以綠色施工評價為導向的信息化綠色施工管控平臺研究與框架設計

次曉樂1, 王 靜 董建峰 劉 辰

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083； 2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

引言

近年來，智慧工地的概念在工程施工領域已經發(fā)展得較為成熟，BIM技術在項目中應用得較為普遍，大家也都對BIM普遍接受，在施工項目中將BIM技術與其他技術如移動互聯網、物聯網、三維激光掃描、虛擬現實、云計算等技術相結合，非常新穎。然而，技術只是一種工具，而非最終目的。我們使用BIM技術，不應以應用了一項技術作為目的，也不應以技術能夠實現的功能作為應用導向。我們更應該理性地看待技術的應用，了解項目自身的需求點，然后再將不同的技術相組合，以解決工程項目遇到的實際問題。舉例來說，近年來隨著整個社會對于環(huán)境保護的逐步重視，各地政府也對傳統(tǒng)意義上產生大量污染的建筑工程項目提出了環(huán)保要求，而也有很多建筑企業(yè)對負責建造的建筑工程項目提出了本公司層級的綠色施工要求。那么，在工程項目中，如何按照現場綠色施工的需求來整合相應的技術，具有研究意義。在“十三五”國家“基于BIM的信息化綠色施工技術研究與示范”課題中，專門進行了綠色施工管控平臺的研究。在施工階段，綠色施工評價對綠色施工具有指引和反饋作用，考慮到施工過程中的管理需求，研發(fā)一個以綠色施工評價為導向的施工監(jiān)管平臺顯得非常有必要。在平臺中，需要進行綠色施工控制的指標可通過某些技術來采集和優(yōu)化，最后可以對綠色施工情況作出評價。

BIM、VR、AR等新技術已經在施工過程中得到了一定應用。將RFID(無線射頻識別技術)與BIM技術結合，可集成應用于施工現場安全監(jiān)控[1]，有利于提高現場安全管理水平。BIM技術在綠色施工過程中可發(fā)揮極大作用，能切實體現在“四節(jié)一環(huán)保”上[2]。BIM技術與物聯網相結合可應用于地下工程施工，有效地保障了施工安全[3]。三維激光掃描技術應用得也很普遍，如進行地形測繪生產地圖[4]。“BIM+VR”技術在建筑工程中也實現了創(chuàng)新應用[5]。劉輝[6]等人以寧波中興大橋為例，講述了BIM技術結合傾斜攝影、虛擬現實等技術在大型橋梁建設中的集成應用，效果顯著。張云翼[7]等人從理論和應用上分別對BIM與有關技術如云計算、大數據、物聯網等集成應用進行了綜述。新技術的發(fā)展是有目共睹的，但技術僅僅是分散的技術，我們也應該進一步探索以具體需求為導向，將各項新技術整合到一個系統(tǒng)或平臺，來實現綠色施工及評價的方法。國內研究人員對綠色施工及其評價體系的建立也進行了深入淺出的研究。徐鵬鵬[8]從環(huán)境、能源及現場綜合管理三方面建立評價體系框架，應用灰色聚類評估法作綠色施工評價。閻文[9]從施工全過程的角度出發(fā)，采用層次分析法確定了指標和因素的權重。程三宏[10]從評估組織、經濟、技術三方面探討了如何建立綠色施工評價體系。閆志剛[11]等人通過辨識施工中的污染源，提出了基于我國國情的評價標準與體系。

基于以上現狀和研究，本文提出建立以綠色施工評價需求為導向的信息化綠色施工管控平臺，結合國家《建筑工程綠色施工評價標準》及其評價表格，同時兼顧當地經濟水平、發(fā)展現狀，并借助研究中建立的評價體系，設定各評價指標與權重，來進行平臺的開發(fā)研究與框架設計，以期在該平臺實現綠色施工智慧管理、控制與智能評價。

1 總體設計功能框架

本信息化綠色施工管控平臺以綠色施工評價為導向，根據國家《建筑工程綠色施工評價標準》，建筑工程綠色施工應根據環(huán)境保護、節(jié)材與材料資源利用、節(jié)水與水資源利用、節(jié)能與能源利用和節(jié)地與土地資源保護五個要素進行評價[12-13]。

結合綠色施工評價匯總表的內容，通過智慧工地自動采集系統(tǒng)采集現場數據，再分析數據，為平臺設定預警值，指標一旦超過預警值則要作出反應，以此實現綠色施工的智能管理，并可導出各種分析報表，再加上設定的其他指標，對綠色施工情況作出評價。

