既有建筑改造項目智慧工地系統架構研究

應宇墾，葉旭峰，陳琳，張嘉玲，趙昕

（1 上海慧之建建設顧問有限公司，上海 200090； 2 上海申通地鐵資產經營管理有限公司，上海 200092； 3 同濟大學土木工程學院，上海 200092）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市軌道交通系統在解決城市中心區交通問題中發揮著不可替代的作用。同時由于城市更新、軌道交通車站升級以及商業運營的需要，既有車站改擴建工程項目的需求也日益突顯。 因此，既要保證地鐵車站能夠正常運轉，不影響市民的日常出行，同時又要安全高效環保地完成地鐵車站的改擴建施工，這對建設單位的施工管理水平帶來了極大的挑戰。 上海蓮花路地鐵站為上海地鐵1 號線的既有車站，1999 年竣工使用至今，已達20 年之久。此次改擴建為了完成對該地鐵車站的升級改造，同時將車站附屬區域進行再利用，實現車站改造商業一體化，充分發揮地鐵站區域的商業價值。 地鐵區域商業生態如圖1 所示。

圖1 蓮花路地鐵站商業生態

從2018 年開始蓮花路地鐵站進行不停運改擴建， 如圖2 所示。整個項目全程通過應用BIM 技術、 視頻監控技術等數字化技術，有效解決了既有建筑改造項目所面臨的施工管理難題。將BIM技術應用到地鐵車站的建設中，能有效滿足模型創建、碰撞檢查、現場模擬分析等多方面的需求[1]，并且能有效控制施工周期[2]，降低工程造價[3]。

圖2 蓮花路地鐵站不停運改擴建項目

目前我國既有建筑改造項目的技術水平、施工方法和管理措施等都已有很大的提升，但仍然面臨一些困難，主要包括：（1） 既有建筑原結構對場地空間的限制使得改造施工難度較大，改造后建筑環境變差、建筑空間規劃不合理；（2） 施工條件復雜，人員無法控制，建筑周邊狀況復雜，使得施工管理難度較大；（3） 國內對既有建筑的改造主要局限在安全性加固、空間擴展或節約能耗等單一目標，涉及建筑整體綜合性能改造的較少，現有的施工管理技術要實現既有建筑改造后性能的全面提升困難重重[4]。

要解決當前既有建筑改造項目所面臨的困難，從根本上改變傳統的施工管理模式變得尤為重要。由于既有建筑現狀相對新建建筑更為復雜，在改造過程中對項目工期、資源和成本的把控與施工方法和管理要求上更為嚴格[5]。 傳統的施工管理模式在應對安全性、作業環境以及現場管理有更高要求的既有建筑改造項目時，其弊端變得尤為明顯，往往會導致實際施工進度與計劃存在較大差距，造成更多的實際成本投入。 相比之下，結合了BIM 技術、傳感技術、物聯網技術、大數據技術、RFID 以及VR 等新興信息化技術的智慧工地系統則為管理者提供了一個更為高效的信息化、可視化、智能化的施工管理平臺，可以有效地彌補傳統施工管理的不足[6]。

本文針對既有建筑改造項目施工管理，提出智慧工地系統架構，旨在結合BIM 技術、傳感網絡技術、物聯網技術、大數據技術、RFID 和VR 等新興技術方法，運用信息化手段，以滿足施工工地現場的管理需求為目的，搭建智能化管理平臺，實現工程的精準設計和施工模擬。 圍繞建設過程管理，建立互聯互通協同、智能生產、科學管理的建設項目信息生態圈，實現工程建設可視化智能化管理，提高項目管理信息化水平，逐步實現綠色施工、生態施工。

2 我國現階段既有改造項目在施工管理中存在的主要問題

2.1 傳統施工管理

我國傳統施工管理存在的主要問題包括以下幾方面：勞務用工管理混亂，用工情況缺乏精確數據支撐，人員散落各處難以管理，勞資糾紛隱患嚴重；大型設備監管困難，安全使用、監測以及定期檢修等工作存在疏漏，從而導致安全事故頻發；材料清點手段落后，成本虛高，造成大量物資浪費；施工工地危險區域繁多，監控教育和預防手段落后；項目參與方眾多，信息共享不及時，信息不對稱或斷層，走了大量施工彎路[7-8]。

