南沙青少年宮項目智慧工地信息化系統集成應用研究

徐 瑞 崔 麟 次曉樂 王興龍

(1.廣州市南沙區建設中心，廣州 511455； 2.廣州市南沙區城市更新土地整備中心，廣州 511455； 3.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083； 4.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

引言

建筑行業是一個管理粗放、人員多且分布廣泛、信息化集成程度不高、工作環境相對較差的行業，工地則屬于環境復雜、人員復雜、效率不高的區域。如何保證工地施工現場施工的安全、文明、規范、高效與綠色，是項目管理者心中的重中之重。據住建部統計， 2015年建筑安全事故發生多起，傷亡多人，為我們敲響了警鐘[1]。在這一方面，監管力度達不到是建筑安全事故頻發的關鍵原因之一。同時， 2016年9月26日住建部官網印發《2016～2020年建筑業信息化發展綱要》，旨在增強建筑業信息化發展能力，優化建筑業信息化發展環境，加快推動信息技術與建筑業發展深度融合，文中提出了未來建筑業信息化發展的目標，要全面提高建筑業的信息化水平[2]。為搭建有效的監控監管平臺，提高建筑業信息化水平，使工地的管理更智能、更精細，提高施工效率，打通工程各個階段的數據傳輸鏈條，使得各階段信息不再是一座座“孤島”，“智慧工地”系統應運而生。智慧工地即有智慧的工地，工地本身不擁有智慧，而它的運作則要依賴人的智慧，通過在工地上運用信息技術，如傳感網絡、遠程視頻監控、地理信息系統、物聯網、云計算等，使工地擁有智慧，減少對人的依賴，實現對工地的“自動”監管，從技術和管理上雙管齊下提高建設工地水平，也在一定程度上保障了工地的安全。

近年來，美國、英國、新加坡和韓國等國家都在BIM技術的研究與應用方面積極探索并且取得了較大的進步，特別是在計算機技術飛速發展的當下，BIM的落地更易于實現。智慧工地的應用離不開BIM技術，該技術的成功應用是智慧工地得以發展的重要一環[3]，被引入施工階段，國外的智慧工地系統給我們提供了很多值得借鑒的經驗[4]。國內多位專家學者圍繞“智慧工地”也進行了深度探索與研究。毛志兵[5]從全局的角度剖析了智慧工地的特征和發展階段，提出為了有利于建筑業發展的可持續與“綠色”，必須要推進智慧工地的建設； 曾凝霜等[6]、韓豫等[7]、朱伯忠[8]深入研究了智慧工地系統的架構與構建，為其應用奠定了基石； 孫文俠等[9]、黃穎等[10]研究了智慧工地在公路工程項目中的應用； 智慧工地系統在多個工程項目中也得到了應用[11-19]，且都在一定層面上取得了良好的效益，這與政府、企業和專家學者的努力推動是分不開的，因此，南沙青少年宮項目智慧工地系統的建設與應用存在著一定的理論和實踐依據。除此之外，青少年宮是廣州市南沙區明珠灣建設的重點項目之一，該地交通發達，經濟、社會條件良好，施工項目多，對管理的要求高，建立一套有效的智慧工地管理系統，實現項目管理人員對項目的遠程監管，與青少年宮建設要求的綠色、低碳、智慧、特色相呼應，保障施工安全，提高信息工業化應用水平，將有力推動城市的發展。事實證明，該智慧工地信息化系統對青少年宮項目應用效果顯著，安全事故發生率大幅減少，實現了高效、綠色、智慧的管理。

圖1 南沙青少年宮項目效果圖

1 工程背景介紹

1.1 項目簡介

南沙青少年宮項目位于廣州市南沙區黃閣鎮鳳凰大道西側，蕉門水道北側，總用地面積30 036m2，總建筑面積56 258 m2，其中地上建筑面積42 345 m2，地下為一層，建筑面積13 913 m2，項目建筑密度38.5%，綠地率35%，目標打造國際領先、國內一流的青少年宮項目。建設成為面向粵港澳大灣區的綜合性、示范性國際青少年交流活動平臺，建設成為明珠灣起步區綠色、循環、低碳的試點示范項目，推進南沙新型城市化發展、廣州南沙新區城市副中心及高水平對外開放門戶樞紐建設。項目效果圖如圖1所示。

