基于BIM技術的鋼結構施工智能管控平臺建立及應用

施工過程中的質量管理是建設項目能夠成功完成的重要環(huán)節(jié)。準確及時地獲取有關工作任務和施工資源的現(xiàn)場信息，有助于管理者做出提高施工生產率的決策。但是由于施工現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，智能化程度低，管理人員很難實時、全面地收集和共享現(xiàn)場信息，從而導致管理人員與現(xiàn)場施工人員之間不可避免地產生信息差。因此，為更好地溝通現(xiàn)場人員與管理人員，需要使用具有數(shù)據(jù)傳感和通信能力的工具，以有效獲取和交換現(xiàn)場施工信息。BIM技術的應用使可視化項目的進度成為可能，這不僅是一種高效的繪圖工具，用戶還可以通過以BIM為核心的管理平臺動態(tài)觀察整個施工過程的模擬，這也是一種控制和優(yōu)化施工進度的方法。施工質量管理平臺應滿足以下要求。（1）現(xiàn)場施工管理系統(tǒng)應能夠進行現(xiàn)場監(jiān)控，以了解施工項目的當前狀態(tài)。（2）系統(tǒng)應為現(xiàn)場工程師提供工作任務信息，以便于有效管理施工資源。（3）系統(tǒng)應具有實時信息共享功能，以促進施工參與者之間的高效互動。集成先進傳感技術、網絡技術、BIM技術，本研究旨在開發(fā)一個質量管理系統(tǒng)，允許用戶實時監(jiān)測施工的質量、核查施工任務以及共享項目信息。1?工程概況激光小鎮(zhèn)孵化器項目坐落于江蘇省宿遷市宿城經濟開發(fā)區(qū)。總建筑面積152?811.62㎡，總用地面積695?121㎡，1號樓地下1層，地上10層；2號、3號、6號~10號樓地下1層，地上5層，其中2號、6號、9號、10號附屬樓地下1層，地上2層；4號、5號樓地下一層，地上12層；11號地下1層，地上3層；12號地下1層，地上2層。垃圾站地上1層。（1）1號、4號、5號樓為高層鋼結構，其中1號樓為雙子樓中間10層–屋面層空中整體連接，跨度為26?m，高度40.5?m，鋼結構高空整體連接施工安裝、施工質量難度大。施工前編制專項施工方案、應急預案，按方案組織實施，及時發(fā)現(xiàn)并解決各類問題。（2）本項目體量大，建設周期短，施工現(xiàn)場大型設備同時工作。人員協(xié)調和設備管理復雜繁多，同時工程進度緊張，成本控制要求高。因此需要集成上述多重要素管理的系統(tǒng)進行統(tǒng)籌管理。（3）本項目參建單位眾多，施工過程中涉及多方單位的協(xié)同工作。傳統(tǒng)的管理方式難以滿足現(xiàn)場施工的要求，需要建立綜合性的管控平臺實現(xiàn)多方人員的信息交流和信息共享。2?平臺搭建的需求分析及搭建原則2.1?平臺需求分析2.1.1?訪問人員分類質量管理平臺集成項目內部的重要數(shù)據(jù)，應具有防止未經授權的用戶登錄以及防止低權限用戶檢索敏感數(shù)據(jù)的功能。項目利益相關者包括建設單位、主承包商、分包商、供應商等均有權在系統(tǒng)中注冊，并獲得輸入唯一的用戶ID和密碼。但是不同類型的施工環(huán)節(jié)涉眾信息或報告不同，用戶應被分配不同的權限。如建設單位被授予訪問大多數(shù)由主承包商提交的面向項目的質量管理數(shù)據(jù)的權限，這將使建設單位能夠明晰項目參與者的表現(xiàn)以及項目本身的狀態(tài)。然而分包商、供應商等只能檢索一些相關的信息。項目內部所儲存數(shù)據(jù)一方面可以作為一個一般的信息庫，另一方面與質量管理信息相結合可以提供決策支持。

