大型城市智慧工地建設需求和發展趨勢分析

孫博洋，張 猷，沈志鵬，姚 峣，黃阮明，趙晶晶

(1.國網上海市電力公司，上海 200120；2.上海電力大學，上海 200090)

0 引言

全球氣候變化是21世紀人類面臨的重大挑戰。我國是全球最大的碳排放國，應對氣候變化事關國際、國內大局，是推動經濟高質量發展和生態文明建設的重要抓手。目前，我國已經明確提出“碳達峰、碳中和”目標，為我國綠色低碳轉型指明了前進方向，也為全球氣候治理向前邁進注入了新動能[1-2]。

以北上廣為代表的我國大型城市在加快智慧城市建設的同時，也在積極爭取提前實現“雙碳”目標，面對社會各領域大體量、高密度的工程建設，亟需提升工程建設管理水平，助力社會綠色低碳發展。智慧工地是近幾年工程建設領域管理創新的熱門方向，也是智慧城市建設的重要內涵和現實需求，可促進城市建設面向“工業化、信息化、綠色化”發展，智慧工地是實現綠色建造和智慧建造的正確途徑和有效手段。“雙碳”背景下大型城市的工程建設特點、智慧工地管理需求和發展趨勢是本文討論的重點。

1 大型城市發展特點

北京、上海、廣州等大型城市是我國經濟發展快、工程建設體量大、智慧工地系統應用較早的大型城市之一。改革開放40多年以來，北上廣的國民經濟總值(GDP)持續增長，尤其是進入21世紀后經濟增長速度明顯加快。貨物運輸量是經濟活動繁榮程度的重要衡量指標之一，與GDP變化趨勢基本一致[3-5](見圖1～6)。經濟發展和城市建設的特點，決定了工程建設管理的智慧化需求也更加迫切。

圖1 1978—2019年北京市國民生產總值

圖2 1978—2019年北京貨運總量

圖3 1980—2019年上海國民生產總值

圖4 1990—2019年上海貨運總量

圖5 1978—2019年廣州國民生產總值

圖6 1985—2019年廣州貨運總量

上海作為我國的經濟、金融、貿易、航運、科技創新中心，是全國改革開放排頭兵、創新發展先行者。根據國務院批復的上海城市總體規劃，2035年上海將建成“卓越的全球城市”。要嚴守城市安全，建設韌性城市，加大海洋、大氣、水、土壤環境的保護力度，主動應對全球氣候變化，提升城市抵御自然災害能力。通過優化能源結構，降低產業和建筑能耗，引導綠色交通出行，全面降低碳排放。上海市政府在2021年初的“兩會”上提出，將制定全市碳排放達峰行動計劃，著力推動電力、鋼鐵、化工等重點領域和重點用能單位節能降碳，確保在2025年前實現碳排放達峰。低碳脫碳、節能減排也是工程建設領域“雙碳”工作的重要考量。

改革開放40多年來，上海市經濟發展持續增長，2000年之后的增長速度明顯加快，與此同時，貨物運輸量、交通運輸投資也在近二十年出現大幅增長，與經濟發展速度很匹配。按照當前增長趨勢，“十四五”期間，上海等大型城市的經濟發展速度將仍然保持較高水平，城市建設體量、貨物運輸量也將持續保持高位。

上海是全國經濟實力最強、投資拉動最顯著的超大型城市之一，每年重大工程投資額在1 700億元左右。2020年，全市房地產開發投資穩步增長，完成投資4 698.75億元，雖然受疫情影響，但仍然比上年增長11.0%，房地產支撐城市建設的作用比較突出。近兩年，上海城市發展積極規劃布局，臨港新片區、長三角一體化示范區、五大新城及虹橋商務區等重要地區的開發建設，呈現出密度高、工程量大、時間緊等特點，對工程建設安排和智慧工地管理提出更高要求。運用人工智能、物聯網、云計算、大數據等現代信息技術的“智慧工地”管理穩步推進。

從上海市重大工程和熱點地區的大量工程建設安排和全市貨物運輸量、道路車輛容量等數據看，各項工程的密集開工建設，相關材料運輸、渣土轉移等必然存在道路占用和通行不便問題，必須合理規劃工程車輛行車路徑和優化工期安排，實時監測道路流量并及時調整運輸策略，以更加智慧智能的方法來組織管理工程建設。

2 智慧工地總體框架分析

智慧工地的概念來源于智能制造、智慧建筑、BIM技術、智慧城市等概念。國內相關研究起始于2013年，其中有工程項目基于勞務問題，尤其是進城務工人員工資發放問題，提出智慧工地維權管理系統；還有項目建立了工地監管安全管理的視頻遠程監控系統，是智慧工地的先驅嘗試。近年來，隨著BIM技術、物聯網技術、互聯網等技術的發展，智慧工地定義得到不斷延伸，應用領域及涵蓋技術隨之增加[6-7]。

智慧工地管理系統是以建設項目現場為核心，依托BIM、物聯網、互聯網等技術為基礎，集成一系列智能設備的智慧化管理平臺，以實現建設項目現場信息流和物質流的協同管理。智慧工地管理系統利用智能機器人、可穿戴設備等智能設備同工人、傳統機械實施現場生產，通過智能攝像頭、人臉識別、RFID、二維碼、無人機等收集工程現場數據，依靠移動通信、互聯網與基礎平臺實現信息流的實時交互，實現工程現場的安全、質量、進度、成本、勞務等方面的智慧管理與智慧決策。