1.2 工程特點及難點

南沙青少年宮項目主要建設內容包括劇場、素質教育區、對外交流區、特色科技中心、辦公區、服務區、輔助用房、地下室及其他輔助配套設施、戶外活動場地等，致力于把南沙青少年宮建設成一個集社會體驗、科技、體育、團隊活動及藝術教育等功能于一體的具有粵港澳青年特色的現代化綜合性國際青少年交流活動基地。除基礎設施外，還對信息化建設提出了較高的要求，工期緊張。根據上級指示要求，建設要緊扣十八大關于“創新、協調、綠色、開放、共享”的五大發展理念，充分體現明珠灣區“綠色生態、低碳節能、智慧城市、嶺南特色”規劃建設理念，建成滿足南沙未來十年發展需要的“國際化、高端化、精細化、品質化”青少年交流活動基地。這些建設理念要求項目經理在項目實施初期就制定出高品質建設方案，并要積極推動智慧工地系統落地，且項目以爭創魯班獎為目標，對質量和管理有較高要求。

2 “南沙區建設管理中心智慧工地”系統在青少年宮項目中的應用

2.1 “南沙區建設管理中心智慧工地”系統架構

本智慧工地管理系統架構由基礎設施層、支撐平臺層、應用平臺層、用戶層構成。由于智慧工地管理系統同時涉及多個不同用戶類型，且存在大量的數據共享、溝通協作，所以系統采用了云架構，因為云架構能夠有效保障不同客戶類型之間的溝通協作和數據共享。架構圖如圖2所示。

圖2 智慧工地系統架構

基礎設施層作為智慧工地系統的基礎，承擔了對現場各類信息識別采集、傳輸和控制的功能，該層配備了環境監測傳感器、視頻監控、機械設備安全監控等各種設備或基礎設施，用以采集施工現場的信息。支撐平臺層為應用層的具體應用提供技術支撐，包含互聯網協作、管理協同、移動互聯、IoT接入、BIM、GIS這些功能，匯聚整個施工現場各種信息數據，實現各業務功能模塊的集成運行。應用平臺層是指施工現場所需管理的業務應用，包括工程信息管理、人員管理、安全管理、綠色施工管理、視頻監控、機械設備管理等模塊，是系統的主體部分，各應用之間還有對應的數據統計、分析、預警和各模塊之間的數據共享等功能。用戶層則是指南沙區建設中心籌備組項目管理人員、勘察單位、設計單位、施工單位和監理單位等相關業務人員以及系統管理員和數據維護人員等。整個系統從整體上來說即為收集信息、分析信息、信息應用的路線[20]，形成一個完整的流動過程。

2.2 智慧工地功能模塊

如今物聯網技術、無線射頻識別技術、三維激光掃描技術、虛擬現實技術、云、大數據等發展得日新月異，但是某項技術是不可能單獨地得到高效應用的，必須要借助信息化模型來支撐和整合，換句話來說就是要利用BIM技術建立建筑信息模型，依據模型使用各項先進技術。如在現場施工中的環境管理方面，我們要在工地放置空氣監測設備，達到預警值之后自動降塵噴霧，它們位置的確定則需要在事先建立的BIM模型上進行智能化分析、選點，使得噴霧能噴在揚塵最嚴重的地方，整個現場中最合適。通過BIM推動智慧工地的建設，才能使智慧工地更智慧，可以說BIM模型越精細，智慧工地越高效。南沙青少年宮的管理信息化技術應用正是建立基于BIM的智慧工地系統，從建設項目管理的角度建立了多個模塊，涵蓋了施工過程所需考慮的各種需要，系統構建嚴謹，理念先進，具有較強的可操作性。

2.2.1 工程信息管理

工程信息包括項目本身的基本信息如項目名稱、地址、類型、開工和竣工時間、參建單位等，以及工程項目各功能數據如人員、工程、質量、安全等信息統計和預警信息展示的統計信息。這些數據在智慧工地平臺的首頁進行管理與展示，最終目的一定是管理，所以平臺還提供了綜合信息數據分析功能，是為了滿足施工現場的數據應用、多維度數據關聯分析，還可自動生成圖表或報表。如圖3所示。

2.2.2 人員管理

(1)人員管理需要首先制定用人計劃，根據項目需求確定用人方案，系統提供用人計劃監測預警功能，當實際情況不滿足要求時作出預警，管理人員可作出反應，及時調整實際用人情況，保證項目有序進行。

(2)實行勞務實名制管理，在平臺里錄入現場人員的基本信息，采集了包括但不限于姓名、性別、血型、身份證號、民族、出生日期、籍貫、家庭住址、身份證簽發機關等等項。如圖4所示。

圖3 工程信息展示

圖4 人員基本信息

(3)在考勤方面，考慮到實際應用效果及成本，選用了人臉識別方式，結合智慧閘機，自動記錄考勤。如圖5所示。

圖5 人員考勤信息

(4)人員管理中很重要的一個選項是培訓教育管理，目前傳統人工培訓的方式采用得較多，在青少年宮智慧工地中，我們利用新技術提升勞務人員安全教育的效率和效果，改為在線教育的方式，并且培訓記錄都上傳至系統，便于查看記錄，如圖6。