總體框架圖可如圖1所示。

系統(tǒng)能夠按照“綠色施工策劃——數據采集——分析預警——數據展示”的邏輯開發(fā)針對性功能，給項目服務的同時也要考慮企業(yè)的應用。

圖1 系統(tǒng)總體功能框架概念圖

(1)數據采集支持BIM模型數據提取、硬件自動采集和人工在系統(tǒng)錄入兩種方式。自動采集設備應包括水表、電表、燃氣表、環(huán)境監(jiān)測設備，人員安全、塔吊等監(jiān)測視情況而定。提取或采集的數據應為定量數據，便于平臺根據綠色施工評價標準作出評價。人文關懷如健康關懷、文化關懷、環(huán)境關懷等措施的實行則需要人工錄入系統(tǒng)，類似的無法定量的定性指標也應根據其特點在系統(tǒng)中根據評價標準設定具體評價值進行相應評價。

(2)分析預警。主要通過與目標值進行對比實現，可通過APP設置與設備聯動。

(3)數據展示。系統(tǒng)需要有報表及宏觀的展示方式，通過BIM實現數據的集成動態(tài)可視化展示，例如水表的位置、報警數據的關聯管線、綠色施工監(jiān)管對象的整體展示等等。

概念圖如圖1所示。現場綠色施工監(jiān)控信息化管理宜采用集成管控模式，通過一個綠色施工管理平臺對各綠色施工專項監(jiān)控進行協(xié)同管理，統(tǒng)一對所有綠色施工監(jiān)管信息進行歸集、監(jiān)控、分析與評價預警，最終通過平臺，自動對綠色施工的情況作出評價打分。綠色施工信息化監(jiān)控專項系統(tǒng)監(jiān)控內容包括環(huán)境保護、節(jié)材與材料資源利用、節(jié)水與水資源利用、節(jié)能與能源利用、節(jié)地與施工用地保護、質量安全、人文關懷及健康、工程現場等，各監(jiān)控子系統(tǒng)將采集到的各種數據通過地理信息系統(tǒng)(GIS)、建筑信息模型(BIM)、物聯網等手段進行集成、評價、再做出監(jiān)控和預警[14]，將數據展示在PC端、APP、大屏幕以及觸摸屏，項目管理人員可實時監(jiān)控，并相應作出處理。

2 具體功能模塊介紹

國家《建筑工程綠色施工評價標準》要求從“四節(jié)一環(huán)保”五個方面作評價，因此平臺將建立節(jié)材、節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地及環(huán)境保護五大模塊，使用各項新技術達到“綠色”要求。通過BIM技術建立的模型，可攜帶工程所需的多種信息，全面且具體，而綠色施工評價與這些信息密切相關； 除此之外BIM技術還具有三維可視化、模擬優(yōu)化等的優(yōu)點，正可以切實地實現資源節(jié)約效果，因此BIM技術與綠色施工評價可以完美結合[15]。

綠色施工評價標準中規(guī)定的各項工作，我們需要根據某個既定的體系制定各項要素指標評分表，研究評分細則，劃分等級結果，對現場情況打分，填表上傳至各子系統(tǒng)，在平臺設定計算程序，可直接計算出得分，定量地為綠色施工做評價。具體的如水資源利用中可設定評分細則：施工現場要設定循環(huán)用水裝置，分為優(yōu)(2分)、良(1分)、差(0分)三個等級，管理人員需切實按現場情況填表上傳至節(jié)水與水資源利用系統(tǒng)[9]； 而某些可采集、可量化的指標如設定夜間噪聲不得高于55dB[16]，若超標，系統(tǒng)可報警，并直接判定此項為0分，相反若始終低于最高限值一定比例(設定為Y，管理人員自定)，則可按比例獲得加分，具體計算法則可按當地或本企業(yè)指標自己設定，如表1所示。當然，平臺的主要任務不僅僅是做評價，更是為了在施工過程中就達到資源匹配最優(yōu)的目的，采用各種技術，改善環(huán)境，真正做到綠色施工。

表1 施工噪音限制及評價

噪音時段晝間夜間評分結果噪音限制值70dB55dB-現場采集結果XX<70(1-Y)X<55(1-Y)2(優(yōu))70(1-Y)≤X≤7055(1-Y)≤X≤551(良)X>70X>550(差)并自動作出預警

