建筑技术丨基于BIM技术的钢结构施工智能管控平台建立及应用

施工过程中的质量管理是建设项目能够成功完成的重要环节。准确及时地获取有关工作任务和施工资源的现场信息，有助于管理者做出提高施工生产率的决策。但是由于施工现场的环境恶劣，智能化程度低，管理人员很难实时、全面地收集和共享现场信息，从而导致管理人员与现场施工人员之间不可避免地产生信息差。

因此，为更好地沟通现场人员与管理人员，需要使用具有数据传感和通信能力的工具，以有效获取和交换现场施工信息。

BIM技术的应用使可视化项目的进度成为可能，这不仅是一种高效的绘图工具，用户还可以通过以BIM为核心的管理平台动态观察整个施工过程的模拟，这也是一种控制和优化施工进度的方法。施工质量管理平台应满足以下要求。

（1）现场施工管理系统应能够进行现场监控，以了解施工项目的当前状态。

（2）系统应为现场工程师提供工作任务信息，以便于有效管理施工资源。

（3）系统应具有实时信息共享功能，以促进施工参与者之间的高效互动。集成先进传感技术、网络技术、BIM技术，本研究旨在开发一个质量管理系统，允许用户实时监测施工的质量、核查施工任务以及共享项目信息。

1 工程概况

激光小镇孵化器项目坐落于江苏省宿迁市宿城经济开发区。总建筑面积152 811.62㎡，总用地面积695 121㎡，1号楼地下1层，地上10层；2号、3号、6号~10号楼地下1层，地上5层，其中2号、6号、9号、10号附属楼地下1层，地上2层；4号、5号楼地下一层，地上12层；11号地下1层，地上3层；12号地下1层，地上2层。垃圾站地上1层。

（1）1号、4号、5号楼为高层钢结构，其中1号楼为双子楼中间10层–屋面层空中整体连接，跨度为26 m，高度40.5 m，钢结构高空整体连接施工安装、施工质量难度大。施工前编制专项施工方案、应急预案，按方案组织实施，及时发现并解决各类问题。

（2）本项目体量大，建设周期短，施工现场大型设备同时工作。人员协调和设备管理复杂繁多，同时工程进度紧张，成本控制要求高。因此需要集成上述多重要素管理的系统进行统筹管理。

（3）本项目参建单位众多，施工过程中涉及多方单位的协同工作。传统的管理方式难以满足现场施工的要求，需要建立综合性的管控平台实现多方人员的信息交流和信息共享。

2 平台搭建的需求分析及搭建原则

2.1 平台需求分析

2.1.1 访问人员分类

质量管理平台集成项目内部的重要数据，应具有防止未经授权的用户登录以及防止低权限用户检索敏感数据的功能。项目利益相关者包括建设单位、主承包商、分包商、供应商等均有权在系统中注册，并获得输入唯一的用户ID和密码。

但是不同类型的施工环节涉众信息或报告不同，用户应被分配不同的权限。如建设单位被授予访问大多数由主承包商提交的面向项目的质量管理数据的权限，这将使建设单位能够明晰项目参与者的表现以及项目本身的状态。然而分包商、供应商等只能检索一些相关的信息。项目内部所储存数据一方面可以作为一个一般的信息库，另一方面与质量管理信息相结合可以提供决策支持。 

2.1.2 现场数据采集

现场数据采集是质量管理平台建立的基础。采用传感器、RFID标签、嵌入式终端等方式对数据进行自动采集传输，减少人工统计，可提高数据收集的效率，保证数据的实时性。

针对钢结构施工特点，从构件、设备的角度，对全部信息进行全方位采集，保证数据全面性。加强质量控制的精准性。

2.1.3 数据管理

在进行数据采集之后，应对不同阶段的质量数据进行合理的分配和管理，数据的集成管理是实现多项功能的基本支持。数据集成管理应划分详细的时间、区域界限，对于人员、环境、机械数据应做好异构数据的处理。实现数据逻辑化存储，避免数据重复、杂糅。对于施工过程中产生的不可避免的罚单，应当在系统中填写一份不合格表，记录不合格的细节、位置、发现日期等，以便于再次审查。