2.1.2?現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集是質量管理平臺建立的基礎。采用傳感器、RFID標簽、嵌入式終端等方式對數(shù)據(jù)進行自動采集傳輸，減少人工統(tǒng)計，可提高數(shù)據(jù)收集的效率，保證數(shù)據(jù)的實時性。針對鋼結構施工特點，從構件、設備的角度，對全部信息進行全方位采集，保證數(shù)據(jù)全面性。加強質量控制的精準性。2.1.3?數(shù)據(jù)管理在進行數(shù)據(jù)采集之后，應對不同階段的質量數(shù)據(jù)進行合理的分配和管理，數(shù)據(jù)的集成管理是實現(xiàn)多項功能的基本支持。數(shù)據(jù)集成管理應劃分詳細的時間、區(qū)域界限，對于人員、環(huán)境、機械數(shù)據(jù)應做好異構數(shù)據(jù)的處理。實現(xiàn)數(shù)據(jù)邏輯化存儲，避免數(shù)據(jù)重復、雜糅。對于施工過程中產生的不可避免的罰單，應當在系統(tǒng)中填寫一份不合格表，記錄不合格的細節(jié)、位置、發(fā)現(xiàn)日期等，以便于再次審查。2.1.4?質量識別和評價在傳統(tǒng)施工過程中，每個施工階段都會由主承包商派遣工程師進行質量檢查。但是限于工程師的個人經驗以及過多檢查點，質量問題并不能做到沒有遺漏的控制。因此智能化的質量識別技術顯得尤為重要。通過集合工程師經驗以及規(guī)范標準訓練智能算法，達到智能質量識別的目的。另外，階段性的質量評價使施工管理人員更直觀地了解現(xiàn)場施工人員施工水平和項目情況，為下一階段的質量控制提供有效的決策建議。2.2?管理平臺建立原則2.2.1?高效性

平臺的建立目的是為建筑質量管理提供方便，目標用戶包括專業(yè)的項目管理人員，也有受管理的施工人員。所以需要簡潔、友好的用戶界面以及簡單易懂的操作步驟。在管理人員方面，平臺要提供快速掌握系統(tǒng)的業(yè)務邏輯、操作流程等。對于施工人員來說，要有一目了然的操作界面和簡單的操作流程，可以快速準確地使用該系統(tǒng)的功能，以便于責任認定，避免糾紛。

2.2.2?安全性平臺需要保證信息數(shù)據(jù)的安全。質量管理數(shù)據(jù)涉及建筑物建造過程中的結構關鍵信息。對于大型公共建筑，其數(shù)據(jù)中有很多直接關于重要活動的關鍵信息。因此，系統(tǒng)應該設計有可靠的安全保障手段，避免惡意入侵。

2.2.3?穩(wěn)定性

質量管理是建筑施工管理中的重要環(huán)節(jié)，需要貫穿整個建筑的施工階段。質量數(shù)據(jù)需要每天更新、查看，因此需要系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性，能夠承受大量數(shù)據(jù)的運行，以保證其穩(wěn)定正常運行。當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時應具備數(shù)據(jù)還原功能。2.2.4?可擴展性

