BIM技術(shù)驅(qū)動(dòng)的智慧工地?cái)?shù)據(jù)流程與創(chuàng)新應(yīng)用

1?研究背景隨著建筑施工行業(yè)對(duì)信息化建設(shè)探索地不斷深入，智慧工地應(yīng)運(yùn)而生。將云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、建筑信息模型（BIM）等先進(jìn)技術(shù)與建造技術(shù)深度融合，對(duì)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展起到了重要作用。其中BIM技術(shù)是智慧工地平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵支撐。（1）BIM模型作為現(xiàn)場(chǎng)施工信息的載體，能實(shí)現(xiàn)抽象數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)體的關(guān)聯(lián)。（2）BIM數(shù)據(jù)作為智慧工地?cái)?shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)，有助于提升抽象的施工過程數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化程度，提高數(shù)據(jù)的管理效率。（3）施工現(xiàn)場(chǎng)人員專業(yè)能力不同，對(duì)技術(shù)理解有差異，BIM技術(shù)的可視化特性和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)能提高協(xié)作質(zhì)量，提升管理效率。研究BIM技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的智慧工地?cái)?shù)據(jù)流程有助于挖掘數(shù)據(jù)潛力，創(chuàng)新應(yīng)用方向，為更廣闊的數(shù)字化施工管理需求賦能。2?基于BIM的智慧工地平臺(tái)架構(gòu)基于BIM的智慧工地平臺(tái)，從架構(gòu)上說，可分為3個(gè)層級(jí)。（1）終端。主要通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器和移動(dòng)設(shè)備，實(shí)時(shí)采集施工現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為高效的施工過程分析和管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。（2）平臺(tái)。通過搭建通用數(shù)據(jù)環(huán)境（CDE），也可稱作通用數(shù)據(jù)庫，用于為整個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提供收集、管理和傳遞圖紙、文檔、BIM模型和非模型信息的單一數(shù)據(jù)中心。這種單一數(shù)據(jù)環(huán)境有助于項(xiàng)目成員之間的協(xié)作，并有助于避免重復(fù)和錯(cuò)誤。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)過治理后存入通用數(shù)據(jù)庫，可供IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、大數(shù)據(jù)智能分析平臺(tái)、數(shù)據(jù)資源規(guī)劃平臺(tái)等篩選和調(diào)用，進(jìn)行計(jì)算、分析、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)。（3）應(yīng)用端。從業(yè)務(wù)目標(biāo)出發(fā)，為不同施工任務(wù)和場(chǎng)景提供便捷的數(shù)據(jù)分析成果展示、施工數(shù)據(jù)查詢、過程數(shù)據(jù)交互的各種應(yīng)用模塊，使項(xiàng)目的管理過程更加高效和精益。3?基于BIM的智慧工地?cái)?shù)據(jù)流程3.1?原始靜態(tài)數(shù)據(jù)的創(chuàng)建這一階段可使用設(shè)計(jì)BIM模型，按施工管理需求進(jìn)行深化和修正，也可由施工圖紙直接創(chuàng)建用于智慧工地平臺(tái)的施工BIM模型。需明確施工階段所需要的數(shù)據(jù)類型和內(nèi)容，制訂數(shù)據(jù)管理機(jī)制，編制統(tǒng)一的構(gòu)件命名規(guī)則，建立標(biāo)準(zhǔn)化的模型樣板，在此基礎(chǔ)上開展BIM模型的創(chuàng)建和基本信息錄入的工作。由于智慧工地平臺(tái)的應(yīng)用貫穿施工階段并且能為運(yùn)營提供服務(wù)，BIM模型創(chuàng)建時(shí)需預(yù)留與采購、施工、運(yùn)營、管理等相關(guān)的數(shù)據(jù)接口。原始靜態(tài)數(shù)據(jù)上傳至智慧工地平臺(tái)的通用數(shù)據(jù)環(huán)境后，應(yīng)按項(xiàng)目階段更新維護(hù)。3.2?過程數(shù)據(jù)的更新與維護(hù)基于BIM的智慧工地使得施工管理由粗放式走向精細(xì)化，而精細(xì)化管理模式的前提是數(shù)據(jù)的真實(shí)性和及時(shí)性。因此需建立有效的數(shù)據(jù)更新和維護(hù)機(jī)制，此階段通常有兩種數(shù)據(jù)：靜態(tài)管理數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)管理數(shù)據(jù)。對(duì)于靜態(tài)管理數(shù)據(jù)，一般是在編制施工組織設(shè)計(jì)時(shí)確定的數(shù)據(jù)內(nèi)容，與施工管理的需求相關(guān)，如產(chǎn)品型號(hào)、建造計(jì)劃、成本、編碼等信息數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)應(yīng)在智慧工地平臺(tái)中按階段錄入更新，再與BIM模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，需要通過專人審核再正式存入智慧工地平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，以此保障數(shù)據(jù)的真實(shí)性。對(duì)于動(dòng)態(tài)管理數(shù)據(jù)，一般是因人員活動(dòng)或事件改變而產(chǎn)生的管理數(shù)據(jù)，如真實(shí)的施工進(jìn)度、施工任務(wù)開展情況、材料和構(gòu)件生產(chǎn)與進(jìn)場(chǎng)安裝階段、質(zhì)量巡檢結(jié)果等。這類數(shù)據(jù)應(yīng)隨著施工進(jìn)展，由項(xiàng)目管理人員按一定周期錄入智慧工地平臺(tái)，或通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化錄入。