2.1.4 质量识别和评价

在传统施工过程中，每个施工阶段都会由主承包商派遣工程师进行质量检查。但是限于工程师的个人经验以及过多检查点，质量问题并不能做到没有遗漏的控制。因此智能化的质量识别技术显得尤为重要。

通过集合工程师经验以及规范标准训练智能算法，达到智能质量识别的目的。另外，阶段性的质量评价使施工管理人员更直观地了解现场施工人员施工水平和项目情况，为下一阶段的质量控制提供有效的决策建议。

2.2 管理平台建立原则

2.2.1 高效性 

平台的建立目的是为建筑质量管理提供方便，目标用户包括专业的项目管理人员，也有受管理的施工人员。所以需要简洁、友好的用户界面以及简单易懂的操作步骤。在管理人员方面，平台要提供快速掌握系统的业务逻辑、操作流程等。对于施工人员来说，要有一目了然的操作界面和简单的操作流程，可以快速准确地使用该系统的功能，以便于责任认定，避免纠纷。 

2.2.2 安全性

平台需要保证信息数据的安全。质量管理数据涉及建筑物建造过程中的结构关键信息。对于大型公共建筑，其数据中有很多直接关于重要活动的关键信息。因此，系统应该设计有可靠的安全保障手段，避免恶意入侵。 

2.2.3 稳定性 

质量管理是建筑施工管理中的重要环节，需要贯穿整个建筑的施工阶段。质量数据需要每天更新、查看，因此需要系统具有足够的稳定性，能够承受大量数据的运行，以保证其稳定正常运行。当系统出现问题时应具备数据还原功能。

2.2.4 可扩展性 

目前该系统的功能可满足部分质量管理需求，但仍有很多功能尚需研究和开发，所以需要该系统能够有良好的扩展性。当有新需求和功能出现时，能够使其增加更多功能，更好为质量管理提供服务。

3 平台架构

本系统在结合实际工程中管理人员的需求以及从数据可视化的角度进行综合分析的基础上，提出了平台运行的分层体系结构。

本文提出的质量管理平台架构旨在将异构资产和数据源与其集成应用，优化用户使用，提供有效的质量管理。通过智能化、可视化渠道进一步满足管理人员对施工质量管理的需要。该体系结构由数据采集层、传输层、数据/模型集成层、算法层、应用层、用户层等六层组成，如图1所示。

图1 平台架构示意

系统架构设计是系统设计的核心内容，合理的系统架构设计既可以为系统开发人员提供开发思路，也能为用户提供梳理系统的应用流程。以平台的需求为起点，进行系统架构设计，首先明确系统总体的架构逻辑，然后以需求分析为依据设计出系统的各个功能模块。

数据采集层是系统设计的基础。传统的数据采集方式主要有人工记录、施工日志、拍照记录等3种记录方式。这3种方式需要现场人员参与采集过程，因此称之为接触式数据采集。由于智能技术的进步，出现了多种非接触式数据采集的方式，例如RFID、QR码、图像识别、分布式传感器系统等。根据钢结构施工过程质量管理中的不同功能需求，将设备和技术与施工材料相结合，进行组织良好的架构设计。数据采集层具有对施工过程中物理实体（BPE）的物理属性感知的功能。

传输层是连接数据与平台的重要层级。数据从物理设备收集到之后，将由通信设备连接到公共数据库或数据中心。这一层可使用多种通信技术，如5G、低功耗广域网（LP–WAN）。在现有的技术中，Wi-Fi/Bluetooth是最为常用的无线局域网技术。随着物联网技术的发展Lora协议无线传输，UWB无线传输等技术也被用于建造过程的数据传输。摄像头采集的视频信息信息量巨大，主要通过有线传输形式进行信息传输。但在5G 的发展下，无线实时传输视频文件也不再遥不可及。借由网络层的各种通信连接（BCN）方式，搭建了现实空间与虚拟空间的桥梁。

数据/模型集成层提供了数字孪生模型和补充信息，支持上层并连接底层。该层级的核心包括数据和模型的存储、分析、集成、处理。在这个层级结构中，数据分析和模型更新将构建施工过程的现有情况，包括构件信息、状态，建筑施工进度等。可视化的数据管理框架可实现动态和有效的数据管理。

