超高層建筑的數智化施工管理探索

許浩波

(云南建投第三建設有限公司)

當前建筑業面臨著資源浪費、施工效率低、安全監管松散等問題，同時由于超高層建筑項目一般建設周期較長、資料種類及數量較多，導致管理效率低下、施工成本高。而建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術能滿足工程項目精細化管理的需求，其核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數字化技術為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫[1-2]。但由于超高層建筑施工范圍一般較廣，僅依靠BIM 技術進行管理較為困難[3]。而地理信息系統（Geographic Information System，GIS）能有效彌補BIM 缺少空間宏觀信息，無法進行大規模的建筑群體空間信息定位的技術空白。因此，為了實現超高層建筑的數智化施工管理，研究利用BIM/GIS 集成的數智化管理平臺對昆明市山海灣8 號項目進行了施工管理，實現了項目安全文明施工形象和效益的雙重提升。

1.超高層建筑的數智化施工管理平臺

1.1 數智化施工管理平臺關鍵技術

建筑行業規模雖然在不斷擴展，但受其落后的管理水平及參建主體間信息不互通的限制，往往施工效率低下，且建筑成本較高。而BIM 技術能囊括建筑的設計與施工的全部信息，并且信息集成過程可以從建筑開始運行持續至建筑全壽命周期的終結為止。BIM 技術有效地提高了工作效率，實現了節省資源、降低成本的目的，為可持續發展作出了有力貢獻[4-5]。但在住宅小區的建設中，由于建筑面積往往較大，施工管理困難，因此將GIS 技術與BIM 技術進行集成有利于提高大規模區域性工程的管理能力。在BIM/GIS 集成管理中，為了對建筑實體、實體屬性等相關關系進行描述，研究采用了IFC 模型信息作為語義模式。在利用IFC 進行模型信息的傳遞時，其重點在于如何定義IFC 屬性集。在超高層住宅建筑施工工程中，需要在標準IFC 的基礎上對超高層住宅建筑的特點進行擴充，并根據這些特點對屬性表達方式進行定義[6]。同時考慮到超高層住宅建設的需求，研究選用的GIS 平臺為Cesium 平臺。由于BIM 使用的坐標系為相對坐標系，而IFC 一般為笛卡爾坐標系或地理坐標系，因此需要對坐標系進行轉換。坐標系轉換公式見式（1）。

式（1）中，x0表示BIM 模型的局部坐標點；x1表示轉換后的直角坐標；Tr表示轉換關系；R 表示旋轉矩陣；Rx、Ry和Rz均表示對應的齊次坐標；T 表示平移矢量；Tx、Ty和Tz分別表示T 在不同軸上的分量。Rx、Ry和Rz的計算公式見式（2）。

式（2）中，θx、θy和θz分別表示繞不同軸的旋轉角度。為了對BIM 模型進行三維渲染，需要將IFC 轉換為Cesium 平臺的兼容格式。同時為了實現BIM 與GIS 數據的融合，需要在保留必要屬性的基礎上，對模型構件賦予標識編碼，并按項目-工點-構件的層級進行劃分管理[7-8]。此外在BIM/GIS 集成管理中，數據庫也是一個十分重要的模塊?？紤]到數據庫的可延性、開放性及客戶端支持和應用模式，研究選擇了MySQL 作為數智化管理平臺的數據庫。

1.2 數智化施工管理平臺功能設計

數智化施工管理平臺分為展示和管理兩大板塊，其中管理板塊又被分為決策、項目、設計、模型、進度、成本、物資、人員、安全、質量、資料和基礎設置12 個模塊。數智化施工管理平臺構架如圖1 所示。

圖1 數智化施工管理平臺構架

由圖1 可知，數智化施工管理平臺的業務層涵蓋了項目進度、質量、安全和計價等需求，滿足了工程管理的各方面需求。展示層支持電腦和手機運行，方便隨時查看項目情況。由于功能模塊較多，研究將選擇成本、進度、物資、質量及安全共5 個重點功能進行介紹。在成本管理模塊中，數智化施工管理平臺首先根據構件屬性選擇模型構件，然后從算量規則庫中選擇計算規則。接著選擇定額條目套價，并按實際情況對人員、材料及設備價格及消耗情況進行調整，再將結果匯總至清單條目并進行取費，最后生成報表。在進度管理中，首先導入進度計劃；然后通過甘特圖展示進度計劃，并進行多版本進度計劃比選和生成關鍵路徑；接著與模型信息和成本信息掛接，生成5D施工模擬，并錄入實際進度計劃。然后將實際進度與計劃進度進行對比，并生成進度前鋒線，將進度前鋒線錄入施工日志；最后根據施工模式和實際成本數據生成實際進度的施工模擬。物資管理分為物資計劃管理、供應商管理和物料追蹤三部分，其中物資計劃管理主要負責根據現場實際需求制定采購計劃，并進行月度/季度計劃審批。物料追蹤的主要作用是通過二維碼對物料信息進行管理，以追溯物料的使用情況，保證物料的質量合格，使用部位明確[9-10]。在質量管理中，當發現存在質量問題時，通過管理平臺可以將缺陷部位與模型構件進行綁定，以方便制定具有針對性的解決方案，同時為整改后的檢查提供便利。在安全管理中，施工主體按照風險等級對風險源進行申報審批，然后根據風險生命周期進行風險源管控。接著進行風險源檢查，其可以在APP 端發起。同時為了提高對高風險區域的管控力度，系統還提供風險源盯控管理，即由包保人對高風險區域進行專人盯控、定期巡檢。

