建筑技术丨智能建造及智慧工地管理系统在施工中的应用

1 智能建造发展现状及在施工中的应用

智能建造技术是指利用先进的信息技术、自动化技术、通信技术和人工智能等手段，将建筑施工与管理过程数字化、智能化的一种新型技术，本研究主要概述施工过程中应用较为广泛的BIM、物联网、虚拟现实等技术，以及新型施工技术在工程中的应用。

1.1 BIM技术

BIM是一个集成化的数字化建筑信息平台，通过将建筑项目的各个阶段，包括设计、施工、运维等，整合到一个三维模型中，实现多方协同合作和信息共享。在施工中的应用主要包括以下几方面。

（1）碰撞检测与冲突解决。BIM模型可以准确地模拟建筑物的各个构件，通过碰撞检测发现不同构件之间的冲突或干涉问题。

（2）施工进度模拟。将施工计划和模型结合，模拟整个施工过程的进度，有助于优化施工计划，确保施工按时完成。

（3）材料和资源管理。通过BIM技术，施工团队可以准确地计算所需材料的数量，优化资源调配，减少浪费，降低成本。

（4）施工现场协调。将BIM模型与移动设备结合，可以在施工现场实时查看模型，并通过增强现实技术，将虚拟模型叠加在实际场地上，帮助施工人员理解设计意图，提高施工质量和精度。

1.2 物联网技术

物联网技术是指利用互联网、传感器、无线通信等技术，将各种物体连接起来，实现信息交换和智能控制的技术。通过安装各种传感器，可以监测施工现场的温湿度等环境参数，以及施工人员和设备的位置、运行情况等，从而及时发现和处理异常情况，提高施工效率和安全性。同时，可以在施工材料粘贴二维码或RFID标签，实时获取材料的来源、存放位置、使用情况等信息，实现对施工材料的智能追踪和管理。

1.3 虚拟现实技术

虚拟现实技术是一种利用计算机仿真用于创建和模拟真实环境的技术，通过虚拟现实技术，可以将建筑模型转化为可交互的虚拟环境，带来更直观、沉浸式的体验。在施工规划阶段，可以帮助工程师更好地优化设计和作出调整，减少设计误差和改动成本。在施工阶段，可以将施工进度与虚拟模型结合，实现实时的进度展示和监控，帮助管理团队及时发现施工问题和优化施工计划。此外，虚拟现实技术还可以与物联网技术结合，实现施工设备的远程控制和监控，提高施工效率和质量。

1.4 钢筋工程工业化

借助高精度（LOD400）的钢筋混凝土结构BIM模型用于钢筋工程的翻样、加工、绑扎与工程量管理，实现钢筋工程精细化管理为钢筋混凝土结构工程数字化建造奠定基础。通过料单对象化拆分、数字化排产、单元化协作及差异化批量加工等综合技术的应用，有效发挥工业化生产模式高效率、高准确性、低劳动强度的优势。通过料单云端集中管理技术、料单智能打印技术实现料单数字化信息跟踪，通过精确便捷的钢筋原材料出入库信息管控技术、进度关联的钢筋半成品加工、配送管理技术，实现了钢筋原材到半成品的过程信息全流程精准掌握与实时追溯。

1.5 智慧梁场

智慧梁场通过全数控自动化钢筋加工、移动式液压模板、混凝土施工智能化、混凝土养护智能化等集成应用，解决了梁场智能化、信息化水平较低、质量效率低、占地面积大、临建成本高等问题，实现全过程流水化智能施工。自动化生产线减少了占地面积、劳动力，提高了制梁效率。同时融合BIM+实景建模技术，通过BIM模型挂接预制构件、移动台座及存梁台座的工序数据，张拉压浆设备数据实时传输，减少工人数据录入，实现了预制厂生产信息真实可查。

1.6 建筑3D打印

建筑3D打印是一种创新的建筑施工技术，综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术等方面的前沿技术，利用3D打印设备将建筑材料按照预先设计的模型逐层地叠加和堆积，直接在现场或离线预制建筑构件或整体结构。通过数字化模型实现建筑构配件和房屋整体结构的机械化打印，打印前无需支设模板，构件一次打印成型。与传统的施工方式相比，建筑3D打印可以显著缩短建筑周期，实现高效、快速的施工。同时可以根据不同需求定制建筑构件，实现个性化的设计。

1.7 高层建筑轻量化施工作业集成平台（造楼机）

高层建筑轻量化施工作业集成平台是一种整合了现代科技和数字化技术的平台，专门用于高层建筑施工的轻量化作业，有助于解决超高层建筑施工中存在的机械化程度低、受环境影响大、安全防护差、作业面冲突、智能化水平落后等突出问题。构建标准化程度高、集成多种设备设施，充分发挥了平台的高承载力性能。同时在平台顶部设置雨篷，为高层建筑施工打造“工厂化”施工作业环境提供了全天候作业保障。