根据设计阶段的几何数据以及数据层所收集的物理数据和行为数据对模型信息进行优化、更新，再以规则模型作为限制条件，建立动态可扩展的数字孪生模型。将“几何–物理–行为–规则”四个层面的模型融合，通过Java在Web端进行展示。

算法层内嵌了多种人工智能算法，包括图像识别、BP神经网络、Markov函数等。算法已经过大量样本运算，进行参数优化。可实现对实时数据的运算，并将结果反馈至应用层。应用层是平台的终端显示层，包含了平台各项功能的模块，为用户提供目标服务。应用层主要包括质量数据管理、节点工艺展示、远程视频辅助、施工质量识别、阶段性质量评价5个模块。这些功能加载于公有云服务器当中，各方用户通过互联网访问，达到质量管理（BSS）服务的目的。

用户层是平台建立最后一部分。本研究的用户主要包括项目经理、管理员、施工员、分包商等。根据不同用户的需求设置访问权限。借助平板电脑、PC 端、智能手机等多种终端形式访问服务器，实现平台功能的输出。用户根据平台中获取的信息进一步对建造过程的质量问题进行决策。

4 数据采集与管理

4.1 BIM模型的建立

平台建立的基础是BIM模型。在传统施工过程中施工图纸的交付标准仍然是二维的。因此，项目参与人员无法获取直接有效的3D模型。此外，管理人员需要在施工过程中对施工进度、成本、安全和质量进行整体控制。利用建筑构件的三维模型作为信息控制单元，可以帮助管理人员更准确地了解施工整体情况。BIM模型浏览效果如图2所示。

图2 BIM模型浏览效果

4.2 人员数据收集

人员是施工过程中最不稳定的因素，因此通过定位施工人员位置，规范施工人员技术可保障施工质量和安全。在本平台中通过智能闸机、施工现场的摄像头、智能穿戴设备实现人员数据的采集和管理。一方面智能闸机会收集施工人员进场和出场的事件记录，另一方面将工种进行分类收集。除了可以确保施工人员正确身份外，还可以根据工种以及施工进度安排施工任务。施工现场的摄像头可实时监控工人行为，避免不安全事件的发生。智能穿戴设备可以指导施工人员进行规范操作。通过记录施工人员练习的分数，对分数较低的人员进行反复教育，以起到提高安全意识和操作技术的作用。

4.3 设备数据收集

由于此项目涉及多专业协同施工，常出现多台大型施工机械设备同时工作的情况。设备的运行数据需要及时采集才能更好地规划项目进度，保证施工质量。在传统施工过程，设备管理信息多交由外包的专业技术人员进行收集，项目管理人员并不能及时了解设备运行状态以及使用情况。这种信息的落差导致资源的浪费和危险的可能。

为解决上述问题，在本工程中建立了设备数据收集系统，即在平台中有完整的设备参数信息，设备管理人员将维护记录以及维护数据通过本地服务器上传至云端服务器，反馈至管理平台中。管理人员可查看维护记录以及设备状态记录。

在本项目中同种材料不同尺寸构件繁多，同时钢构件占用场地面积较大，需要收集详尽的物料数据，以保证物料质量及施工场地布置。采用RFID铭牌记录批量构件的编号、生产信息、材料属性、施工事件等信息。现场人员在施工开始前先使用专业仪器确定构件信息，再将使用构件信息反馈至管理平台。在施工后质量检查阶段仍可根据铭牌信息进行材料溯源。

4.4 环境数据收集

宿迁地区扬尘治理管控日趋严格，力度大。严禁土方运输、混凝土、砂、石等材料生产运输，严重影响施工工期，同时混凝土、砂、石等材料的价格波动也较大。因此在施工现场布置了多种传感器设备监测现场施工环境，其中包括风向、风速、温度、湿度、PM2.5 浓度的传感器和扬尘噪声监控设备等。同时施工现场关键位置的摄像头可实时监控现场情况，及时发现安全隐患，保证施工质量。