智慧工地管理系統的總體框架如圖7所示，包含智能感知層、通信網絡層、數據層、應用層、交互層和決策層6大梯次結構，貫穿數據采集、傳輸、分析和應用等方面，依托物聯網、互聯網、超級計算機，建立云端數據管理平臺，形成“端+云+大數據”的管理模式。

圖7 智慧工地管理平臺的總體框架結構

3 智慧工地建設需求和發展趨勢分析

隨著信息化時代的發展，建筑行業也隨著時代的變遷而轉變，建筑施工也在朝著智慧化、精細化的方向發展。隨著“雙碳”戰略的實施和信息化、網絡化技術的廣泛應用，智慧工地的理念也將會順應提倡綠色施工的發展應運而生。智慧工地的應用在項目管理、質量控制及數據分析等方面的成效有明顯提升。同時在施工過程管理中，植入更多的網絡應用、可視化管理、虛擬現實等高科技技術，使施工過程管理更加經濟高效、便捷以及節約各項成本資源，并且形成一個完整的可視化、數據化、人性化的過程控制網，實現施工過程管理人與施工現場無縫整合[8-9]。智慧工地的典型應用場景包括多個方面。

3.1 人員信息管理

通過電子標簽(RFID)、面部、指紋識別和虹膜識別等多種技術，對工程建設全體人員進行實名制管理，可以將工地勞務人員姓名、身份證號、勞動合同書編號、崗位技能證書號登記入冊，并確保人、證、冊、合同、證書相符統一，從而促進工程合法用工。施工現場門禁、人員考勤、會議簽到、工資發放等都是智慧工地人員管理的重要應用。

3.2 工地安全管理

流動人員定位監控、電子圍欄、塔機/升降機、深基坑/高支模等安全管理，是工程建設現場安全管理的重中之重。

本試驗以黃芩、黃芪、杜仲、甘草復合提取物和益生菌（枯草芽孢桿菌）按一定比例制成復合物，通過研究其對育肥豬生長性能和胴體性狀的影響，為益生菌與復方中藥提取物在育肥豬養殖中的推廣應用提供理論依據。

工地現場應用的電子圍欄以預警為主，多采用紅外感知、電子標簽定位識別、視頻捕獲識別等技術，一般采用廣播告知驅離、信息反饋和管理人員現場制止警告等措施，防止無關人員進入施工現場的安全區域內。工地電子圍欄多應用在“四口”(通道口、樓梯口、預留洞口、電梯井口)、“五臨邊”(沒有防護措施的陽臺周邊、屋面周邊、樓梯側邊、框架結構樓層周邊以及基坑周邊)及其他需要重點防護的位置。

塔機、升降機是建設工地最常見的機械器具，由于起重貨物、運送人員和材料、高空作業的特點，這類設備的安全管控顯得尤為重要。借助高度、力矩、回轉、幅度等各類傳感器和風速儀、監視器等設備，采集并監控塔機的幅度、起重量、起重力矩、起升高度、工作速度等關鍵技術指標。采用芯片卡、指紋或面部智能識別技術，規范化管理升降機的施工、維保、機管人員信息，確保專人操作、專人維保。加裝防超載、上下限位、內外門檢測、防墜檢測、樓層呼叫、防沖頂預警等傳感器和模塊，實現升降機的安全可控運行。

基坑支護及地下工程施工過程中，需要監測支護結構及周邊環境的安全信息包括：支護結構變形、地下管線變化、周邊建筑物及地表變化，并就其變化情況進行及時綜合分析。支模體系越來越高大、復雜，安全風險也越來越高，高支模安全事故一旦發生，往往造成重大人員傷亡和巨大的經濟損失。高支模安全監控系統，一般監測模板沉降、立杠軸力、杠件傾角、支架整體水平位移等關鍵參數，實現全覆蓋的監測數據自動采集、實時傳輸功能，并且建立信息和數據分析模塊，形成各類變化曲線和圖形，使監測成果展現得更形象。

3.3 環境監測與治理

施工現場的環境監測一般借助風向/風速、揚塵、溫濕度和噪聲等多種類型傳感器全方位監控工地，并在施工現場基坑和施工圍擋周圍以及樓層內(兼顧主體階段混凝土養護)布置噴淋降塵養護系統，以實現工程養護與降塵設施的綜合利用。

3.4 其他應用

近年來，VR、AR、BIM等技術已經被廣泛應用于建筑工程領域，實現了項目管理的全可視化。在工程正式施工前，利用BIM技術進行施工3D/4D虛擬建造，通過VR/AR/MR可視化的預演練和施工過程模擬，檢查設備空間位置和工藝實施的可行性，進而優化施工組織方案，減少返工、加強施工安全。

此外，施工現場和辦公生活區的節水節電控制、材料進場自動計數、大體積混凝土測溫、智慧廣播和音像休閑設施等也是智慧工地管理系統的應用方式。

4 結語

“碳達峰、碳中和”戰略目標，為我國經濟綠色低碳轉型指明了前進方向，以北上廣為代表的大型城市在加快智慧城市建設的同時，也在積極爭取提前實現“雙碳”目標。面對各領域大體量、高密度的工程建設，亟需提升工程建設管理水平，合理規劃工程車輛行車路徑和優化工期安排，實時監測道路流量并及時調整運輸策略，助力社會綠色低碳發展。

智慧工地管理系統包含智能感知層、通信網絡層、數據層、應用層、交互層和決策層6大梯次結構，可以提供包括車輛路徑優化、人員信息管理、工地安全管理、環境監測與治理及其他應用的綜合性智慧管理服務，隨著信息、通信、人工智能等技術的不斷進步，未來智慧工地功能將更加豐富、管理更加高效便捷。