的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的過程。其核心思想是用數(shù)字化手段整體性地解決工程施工問題并最大限度地利用信息資源。

數(shù)字化施工就是在整個(gè)施工過程中充分信息化，并讓其貫穿整個(gè)施工過程。既通過空間數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的3D數(shù)字化轉(zhuǎn)換、數(shù)字化機(jī)械施工、數(shù)字化工程進(jìn)度管理、數(shù)字化檢查（監(jiān)理）和工程后期應(yīng)用。

二、現(xiàn)行數(shù)字化施工中應(yīng)用的軟件和硬件條件

目前，國(guó)際上3S技術(shù)（Remote Sensing、Geographical Information System和Global Position System，既RS、GIS和GPS）已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，并且在世界各地也建立了本地的地理信息系統(tǒng)，我國(guó)還積極正在建設(shè)智能化城市，這些都為數(shù)字化施工提供了強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)平臺(tái)。

在建設(shè)工程項(xiàng)目中為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化施工所需的軟件、硬件條件也已經(jīng)具備。在數(shù)字化施工所需的軟件、硬件制造商中：美國(guó)天寶導(dǎo)航有限公司（簡(jiǎn)稱天寶公司）是目前國(guó)際上數(shù)字化施工產(chǎn)品的領(lǐng)頭羊，技術(shù)能力涉及全面，處于領(lǐng)先地位。北京麥格天寶科技發(fā)展集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱麥格集團(tuán)）是中國(guó)最大的、擁有世界上最先進(jìn)位置信息技術(shù)的集團(tuán)公司。卡特彼勒是建筑工程機(jī)械、采礦設(shè)備、柴油和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)以及柴電混合動(dòng)力機(jī)組領(lǐng)域的全球領(lǐng)先企業(yè)。

軟件產(chǎn)品主要有：

工程數(shù)據(jù)軟件產(chǎn)品（TBC-HCE）：可以把傳統(tǒng)的施工圖紙變成三維設(shè)計(jì)模型，直接與機(jī)械控制產(chǎn)品聯(lián)合作業(yè)，貫穿工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、驗(yàn)收整個(gè)過程。如SCS700 Site Controller適合于貫穿整個(gè)施工過程的工地測(cè)量任務(wù)；SCS900 Site Controller是為大型道路、土石方施工的承包商研發(fā)的用來控制GPS和全站儀等測(cè)量傳感器的軟件，通過他用戶能夠進(jìn)行工地控制、工地測(cè)量、坡度檢查以及放樣工作；SCS Data Manager是為工地定位系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)管理器。為與第三方軟件結(jié)合使用而設(shè)計(jì)的能夠同時(shí)組織、管理以及跟蹤一個(gè)項(xiàng)目里多個(gè)工地、多個(gè)測(cè)量隊(duì)的軟件；Trimble Business Center用于隨時(shí)高效地管理在同一個(gè)工地施工的不同施工隊(duì)的數(shù)據(jù)。借助它，承包商可以導(dǎo)入、復(fù)查和分析圖形化的設(shè)計(jì)信息，并在整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行期間，都能輕松地分配、管理以及跟蹤施工信息；Terramodel是一款成熟的三維設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理軟件；HYDROpro是一款專為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換所開發(fā)的軟件。

土方機(jī)械控制產(chǎn)品（GCS）和路面機(jī)械控制產(chǎn)品（PCS+GCS）：基于機(jī)械控制技術(shù)，該技術(shù)集合了激光、聲納、角度傳感器、GNSS、全站儀等測(cè)控技術(shù)，與工程機(jī)械完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化施工。如Site Vision Office是機(jī)械控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理工具軟件。這款軟件是專門為工地?cái)?shù)據(jù)管理員設(shè)計(jì)的，管理員用軟件將拿到的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分成小部分，存儲(chǔ)到不同的數(shù)據(jù)卡里并分派給各個(gè)施工隊(duì)，施工人員將數(shù)據(jù)卡放入機(jī)械駕駛室里的控制箱，并實(shí)時(shí)根據(jù)控制箱屏幕上顯示的數(shù)據(jù)施工。

硬件產(chǎn)品主要有：

工地定位產(chǎn)品：該產(chǎn)品是GPS或全站儀定位傳感器硬件，結(jié)合專門為數(shù)字化施工應(yīng)用開發(fā)的Trimble SCS900工地管理員軟件。從而不需要測(cè)量員，便能使施工單位靈活地完成任何任務(wù)并通過快速解決現(xiàn)場(chǎng)問題來減少停工時(shí)間。如SPS系列接收機(jī)是全面支持GPS、GLONASS、Galileo、Compass、QZSS，5種衛(wèi)星信號(hào)的GNSS系統(tǒng)，支持OmniSTAR、SBAS的一體化接收機(jī)，可以作為高度靈活的基站或流動(dòng)站，用于施工工地測(cè)量；SPS930全站儀是一臺(tái)儀器實(shí)現(xiàn)伺服、自動(dòng)鎖定、機(jī)器人、無反射器和ATS坡度控制五種操作模式，能夠在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)輕松應(yīng)對(duì)任何監(jiān)視、測(cè)量、無反射 器測(cè)量或坡度控制任務(wù)的五為一體全能設(shè)備，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)定位、坡度控制等所有需求。