例如施工進(jìn)度數(shù)據(jù)，通過無人機(jī)航拍定期更新現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度數(shù)據(jù)，導(dǎo)入錄入智慧工地平臺(tái)與BIM模型比對(duì)，生成進(jìn)度報(bào)告；例如材料管理數(shù)據(jù)，通過工地現(xiàn)場(chǎng)地磅系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別運(yùn)輸車輛車牌和皮重，自動(dòng)生成帶二維碼的運(yùn)料單，根據(jù)預(yù)設(shè)材料單價(jià)和運(yùn)輸價(jià)格，同步上傳至智慧工地平臺(tái)生成結(jié)算表；例如質(zhì)量巡檢數(shù)據(jù)，檢查人員直接使用App系統(tǒng)對(duì)各工序進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量跟蹤檢查，系統(tǒng)平臺(tái)質(zhì)量巡檢數(shù)據(jù)與BIM數(shù)據(jù)對(duì)接，通過發(fā)起系統(tǒng)流程促使檢查人員及時(shí)完成安全質(zhì)量巡檢記錄、整改記錄、整改審核記錄等，并進(jìn)行月度巡檢數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的更新需按標(biāo)準(zhǔn)化的流程保證其及時(shí)性，必要的情況下，還可與BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。3.3?動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成采集動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常有兩種用途。一類用于操作自動(dòng)化設(shè)備，例如采集打孔機(jī)器人的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，基于BIM模型數(shù)據(jù)提供的空間信息，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人開展自動(dòng)化施工。另一類用于分析和預(yù)警施工現(xiàn)場(chǎng)情況，例如視頻監(jiān)控作業(yè)面進(jìn)展情況和重要出入口車輛人員進(jìn)出，例如現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備儀表和傳感器監(jiān)測(cè)到的能耗和環(huán)境數(shù)據(jù)等。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)依托于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸，例如Zigbee、LoRaWAN、NB–IoT等通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)物與物在物理上的連接通信，再例如REST/HTTP、MQTT等通信協(xié)議支撐設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及通信。這些動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將在智慧工地平臺(tái)上集成、執(zhí)行分析，并反饋預(yù)警結(jié)果或驅(qū)動(dòng)特定的控制命令。4?基于BIM的智慧工地?cái)?shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用傳統(tǒng)的智慧工地著力于解決技術(shù)、進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全的問題，基于BIM的智慧工地能進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值和多元化的數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，以施工過程數(shù)據(jù)與BIM模型數(shù)據(jù)結(jié)合為基礎(chǔ)，從“協(xié)作、洞察、預(yù)測(cè)”這3個(gè)層面提升施工現(xiàn)場(chǎng)管理的“智慧”。4.1?增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）簡(jiǎn)化施工協(xié)作施工現(xiàn)場(chǎng)的協(xié)作復(fù)雜，采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可同時(shí)同地展示現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和可視化的BIM模型，輔助項(xiàng)目人員基于直觀的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源進(jìn)行溝通和決策。提取BIM模型的構(gòu)件幾何形體數(shù)據(jù)，設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，上傳至智慧工地平臺(tái)的通用數(shù)據(jù)庫。使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備接入智慧工地平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，掃描現(xiàn)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)，即可在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中定位和顯示模型。借助此技術(shù)，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行“虛實(shí)結(jié)合”的展示與推敲，將使得跨團(tuán)隊(duì)溝通與協(xié)調(diào)事半功倍，尤其是在復(fù)雜環(huán)境施工前、結(jié)構(gòu)施工預(yù)留預(yù)埋、復(fù)雜空間機(jī)電與裝飾安裝等實(shí)施環(huán)節(jié)有明顯增效。4.2?實(shí)時(shí)定位（RTLS）提升安全洞察力成熟的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)是硬件和軟件兩個(gè)維度的結(jié)合，共同提供監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位置信息，例如汽車的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是人們生活中最常見的實(shí)時(shí)定位技術(shù)應(yīng)用。在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)可被創(chuàng)新地部署于建筑物的內(nèi)部空間，來解決施工安全的問題。例如項(xiàng)目人員穿戴安裝了實(shí)時(shí)定位裝置的施工背心或施工頭盔，其定位數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)傳輸至智慧工地平臺(tái)，并與BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。