1.8 智能装备及建筑机器人

（1）MR头盔。基于BIM轻量化模型的混合现实工具，MR技术是虚拟现实技术的进一步发展。将现场已经完成结构施工的实景与机电深化模型相结合，将计算机中的BIM模型搬到现实场景中，虚实结合。在机电综合管线深化设计过程中实现根据结构进度去复核机电管线布置的合理性，有助于提高深化设计品质。

（2）智能预警螺母。内置传感器，能够实时监测螺母的紧固程度和承载情况，获取相关数据。通过物联网技术，螺母的监测数据可以传输到中央监控系统，进行数据分析和处理，实现对螺母状态的实时监控和预测分析。当智能预警螺母监测到螺母出现松动退丝时，触动预警并报警发光，便于工作人员对设备螺栓进行维护保养。

（3）放线机器人。传统放线过程通常需要工人手动进行，耗时费力且存在一定的误差。利用BIM模型进行现场放样，BIM放线机器人能够自动追踪棱镜，且追踪定位后能立刻把棱镜所在点坐标显示，极大地节省了人力，提高了放线效率（图1）。

图1 放线机器人

（4）智能绑钢筋机器人。针对建筑工程钢筋绑扎作业量大、容易出现漏绑等问题，钢筋绑扎机器人可对钢筋绑扎点进行自动识别绑扎。具有设备小巧灵活、操作方式简单、绑扎效果好、降低劳动强度、节约劳动力、缓解钢筋工短缺问题（图2）。

图2 智能绑钢筋机器人

（5）实测实量机器人。采用四轮四驱底盘技术以及智能测头，实现无人自主建筑测量及报告输出，内含智能测头模块，实现了包括墙面平整度、墙面垂直度、开间进深、门窗及柱面尺寸、层高等项目的测量。与传统人工施工相比，该机器人能长时间连续作业，施工质量更高，作业效率更高，施工成本更低。

2 智慧工地管理系统在施工中的应用

智慧工地是一种崭新的工程全生命周期管理理念，通过整合物联网、云计算、大数据和人工智能等技术，以可控化、数据化以及可视化的智能系统对项目管理进行全方位立体化的实时监管，并根据实际做出智能响应。不仅对安全文明施工意义重大，而且也有助于推动建造方式变革，促进建筑产业提质增效，推进建筑产业转型升级。

2.1 人员管理及定位系统

2.1.1 人员智慧化管理

基于场内己有的监控系统摄像机和主要道路、重要出入口人脸高清摄像机，结合不文明行为图像智能视觉识别算法、人脸识别服务器、人脸追踪分析系统，融合建立人脸识别轨迹智能分析综合系统。可以对场区任意在场人员实时进行头像拍照识别，智能分析识别人员信息。同时，在实名制管理、人员信息管理、考试培训管理、专业人员证书管理等多项模块下，有效提升场区管理的智能化水平，实现对人员的智慧化管理。

2.1.2 智能安全帽

基于物联网技术将智能芯片置入安全帽、腰带等可穿戴设备中，通过4G/WIFI等无线网络实现远程移动监控和指挥调度，高效解决人员定位、呼叫求救、高温感应等功能，通过人员管理系统实现智能安全监管、实名制监管等信息化管理工作。

2.1.3 施工人员定位

借助安装在安全帽、腰带、胸牌等可穿戴设备的定位装置，可在系统中随时查看人员实时位置、人员动态、分布热力图等信息，以便于管理人员及时掌握相关信息，同时提高调度效率。系统能够自动记录人员的历史活动轨迹，输入人员信息可查看其行走路线、进出某区域的时间、在某区域停留时长等数据，以便于监督管理，优化工作流程。

2.2 机械设备管理系统

2.2.1 大型机械GPS定位

大型机械定位能够辅助现场多台大型机械设备的管理工作，通过物联网技术实现机械设备的智能定位，不仅能够实时追踪大型机械设备的移动轨迹，而且可将其可视化呈现在智慧工地管理系统上，为监管人员提供清晰的位置信息。借助智能风险控制与预警系统分析机械设备之间的距离，一旦超过安全范围立即发出预警，有效防范潜在安全风险。通过合理规划施工机械工作范围，并结合GPS定位信息有效控制风险源，辅助现场安全管理等工作。

2.2.2 塔式起重机防碰撞及吊钩可视化

基于物联网技术、云服务技术、数据处理技术、远程通信技术相融合的系统平台，通过前端监控装置和平台无缝融合，实现开放式的实时塔式起重机作业监控。可实时统计塔式起重机的运行数据，包括重量、力矩、幅度、塔机区城安全防护、碰撞预警、吊钩可视化等，并以动画形式在系统中进行呈现，同时也能够提供塔机安全状态的实时预警，并进行制动控制，保障塔机的安全运行。

