基于BIM+GIS技術(shù)的智慧工地建設(shè)技術(shù)研究

衛(wèi)少陽 張朝暉 嚴(yán)超群 胡平

1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西楊凌 712100；2.陜西路橋集團(tuán)有限公司 陜西西安 710075

智慧工地是在施工過程中應(yīng)用智慧工地管理系統(tǒng)的工地。智慧工地管理系統(tǒng)是綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、邊緣計算、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS等技術(shù)手段，對人員、設(shè)備、安全、質(zhì)量、生產(chǎn)、環(huán)境等要素在施工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集與處理，并實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)互聯(lián)共享與業(yè)務(wù)數(shù)字化協(xié)同，最終實(shí)現(xiàn)全面感知、泛在互聯(lián)、安全作業(yè)、智能生產(chǎn)、高效協(xié)作、智能決策、科學(xué)管理的施工過程智能化管理系統(tǒng)。

1 智慧工地現(xiàn)場管理系統(tǒng)

智慧工地現(xiàn)場管理系統(tǒng)應(yīng)由感知層、平臺層和應(yīng)用層組成，如下圖所示。

智慧工地現(xiàn)場管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層應(yīng)由信息采集的各類軟硬件設(shè)備構(gòu)成，應(yīng)具有身份識別、圖像采集、聲音采集、空氣環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、移動終端采集和信息識別、控制、顯示等功能。

平臺層應(yīng)利用政府綜合信息管理平臺提供的相關(guān)功能完成，企業(yè)可自建智慧工地現(xiàn)場管理體系。平臺層應(yīng)具有協(xié)同管理、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)作、移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)接入等功能，對感知層收集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、接收、處理和存儲，為應(yīng)用層提供具體應(yīng)用支撐。

平臺層應(yīng)包含如下類別的功能：BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)接入、網(wǎng)絡(luò)協(xié)作、管理協(xié)同、移動互聯(lián)，通過以上功能映射、匯聚、整合施工現(xiàn)場獲取的人員、材料、設(shè)備、環(huán)境、安全、質(zhì)量、生產(chǎn)、造價等信息數(shù)據(jù)，進(jìn)一步為業(yè)務(wù)管理功能性模塊的集成運(yùn)行提供支撐，為應(yīng)用層的具體應(yīng)用提供支撐。平臺層提供的支撐能力包括但不限于協(xié)議適配、資源管理、業(yè)務(wù)邏輯、技術(shù)平臺和接口開放等。其中技術(shù)平臺是實(shí)現(xiàn)智慧工地業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)能力支撐，涉及互聯(lián)網(wǎng)協(xié)作類功能、管理協(xié)同類功能、基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的移動互聯(lián)類功能，實(shí)現(xiàn)與其他智慧工地平臺信息交互的移動互聯(lián)能力、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的IOT接入類功能、BIM和GIS專業(yè)技術(shù)類功能。

應(yīng)用層由工程基本信息、人員實(shí)名制管理、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、施工升降機(jī)監(jiān)控、塔式起重機(jī)監(jiān)控等模塊構(gòu)成，向建設(shè)、監(jiān)理、施工等參建單位、從業(yè)人員、政府監(jiān)管部門等用戶提供應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用層應(yīng)提供PC端和移動端兩種展現(xiàn)手段，滿足用戶接入需求。

2 智慧工地管理系統(tǒng)中BIM管理功能

2.1 BIM管理功能模塊內(nèi)容

BIM管理功能模塊內(nèi)容包括但不限于BIM系統(tǒng)、施工模擬、進(jìn)度管理、質(zhì)量可視化管理、安全可視化管理等。BIM管理功能模塊應(yīng)符合下表中內(nèi)容的規(guī)定，且留有擴(kuò)展接口，滿足功能擴(kuò)展的需要。