4.5 工法数据录入

在平台中录入法则资料，为质量判断、安全保证提供依据。

5 平台功能应用

将上述平台构建理论、应用需求、平台构建技术相结合建立了基于BIM技术的钢结构施工智能化管控平台，实现钢结构施工过程中的数据整合以及智能化管控。保证施工项目的质量标准以及安全准则，也确保了成本和进度在可控范围内。

5.1 进度管理

对于项目投资方来说，施工进度是最需要关注的环节之一，但是传统的施工进度图不能让投资方直观地了解施工进度。同时，此项目中涉及多方工种协同工作，需要多方人员同时共享任务完成情况。

因此，以项目的BIM模型为基础与项目部分施工段的施工进度相结合，实现了项目进度的管控和可视化展示。

根据不同的施工环节，在平台中建立相对应的二维进度图。在进度管理模块中还可以根据施工进度要求结合三维模型进行施工进度预模拟，对施工内容进行提前分析。

5.2 人员管理

系统根据不同的服务主体，划分不同的服务内容。进入平台的人员需要输入对应的ID和密码才能进入系统。进入施工现场的工作人员会通过闸机将人员信息记录在人员管理模块中，根据不同施工任务可找到相应负责人。

施工人员根据工作内容可在系统的移动端找到对应任务，同时还可以获取与任务相关的操作指南指导现场施工。另外施工人员需要将自己的活动记录在管控平台，当现场出现质量不合格的事件时，可及时找到施工人员进行整改，同时方便了管理人员进行精细化人员管理。

5.3 质量安全监测

现场管理人员每日完成质量、安全的巡检工作，将巡检记录至平台中，施工人员根据整改通知单进行整改，同时将整改事件记录至平台中，以此形成闭环管理，这样的闭环管理架构可规范日常施工行为，降低质量安全风险，使管理过程清晰有序，真实记录全程可追溯。

智能管控平台在项目日常检查管理中的应用包括管理行为的数字化记录、建立共享性的检查记录、评分流程和规则完全依据业主要求的质量安全管理办法、信息由平台自动记录并推送相关人员，避开管理中人的因素影响。

5.4 环境预警

在本平台中通过传感器所收集到的信息，经过多源异构和轻量化处理之后导入至平台中，形成环境监测动态波动图，可累积环境历史数据。将所监测的环境数据图与施工现场环境信息以及现场地理信息相结合，根据图中的曲线波动，寻找波谷确定数据异常位置，对不合格的位置进行重点监测。结合现场的视频监控可快速响应现场问题，提出整改方案，大幅提高绿色施工水平。

5.5 实时监控

在施工现场关键位置分配有视频监控器，管理人员可以通过平台中的视频监视系统实时观察现场施工状况。在传统的视频监控过程中，容易形成视野盲区忽略关键位置的监控。同时，视频中的视角难以清晰定位至施工蓝图中，降低了管理效率。在平台中的实时监控模块中，不仅具备观察现场的高清摄像头，还辅助了相对应的BIM模型图，提高了管理效率。同时，模块化视频分区的定位，减少了视野盲区的出现。

6 结论

BIM技术具有可视化、参数化、信息化、支持虚拟模型和现实的双向互联等特性，而传统钢结构施工过程缺乏智能化、可视化的质量管控。因此，将两者结合建立智能管控平台，为钢结构施工过程的智能化管控提供了保证。此平台具有以下优势。

（1）智能化平台的建立推进了我国建造业实施一体化设计和施工可行性，推广建筑信息模型概念，避免施工过程中重复设计及数据不可视化带来不便。

（2）本平台在建设过程中收集了大量现场实测数据，同时挖掘了数据之间的关联，解决了信息孤岛的问题。平台数据可视化的功能也使枯燥的二维数据有了更加清晰的表达。

（3）平台从需求出发，以建立原则为标准，以平台架构为技术实行的基础，最终确定了平台的5项功能应用。这样的建立方法从实际出发，更好地解决了施工现场的难题。

（4）智能化管控平台将多种先进技术集成使用，解决了传统施工过程中存在的不足，为施工现场进一步的智能化发展提供了依据。