基于文獻綜述的智慧工地發(fā)展現(xiàn)狀與阻礙因素研究

摘要：隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場管理模式面臨高能耗、重污染、管理粗放、勞動力及人才欠缺等多重阻礙，智慧工地正逐步成為建筑企業(yè)現(xiàn)場管理的重要手段之一。通過梳理國內(nèi)外相關(guān)研究文獻，從施工現(xiàn)場主要因素、智慧工地技術(shù)集成等角度分析智慧工地研究進展，對國內(nèi)智慧工地現(xiàn)存問題與阻礙因素進行分析，在包含感知層、傳輸層及應(yīng)用層的智慧工地管理框架的基礎(chǔ)上增加跨部門協(xié)同層，形成優(yōu)化后的智慧工地管理框架，旨在提升智慧工地管理水平與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：文獻綜述；智慧工地；發(fā)展現(xiàn)狀；阻礙因素；跨部門協(xié)同

0"引言

現(xiàn)階段，我國傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場管理模式已無法滿足可持續(xù)發(fā)展要求，迫切需要利用以數(shù)字技術(shù)為代表的信息管理手段實現(xiàn)我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級，助力我國建筑業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

黨的十八大以來，我國建筑業(yè)正在向綠色、智能、精益、集約的可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)變。《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出，要“加快數(shù)字發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國”，建筑業(yè)應(yīng)加快轉(zhuǎn)型升級步伐，實現(xiàn)工程項目價值再造和精益建筑的目標。

“智慧工地”的概念衍生于“智慧城市”，目前尚無明確定義。根據(jù)產(chǎn)品需求和市場需求，建筑行業(yè)的上下游相關(guān)企業(yè)對智慧工地的內(nèi)涵進行了各具特色的界定。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，智慧工地成為施工現(xiàn)場管理的重要手段之一。

1"國內(nèi)外智慧工地相關(guān)研究現(xiàn)狀

中國知網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)智慧工地研究與應(yīng)用始于2013年。郭冬建[1]"闡述了新形勢下智慧工地的含義，認為智慧工地應(yīng)包含全模型、碎片化應(yīng)用、大數(shù)據(jù)、大協(xié)同等內(nèi)容。英自昱[2]基于工地出入口車牌自動識別與高清抓拍、塔吊鳥瞰工地360°全景等功能構(gòu)建智慧工地管理模式，達到實時管控的建設(shè)要求。

現(xiàn)階段，隨著建筑施工信息化和智能化技術(shù)的快速發(fā)展，智慧工地的關(guān)注度逐漸提升，其定義不斷延伸，其內(nèi)涵不斷豐富。通過梳理2013—2022年中國知網(wǎng)相關(guān)文獻，繪制 2013—2022年中國知網(wǎng)智慧工地相關(guān)研究發(fā)文量趨勢，如圖1所示。

1.1"施工現(xiàn)場主要因素研究

國內(nèi)外學者圍繞施工現(xiàn)場人、機、料、法、環(huán)等主要因素展開了智慧工地相關(guān)研究。Jiang等[3]建立了一個基于信息物理系統(tǒng)的安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過場景重構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理等模塊，實現(xiàn)虛擬施工與實體施工的現(xiàn)場風險數(shù)據(jù)同步映射，能夠預(yù)警和控制現(xiàn)場有關(guān)人員、機械等風險。段連蕊等多名學者[4-6]通過基坑監(jiān)測、塔式起重機監(jiān)測、設(shè)備運維管理、升降機監(jiān)測、起重力矩監(jiān)控、群塔作業(yè)防碰撞、高支模監(jiān)測、外墻腳手架監(jiān)測等系統(tǒng)實現(xiàn)對施工現(xiàn)場各主要因素的安全管理。時明奇[7]對智慧工地特點進行研究，認為智慧工地的整體架構(gòu)主要由終端層、平臺層與應(yīng)用層組成，通過合理運用智慧工地，能夠明顯提升工程項目精細化管理水平，實現(xiàn)各層管理者之間的有效協(xié)同，確保工程施工場地內(nèi)部的科學布局。Lee等[8]構(gòu)建了一個可以同時跟蹤多名工人并生成3D軌跡的框架。Antwi-Afaria等[9]基于足底壓力分布數(shù)據(jù)區(qū)分各種風險事件，能夠自動監(jiān)測跌倒風險，最大限度地降低施工人員在現(xiàn)場跌倒的風險。羅瑞等[10]借助智慧工地大數(shù)據(jù)管理平臺，以施工現(xiàn)場工人管理為重點研究內(nèi)容，進行了多維度分析。甄興廣[11]在智慧工地場景下對建筑工人薪酬進行優(yōu)化，旨在提高建筑工人的獲得感和幸福感，提升建筑企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成效，推進建筑行業(yè)長期、健康發(fā)展。Wang[12]建立了安全帽檢測系統(tǒng)，使用TensorFlow圖像識別框架深度學習SSD檢測識別模型，精準識別現(xiàn)場工人是否佩戴安全帽。Fang等多名學者[13-14]通過基于計算機視覺的自動化方法和帶有便攜式網(wǎng)絡(luò)中繼器的安全掛鉤監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測現(xiàn)場工人在高空作業(yè)時是否佩戴安全帶。