2.2 既有建筑改造項目施工管理

既有建筑改造項目對安全性、作業環境以及現場管理的要求更高，使得其施工管理難度更大。 由于需要維持建筑的正常運營使用，既有建筑改造項目的安全監測和防護相比傳統施工管理的要求更高，作業環境污染限制更加嚴苛。 同時，由于既有建筑的存在造成堆場使用空間局限，場布管理十分困難。 以上情況都表明，我國現階段既有改造項目在施工管理中存在的問題以及面臨的困難十分顯著， 若要全面解決目前管理模式中存在的各種問題，需要引入一套全新的施工管理模式。 因此，智慧工地系統應運而生。

3 智慧工地系統的目標分析

智慧工地取自智慧建設概念，是指借助BIM 技術、傳感網絡技術、物聯網技術、大數據技術、RFID 和VR 等技術手段[9]，發揮互聯網、物聯網和傳感網等網絡組織作用，形成的基于多維信息、數據挖掘及動態決策的工地形態與智慧環境[10]。 針對既有建筑改造項目在施工管理中存在的問題，智慧工地系統的建立將主要實現以下幾點功能目標：

（1） 可查看：視頻管理、視頻畫面遠程調用和數據圖表綜合分析，全天候、多方位的施工現場實時監控，視頻畫面智能處理，視頻匯總集中，數據處理和存儲，實現對施工現場的可視化管理和智能分析，防止施工事故的發生；

（2） 可查找：地理信息系統管理，站點地理信息的標記和顯示，實現智能查詢和監督，根據轄區內站點的超標程度（嚴重超標、預警、正常）進行各種提示，加強站點位置，方便重點監管；

（3） 可預警：環境監測，對揚塵、噪聲、溫濕度進行詳細監測，自動匹配國家標準，超標報警，加強現場超標整改，緩解環境污染，促進環境保護和可持續發展；

（4） 可管控：實時預警執法，采集現場預警，自動分析呈現，再進行針對性監管；對現場設備、安全、人員等因素進行安全預警，自動識別風險因素，啟動預警機制，推進一鍵在線執法監管，降低現場安全風險，強化現場安保；

（5） 可溝通：政企互動，搭建信息交流平臺，加強民生、政企多向溝通，實現信息互通，豐富政府信息監管，豐富農民工信息查詢；

（6） 可調度：應急指揮服務，建立快速響應機制，最大限度減少突發事件的影響；

（7） 可錄入：將數據存儲和文件數據流記錄歸檔到云平臺，方便用戶隨時查詢和調用，提高工作效率。

4 智慧工地系統的架構研究

智慧工地系統框架主要包括兩大類： 協調管理和工程管理。在此基礎上又進一步細分出多個子系統。 整體架構圖如圖3 所示。

圖3 智慧工地系統架構

4.1 協調管理

4.1.1 勞務管理

人員實行勞務實名制，所有勞務人員詳細信息等相關數據與勞務管理平臺對接，全程記錄勞務人員的生產作業信息。 通過手機或其他智能穿戴設備等實現位置打卡，記錄上工狀態、作業時長等，并實時管理作業人員所處的位置，有效合理分配不同作業區域勞務人員數量，最大化提高勞務用工效率。

4.1.2 階段和資料管理

根據工程施工階段（工程設計、土方施工、地下結構施工、主體結構施工、裝飾施工）和文件類型（文件、圖片、圖紙、BIM 模型、音視頻）劃分資料，并對項目各參與方賦予不同的訪問權限。 用戶可以根據自身權限對不同項目資料進行查詢或修改。 通過建立云平臺， 可以實現用戶遠程實時通過網頁或手機APP 查看項目資料、交付接收音視頻和BIM 模型等應用成果、上傳和接收變更記錄、任務集成發布以及項目驗收等。

4.1.3 會議管理

會議任務安排貫穿項目全階段，會議數量多、不定時的特點使得會務工作的管理變得繁雜。 通過在系統平臺中添加單獨的會議管理子系統，可以實現從會議室預定、會議室使用、會議通知，再到會議日歷、會議紀要等會議資料的記錄和管理等全方位的會議管理，從而提高項目施工過程中各方協調溝通的效率。