(5)另外，為對員工作出激勵，員工的獎罰記錄也在系統備案，見圖7。

圖6 培訓教育記錄

圖7 員工獎罰記錄

(6)最后，利用射頻技術實現對進場人員的準確定位，通過定位數據進一步提升現場管理能力。

人員的管理是全方位的管理，方方面面都將在智慧工地系統中體現出來，充分顯示系統的優越性。

2.2.3 安全管理

安全管理在建筑企業管理中是一項重要內容，也是“平安工地”的基本要求。為此，青少年宮智慧工地系統制定了全面、立體的安全管理功能模塊，從項目開始，到項目結束，基本覆蓋了施工全過程。

(1)安全方案管理。系統提供了安全方案在線提交、審查、編輯、共識、臺賬的功能，還可以進行安全方案交底管理。

(2)從業人員安全行為管理。規范從事安全管理的人員的行為，對他們的資質、安全行為記錄檔案做規范管理。對于現場工人，我們在工地設置了VR安全體驗區和模擬滅火體驗區，如圖8-9所示，大家可以身臨其境地感受高處墜落等五大安全事故，學會在不同的場景如何使用不同的滅火器，借此達到安全管理的目的。

(3)系統提供了危險性較大的分部分項工程評定功能，在進行風險評估時，與危險源數據庫和項目實際情況對照，選擇危險源，制定清單，明確危險因素和等級。如圖10所示。

圖8 VR安全體驗

圖9 消防滅火體驗區

圖10 重大風險源管理

(4)對施工現場安全生產風險作信息化管控，這項功能包括了安全生產風險辨識、等級評定、安全生產風險臺賬、以及應對的施工方案、防護措施、檢查管理，監控管理安全生產風險。

(5)現場的隱患排查則可由巡檢人員進行管理。巡檢人員在系統錄入巡檢過程中發現的隱患信息，拍照上傳到系統，向整改負責人發起整改通知，系統可以短信或者移動消息的形式通知到負責人。整改負責人在整改完成后上傳整改后的情況，通過系統發短信或者移動消息通知巡檢人員。巡檢人員根據整改記錄進行復查，并記錄復查情況，確定整改是否通過。

(6)對于基坑的安全監測管理，與BIM技術、3D激光掃描技術、物聯網等技術集成應用，實現了基坑施工與維護。通過現場監測設備，將數據直接上傳至系統，實時分析監測數據，如出現異常，系統會做預警推送和發展反演，總部可遠程監控指揮，及時消解，從而提高基坑安全管理水平。

(7)安全資料管理系統采集安全行為信息、安全信息，處置、整改這些安全問題，并且將安全資料與BIM模型關聯，可以使資料關聯構件，安全資料逆向定位構件，實現安全資料管理。

2.2.4 質量管理

為了更便于質量管理，青少年宮項目以智慧工地系統為依據，開發了施工現場安全質量巡檢APP(見圖11)，使用手機端就可完成施工現場檢查記錄填報，各方人員都可查看，所有的信息被集中起來，而且也便于事后檢查。

圖11 施工現場安全質量巡檢APP

(1)檢查員通過手機移動端瀏覽BIM模型、施工圖紙及工藝做法，快速了解到需檢查部位情況。檢查過程中拍照取證(見圖12)，APP提供照片的編輯和標注功能，直觀又方便。檢查人只需要依照流程進行檢查并拍照記錄，檢查標準及結果從標準庫中獲取。同時將檢查信息推送給相關人員，避免重復和錯漏檢查，清晰記錄整個查驗、整改、消項過程，責任明確，最大限度減少了扯皮、分工混亂等問題，做到有跡可循、有據可依。

圖12 拍照取證

(2)見證取樣也是現在質量管理中廣泛應用的一項。通過見證取樣監督管理，杜絕假樣品、假檢測報告出現，也能了解不合格材料分布情況，提高工程質量管控。取樣員將二維碼植入樣品中，通過該質量巡檢APP掃描此二維碼，填寫樣品的強度等級、直徑等基本信息，對樣品拍照并保留，提交監測申請取樣信息，APP同時對取樣位置進行GPS定位。見證人掃描二維碼，核對檢測申請信息，確認見證信息。檢測單位只需掃描二維碼即可獲取檢測委托信息，實現檢測過程中盲檢管理，通過同廣州市檢測監管平臺獲取檢測報告數據，實時了解青少年宮材料質量情況。管理人員可通過系統對見證員與取樣員的見證取樣信息進行監督，若見證員遞交見證信息的時間與取樣員遞交取樣信息的時間間隔不合常理，見證員、取樣員及工程GPS地理位置坐標相比較有問題，則可判定雙方是否真正同時完成了見證取樣工作，監督更有效。如圖13所示。

