面向建設單位建筑施工智能化管理技術研究

摘要：針對現有建筑施工管理技術模式難以滿足建設單位主體管理特定需求、技術系統在信息描述維度及分析層面存在局限性等問題，采用魚骨圖分析法歸納分析建筑施工管理存在的問題及需求，構建基于全要素、全過程的建筑施工智能化管理技術模式，開展施工場景三維模型構建及施工全時空數據采集與分析關鍵技術研究與開發，以“三維虛實場景構建-施工動態監控-智能分析-管理決策”為業務技術主線，研發建筑施工智能化管理技術平臺，通過系統平臺的應用，實現建設施工全時空、多層次的動態智能化管理，保障建筑施工安全、質量可控，提高建設單位對工程現場的管理水平。

關鍵詞：建筑施工；技術模式；三維模型；智能化管理；建設單位

0 引言

隨著數字孿生、物聯網、大數據等技術在建筑行業的深入應用，建筑領域信息化、智能化水平不斷發展^[1-3]，為開展智能化建筑施工奠定了堅實基礎^[4-6]。然而，目前相關研究與技術應用對象主要面向施工單位、建設集團和政府監管單位，缺乏基于建設單位主體管理需要的智慧施工管理技術解決方案。此外，智能化管理技術層面因缺乏系統性技術模式及深層次數據分析模型，導致系統多以數據展示為主，數據分析水平相對較低。建設單位作為業主單位，其關注的焦點主要集中于建筑施工的安全管理、質量把控和進度跟蹤，因此，需要根據建設單位的管理需求，面向施工涉及的關聯要素及施工全過程，通過部署智能監控傳感器，依托物聯網（IoT）、云計算、大數據、3DGIS等技術^[7-8]，構建建筑工地施工智能管理技術模式，梳理數據分析模型，研發技術系統，有效開展建筑施工態勢感知、分析與管理輔助決策。

1 建筑施工智能化管理需求分析

1.1 建筑施工管理存在的主要問題

建筑施工管理是基于建筑施工工地空間及施工工序開展的各項管理活動，參與建筑施工管理的主體包括建設單位、建筑設計、施工單位、施工監理、材料供應商等，面向不同管理主體的建筑施工管理內容及需求有所不同。本研究主要從建設單位視角，采用魚骨頭分析法開展建筑工程施工管理需求分析。

建筑施工工地作為施工管理的客體，其涉及施工人員、施工機械、建筑物資、工地環境及建筑主體等多元化要素，上述要素疊加在封閉、緊湊的立體空間區域內。基于施工工地諸要素特點及當前施工管理模式，分析施工管理存在的主要問題。建筑施工工地特點及管理存在的主要問題如圖1所示。

根據圖1可知，建筑施工管理存在6個方面的問題。其中，施工人員管理問題主要表現為人員類別復雜、人員數量大、安全意識淡薄、操作不規范；施工機械設備管理問題主要表現為機械設備種類多、安裝不規范、操作不規范、維護不及時；建筑施工物資管理問題主要表現為物資種類多、物資體量龐大、堆放保管不規范、驗收操作不規范；建筑施工質量管理問題主要表現為基坑監測、高支模監測自動化程度低，關鍵施工環節監管不到位，施工階段全過程監管未覆蓋；建筑施

工進度管理問題主要表現為計劃與現場實際施工脫節、施工進度信息記錄缺失或難以共享、進度監測缺乏有效技術手段；建筑施工微環境管理問題主要表現為場地布置不合理，場地環境對施工影響大，揚塵、噪聲治理不規范，氣象數據指導施工利用不足。通過對以上六大類問題的分析可知，傳統粗放式建筑施工管理模式難以滿足科學化、智能化工地的管理需求。

1.2 建筑施工智能化管理需求分析

建筑施工管理面向不同的管理主體，其管理需求各異，針對上述對建筑施工工地特點及管理存在的主要問題的分析可知，在目前的施工管理模式下，雖然已經開展了相應的信息化系統建設，但因缺乏全時空、多要素協同作用的認知視角，受限于傳統地理信息開發思想，施工要素及施工過程信息全面實時獲取、多維表述與深度分析存在缺陷，未能建立物理世界與信息世界的雙向映射與融合。

以上述施工管理及信息化建設存在的問題為導向，將管理對象細化為施工場景、施工要素、施工過程等客體，借助物聯感知、數字孿生及地理信息等技術手段，全面感知管理對象多粒度信息^[9]，采用三維模型建模技術，建立施工場地三維場景模型，將施工動態過程信息與三維模型疊加，實現基于三維場景的施工態勢展示、分析及管理輔助決策，通過對建設過程進行全生命周期跟蹤，提升管理的科學分析、決策和預判能力，保障項目建設安全順利實施。確立建筑施工智能化管理需求，如圖2所示。

