BIM技術(shù)驅(qū)動的智慧工地數(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)對信息化建設(shè)探索地不斷深入，智慧工地應(yīng)運而生。將云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、建筑信息模型（BIM）等先進技術(shù)與建造技術(shù)深度融合，對建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展起到了重要作用。其中BIM技術(shù)是智慧工地平臺建設(shè)的關(guān)鍵支撐。（1）BIM模型作為現(xiàn)場施工信息的載體，能實現(xiàn)抽象數(shù)據(jù)與現(xiàn)場施工實體的關(guān)聯(lián)。（2）BIM數(shù)據(jù)作為智慧工地數(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)場人員專業(yè)能力不同，對技術(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)動下的智慧工地數(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的智慧工地平臺架構(gòu)基于BIM的智慧工地平臺，從架構(gòu)上說，可分為3個層級。（1）終端。主要通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器和移動設(shè)備，實時采集施工現(xiàn)場動態(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。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，用于為整個項目團隊提供收集、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)境有助于項目成員之間的協(xié)作，并有助于避免重復(fù)和錯誤。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、大數(shù)據(jù)智能分析平臺、數(shù)據(jù)資源規(guī)劃平臺等篩選和調(diào)用，進行計算、分析、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和任務(wù)驅(qū)動。（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，使項目的管理過程更加高效和精益。3?基于BIM的智慧工地數(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BIM模型，按施工管理需求進行深化和修正，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。由于智慧工地平臺的應(yīng)用貫穿施工階段并且能為運營提供服務(wù)，BIM模型創(chuàng)建時需預(yù)留與采購、施工、運營、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的通用數(shù)據(jù)環(huán)境后，應(yīng)按項目階段更新維護。3.2?過程數(shù)據(jù)的更新與維護基于BIM的智慧工地使得施工管理由粗放式走向精細化，而精細化管理模式的前提是數(shù)據(jù)的真實性和及時性。因此需建立有效的數(shù)據(jù)更新和維護機制，此階段通常有兩種數(shù)據(jù)：靜態(tài)管理數(shù)據(jù)、動態(tài)管理數(shù)據(jù)。對于靜態(tài)管理數(shù)據(jù)，一般是在編制施工組織設(shè)計時確定的數(shù)據(jù)內(nèi)容，與施工管理的需求相關(guān)，如產(chǎn)品型號、建造計劃、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數(shù)據(jù)庫中，以此保障數(shù)據(jù)的真實性。對于動態(tài)管理數(shù)據(jù)，一般是因人員活動或事件改變而產(chǎn)生的管理數(shù)據(jù)，如真實的施工進度、施工任務(wù)開展情況、材料和構(gòu)件生產(chǎn)與進場安裝階段、質(zhì)量巡檢結(jié)果等。這類數(shù)據(jù)應(yīng)隨著施工進展，由項目管理人員按一定周期錄入智慧工地平臺，或通過技術(shù)手段實現(xiàn)自動化錄入。例如施工進度數(shù)據(jù)，通過無人機航拍定期更新現(xiàn)場進度數(shù)據(jù)，導(dǎo)入錄入智慧工地平臺與BIM模型比對，生成進度報告；例如材料管理數(shù)據(jù)，通過工地現(xiàn)場地磅系統(tǒng)自動識別運輸車輛車牌和皮重，自動生成帶二維碼的運料單，根據(jù)預(yù)設(shè)材料單價和運輸價格，同步上傳至智慧工地平臺生成結(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)對各工序進行實時質(zhì)量跟蹤檢查，系統(tǒng)平臺質(zhì)量巡檢數(shù)據(jù)與BIM數(shù)據(jù)對接，通過發(fā)起系統(tǒng)流程促使檢查人員及時完成安全質(zhì)量巡檢記錄、整改記錄、整改審核記錄等，并進行月度巡檢數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。動態(tài)數(shù)據(jù)的更新需按標(biāo)準(zhǔn)化的流程保證其及時性，必要的情況下，還可與BIM模型數(shù)據(jù)進行動態(tài)關(guān)聯(lián)。3.3?動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成采集動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)通常有兩種用途。一類用于操作自動化設(shè)備，例如采集打孔機器人的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，基于BIM模型數(shù)據(jù)提供的空間信息，驅(qū)動機器人開展自動化施工。另一類用于分析和預(yù)警施工現(xiàn)場情況，例如視頻監(jiān)控作業(yè)面進展情況和重要出入口車輛人員進出，例如現(xiàn)場的設(shè)備儀表和傳感器監(jiān)測到的能耗和環(huán)境數(shù)據(jù)等。動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)依托于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實時傳輸，例如Zigbee、LoRaWAN、NB–IoT等通信技術(shù)實現(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)進行數(shù)據(jù)交換及通信。這些動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)將在智慧工地平臺上集成、執(zhí)行分析，并反饋預(yù)警結(jié)果或驅(qū)動特定的控制命令。