目前該系統(tǒng)的功能可滿足部分質量管理需求，但仍有很多功能尚需研究和開發(fā)，所以需要該系統(tǒng)能夠有良好的擴展性。當有新需求和功能出現(xiàn)時，能夠使其增加更多功能，更好為質量管理提供服務。3?平臺架構本系統(tǒng)在結合實際工程中管理人員的需求以及從數(shù)據(jù)可視化的角度進行綜合分析的基礎上，提出了平臺運行的分層體系結構。本文提出的質量管理平臺架構旨在將異構資產和數(shù)據(jù)源與其集成應用，優(yōu)化用戶使用，提供有效的質量管理。通過智能化、可視化渠道進一步滿足管理人員對施工質量管理的需要。該體系結構由數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)/模型集成層、算法層、應用層、用戶層等六層組成，如圖1所示。圖1?平臺架構示意系統(tǒng)架構設計是系統(tǒng)設計的核心內容，合理的系統(tǒng)架構設計既可以為系統(tǒng)開發(fā)人員提供開發(fā)思路，也能為用戶提供梳理系統(tǒng)的應用流程。以平臺的需求為起點，進行系統(tǒng)架構設計，首先明確系統(tǒng)總體的架構邏輯，然后以需求分析為依據(jù)設計出系統(tǒng)的各個功能模塊。數(shù)據(jù)采集層是系統(tǒng)設計的基礎。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式主要有人工記錄、施工日志、拍照記錄等3種記錄方式。這3種方式需要現(xiàn)場人員參與采集過程，因此稱之為接觸式數(shù)據(jù)采集。由于智能技術的進步，出現(xiàn)了多種非接觸式數(shù)據(jù)采集的方式，例如RFID、QR碼、圖像識別、分布式傳感器系統(tǒng)等。根據(jù)鋼結構施工過程質量管理中的不同功能需求，將設備和技術與施工材料相結合，進行組織良好的架構設計。數(shù)據(jù)采集層具有對施工過程中物理實體（BPE）的物理屬性感知的功能。傳輸層是連接數(shù)據(jù)與平臺的重要層級。數(shù)據(jù)從物理設備收集到之后，將由通信設備連接到公共數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)中心。這一層可使用多種通信技術，如5G、低功耗廣域網（LP–WAN）。在現(xiàn)有的技術中，Wi-Fi/Bluetooth是最為常用的無線局域網技術。隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展Lora協(xié)議無線傳輸，UWB無線傳輸?shù)燃夹g也被用于建造過程的數(shù)據(jù)傳輸。攝像頭采集的視頻信息信息量巨大，主要通過有線傳輸形式進行信息傳輸。但在5G的發(fā)展下，無線實時傳輸視頻文件也不再遙不可及。借由網絡層的各種通信連接（BCN）方式，搭建了現(xiàn)實空間與虛擬空間的橋梁。數(shù)據(jù)/模型集成層提供了數(shù)字孿生模型和補充信息，支持上層并連接底層。該層級的核心包括數(shù)據(jù)和模型的存儲、分析、集成、處理。在這個層級結構中，數(shù)據(jù)分析和模型更新將構建施工過程的現(xiàn)有情況，包括構件信息、狀態(tài)，建筑施工進度等?？梢暬臄?shù)據(jù)管理框架可實現(xiàn)動態(tài)和有效的數(shù)據(jù)管理。根據(jù)設計階段的幾何數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)層所收集的物理數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)對模型信息進行優(yōu)化、更新，再以規(guī)則模型作為限制條件，建立動態(tài)可擴展的數(shù)字孿生模型。將“幾何–物理–行為–規(guī)則”四個層面的模型融合，通過Java在Web端進行展示。算法層內嵌了多種人工智能算法，包括圖像識別、BP神經網絡、Markov函數(shù)等。算法已經過大量樣本運算，進行參數(shù)優(yōu)化。可實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的運算，并將結果反饋至應用層。應用層是平臺的終端顯示層，包含了平臺各項功能的模塊，為用戶提供目標服務。應用層主要包括質量數(shù)據(jù)管理、節(jié)點工藝展示、遠程視頻輔助、施工質量識別、階段性質量評價5個模塊。這些功能加載于公有云服務器當中，各方用戶通過互聯(lián)網訪問，達到質量管理（BSS）服務的目的。用戶層是平臺建立最后一部分。本研究的用戶主要包括項目經理、管理員、施工員、分包商等。根據(jù)不同用戶的需求設置訪問權限。借助平板電腦、PC端、智能手機等多種終端形式訪問服務器，實現(xiàn)平臺功能的輸出。用戶根據(jù)平臺中獲取的信息進一步對建造過程的質量問題進行決策。4?數(shù)據(jù)采集與管理4.1?BIM模型的建立平臺建立的基礎是BIM模型。在傳統(tǒng)施工過程中施工圖紙的交付標準仍然是二維的。因此，項目參與人員無法獲取直接有效的3D模型。此外，管理人員需要在施工過程中對施工進度、成本、安全和質量進行整體控制。利用建筑構件的三維模型作為信息控制單元，可以幫助管理人員更準確地了解施工整體情況。BIM模型瀏覽效果如圖2所示。圖2?BIM模型瀏覽效果4.2?人員數(shù)據(jù)收集人員是施工過程中最不穩(wěn)定的因素，因此通過定位施工人員位置，規(guī)范施工人員技術可保障施工質量和安全。