圖13 見證取樣管理

2.2.5 進度管理

監理單位在系統中編制施工進度計劃，提供了橫道圖展示形式，可根據實際施工進度填報施工進度和工程款支付情況。系統自動匯總各個清單項目的進度，通過橫道圖對施工進度情況進行對比分析。

2.2.6 綠色施工管理

綠色施工管理模塊包括揚塵、噪音、現場小氣候監測管理，施工用電、用水監測管理，施工垃圾監測管理，綠色施工評價等部分?？傮w圍繞采集數據、分析數據、預警處理這三步來完成，如圖14所示。

圖14 系統環境監測

(1)施工前，在建立的BIM模型上分析、計算，選擇最合適的位置布置揚塵、噪音、氣候監測儀器?，F場施工過程中監測設備將采集的信息上傳至系統，系統后臺已經根據綠色施工標準設定了這些項目的預警值，當分析之后若達到預警值之后將會聯動防塵控制設備等，作出處理。

(2)施工用水、用電的情況也是通過物聯網技術實現對其動態監控，在系統中有展示頁面，還可以匯總分析，評估節水節電的能力，有助于合理利用資源。

(3)施工垃圾監測管理是城市垃圾處理的一項重要工作，項目把垃圾處理這一項作為重要工作，垃圾產生量和投放地址等都在系統做了備案，有利于企業的良性發展。

(4)綠色施工的各個環節是以綠色施工評價為指引，評價標準主要依據《綠色建筑評價標準》GB/T 50378中的要求，評價要素為“四節一環?！钡膬热?，分為控制項、一般項、優選項三項評價指標，算出各個指標的得分，定量地評價施工的綠色情況。

2.2.7 視頻監控管理

視頻監控現在發展得比較成熟，通過視頻監控實時掌控項目現場的動態，提供了云臺控制功能，能夠調節攝像頭的旋轉角度、鏡頭景深遠近等，還可抓拍。視頻可回放、存儲，所有管理人員都可以實時了解項目的情況，有助于管理。當出現不合規或危險行為時，可提前預警，因為視頻監控與AI技術結合了起來，這一應用大大提高了現場管理的及時性。見圖15所示。

圖15 視頻監控管理

2.2.8 機械設備管理

設備根據項目實際情況接入，數據上傳到項目智慧工地平臺，可以實時查看設備運行情況，預警情況等。對重點施工機械做定位管理，實時掌握設備的具體位置，記錄設備運行的軌跡數據，使設備安全、高效地運行。

在設備管控方面，通過設備預警情況的分析，可以通知類似項目在施工過程中遇到相同施工情況時，提前預防該類型事故發送的風險。如基坑建設施工中，出現同類型地質情況時可以做提前預防，加固等處理。通過塔吊運行情況分析，對安裝情況，高度、重量做相應的規定，如圖16所示。

圖16 塔吊監控

3 應用效果

2018年，智慧工地信息化系統在南沙區成功投入使用，在青少年宮項目施工過程中發揮了不可或缺的作用。系統整合了多項應用成熟的技術，提高了施工效率，打破了“信息孤島”，管理人員得以被聯系在一起，消除了原有施工所有數據的傳輸障礙，使施工變得透明化，這對現場管理大有裨益。通過該智慧工地信息化系統的綜合運用，各項數據采集、日常監測實現智能化，給項目及公司也帶來了巨大的社會和環保效益。智慧工地信息化建設響應了國家號召，在施工中更強調“綠色”、“環?！?，降低了對環境的影響，使建筑行業向“低碳”發展邁進，改善了施工現場原有臟、亂、差的形象。智慧工地信息化系統在南沙青少年宮項目的成功應用向建筑業提供了優秀的解決方案，也有力地推動了社會經濟的發展。

4 總結與展望

南沙青少年宮項目對智慧工地信息化系統進行了探索和嘗試，取得了良好的應用效果，為其他智慧工地項目提供了值得借鑒的經驗，但是也存在以下幾個問題：

(1)系統使用過程中產生了大量的數據，這些數據到底該如何應用與整合仍是一個需要研究的課題。應該提高數據挖掘能力，進一步分析這些數據背后的意義，再次加以分析和利用，切記不能直接舍棄，否則跟智慧工地系統的理念是不相適應的。

(2)該系統功能多樣、復雜，使用繁瑣，作為管理工具，是否切實符合管理人員的使用習慣仍需探索。在實踐中發現問題并加以解決，一步步完善系統，智慧工地會越來越智慧，越來越為我們所用，提升建筑業的信息化創新水平指日可待。