1.2"智慧工地技術(shù)集成與系統(tǒng)構(gòu)建研究

李霞等[15]對基于“物聯(lián)網(wǎng)+”的智慧工地進行研究，明確智慧工地內(nèi)涵，并提出有針對性的建議和對策。鹿煥然[16]認為，在構(gòu)建智慧工地時，應(yīng)注重工地現(xiàn)場各子系統(tǒng)之間、現(xiàn)場各子系統(tǒng)與外部智能化系統(tǒng)之間的聯(lián)系。陳珂等[17]以近年來智慧工地相關(guān)標準為研究對象，結(jié)合已有標準文件，提出具有普適性的智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)。李偉亮[18]運用信息化手段，通過三維設(shè)計平臺實現(xiàn)工程項目的精確設(shè)計和施工模擬，圍繞施工過程管理打造具有互聯(lián)協(xié)同、智能生產(chǎn)和科學管理的智慧工地系統(tǒng)平臺。Jiang等[19]研究了支持數(shù)字孿生的智能模塊化集成施工系統(tǒng)（DT-SMiCS），并應(yīng)用于預(yù)制建筑再設(shè)計現(xiàn)場組裝。Skalecki等[20]提出了基于云的自動化中央數(shù)據(jù)采集和過程控制系統(tǒng)設(shè)計。Lee等[21]提出了基于機器人的工作進度監(jiān)控系統(tǒng)。Hana等[22]提出了一種包含位置標識系統(tǒng)、工作進度管理系統(tǒng)以及統(tǒng)計分析和可視化系統(tǒng)的解決方案，能夠提高現(xiàn)場管理人員信息獲取能力。Zhao[23]提出以BIM、GIS、IoT為核心的戰(zhàn)略定位，建立基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫信息的標準數(shù)據(jù)存儲和訪問機制。Xu等[24]為提高巖石填充混凝土（RFC）壩址施工質(zhì)量和效率，開發(fā)了RFC施工信息管理系統(tǒng)（CIM4R）。Sun等[25]以數(shù)字電網(wǎng)基本框架為基礎(chǔ)，運用無人機遙感、地理信息系統(tǒng)、三維虛擬仿真、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器等技術(shù)手段構(gòu)建集監(jiān)控、智能化等為一體的智能管控平臺，有效提高了電網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)場統(tǒng)籌管控水平和信息管控水平。

1.3"BIM、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、邊緣計算等數(shù)字技術(shù)研究