2.1 環(huán)境保護

根據《建筑工程綠色施工評價標準》中關于環(huán)境保護指標的評價標準，將施工現場布置情況、人員健康、揚塵、光、噪音、廢氣等現場信息通過不同方式采集至該信息化綠色施工管控平臺，經過分析作出相應處理。具體如下：

(1)平臺自動采集施工場地的溫度、濕度、風力風速、揚塵、PM2.5、PM10、噪音等數據，在BIM模型中顯示監(jiān)測設備的位置； 對環(huán)境衛(wèi)生情況(包括建筑垃圾、有毒有害廢物、廁所等衛(wèi)生設施之類)的檢查照片，通過APP上傳。

網絡時代高校圖書館如何滿足廣大師生對信息的需求，在信息時代立于不敗之地，已經成為圖書館建設的重中之重，而流通部是圖書館的對外窗口，是圖書館和師生讀者之間的橋梁和紐帶，是圖書館整體形象的體現，因此做好流通部服務工作，提高服務質量，滿足讀者在新形勢下對圖書館工作的信息化需求，是當前圖書館發(fā)展趨勢。

圖2 平臺揚塵監(jiān)測

(2)在空氣污染情況超過國家標準時，自動報警提示。相關人員可以通過平臺的移動端或PC端啟動現場的霧化噴淋設備，降低施工塵土污染，可遠程監(jiān)控； 在噪聲超過標準時，自動報警。

系統(tǒng)自動統(tǒng)計全區(qū)域施工現場綜合環(huán)境指標，并形成全區(qū)域每日環(huán)境指標分布示意圖，設定預警值，一旦超過，立即作出反應(如圖3所示)。展示平臺中展示全區(qū)域施工現場綜合環(huán)境指標，綠色代表滿足要求，紅色代表超過要求。預警值類指標的確定及權重可根據當地或本企業(yè)或經研究所采用的評價體系來確定。如圖4、5所示。將環(huán)境保護指標現場實時動態(tài)采集的數據做分析與評價，與表1的內容類似，根據項目標準自動計算得分。

圖3 環(huán)境監(jiān)測實時曲線

圖4 施工現場綜合環(huán)境指標波動

2.2 節(jié)材與材料資源利用

(1)通過物聯網地磅監(jiān)測車輛進場的載貨噸數，將數據上傳至平臺，在BIM模型上顯示材料堆放位置，準確展示現場材料信息。采用無線射頻識別技術(RFID)與BIM集成，能夠幫助材料入庫管理、材料庫存管理和材料使用管理。通過RFID、圖像識別等技術實現構件實時追蹤，在平臺上顯示物料信息，可提高效率，減少材料資源的浪費。

圖5 移動端顯示樣式

(2)施工電梯、塔吊等大型設備各階段安裝狀態(tài)也可上傳至平臺，根據構件編號、構件區(qū)域、構件類型精確定位每一設備，查看其在現場的狀態(tài)，如圖6所示。

(3)基于BIM模型可實現混凝土結構的鋼筋優(yōu)化排布以及二次結構的砌體、其它裝修材料的自動排布，以此來指導施工，亦是材料管理的體現。

(4)材料的選擇、節(jié)約與資源再生利用等子項的評分逐條根據現場情況人工錄入，平臺根據特定評價體系的計算法則計算得分。如材料選擇一項的評價可如表2所示。

圖6 大型設備安裝狀態(tài)展示

表2 材料選擇評分

使用綠色、環(huán)保材料210臨建設施材料可拆遷、回收210采用外加劑等新材料降低水泥用量等210

使用此材料監(jiān)管子系統(tǒng)，自動真實地記錄了材料的進場、在庫以及使用狀態(tài)，實現了施工材料用量的自動化統(tǒng)計，能夠輔助材料采購管理與成本管理，提高現場材料的管理水平，具有一定經濟效益。

2.3 節(jié)水及水資源利用

(2)應用平臺對施工現場用水量進行計算和分析，區(qū)分自來水水表(生產區(qū)、生活區(qū)、施工區(qū))和雨水水表(道路、綠化)。

(3)展示平臺中展示全區(qū)域施工現場綜合用水指標，并與當地綠色施工要求進行對比，綠色代表滿足要求，紅色代表超過要求。可及時發(fā)現水資源利用異常，啟動應急預案，做出處理。平臺能夠進行用水指標的統(tǒng)計，提供報表數據查看、打印功能，可按日或按期查看水表記錄。采用云計算等手段，綜合分析采集的數據，為節(jié)水指標作評價。