BIM管理功能要求表

施工組織設(shè)計管理應(yīng)提供工序安排BIM模擬展示供資源配置BIM模擬展示、平面布置BIM模擬展示等功能；施工工藝管理應(yīng)提供復(fù)雜節(jié)點(diǎn)BIM三維展示、腳手架施工工藝模擬BIM三維展示、大型設(shè)備及構(gòu)件安裝工藝模擬BIM三維展示、預(yù)制構(gòu)件拼裝施工工藝模擬BIM三維展示、模板工程施工工藝模擬BIM三維展示、臨時支撐施工工藝模擬BIM三維展示、提供土方工程施工工藝模擬BIM三維展示等功能；進(jìn)度管理，項目管理的核心動作，也是生產(chǎn)管理中非常重要的管理環(huán)節(jié)，所以在進(jìn)度管理中涉及WBS分解，以實(shí)現(xiàn)精細(xì)進(jìn)度管控，也需要具備形象進(jìn)度管理，結(jié)合BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)度與模型的有機(jī)結(jié)合；在智慧工地進(jìn)度管理方面，應(yīng)提供形象進(jìn)度與BIM關(guān)聯(lián)、現(xiàn)場進(jìn)度管理與BIM關(guān)聯(lián)等功能。

2.2 智慧工地BIM模型要求

2.2.1 BIM模型技術(shù)要求

智慧工地管理系統(tǒng)中BIM模型應(yīng)用主要指將BIM模型集成在系統(tǒng)中，在施工階段加以應(yīng)用。施工階段應(yīng)用BIM模型的總體應(yīng)用目標(biāo)是通過BIM模型輔助實(shí)現(xiàn)信息共享和工作協(xié)同。協(xié)同的基礎(chǔ)是基于開放的BIM模型數(shù)據(jù)協(xié)同環(huán)境，協(xié)同的方式包括模型協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同和文件協(xié)同。共享的數(shù)據(jù)指信息接收方需要的、由數(shù)據(jù)生產(chǎn)崗位創(chuàng)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括但不限于構(gòu)件信息、分析信息(如工程量)、過程信息(如進(jìn)度信息)等。BIM模型在施工階段應(yīng)用過程中，各參與方宜在協(xié)同環(huán)境下開展工作，共享信息。BIM模型作為工程及設(shè)施物理與功能特性數(shù)字化表達(dá)的方式和手段，其應(yīng)用效果和效益必要性與設(shè)計、施工、建設(shè)單位等應(yīng)用主體的應(yīng)用基礎(chǔ)密切相關(guān)，其中技術(shù)、管理的標(biāo)準(zhǔn)化程度以及相關(guān)業(yè)務(wù)的信息化水平等都是BIM模型發(fā)揮價值的重要基礎(chǔ)。因此，在進(jìn)行項目BIM模型應(yīng)用策劃時，需要結(jié)合項目實(shí)際加以考慮，特別是考慮模型接入智慧工地管理系統(tǒng)。施工階段BIM模型的應(yīng)用，應(yīng)在施工圖設(shè)計階段交付模型的基礎(chǔ)上，通過繼承、擴(kuò)展和補(bǔ)充形成施工深化模型。

在施工深化模型基礎(chǔ)上，通過補(bǔ)充相關(guān)信息形成施工過程模型。BIM模型宜在設(shè)計階段交付成果的基礎(chǔ)上，隨施工過程逐步豐富，也可在施工階段創(chuàng)建，但是如果施工階段創(chuàng)建的話將會耗費(fèi)較大的成本，同時將會拖慢智慧工程管理系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)度。BIM模型在設(shè)計階段交付成果的基礎(chǔ)上，隨施工過程逐步豐富，即充分考慮利用模型的可共享特征，優(yōu)先在繼承的模型基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成。一般而言，設(shè)計階段交付成果中的BIM模型僅包含工程“產(chǎn)品模型”層面的信息，該部分信息優(yōu)先考慮繼承上游模型。如果不能繼承，則基于設(shè)計交付成果(包含二維設(shè)計圖紙等)建立。

