BIM技術在智慧建筑工地管理框架設計中的應用研究

程知遠， 陳 朔， 張嘉寶， 馬毅鳴

(中交第三公路工程局有限公司建筑工程分公司，北京 100020)

0 引 言

近年來，我國建筑行業雖然發展速度比較快，但是該行業管理比較粗放，并且存在勞動密集特點，導致建筑管理效率很難得以提升，目前建筑行業發展已經進入瓶頸期[1]。信息化的產生，為建筑行業發展開辟了新的通道，利用信息化技術構建建筑模型，對建筑方案實施可行性進行模擬分析，使得建筑建設管理邁向了更高臺階[2]。智慧建設理論作為此時代背景下的代表性產物，綜合考慮現場施工的各項管理需求，創建更為成熟的管理體系，目前此方面的研究尚不成熟，本文嘗試選擇BIM技術作為輔助工具，提出智慧建筑工地管理框架設計研究。

1 智慧建筑工地管理

智慧建筑建設指的是運用一系列先進的技術方法，引入全生命周期理論，分別對建筑項目實施各個環節采取精細化管理，從功能層面體現智慧性[3]。智慧工地的提出，建立在智慧建設的基礎上，為了提高施工效率，更加全面地掌握施工信息，利用虛擬技術，建立建筑施工模型，對施工方案可靠性進行判斷[4]。與此同時，借助互聯網平臺，及時傳送現場施工情況信息，為現場施工管理和施工變更提供時效性較高的信息，打造多維信息體系。BIM作為一種建設施工管理技術，支持管理體系的構建和施工模擬分析，能夠為建筑項目量身打造一套可靠性較高的施工方案[5]。目前，BIM技術已經成為建筑建設管理重要工具，如何充分利用此項技術，設計智慧建設工地管理方案有待深入探究[6]。

2 基于BIM技術的智慧建筑工地管理框架設計

2.1 智慧建筑工地管理總體架構

本設計方案按照可持續性、智慧性、集成性作為智慧建設原則，將項目運行過程管理和建設管理作為重點研究內容，分析項目全生命周期內每一個層級管理需求，從而打造更為精準化的管理體系。為了提高建筑工地管理實時性、精準性，本研究在BIM平臺上開發多項功能，嘗試從施工精度、施工工序、施工進度3個角度出發，創建子功能體系，從而形成完整的智慧建筑工地管理架構。如圖1所示為智慧建筑工地管理總體架構。

圖1 智慧建筑工地管理總體架構

圖1中，將管理架構拆分為3部分，分別為開放式VR/AR施工精度子系統、動態施工工序子系統、施工進度子系統。其中，施工精度的管理，以開放式VR系統作為管理輔助工具，模擬施工進度、建筑建設體系等，運用視覺識別技術挖掘問題。施工工序的管理，引入動態管理技術，分別對每一個施工環節的施工內容進行分析，將與現場施工相矛盾的工序進行動態調整。施工進度的管理，以進度計劃為依據，通過構建實時進度管理體系，捕捉現場施工信息，運用信息整合技術，識別施工進度缺陷。

2.2 智慧建筑工地管理功能設計

2.2.1 施工精度控制功能

運用虛擬技術、傳感技術、掃描技術，更為全面地獲取現場施工信息，將此部分信息輸入開放式VR系統，利用該系統檢測建筑施工碰撞情況，同時模擬施工進度，構建虛擬建造模型。與以往設計不同的是，本文提出的施工精度控制功能，在虛擬環境的營造上，設定追蹤對象，同時引入射頻識別技術，掃描相關信息，這部分實體信息將作為虛擬環境打造的支撐。關于AR系統的打造，利用射頻識別技術和3D掃描技術，獲取建筑施工基本信息，創建真實環境，作為AR系統運行環境。該系統在施工精細化管理中的應用，根據真實環境反映問題，引入視覺識別技術，識別工程缺陷。針對這些缺陷，結合工程實際情況，對施工方案進行調整，加強施工管理，從而使得施工精度得以提升。

2.2.2 動態施工工序管理功能

由于建筑施工環境較為復雜，施工過程中容易受到多種因素影響，導致接下來的施工工作很難順利實施。為了保證施工工序得以正常，需要針對施工期間遇到問題，立即采取處理，調整施工工序，與施工精度子系統共同作業，打造實時動態化管理體系。