圖8 全區(qū)每日電能損耗分布示意圖

2.4 節(jié)能與能源利用

(1)通過工程項目的智慧工地系統(tǒng)采集施工現場用電量數據(可每小時上報一次)、施工現場耗電指標(按每kwh/m2)數據，以及生活區(qū)辦公區(qū)用電量數據(可每小時上報一次)、生活區(qū)辦公區(qū)耗電指標(按人均)數據。

圖7 綠色施工節(jié)能管理傳輸概念

(2)系統(tǒng)自動統(tǒng)計全區(qū)域施工現場綜合耗電指標及生活區(qū)辦公區(qū)耗電指標，并形成全區(qū)每日電能損耗時間分布示意圖。

(3)展示平臺中展示全區(qū)域施工現場綜合耗電指標及生活區(qū)辦公區(qū)耗電指標，并與當地綠色施工要求進行對比，綠色代表滿足要求，紅色代表超過要求。當用電超指標時進行預警提示，并通過手機和PC端提醒現場人員，在場地耗電量超過一定閾值時，報警詢問是否斷電，及時采取有效措施節(jié)約能源。報警方式包括現場聲光自動報警、手動報警等。

(4)平臺可查看實時用電數據和歷史用電數據，提供報表數據查看、打印功能，可按日或按期查看電度記錄，并且可以曲線形式展示測點電力參數的實時數據，或繪制選定時間內的用電參數的數據曲線。

圖9 塔吊安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)

2.5 節(jié)地與土地資源保護

基于BIM模型進行場地布局優(yōu)化、場地內部和周邊道路交通管理和場地綠化等方面的管理，動態(tài)管理施工場地。并支持BIM模型中道路長度及面積、綠化面積、辦公面積、宿舍面積的自動計算。

(1)基于Revit開發(fā)具體場布插件，實現施工場地的三維場地布置、施工現場及周圍的交通流線設計。

(2)基于BIM模型自動統(tǒng)計出現場的交通面積比例、綠化面積比例等，為不同的場地布置方案實時提供綠色施工節(jié)地評價數據，對綠色施工評價標準規(guī)定的硬性場地指標可直接評分，提高綠色施工節(jié)地管理水平。

除“四節(jié)一環(huán)保”五個核心模塊功能[18]之外，平臺還包括勞務實名制管理、施工現場安全質量巡檢系統(tǒng)、特種設備如塔吊、升降機監(jiān)控系統(tǒng)、深基坑監(jiān)測系統(tǒng)以及高支模監(jiān)測子系統(tǒng)，以上各系統(tǒng)組合，構成了一個相對完整的信息化綠色施工管控平臺，可基本實現綠色施工現場的智慧管理。

綜上所述，該信息化綠色施工管控平臺所涵蓋的范圍較其他智慧工地系統(tǒng)更廣、更全面，是多個專項系統(tǒng)的整合。具有兩個創(chuàng)新點：一是與BIM結合，在開發(fā)的場布軟件中建立綠色施工場地布置模型，三維顯示現場道路規(guī)劃、臨建、各材料堆場、構件位置、數據采集設備位置等等。場布軟件與平臺對接，平臺需要的數據可直接提取； 二是結合了綠色施工評價標準，最終可直接通過平臺得出綠色施工得分。

3 結語

該信息化綠色施工管控平臺已基本開發(fā)完成，現在正在做山西行政學院(中共山西省委黨校)綜合教學樓、吉林北山四季越野滑雪場等示范項目的落實實施。由于標準和平臺都具有擴展性，平臺現有的內容僅僅是現在已經掌握的、應用熟練的一部分，所以還需通過實際應用進行不斷完善。在示范項目上應用后可由現場使用者提出相應問題，根據問題再做進一步的研發(fā)。

平臺不同于簡單使用各項新技術的智慧工地系統(tǒng)，而是從綠色施工評價的角度出發(fā)，結合“四節(jié)一環(huán)保”的要求，利用各項新技術實現施工過程中的資源節(jié)約與有效管理，最終目的不僅包括施工的管理與控制，還包括綠色施工的評價得分，內容齊全，應用新技術更廣泛有效。經驗證，平臺能夠對工程項目實施動態(tài)控制和精細化管理，提高綠色施工管理水平和效率，其應用能大大減少綠色施工數據采集的人員成本，最后還可以顯示得分，回過頭來引導施工，具有一定的使用和參考價值。