施工深化模型主要指工程中包括鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)電等專業(yè)在內(nèi)的，在施工準(zhǔn)備階段進(jìn)行設(shè)計與施工組織意圖表達(dá)的模型。施工過程模型是在施工過程階段，由施工深化模型(或模型的一部分)及施工建造活動過程中需要或產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)集成而成，包含了更多的信息維度。對于不同應(yīng)用點(diǎn)，以子模型的方式出現(xiàn)，包括施工組織BIM模型、安全BIM模型、質(zhì)量BIM模型、進(jìn)度BIM模型、成本BIM模型等。施工深化模型是在施工準(zhǔn)備階段繼承、擴(kuò)展、建立、管理和應(yīng)用的BIM模型，包含反映施工深化設(shè)計與施工組織設(shè)計意圖的相關(guān)幾何、非幾何信息。施工深化模型的構(gòu)件范圍包括永久工程和臨時工程，模型信息既包括構(gòu)件的材質(zhì)、幾何屬性等信息，也包括體現(xiàn)施工組織設(shè)計意圖的施工深化信息，如施工段劃分等。施工深化模型的建立優(yōu)先基于施工圖設(shè)計階段BIM模型，包括工程實(shí)體結(jié)構(gòu)信息、環(huán)境(地質(zhì)等)、臨時工程信息等。施工圖設(shè)計模型滿足指導(dǎo)施工，則可直接作為施工深化模型。BIM模型精細(xì)度應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定，結(jié)合管理要求制定項目級交付要求用于指導(dǎo)信息交換。

施工過程模型是在施工過程階段繼承、擴(kuò)展、建立、管理和應(yīng)用的BIM模型，包含施工深化模型信息和施工過程信息。施工過程模型是在施工深化模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工過程中各參與方對信息的需求而建立的，對于不同的管理者和使用者，呈現(xiàn)為不同的子模型，包括用于施工組織管理、施工安全管理、施工質(zhì)量管理、施工進(jìn)度管理、施工成本管理和計量支付管理等主要應(yīng)用場景下的子模型。施工過程模型包括施工圖設(shè)計或施工深化階段的工程設(shè)施產(chǎn)品信息(幾何信息、非幾何信息等)，也包括該工程及設(shè)施建造過程中的相關(guān)基礎(chǔ)信息，如時間維度的進(jìn)度信息、質(zhì)量驗收信息等。產(chǎn)品信息來源于上游即施工深化模型，而過程模型需將產(chǎn)品信息與相關(guān)的過程信息進(jìn)行有機(jī)組織，以滿足施工過程中的信息管理與應(yīng)用需求。施工過程模型通過動態(tài)完善至交工驗收階段，即成為交工驗收模型的基礎(chǔ)，其中包括描述工程實(shí)際特征的幾何信息、非幾何信息，也包括施工過程中集成的質(zhì)量驗收等過程信息。實(shí)踐中，為避免信息浪費(fèi)，保證信息利用效益，倡導(dǎo)信息節(jié)約原則，在滿足應(yīng)用需求及本條規(guī)定的前提下，提倡采用相對較低的模型精細(xì)度。

BIM模型在施工階段應(yīng)用時，應(yīng)保障信息安全。BIM模型中的數(shù)據(jù)信息是項目建設(shè)的資源，也是企業(yè)的數(shù)字資產(chǎn)，各相關(guān)方有義務(wù)按照相關(guān)信息安全管理規(guī)范，確保信息安全。信息共享和交換環(huán)節(jié)需利用技術(shù)手段有效避免數(shù)據(jù)被非法修改、增加、刪除，避免信息被非法獲取。

2.2.2 BIM模型應(yīng)用要求

施工階段BIM模型的主要應(yīng)用場景包括施工準(zhǔn)備、施工組織管理、施工安全管理、施工質(zhì)量管理、施工進(jìn)度管理、施工成本管理和計量支付管理等。BIM模型應(yīng)用過程中的協(xié)同工作方式和工作流程應(yīng)滿足建設(shè)管理相關(guān)要求。施工現(xiàn)場應(yīng)借助物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的自動化采集。