4?基于BIM的智慧工地數(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)、進度、成本、質(zhì)量、安全的問題，基于BIM的智慧工地能進一步挖掘數(shù)據(jù)的價值和多元化的數(shù)據(jù)應(yīng)用場景，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”這3個層面提升施工現(xiàn)場管理的“智慧”。4.1?增強現(xiàn)實（AR）簡化施工協(xié)作施工現(xiàn)場的協(xié)作復(fù)雜，采用增強現(xiàn)實技術(shù)可同時同地展示現(xiàn)場實際情況和可視化的BIM模型，輔助項目人員基于直觀的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源進行溝通和決策。提取BIM模型的構(gòu)件幾何形體數(shù)據(jù)，設(shè)置基準(zhǔn)點坐標(biāo)，上傳至智慧工地平臺的通用數(shù)據(jù)庫。使用增強現(xiàn)實設(shè)備接入智慧工地平臺網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，掃描現(xiàn)場基準(zhǔn)點，即可在增強現(xiàn)實環(huán)境中定位和顯示模型。借助此技術(shù)，將設(shè)計數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際場景進行“虛實結(jié)合”的展示與推敲，將使得跨團隊溝通與協(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)雜空間機電與裝飾安裝等實施環(huán)節(jié)有明顯增效。4.2?實時定位（RTLS）提升安全洞察力成熟的實時定位系統(tǒng)是硬件和軟件兩個維度的結(jié)合，共同提供監(jiān)測目標(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時定位技術(shù)應(yīng)用。在建筑施工現(xiàn)場，實時定位系統(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。例如項目人員穿戴安裝了實時定位裝置的施工背心或施工頭盔，其定位數(shù)據(jù)將實時傳輸至智慧工地平臺，并與BIM模型數(shù)據(jù)進行比對。項目管理人員可在應(yīng)用端的可視化模型中查看現(xiàn)場各區(qū)域人員的位置和一段時間內(nèi)的人流量。還可以在BIM模型中指定危險區(qū)域，當(dāng)項目人員走進危險區(qū)域時，人員的實時定位坐標(biāo)與危險區(qū)域重疊，即可在智慧工地平臺上（包括聯(lián)動的現(xiàn)場預(yù)警設(shè)備和可能的工人穿戴設(shè)備）進行預(yù)警，規(guī)避安全問題。4.3?環(huán)境監(jiān)測（EM）加強現(xiàn)場洞察目前國內(nèi)對于綠色施工的要求極高，其中施工現(xiàn)場對于外部環(huán)境的影響是項目實施過程中的重要監(jiān)控指標(biāo)，包括揚塵、煙霧、光、噪聲等。傳統(tǒng)對于環(huán)境管控要求較高的項目，施工現(xiàn)場會安裝環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)一般包括氣象監(jiān)測采集、數(shù)據(jù)傳輸處理、溫度濕度監(jiān)控、揚塵噪聲監(jiān)控、互聯(lián)終端查詢等模塊。目前智慧工地平臺借助對已有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)進行結(jié)構(gòu)化和可視化表達。將環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)集成進智慧工地平臺，監(jiān)測數(shù)據(jù)可在平臺上集中顯示，信息公開透明，便于項目各參與方監(jiān)督。經(jīng)過智慧工地平臺對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理，可驅(qū)動智能降溫降塵系統(tǒng)，開啟對應(yīng)區(qū)域的消防和噴淋設(shè)施，并在施工人員移動終端預(yù)警。圖1展示了一個集成了揚塵傳感器信息的智慧工地平臺，可在平臺上直觀查看基于BIM數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果，當(dāng)某個施工區(qū)域揚塵超標(biāo)，則在平臺上發(fā)起預(yù)警，指導(dǎo)施工人員撤離并觸發(fā)自動噴淋。圖1?智慧工地平臺上的人員實時定位示意（Skanska案例）4.4?人工智能（AI）驅(qū)動風(fēng)險預(yù)測建筑行業(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)生價值是目前行業(yè)數(shù)字化研究的重點之一。除了智慧工地的常規(guī)應(yīng)用，如基于數(shù)據(jù)對項目當(dāng)前的安全、質(zhì)量、進度進行管理外，借助人工智能（AI）技術(shù)的力量，通過對過往海量施工數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，預(yù)測分析、安全觀察和安全監(jiān)控降低當(dāng)前項目的風(fēng)險，是目前智慧工地平臺應(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建筑安全風(fēng)險進行訓(xùn)練和構(gòu)建的，使用了超過1000個項目的安全事件數(shù)據(jù)和1700多萬張建筑圖像的數(shù)據(jù)庫，可以識別風(fēng)險指標(biāo)，根據(jù)風(fēng)險對項目進行排名，并預(yù)測哪些20%的項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數(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，解放項目經(jīng)理每周8~10?h的工作時間。AI系統(tǒng)還可以識別現(xiàn)場照片和視頻中的危險行為，例如施工人員缺乏防護裝備、亂堆亂放施工物料、不安全施工操作等情況，及時警示和管理潛在風(fēng)險。基于數(shù)據(jù)的預(yù)測其核心是使用數(shù)據(jù)改變行為，其數(shù)據(jù)流程分4個階段。（1）數(shù)據(jù)收集。使用過去的同類型項目數(shù)據(jù)，包括BIM數(shù)據(jù)、智慧工地平臺收集的過程數(shù)據(jù)等。（2）數(shù)據(jù)分析。將AI應(yīng)用與智慧工地平臺做集成，提供項目各參與方數(shù)據(jù)分析權(quán)限，以做出知情的、主動的決策。（3）預(yù)測部署。將當(dāng)前項目與AI訓(xùn)練使用的施工數(shù)據(jù)庫做基準(zhǔn)測試，提供施工任務(wù)風(fēng)險預(yù)測，并提供降低風(fēng)險的建議。（4）風(fēng)險預(yù)警。AI預(yù)測結(jié)果通過可視化處理，在智慧工地平臺上進行展示，推送數(shù)