韓世超等[26]將BIM+智慧工地應(yīng)用于錢塘新區(qū)云帆社區(qū)一標項目，以云數(shù)據(jù)平臺為支撐進行溝通交流，將BIM技術(shù)與其他技術(shù)高效融合，進行施工模擬、施工質(zhì)量檢查、現(xiàn)場漫游巡檢、砌塊智能排布、碰撞檢查、優(yōu)化調(diào)整及協(xié)同管理等。石凌峰[27]以物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和相關(guān)技術(shù)為研究對象，對如何在泛物聯(lián)網(wǎng)運用環(huán)境下完成智慧工地建設(shè)進行研究。王丹陽等[28]以5G+NBIOT低速率窄寬帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為研究重點，深入分析智慧工地發(fā)展現(xiàn)狀及方向，對未來智慧工地形態(tài)進行總結(jié)和展望。趙國豪等[29]對BIM+智慧工地策劃的重要性和編制現(xiàn)狀進行分析，通過搭建策劃整體框架，梳理內(nèi)容模塊，形成一套可落地和較為標準化的編制體系。李晨露[30]針對新冠肺炎疫情期間施工現(xiàn)場人員進場流程管理效率和存在的安全隱患問題，利用OCR技術(shù)優(yōu)化人員進場流程。Kochovski等[31]以設(shè)計和開發(fā)實用的邊緣計算架構(gòu)為目標，開發(fā)了兩個支持視頻通信和施工過程文檔的邊緣計算應(yīng)用程序，并展示了用于智能施工的可行邊緣計算設(shè)計。Ren等[32]研究了物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、AI等信息技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用場景，系統(tǒng)闡述了智能施工現(xiàn)場的業(yè)務(wù)架構(gòu)、功能架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和數(shù)據(jù)架構(gòu)。Hasan 等[33]重點介紹了如何通過網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）進行工程機械操作和工作跟蹤，通過在建筑機械操作領(lǐng)域?qū)嵤┲悄芗夹g(shù)，擴大了建筑工地集成智能技術(shù)視野。Xiang等[34]展示了5G對工程機械行業(yè)產(chǎn)生重大影響的應(yīng)用場景。Katika等[35]利用MR接口的高級功能及其與IOT系統(tǒng)的互操作性，對大型建筑工廠中更具可用性、功能性和感知性的以人為本的下一代生態(tài)系統(tǒng)進行研究。Ali等[36]總結(jié)了利用網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)結(jié)合AR技術(shù)的最新趨勢，提出了利用智能眼鏡和數(shù)字孿生技術(shù)在現(xiàn)場控制無人塔吊的解決方案。Vasilyev等[37]將施工現(xiàn)場二維碼集成于基于BIM的施工控制系統(tǒng)，提出了改進日常施工現(xiàn)場任務(wù)管理的建議，提高了施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)的可用性、安全性和協(xié)同性。

1.4"智慧工地實際應(yīng)用研究

岳寶樹等[38]系統(tǒng)闡述了通州新光大中心項目智慧工地系統(tǒng)的具體應(yīng)用及取得的成效。王普[39]在陜西省東莊水利樞紐工程智慧工地監(jiān)控中通過無線自組通信網(wǎng)、智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)及施工工地智能巡檢等實現(xiàn)了施工、安全和質(zhì)量管理的規(guī)范化和智能化，提高了管理水平和工作效率。段芳敏等[40]借助數(shù)字沙盤輕量化引擎、傾斜攝影、BIM、GIS等數(shù)字技術(shù)，實時感知和評價項目的安全風險、進度、投資、質(zhì)量和環(huán)境狀況，將大量的資源和數(shù)據(jù)進行集成，并利用數(shù)據(jù)融合等方法對深圳地鐵施工項目進行安全巡航和實時感知。Yang等[41]在新冠肺炎疫情期間開發(fā)了一種智能實時監(jiān)控系統(tǒng)，降低了COVID19在施工現(xiàn)場的傳播風險。Xiong等[42]提出了基于5G技術(shù)的智慧變電站施工現(xiàn)場總體方案，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能、狀態(tài)感知和視頻識別技術(shù)，解決了施工過程中安全、質(zhì)量、進度等多維度管理需求。Liang [43]通過融合物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS等技術(shù)，研究民用機場區(qū)域智慧工地建設(shè)技術(shù)。

綜上所述，國內(nèi)外學者以信息技術(shù)為手段對智慧工地的各子系統(tǒng)或整個系統(tǒng)進行了研究，但缺乏對現(xiàn)階段智慧工地現(xiàn)存問題和阻礙因素的研究。基于此，本文通過對智慧工地現(xiàn)存問題與阻礙因素進行分析，旨在提升智慧工地管理水平與質(zhì)量。

2"現(xiàn)存問題與阻礙因素分析

2.1"現(xiàn)存問題

2.1.1"跨部門協(xié)同機制不完善

工程項目建設(shè)涉及勘察、設(shè)計、施工、運維等多個部門。各參與方所涉及的利益不同，很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息孤島，導(dǎo)致各參與方掌握和使用的信息不對稱，影響管理層的決策水平。因此，跨部門協(xié)同是建設(shè)智慧工地的重要前提。