施工準(zhǔn)備階段的場地布置、工藝模擬、構(gòu)件加工等工作應(yīng)基于BIM模型開展。在施工深化模型基礎(chǔ)上，在施工準(zhǔn)備階段開展的幾項主要工作，通過利用模型的可視化特征來開展。相關(guān)軟件需能夠借助公開數(shù)據(jù)格式等繼承設(shè)計模型的幾何表達(dá)信息，并且軟件本身需具備可視化展示、模擬功能。

施工組織中的工作分解、資源配置、施工技術(shù)交底等工作應(yīng)基于BIM模型開展。工作分解可基于BIM模型，輔以知識庫等數(shù)據(jù)資源進(jìn)行，形成工作分解結(jié)構(gòu)。“知識庫”指積累在系統(tǒng)平臺中同類項目的工作分解結(jié)構(gòu)編制模板庫、標(biāo)準(zhǔn)化工序庫等。基于BIM模型創(chuàng)建的工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)與模型架構(gòu)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)映射。基于BIM模型的工作分解能夠提升編制效率，但仍需人工參與。人工、材料、機(jī)械等資源可利用BIM模型中的構(gòu)件信息、工程量信息等，結(jié)合總體進(jìn)度要求、工效等數(shù)據(jù)資源，借助專業(yè)工具軟件進(jìn)行自動配置。

安全管理中的危險源辨識、安全技術(shù)交底、過程監(jiān)控等工作可利用BIM模型開展。危險源辨識可基于施工深化模型，依據(jù)相應(yīng)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，集成相關(guān)危險源庫等數(shù)據(jù)，進(jìn)行危險源辨識和風(fēng)險評價。安全技術(shù)交底宜利用模型可視化特征，提升交底效率和質(zhì)量。過程監(jiān)控可利用BIM模型集成、管理過程信息，為安全預(yù)警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。BIM模型在施工安全管理各應(yīng)用環(huán)節(jié)中的信息共享。

質(zhì)量管理中的質(zhì)量計劃、質(zhì)量驗收、質(zhì)量控制等工作應(yīng)基于BIM模型開展。質(zhì)量計劃可基于施工深化模型及施工組織應(yīng)用成果，參照質(zhì)量驗收規(guī)程等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行創(chuàng)建。質(zhì)量驗收可按照質(zhì)量計劃，集成實(shí)際質(zhì)檢信息，動態(tài)完善模型，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量驗收指導(dǎo)。質(zhì)量控制應(yīng)將質(zhì)量問題處理信息集成至BIM模型，實(shí)現(xiàn)基于模型的信息追溯與質(zhì)量問題分析。BIM模型在施工質(zhì)量管理各應(yīng)用環(huán)節(jié)中的信息共享。

進(jìn)度管理中的進(jìn)度計劃、進(jìn)度分析與進(jìn)度控制等工作宜利用BIM模型開展。進(jìn)度計劃應(yīng)基于施工組織階段的BIM模型開展模擬、審查等工作。基于BIM模型中的工程量、資源等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用專業(yè)進(jìn)度管理軟件編制進(jìn)度計劃。專業(yè)軟件與BIM模型管理平臺之間基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交換。進(jìn)度計劃的模擬或?qū)彶椋ㄟ^BIM模型可視化模擬分析實(shí)現(xiàn)。進(jìn)度分析應(yīng)基于BIM模型開展實(shí)際進(jìn)度和進(jìn)度計劃跟蹤對比、進(jìn)度預(yù)警等工作。

3 智慧工地管理系統(tǒng)中GIS類功能

GIS類功能是滿足智慧工地GIS應(yīng)用的要求，提供對于GIS空間數(shù)據(jù)管理能力及數(shù)據(jù)的提取和轉(zhuǎn)化能力，以及在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一層的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析能力。GIS類功能應(yīng)提供空間數(shù)據(jù)管理功能，包括但不限于圖形管理、屬性管理、拓?fù)涔芾怼顟B(tài)管理，提供數(shù)據(jù)提取和轉(zhuǎn)換功能，包括但不限于參數(shù)提取、坐標(biāo)變換、格式轉(zhuǎn)換，具備三維數(shù)據(jù)管理、三維數(shù)據(jù)分析能力。