施工機(jī)械設(shè)備：各種工程機(jī)械通過機(jī)械控制技術(shù)，既激光、聲納、角度傳感器、GNSS、全站儀等測(cè)控技術(shù)和Trimble SCS900工地管理員軟件。只要將3D數(shù)字模型直接安裝在施工機(jī)械上而無需操作人員的干預(yù)，就可以對(duì)各種工程機(jī)械進(jìn)行精確定位和實(shí)現(xiàn)各種作業(yè)功能，使其具有智能化施工的能力。

其中土方機(jī)械控制產(chǎn)品功能包括：挖掘機(jī)挖掘作業(yè)中的邊坡修整、溝渠開挖、復(fù)雜造型，推土機(jī)土地平整中的層厚控制、高程控制、坡度控制，壓路機(jī)壓實(shí)控制中的遍數(shù)監(jiān)測(cè)、層厚監(jiān)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)，平地機(jī)精細(xì)平整中的層厚控制、高程控制、坡度控制。路面機(jī)械控制產(chǎn)品的功能包括：攤鋪機(jī)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中的層厚控制、坡度控制，銑刨機(jī)銑刨作業(yè)中的層厚控制、坡度控制，壓路機(jī)壓實(shí)控制中的遍數(shù)監(jiān)測(cè)、料溫監(jiān)測(cè)、壓實(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

三、數(shù)字化施工的特點(diǎn)

1.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)3D化：可將2D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D模型，并把3D數(shù)字模型直接安裝在施工機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)了無紙化、無樁化施工。

2.施工過程可視化：可以通過信息采集設(shè)備實(shí)時(shí)的知道壓縮層到底是誰(shuí)做的，情況怎樣，還可以顯示施工報(bào)告實(shí)時(shí)掌控施工的過程，把數(shù)字化模型放到機(jī)械控制中，可以確保在第一次施工中就可達(dá)到要求，進(jìn)而掌控整個(gè)施工過程的施工質(zhì)量。

3.施工機(jī)械設(shè)備智能化：工程機(jī)械通過數(shù)字化施工的技術(shù)，能夠讀懂圖紙，圖紙直接告訴工程機(jī)械怎么操作，操作手只是在旁邊起一個(gè)輔助的作用，以減少人的控制和誤差。

4.施工進(jìn)度控制可調(diào)：建立動(dòng)態(tài)的工程進(jìn)度數(shù)字化模型，為施工進(jìn)度提供數(shù)字化依據(jù)，遇設(shè)計(jì)變更、自然災(zāi)害時(shí)可隨時(shí)更改，使工作人員很直觀地了解工程進(jìn)度。

5.施工檢查（監(jiān)理）全盤化：通過工地管理軟件了解實(shí)時(shí)的工程進(jìn)度、對(duì)工地進(jìn)行實(shí)時(shí)的質(zhì)量控制、合理調(diào)配現(xiàn)場(chǎng)人員和設(shè)備。并能建立和檢查工程測(cè)量控制點(diǎn)，以及工地坐標(biāo)系統(tǒng)的校準(zhǔn)；工程最初的測(cè)量，檢查原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，提供更精確的工程預(yù)算；土方施工，基礎(chǔ)建設(shè)，道路施工等等工程的放樣打樁工作；填挖方的施工決策；產(chǎn)生每天、每周、每月的工地土方量報(bào)告，方便進(jìn)行工程進(jìn)度管理；原材料的采購(gòu)存貯參考和挖掘量計(jì)算。

6.工程后期監(jiān)測(cè)連續(xù)化：全部施工數(shù)據(jù)的電子文檔保存，便于今后調(diào)用和維護(hù)使用。通過建立GPS基站網(wǎng)絡(luò)，在一些具有特殊意義的構(gòu)（建）物上架設(shè)GPS接收機(jī)進(jìn)行變形、沉降觀測(cè)；局部氣象預(yù)報(bào)；管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理-GIS應(yīng)用；車輛調(diào)度等。

7.全球性和全天候：使用GPS定位技術(shù)，通過美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo和中國(guó)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在全球進(jìn)行24小時(shí)定位施工，不受天氣、地形等因素的影響，無累積誤差，測(cè)站間無須通視，從而提高整體精度、可靠性和作業(yè)效率。