項(xiàng)目管理人員可在應(yīng)用端的可視化模型中查看現(xiàn)場(chǎng)各區(qū)域人員的位置和一段時(shí)間內(nèi)的人流量。還可以在BIM模型中指定危險(xiǎn)區(qū)域，當(dāng)項(xiàng)目人員走進(jìn)危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，人員的實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)與危險(xiǎn)區(qū)域重疊，即可在智慧工地平臺(tái)上（包括聯(lián)動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警設(shè)備和可能的工人穿戴設(shè)備）進(jìn)行預(yù)警，規(guī)避安全問題。4.3?環(huán)境監(jiān)測(cè)（EM）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)洞察目前國內(nèi)對(duì)于綠色施工的要求極高，其中施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于外部環(huán)境的影響是項(xiàng)目實(shí)施過程中的重要監(jiān)控指標(biāo)，包括揚(yáng)塵、煙霧、光、噪聲等。傳統(tǒng)對(duì)于環(huán)境管控要求較高的項(xiàng)目，施工現(xiàn)場(chǎng)會(huì)安裝環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)一般包括氣象監(jiān)測(cè)采集、數(shù)據(jù)傳輸處理、溫度濕度監(jiān)控、揚(yáng)塵噪聲監(jiān)控、互聯(lián)終端查詢等模塊。目前智慧工地平臺(tái)借助對(duì)已有BIM數(shù)據(jù)和周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的承載，傳統(tǒng)傳感器采集的溫度、濕度、揚(yáng)塵含量等海量數(shù)據(jù)可依托BIM模型的空間區(qū)域和構(gòu)件目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和可視化表達(dá)。將環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成進(jìn)智慧工地平臺(tái)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可在平臺(tái)上集中顯示，信息公開透明，便于項(xiàng)目各參與方監(jiān)督。經(jīng)過智慧工地平臺(tái)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和處理，可驅(qū)動(dòng)智能降溫降塵系統(tǒng)，開啟對(duì)應(yīng)區(qū)域的消防和噴淋設(shè)施，并在施工人員移動(dòng)終端預(yù)警。圖1展示了一個(gè)集成了揚(yáng)塵傳感器信息的智慧工地平臺(tái)，可在平臺(tái)上直觀查看基于BIM數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)某個(gè)施工區(qū)域揚(yáng)塵超標(biāo)，則在平臺(tái)上發(fā)起預(yù)警，指導(dǎo)施工人員撤離并觸發(fā)自動(dòng)噴淋。圖1?智慧工地平臺(tái)上的人員實(shí)時(shí)定位示意（Skanska案例）4.4?人工智能（AI）驅(qū)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)建筑行業(yè)數(shù)據(jù)源正呈爆炸式增長，全球施工工地近兩年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是過去百年來的總和。如何充分利用數(shù)據(jù)產(chǎn)生價(jià)值是目前行業(yè)數(shù)字化研究的重點(diǎn)之一。除了智慧工地的常規(guī)應(yīng)用，如基于數(shù)據(jù)對(duì)項(xiàng)目當(dāng)前的安全、質(zhì)量、進(jìn)度進(jìn)行管理外，借助人工智能（AI）技術(shù)的力量，通過對(duì)過往海量施工數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，預(yù)測(cè)分析、安全觀察和安全監(jiān)控降低當(dāng)前項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，是目前智慧工地平臺(tái)應(yīng)用端的熱門研發(fā)方向。例如北美的NewMetrix科技公司推出的人工智能是專門針對(duì)建筑安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行訓(xùn)練和構(gòu)建的，使用了超過1000個(gè)項(xiàng)目的安全事件數(shù)據(jù)和1700多萬張建筑圖像的數(shù)據(jù)庫，可以識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行排名，并預(yù)測(cè)哪些20%的項(xiàng)目將在接下來的一周發(fā)生80%的安全事件。例如英國的GallifordTry工程公司采用訓(xùn)練有素的AI系統(tǒng)，可快速地將雜亂的工地?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，并將安全相關(guān)數(shù)據(jù)整理成圖表用于分析匯報(bào)，解放項(xiàng)目經(jīng)理每周8~10?h的工作時(shí)間。AI系統(tǒng)還可以識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)照片和視頻中的危險(xiǎn)行為，例如施工人員缺乏防護(hù)裝備、亂堆亂放施工物料、不安全施工操作等情況，及時(shí)警示和管理潛在風(fēng)險(xiǎn)。基于數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)其核心是使用數(shù)據(jù)改變行為，其數(shù)據(jù)流程分4個(gè)階段。（1）數(shù)據(jù)收集。使用過去的同類型項(xiàng)目數(shù)據(jù)，包括BIM數(shù)據(jù)、智慧工地平臺(tái)收集的過程數(shù)據(jù)等。（2）數(shù)據(jù)分析。將AI應(yīng)用與智慧工地平臺(tái)做集成，提供項(xiàng)目各參與方數(shù)據(jù)分析權(quán)限，以做出知情的、主動(dòng)的決策。（3）預(yù)測(cè)部署。將當(dāng)前項(xiàng)目與AI訓(xùn)練使用的施工數(shù)據(jù)庫做基準(zhǔn)測(cè)試，提供施工任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，并提供降低風(fēng)險(xiǎn)的建議。（4）風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。AI預(yù)測(cè)結(jié)果通過可視化處理，在智慧工地平臺(tái)上進(jìn)行展示，推送數(shù)