2 智能化管理技術模式構建

2.1 技術模式構建

技術模式是指針對特定技術環境，建立解決某種特定技術問題的方法或方案。依據上述面向建設單位的建筑工程施工智能化管理需求分析，結合建筑施工全程動態智能化管理技術平臺建設目標，參照建筑施工、計算機、通信等行業技術標準，面向建筑施工涉及的全要素、施工過程、施工環節，細分施工管理具體內容，并對每項管理內容進行指標化處理，建立施工管理技術指標體系，通過多傳感器及數字化技術建立數據指標體系，利用信息技術系統實現數據的管理與分析，從而形成面向建設單位的建筑施工智能化管理技術模式，如圖3所示。

2.2 技術模式解析

在建筑施工智能化管理技術模式中，建筑施工管控的五大要素包含“人、機、料、法、環（4M1E）”，建筑工地智能化管理環節從縱向上按照施工過程劃分為場地平整與布設-地基基礎-基坑開挖-主體結構-屋面施工-水電、消防、通風、空調、門窗、護欄穿插安裝-內外墻裝修-場地清理-試運行保潔-竣工驗收10個階段，從橫向上再將每個階段劃分為工程質量控制、進度控制、合同與信息管理、安全生產與環境管理，從橫縱兩個方向明確建設單位在建筑施工各環節開展的管理內容，建立與其對應的技術指標，形成以指標體系為驅動的施工管理。基于上述管理對象、管理內容，建立涵蓋技術裝備、數據庫與技術系統的建筑施工智能化管理技術體系，實現施工要素、過程數據采集、處理，施工態勢分析與輔助決策。建筑工地全程動態智能化管理技術模式在時間上貫穿于工程項目施工全生命周期，在空間上覆蓋工程項目各情境，實現施工管理所需的信息動態集聚、實時監測分析、輔助決策等智能化管理。

3 建筑施工智能化管理技術開發

3.1 建筑施工智能管理關鍵技術

3.1.1 施工場景三維模擬技術

采用三維模擬技術，構建施工場景虛擬世界，以該虛擬場景為底座和信息載體，實施建筑施工智能化管理，有利于從全局視角掌握工程施工全局，動態管控施工要素行為，及時識別施工安全隱患。施工場景涵蓋的地理實體對象主要包括建筑物、構筑物、施工配套設備、施工機械設備，以及施工區域及周邊環境等內容。根據上述實體特點，考慮模型的適用性及經濟效益，采用混合式三維建模方法，建筑施工場景及模型構建方法如圖4所示。其中，建筑物、構筑物模型采用BIM技術建模，施工配套設施、施工機械設備采用CAD技術建模，施工區域及周邊環境采用傾斜攝影技術建模。

該項目實施過程中，建筑物BIM模型采用Autodesk Revit軟件建立，數據格式為*.rvt，空間坐標系為局部坐標系；施工配套設施、施工機械設備三維模型采用3ds MAX軟件建立，數據格式為*.max，空間坐標系為局部坐標系；施工區域及周邊環境三維模型采用無人機傾斜攝影測量建模軟件ContextCapture建立，數據格式為*.osgb，空間坐標系為WGS-84。由于建模采用的技術手段不同，數據標準不統一，需要進行數據預處理，包括多數據格式轉換及空間位置匹配^[10]。根據開發工具的選擇，數據格式統一轉換為3DTiles文件格式。隨后進行多模型的空間參考系統三維配準，配準方法采用奇異值分解法，設定建筑區三維實景模型為目標模型，其他要素三維模型為源模型，在目標模型和源模型對應選擇量取3對以上的均勻分布的同名點，求取源模型向目標模型配準所需的旋轉、平移參數，實現模型的配準。

3.1.2 基于傳感器的建筑施工動態數據獲取與分析技術

為了實時獲取和掌握建筑施工過程中產生的各類動態信息，采用物理、化學、生物等類別傳感器對監測目標進行感測，解決動態數據實時接入及更新技術問題，可為開展即時性分析與決策提供數據保障。傳感器感測的數據內容主要包括目標對象的狀態、行為、位置等，并按照一定的時間頻率持續采集與記錄。建筑施工智能化管理所需傳感器的選型與部署，主要面向施工人員、機械設備、施工質量與進度、施工環境等目標對象，在施工區域內部署對應的傳感器并進行組網，從而實現對監測目標的感知。傳感器采集的數據通過數據預處理及數據語義轉換，在施工三維場景中進行標定與分析，達到對施工過程的管理與決策。建筑施工過程物聯感知數據獲取與分析如圖5所示。

3.2 建筑工地智能化管理技術系統架構設計

建筑工地智能化管理技術系統是基于上述面向建設單位的建筑工地智能化管理技術模式而建設開發的模塊化、集成化的計算機應用系統，通過獲取施工場地空間信息，結合施工場地三維實景模型，疊加多傳感器采集的施工動態信息，實現對施工人員、機械設備、環境要素及施工過程的全面感知，以及對施工安全、施工質量、施工進度及施工環境的科學管理。建筑工地智能化管理技術系統架構如圖6所示。