關于動態施工工序的管理，利用建筑模型中的變量分析問題，觀察某變量發生改變時，其他變量的變化情況，根據變量發生的變化情況，采取相應管理措施，以保證工序的正常推行。本文以建筑的主體工程為例，設計動態施工工序管理功能模塊。該模塊以特定工序作為管理對象，用Petri網有限位置集來表示，記為P，以T描述工序中的變遷情況。其中，子系統中涉及的主要變量包括混凝土供應量、支模工人數量、鋼筋工人數量、人工作業天數等。如果其中某個變量發生變化，觀察其他變量是否也發生了變化。利用Petri-Net動態施工工序子系統，模擬這些變量變化后的工序執行情況，通過判斷工序合理性，挖掘需要改進的問題。針對這些問題，嘗試對施工工序內容做出調整，采取模擬分析的方式，檢驗調整后的方案是否滿足工序合理性要求。如果滿足要求，則按照調整后的工序實施，反之，繼續調整工序內容，直至模擬結果顯示“通過審核”即可。

2.2.3 施工進度控制功能

施工進度控制是保證工程按期交工的關鍵，傳統的進度控制方法是在工程計劃階段，根據各個階段的施工需求，綜合分析各項影響因素，預測延誤工期事件，擬定一些施工進度控制方法。這種控制方法雖然能夠解決部分施工進度延緩問題，但是缺少事件動態處理性能，對于現場反饋的信息，未能及時分析并加以處理，而是按照原計劃的情景問題處理方法，應對現場施工問題，對于施工進度的控制幫助不是很大。

本研究引入BIM技術，構建信息模型和建筑實體，采用逆向信息捕捉方法，獲取施工對象實體、工地平面狀態、實際進度相關信息，在實時進度管理體系的作用下，對這些信息加以分析，并生成相應管理方法，從而實現智慧工地管理。為了實現智慧工地施工進度管理功能，本設計方案將施工進度管理子系統拆分為4個層次，分別為感知層、傳輸層、應用層、控制層，構建如圖2所示的施工進度控制子系統。

圖2 施工進度控制子系統

感知層：該層設計，采用信息捕捉技術、三維掃描技術、GPS技術、BIM技術、RFID技術，搭建信息捕捉體系，布設在施工現場，獲取相關信息，而后將其發送至傳輸層。

傳輸層：選擇移動通信設備與技術作為開發工具，包括智能手機、PAD、UWB、LAN裝置，搭建信息傳輸橋梁，按照裝置的通信協議，將感知層采集到的信息發送至應用層。

應用層：該層次主要負責整合數據，采用數據挖掘技術，結合移動計算結果，判斷當前施工工序是否存在問題，并生成判斷結果。

控制層：根據應用層的判斷結果，從施工組織、現場管理、活動安排3個角度出發，對施工進度進行管理。

3 應用評價分析

3.1 評價模型的構建

為了檢驗本文提出的智慧建筑工地管理方案是否可靠，本文構建了評價體系，分別對架構中每一個子系統功能的可靠性進行檢驗，評價體系指標設計見表1。

表1 智慧建筑工地管理評價體系

3.2 應用效果評價分析

本文以某建筑建設工程為例，運用智慧建筑工地管理體系，對房屋建設施工進行精細化管理。本研究嚴格按照建筑施工標準，對建筑施工管理效果進行評價，對二級指標完成情況進行打分，滿分為10分。采用加權計算方法，分別對各項指標進行打分。如果單項評分在8.5分以上，且綜合得分在9分以上，則認為本管理體系符合智慧工地管理要求。

評價打分結果顯示：精準控制狀況9.2分，施工缺陷識別9.5分，施工有序性9.5分，施工工序動態調度9.3分，施工組織9.4分，現場管理9.6分，現場活動進度控制9.5分。采用加權計算方法，得到綜合評分為9.408分。該評分結果符合智慧工地管理要求，可以作為智慧建筑工地管理工具。

4 結束語

本文圍繞建筑工地管理問題展開探究，利用BIM技術，搭建智慧建筑工地管理架構。該架構以施工精度控制、動態施工工序管理、施工進度控制作為管理指標，運用信息捕捉技術、移動通信技術等，設計各個功能模塊，對現場施工問題展開動態分析，擬定相應管理方案，調整施工工序及現場作業方案。應用評價結果顯示，本文構建的管理體系能夠體現智慧化管理價值，可以作為建筑工地管理工具。