2.數智化施工管理平臺的項目應用效果

2.1 項目概況及總平面布置

位于昆明市官渡區福保半島環湖路南面的山海灣8 號項目，屬于超高層高端住宅建筑；具有車位配比高、地下室精裝修的優點。山海灣8 號項目總建筑面積約30 萬m2，其中地下單層面積約3.8 萬m2，地上面積約22.5 萬m2，建筑高度為129.65 m。樁基礎為旋挖樁筏基礎，樁徑為800 mm，有效樁長為68 m?，F場布置嚴格按照三維圖紙實施，人車道路、消防、加工區、設備、防護棚、雨水收集池及太陽能燈等平面布局，確保了場內人車分流暢通，材料堆放、加工、取料有序，有效避免二次搬運，提升場地使用效率?，F場安全防護首先項目技術人員用BIM 模型進行立體策劃，將需要安全防護的部位和防護形式進行立體建模，形成三維圖紙并生成防護材料統計表，現場實施人員和材料員依照圖紙和材料統計表精準下料和制作、安裝，提高安全防護時效性。

2.2 項目管理成效

為了探究數智化施工管理平臺的性能，研究以昆明市山海灣8 號項目為例，對其管理效果進行了分析。在人員管理方面，為了保證施工現場無無關外來人員，采用人臉識別和實名制系統將班組人員的人臉信息、基本信息及進出場時間錄入到勞務系統，并利用帶有5G 芯片的安全帽對班組人員進行定位。以便及時了解勞務人員數量和施工位置等信息，及時調整勞務人員的分配情況。數智化施工管理平臺的勞務管理系統及安全檢查情況如圖2 所示。

圖2 勞務管理系統及安全檢查情況

由圖2（a）可知，通過勞務管理系統可以清楚地了解到山海灣8 號項目共有812 名工人，各工種的人數、在崗情況均一目了然。由圖2（b）可知，相較于傳統的安全檢查，數智化施工管理平臺的安全問題整理時間、記錄下發整改時間、整改回復時間分別降低了66.67%、33.33%和66.67%?？梢?，數智化施工管理平臺在勞務管理及安全檢查方面具有獨到優勢。數智化施工管理平臺的物資管理情況如圖3 所示。

圖3 數智化施工管理平臺的物資管理情況

由圖3（a）可知，通過數智化施工管理平臺可以對升降機的使用工效進行分析，及時發現安全隱患，提高升降機的使用安全性。由圖3（b）可知，數智化施工管理平臺可以通過吊鉤可視化系統為司機提供安全監控，降低盲吊事故的發生概率，提高施工的安全性。由此可知，數智化施工管理平臺在物資設備管理方面能極大地減少大型設備的使用安全隱患，為安全施工提供有力支持。數智化施工管理平臺的高危工程管理及綠色施工管理如圖4 所示。

圖4 高危工程管理及綠色施工管理

由圖4（a）可知，數智化施工管理平臺對于項目的高危工程能實時監測高支模支撐系統桿軸力、水平位移、立桿傾斜、模板沉降和地基沉降等情況，相關人員通過手機端應用即可實時了解各監測點位的情況，及時對異常情況做出相應處理。由圖4（b）可知，智能噴淋系統可以根據施工現場的溫度、濕度、PM2.5、PM10 等數據進行智能噴淋降塵。該智能噴淋系統相較于傳統噴淋系統節約用水用電各11500 m3和2273 kWh?？梢?，數智化施工管理平臺不僅能對高危工程進行實時監控，還能實現綠色施工。

3.結論

為了改變建筑行業管理效率低下的問題，研究提出BIM 和GIS 技術集成的數智化施工管理平臺，并結合昆明市山海灣8 號項目對平臺的管理效果進行了探討。結果顯示，數智化施工管理平臺的安全問題整理時間、記錄下發整改時間、整改回復時間分別降低了66.67%、33.33%和66.67%，且能對高支模支撐系統的情況進行實時監測。在物資管理方面，數智化施工管理平臺能對各類設備的情況進行監控，極大地減少大型設備的使用安全隱患；在綠色施工方面，智能噴淋系統相較于傳統噴淋系統節約用水用電各11500 m3和2273 kWh。上述結果表明，數智化施工管理平臺在超高層建筑的施工管理方面具有獨到優勢，能實現安全施工、綠色施工。