在本平臺中通過智能閘機、施工現(xiàn)場的攝像頭、智能穿戴設備實現(xiàn)人員數(shù)據(jù)的采集和管理。一方面智能閘機會收集施工人員進場和出場的事件記錄，另一方面將工種進行分類收集。除了可以確保施工人員正確身份外，還可以根據(jù)工種以及施工進度安排施工任務。施工現(xiàn)場的攝像頭可實時監(jiān)控工人行為，避免不安全事件的發(fā)生。智能穿戴設備可以指導施工人員進行規(guī)范操作。通過記錄施工人員練習的分數(shù)，對分數(shù)較低的人員進行反復教育，以起到提高安全意識和操作技術的作用。4.3?設備數(shù)據(jù)收集由于此項目涉及多專業(yè)協(xié)同施工，常出現(xiàn)多臺大型施工機械設備同時工作的情況。設備的運行數(shù)據(jù)需要及時采集才能更好地規(guī)劃項目進度，保證施工質量。在傳統(tǒng)施工過程，設備管理信息多交由外包的專業(yè)技術人員進行收集，項目管理人員并不能及時了解設備運行狀態(tài)以及使用情況。這種信息的落差導致資源的浪費和危險的可能。為解決上述問題，在本工程中建立了設備數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，即在平臺中有完整的設備參數(shù)信息，設備管理人員將維護記錄以及維護數(shù)據(jù)通過本地服務器上傳至云端服務器，反饋至管理平臺中。管理人員可查看維護記錄以及設備狀態(tài)記錄。在本項目中同種材料不同尺寸構件繁多，同時鋼構件占用場地面積較大，需要收集詳盡的物料數(shù)據(jù)，以保證物料質量及施工場地布置。采用RFID銘牌記錄批量構件的編號、生產信息、材料屬性、施工事件等信息?，F(xiàn)場人員在施工開始前先使用專業(yè)儀器確定構件信息，再將使用構件信息反饋至管理平臺。在施工后質量檢查階段仍可根據(jù)銘牌信息進行材料溯源。4.4?環(huán)境數(shù)據(jù)收集宿遷地區(qū)揚塵治理管控日趨嚴格，力度大。嚴禁土方運輸、混凝土、砂、石等材料生產運輸，嚴重影響施工工期，同時混凝土、砂、石等材料的價格波動也較大。因此在施工現(xiàn)場布置了多種傳感器設備監(jiān)測現(xiàn)場施工環(huán)境，其中包括風向、風速、溫度、濕度、PM2.5濃度的傳感器和揚塵噪聲監(jiān)控設備等。同時施工現(xiàn)場關鍵位置的攝像頭可實時監(jiān)控現(xiàn)場情況，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，保證施工質量。4.5?工法數(shù)據(jù)錄入在平臺中錄入法則資料，為質量判斷、安全保證提供依據(jù)。5?平臺功能應用將上述平臺構建理論、應用需求、平臺構建技術相結合建立了基于BIM技術的鋼結構施工智能化管控平臺，實現(xiàn)鋼結構施工過程中的數(shù)據(jù)整合以及智能化管控。保證施工項目的質量標準以及安全準則，也確保了成本和進度在可控范圍內。5.1?進度管理對于項目投資方來說，施工進度是最需要關注的環(huán)節(jié)之一，但是傳統(tǒng)的施工進度圖不能讓投資方直觀地了解施工進度。同時，此項目中涉及多方工種協(xié)同工作，需要多方人員同時共享任務完成情況。因此，以項目的BIM模型為基礎與項目部分施工段的施工進度相結合，實現(xiàn)了項目進度的管控和可視化展示。根據(jù)不同的施工環(huán)節(jié)，在平臺中建立相對應的二維進度圖。在進度管理模塊中還可以根據(jù)施工進度要求結合三維模型進行施工進度預模擬，對施工內容進行提前分析。5.2?人員管理系統(tǒng)根據(jù)不同的服務主體，劃分不同的服務內容。進入平臺的人員需要輸入對應的ID和密碼才能進入系統(tǒng)。進入施工現(xiàn)場的工作人員會通過閘機將人員信息記錄在人員管理模塊中，根據(jù)不同施工任務可找到相應負責人。施工人員根據(jù)工作內容可在系統(tǒng)的移動端找到對應任務，同時還可以獲取與任務相關的操作指南指導現(xiàn)場施工。另外施工人員需要將自己的活動記錄在管控平臺，當現(xiàn)場出現(xiàn)質量不合格的事件時，可及時找到施工人員進行整改，同時方便了管理人員進行精細化人員管理。5.3?質量安全監(jiān)測現(xiàn)場管理人員每日完成質量、安全的巡檢工作，將巡檢記錄至平臺中，施工人員根據(jù)整改通知單進行整改，同時將整改事件記錄至平臺中，以此形成閉環(huán)管理，這樣的閉環(huán)管理架構可規(guī)范日常施工行為，降低質量安全風險，使管理過程清晰有序，真實記錄全程可追溯。智能管控平臺在項目日常檢查管理中的應用包括管理行為的數(shù)字化記錄、建立共享性的檢查記錄、評分流程和規(guī)則完全依據(jù)業(yè)主要求的質量安全管理辦法、信息由平臺自動記錄并推送相關人員，避開管理中人的因素影響。5.4?環(huán)境預警在本平臺中通過傳感器所收集到的信息，經過多源異構和輕量化處理之后導入至平臺中，形成環(huán)境監(jiān)測動態(tài)波動圖，可累積環(huán)境歷史數(shù)據(jù)。將所監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)圖與施工現(xiàn)場環(huán)境信息以及現(xiàn)場地理信息相結合，根據(jù)圖中的曲線波動，尋找波谷確定數(shù)據(jù)異常位置，對不合格的位置進