8.施工費(fèi)用低：由于無須打樁放樣，無須進(jìn)行人工測(cè)量，可以大大的減少工程等待的時(shí)間，提高機(jī)械使用的效率，減少重復(fù)推平，降低油耗，節(jié)約物料等。

9.施工效率高：可以一次施工合格，避免返工，從而縮短工期，并且可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷的施工。

10.施工過程安全：因?yàn)榭梢詫?shí)時(shí)的監(jiān)控施工的現(xiàn)場(chǎng)，知道人員、設(shè)備、機(jī)器的位置，可以實(shí)現(xiàn)施工的安全。同時(shí)因?yàn)闇p少了人機(jī)混合作業(yè)的時(shí)間，避免了事故的發(fā)生。

四、數(shù)字化施工的未來展望

早在1998年，美國(guó)天寶導(dǎo)航有限公司在中國(guó)正式成立辦事處。2002年11月，天寶在中國(guó)上海成立了其獨(dú)資子公司----特林波系統(tǒng)集成技術(shù)（上海）有限公司。2005年在上海設(shè)立了亞太區(qū)的培訓(xùn)支持服務(wù)中心，并且在上海、長(zhǎng)春建立了工廠。2011年天寶在西安設(shè)立研發(fā)中心，以加快在中國(guó)的本地化進(jìn)程。

天寶公司與全球最大工程機(jī)械生產(chǎn)廠商卡特彼勒的合作共同研發(fā)了數(shù)字化施工，也希望與中國(guó)工程機(jī)械制造企業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備配合在一起。天寶公司與卡特彼勒已經(jīng)成立了兩家合資公司，通過合資公司整合兩家公司在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)方面的專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)數(shù)字化施工相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

以往傳統(tǒng)的工程施工方式是操作人員看圖紙根據(jù)自己的操作水平去使用工程機(jī)械來達(dá)到工程的效果，而未來可以轉(zhuǎn)換成工程機(jī)械能夠讀得懂的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會(huì)控制機(jī)械操作，減少人的控制和誤差。

隨著數(shù)字化產(chǎn)品的本地化生產(chǎn)，加速了數(shù)字化施工發(fā)展的進(jìn)程。目前我國(guó)也有許多大型建設(shè)施工企業(yè)在一些建設(shè)項(xiàng)目上應(yīng)用數(shù)字化施工和管理，不但加快了工程進(jìn)度、提高了工程質(zhì)量和降低了建設(shè)成本，并且積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)。例如2004年至2007年天寶公司參與杭州灣跨海大橋的建設(shè)，建筑施工單位在建設(shè)過程中運(yùn)用了天寶公司的施工測(cè)繪系統(tǒng)，大幅度的提高了工作效率，進(jìn)一步的優(yōu)化了工作流程和降低成本。2009年至2014年蘭新鐵路在數(shù)字化施工方面運(yùn)用了天寶公司的智能壓實(shí)技術(shù)，以及最大限度地運(yùn)用各種最先進(jìn)地工具進(jìn)行一體化測(cè)量、數(shù)據(jù)管理、工程機(jī)械施工和資產(chǎn)管理。通過這些前瞻性的技術(shù)和先進(jìn)的解決方案使工作流程和整個(gè)工程建設(shè)周期得到完整的數(shù)字化體現(xiàn)，效率和安全性也隨之大大提高。鳥巢、中央電視臺(tái)大樓和上海世博會(huì)中國(guó)場(chǎng)館都運(yùn)用了數(shù)字化施工來進(jìn)行技術(shù)信息的分析；這使工程施工全面掌控自己的施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，從而有效的提高了工作效率與安全性。

數(shù)字化施工在我國(guó)建設(shè)施工行業(yè)雖然起步較晚，在其他行業(yè)（如機(jī)械加工、電子和管理等方面）早已滲入和運(yùn)用，但隨著它快速發(fā)展還是可以帶動(dòng)一系列行業(yè)的發(fā)展，如工程設(shè)計(jì)、工程造價(jià)和工程管理等都可以通過數(shù)字化施工整合到一起，形成一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。并且還可以推動(dòng)其他行業(yè)的發(fā)展提升，如機(jī)械制造業(yè)、測(cè)繪儀器制造業(yè)、電子電器業(yè)和軟件業(yè)，使其產(chǎn)品與數(shù)字化施工配合，形成共同發(fā)展，共同提升，以全面形成數(shù)字化社會(huì)格局。

參考文獻(xiàn)：

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[2]數(shù)字化施工-工程機(jī)械應(yīng)用技術(shù)的未來，2012-10-31，柯銳思，陳朝暉