2.1.2"數(shù)據(jù)缺乏有效集成

工程項目的復(fù)雜性決定了現(xiàn)場各子系統(tǒng)之間有著密切的聯(lián)系。現(xiàn)階段，智慧工地各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)沒有實現(xiàn)有效集成。例如，當塔吊監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到塔身傾斜度超過安全范圍允許值時，不僅要預(yù)警塔司，而且要預(yù)警處于塔吊傾覆范圍內(nèi)的工作人員，同時還要向管理層預(yù)警以做好糾偏或救援準備，最大限度地降低人員傷亡和財產(chǎn)損失。

2.1.3"基礎(chǔ)標準不完善

當前，通信技術(shù)標準、終端設(shè)備標準、數(shù)據(jù)接口標準、智慧工地平臺建設(shè)標準等不完善[44]。現(xiàn)場各子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息需要借助通信技術(shù)傳輸至應(yīng)用平臺，而各子系統(tǒng)所采用的通信技術(shù)各不相同，需要進行統(tǒng)一規(guī)范。

2.1.4"缺乏完善的頂層設(shè)計

當前，我國智慧工地相關(guān)研究水平參差不齊，存在低水平重復(fù)研究的問題，且各項技術(shù)的關(guān)聯(lián)性較弱，這不僅阻礙了智慧工地的研究進展，而且浪費了一定的研究資源。

2.2"阻礙因素

2.2.1"觀念因素

工程項目各參與方往往不愿意共享真實數(shù)據(jù)，其目的是為了追求自身利益最大化。然而，各參與方利益的基礎(chǔ)是整個工程項目收益。各參與方的利益期望與智慧工地工程項目價值再造的目標相同，因此，各參與方尤其是管理層要認識到建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級是大勢所趨，應(yīng)順勢而為。

2.2.2"經(jīng)濟因素

智慧工地建設(shè)前期投入較大且周期較長，因此，相關(guān)企業(yè)進行智慧工地建設(shè)的意愿不強。加之設(shè)備購買、數(shù)據(jù)傳輸、人員培訓(xùn)等需要投入大量資金，且存在一定的風險，降低了相關(guān)企業(yè)的參與積極性。

2.2.3"技術(shù)因素

一方面，目前我國智慧工地核心技術(shù)的自有率較低，部分國產(chǎn)軟件與設(shè)備主要基于外國專利進行二次開發(fā)，缺乏專注于研究智慧工地軟件與設(shè)備的機構(gòu)[45]；另一方面，智慧工地平臺集成度較低，未能將各子系統(tǒng)進行緊密聯(lián)系。此外，數(shù)據(jù)信息應(yīng)用能力較低，不能有效利用實時數(shù)據(jù)助力管理層智慧決策。

2.2.4"管理因素

智慧工地的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)各子系統(tǒng)信息集成和數(shù)據(jù)信息共享，相關(guān)人員的專業(yè)性應(yīng)符合崗位要求。現(xiàn)階段，智慧工地的組織結(jié)構(gòu)和人崗匹配的合理性欠佳、管理手段落后，阻礙了智慧工地的快速發(fā)展。

2.2.5"環(huán)境因素

地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平、政策導(dǎo)向和標準、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等也是影響智慧工地建設(shè)與發(fā)展的重要因素。

3"優(yōu)化后的智慧工地管理框架

通過對國內(nèi)智慧工地現(xiàn)存問題及阻礙因素進行梳理和總結(jié)，在包含感知層、傳輸層及應(yīng)用層的智慧工地框架的基礎(chǔ)上增加了跨部門協(xié)同層，形成優(yōu)化后的智慧工地管理框架，如圖2所示。

項目各參與方可以在BIM+模型中賦予各自產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，也可以通過平臺訴諸各自需要的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)項目數(shù)據(jù)信息共享，通過 nD BIM+模型和平臺實現(xiàn)跨部門協(xié)同。

4"結(jié)語

建筑業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級的迫切需求。本文通過分析國內(nèi)外智慧工地研究現(xiàn)狀，總結(jié)國內(nèi)智慧工地現(xiàn)存問題與阻礙因素，在包含感知層、傳輸層及應(yīng)用層的智慧工地框架的基礎(chǔ)上增加了跨部門協(xié)同層，形成了優(yōu)化后的智慧工地管理框架，旨在提升智慧工地建設(shè)和管理水平。

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收稿日期：2023-02-13

作者簡介：

楊建宏（1999—），男，研究方向：土木工程建造與管理。