4.2 工程管理

4.2.1 現場管理

對于既有建筑改造項目，由于施工現場場地條件復雜，使得現場管理和作業難度極大。 因此智慧工地系統結合BIM 技術，創建施工場地三維模型， 在此基礎上實現場地布局空間的合理規劃，設備設施、大型機械合理布置，保證施工作業井然有序。 除了現場地空間的管理，現場設備設施物料的管理則要更加繁雜。 對于施工現場的設備設施管理，在預先創建的BIM 模型中就已包含相應設備設施的通用基礎信息，包括設備設施的生產廠商、規格參數、二維碼標識等。 系統全程詳細記錄各設備的管理人、操作記錄、維修檔案等信息，實時監測作業設備的運行狀態、進場時間、運行時間，并通過GPS 定位設備所在位置。 對于施工現場的物料管理，系統記錄物料的規格型號和供應商。 生成材料計劃單后，供應商發貨自動生成發貨單，通過智能門禁系統記錄物料進場時間和車牌，地磅記錄物料數量。 收料員根據系統記錄的物料進場數據和現場驗收，對物料審核拍照，自動生成物料驗收單。

4.2.2 進度管理

智慧工地系統通過BIM 輔助進度管控，將項目整體進度計劃進行分解，并通過系統平臺上傳任務計劃，將任務分配給相關責任人。 責任人對任務進度實時更新，同時提交進度照片和音視頻。將最新的進度信息加載到整體BIM 模型中，并根據不同進度狀態分類顯示。 各參與方可實時查看項目各區域進度及現場照片。

4.2.3 質量管理

施工現場管理人員可利用手機APP 進行質量檢查，通過二維碼獲取構件信息，同時，在巡場過程中如發現質量問題可立即拍照填表，上傳至系統平臺并及時將問題反饋到責任人。 現場質量問題上傳到平臺后將自動生成整改通知單， 下發至相應的負責人，相應的負責人需要到現場進行確認。 在整改完成后，同樣需要現場拍照并回復，確認后系統自動將相關資料進行歸檔。

4.2.4 安全管理

安全管理作為工程管理的重中之重， 主要包含三個方面：安全監測預警、安全體驗培訓、環境管理。 在安全監測預警方面，通過將不同的安全監測預警子系統統一整合到一個平臺中，并利用物聯網進行實時傳感數據采集和傳輸，實現全方位、無死角的現場安全監測預警。 在安全體驗培訓方面， 結合BIM 三維模型和VR 技術，開展安全教育培訓和不同危險場景沉浸體驗，讓工人在虛擬場景中進行隱患辨識、排查以及應急處置的學習。 基于網絡可實現多人協同模擬應急演練。 在環境管理方面，則通過檢測設備實時監測工地環境數據，包括PM2.5、PM10、溫度濕度、風力風向、噪音等。 根據檢測數據發出預警信號，自動啟動揚塵抑制系統。 此外，系統還可實時跟蹤工地生產和生活區的水、電使用情況，并可實現能耗定額，能耗預警。 能源消耗可按面積、分項統計，并進行優化能源管理，實現節能減排的目標。

4.2.5 施工方案管理

在BIM 模型的基礎上，增加施工方法、施工工藝、施工順序等信息，直觀模擬施工過程，充分利用BIM 模型對方案進行分析和優化，提高方案審核的準確性，實現平臺施工方案的可視化公開。通過BIM 對結構、建筑、機電、設備等模型進行集成，對各專業的碰撞點進行分析和優化，解決項目前期管線碰撞問題，避免臨時設計變更和返工。

5 結語

本文基于既有建筑改造項目在傳統施工管理模式中的痛點，提出了結合BIM 技術、傳感網絡技術、物聯網技術、大數據技術、RFID 和VR 等信息化技術所搭建的智慧工地系統，梳理了該系統的具體組織架構，詳細闡述了智慧工地系統各個子系統在施工管理各方面中的具體應用措施和方案。 通過智慧工地系統的構建，能夠有效地解決既有建筑改造項目在施工管理中面臨的困難，并真正實現工地施工現場的智能化管理、 信息化管理和可視化管理。 目前，該系統框架體系在具體實施應用上還有許多內容需要協調完善，但在如今飛速發展的信息化、智能化的時代背景下，智慧工地系統在未來施工管理中的廣泛應用指日可待。