由圖6可知，應用層利用智能手機、電腦、大屏等顯示應用終端，形成多樣化應用的功能表達和呈現，具體功能包括基坑自動化監測、高支模監測、施工人員智能化管理、大型施工機械安全監控、施工場地環境安全自動化監測、施工進度監控、施工現場視頻立體監控等多個自動化監管子平臺；感知層由物聯感知終端構成，實現對施工建設過程的實時監控、智能感知、數據采集、多維互聯；網絡層通過多種網絡通信形式，建立感知層傳感器與業務平臺服務器之間的信息傳輸通道，即感知層采集的數據通過網絡層傳入數據層，經過數據清洗與處理后，進入數據層的數據庫存儲管理；數據層用于施工要素、施工動態過程數據的存儲與交互，支持施工管理數據決策分析；支撐層由統一框架接口和各種成熟的中間件構成；基礎設施層是系統實現各類應用的基礎平臺，由網絡、通信、辦公等硬件組成，為系統平臺運行的載體。

3.3 系統功能開發

3.3.1 項目實施總控看板

建立施工現場三維場景模型，疊加物聯感知數據，展示項目狀態信息，并通過項目風險分析，實時掌控項目施工總體狀況。系統功能開發項目實施總控看板功能如圖7a所示。

3.3.2 施工安全管理

施工安全管理主要包含施工人員安全管理和施工機械設備安全監控。

施工人員安全管理基于衛星、藍牙、視頻GIS定位方法的施工人員室內/室外一體化定位技術，實時掌握施工人員活動軌跡，智能識別施工人員違規作業行為，并及時語音播報警示，保障施工人員安全作業。系統功能開發施工人員安全管理人員定位與軌跡分析功能如圖7b所示。

施工機械設備安全監控通過部署在大型施工機械監測位置的多傳感器，實時監控升降機、塔吊運行實時動態情況，進行險情預警與告警等，以控制設備作業過程中的危險因素和安全隱患，有效地防范安全生產事故發生。系統功能開發大型施工機械塔吊運行狀態及安全監測功能如圖7c所示。

3.3.3 施工質量管理

施工質量管理包括施工階段基坑監測、高支模安全監測、施工質量巡查核查等內容。

基坑工程的施工過程中，利用動態監測數據自動完成對監測數據的分析處理，同時采用可視化技術將自動化監測數據進行可視化管理，將監測信息與基坑結構屬性進行時空關聯分析，從而及時識別基坑形變異常情況。系統功能開發基坑工程施工監測數據分析功能如圖7d所示。

高支模監測通過現場布設傳感器設備，實現對高支模模板沉降、立桿軸力、桿件傾角、支架整體水平位移4個參數的高頻率自動采集，實現實時數據無線傳輸、數據處理分析和現場聲光報警等功能。

施工質量巡查核查是一種管理方法，一旦發現施工質量問題，通過系統上傳現場質量問題信息，包括問題描述、檢查部位、問題庫和圖片資料等，相關單位或整改委員會立即收到問題信息并及時予以回復。整個質量管理流程在線上完成，大大縮短了問題處理的周期。現場質量問題由監理單位用戶上傳，選擇檢查部位，處理完成后，監理單位會同建設單位對施工單位的質量整改結果進行審核確認。

3.3.4 施工進度管理

以項目施工計劃作為施工進度管理目標，采用BIM模型與施工計劃建立時空關聯自動比對分析，以三維可視化方式跟蹤施工進展，針對存在的施工進度偏差，采取措施及時調整施工計劃，保障施工進度。

3.3.5 施工環境監控

依托自動化監測設備，對施工現場區域環境的天氣、空氣及噪聲進行實時監測，其中室外環境監測設備可對噪聲、顆粒物濃度（PM2.5、PM10）、風向、風速、濕度、溫度、大氣壓等多項環境參數要素進行全天候現場精確測量。系統能夠對所監測的數據進行分析，監管綠色施工實施情況，保障施工人員在安全的外部環境下工作。

4 結語

本文面向建設單位項目施工管理需求，以“保安全、重質量、促進度”為項目目標，兼顧施工現場“人、機、料、法、環”各要素及建筑施工全過程，以“三維虛實場景構建-施工動態監控-智能分析-管理決策”為技術路徑，融入建筑施工全程動態管控的內容與指標體系，構建兼顧全要素、全過程的施工工地智能化管理技術模式；利用信息化、智能化先進技術，建設包括施工安全、施工質量、施工進度、施工環境等管理功能模塊的建筑施工智能化管理平臺。通過建筑施工管理信息化技術手段的建設及應用，全面提升了建設項目管理的規范化、數字化、智能化、高效化水平，轉變了參建各方現場管理的交互方式、工作方式和管理模式，提高了企業對工程現場的管理水平。隨著人工智能、數字孿生、傳感器、大數據等技術的不斷發展，施工場景、施工過程的全方位、多層次、多尺度模擬與施工數據智能化分析與輔助決策是建筑施工智能化管理技術未來重要的研究方向。

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收稿日期：2023-09-26

作者簡介：

鄒亮（1981—），男，工程師，研究方向：后勤信息化管理。

殷岳峰（1984—），男，工程師，研究方向：后勤管理。