2.3 物料管理系统

运用信息技术和物联网技术采集物料进场精准数据，通过数据集成和云计算技术对物料进行实时监控、追踪和管理。系统可以自动识别物料，实现自动化的入库和出库过程，减少人工干预，提高物料管理的效率。通过对物料使用数据的分析，系统可以为管理人员提供决策支持，根据施工进度和需求，优化物料采购计划，减少不必要的库存，降低成本。

2.4 质量管理系统

智慧工地质量管理包括质量计划、质量验评、隐患检查、质量分析等，通过与BIM模型相关联，实现质量管理、可视化管控、数据电子存档、质量云管理等应用。现场质量人员通过专用App及时上传质量问题报告，并设定整改截止时间，能够使生产施工人员迅速收到待整改的消息，并按要求快速安排处理。整改完成后，质量人员可通过App回复整改后的照片和说明，确保质量问题的及时闭环。待整改项及整改记录实现自动归档，历史记录方便查询，业主方和监理方能够实现质量管理远程监管。在质量信息化管理辅助下积极严控施工质量，从根源减少反复整改现象，提高质量管理效率。

2.5 环境管理及能耗管理系统

2.5.1 环境监测管理

根据建筑行业的环境管理标准，将PM2.5、PM10、噪声、温湿度等数据纳入工地监管数据，利用“智慧工地”系统无缝接入工地现场的各类需监测的环境数据，通过云计算技术将环境数据进行超标报警、数据分析、数据留存等。

通过智慧工地系统将喷淋、环境监测系统联动，采用自动喷雾技术进行高效雾化水颗粒，使雾滴吸附粉尘颗粒，有效降低PM10粉尘，同时也能对部分主体结构起到养护作用。

2.5.2 智能安全用电

智能安全用电集监视、报警、控制、集中管理于一体，通过物联网技术将电气设备连接到中央监控系统，实时监测电力供应的状态和负荷情况，及时发现潜在问题。根据电气设备的数据分析，自动识别异常情况，并及时发出预警或报警信号，提醒管理人员及时采取措施。当确认可能发生电气火灾时，监控主机发出火灾报警信号，报警指示灯亮，发出报警音响，并在液晶显示屏上显示报警信息，值班人员迅速进行检查处理。

2.5.3 水电无线节能及能耗管理

将建筑工地的水、电表进行联网采集其相关数据，对建筑工地能耗数据进行监测，方便管理部门对工程能源消耗进行高效管理，实现对能耗的在线检测和动态分析，减少水电资源的浪费。

2.6 施工现场监测系统

2.6.1 可视化监控

互联网远程视频监控系统和实时直观地提供现场施工信息，实时视频可以直接通过手机、电脑、智能会议室等方式展示监测数据，也可以与中心控制系统集成，实现远程监控和数据共享。通过视频监控，可实时查看现场施工情况，预防潜在危险，优化施工过程，提高效率和安全性。

2.6.2 安全监控

安全监控以数字网络为传输介质，通过使用各类安全监控设备和技术手段，对人员、设备、环境等进行实时监测和管理，以确保施工现场的安全性，并预防事故发生。通过安全监控系统，管理人员可以及时了解施工现场情况，发现潜在的安全隐患，以便于及时采取措施进行干预和处理。当发生紧急情况或安全事故时，安全监控系统可迅速发出警报，并通知相关责任人进行紧急处理，最大限度地降低事故的损失和危害。

2.6.3 深基坑及高边坡自动化监测

深基坑远程实时监控由传感器（水平位移、沉降、地下水位等）、数据采集模块、数据传输模块、供电模块、云数据库与管理平台、用户终端等6个部分组成。依托云计算处理平台，实现智能化数据传输和综合处理，通过互联网与电脑、手机等终端通信，可随时随地实时观察、控制、查询测站测点灾变信息，有助于提升监测数据分析效率和准确度，为实现施工过程中的基坑监测精细化管理提供了技术条件。

3 结论

本研究通过对智能建造及智慧工地管理系统在施工中的应用进行深入探讨，揭示了这些技术在提高建筑施工效率、质量和安全性方面的重要作用。通过应用BIM技术、物联网技术、虚拟现实技术以及各类智能装备和建筑机器人，全面优化施工过程，大幅提高施工效率，施工质量得到显著改善，施工安全性也得到了有效保障。同时智慧工地管理系统的引入，实现了施工现场全方位的实时监控、资源优化和环境保护，以集成管理的方式，有效提高了工程管理的信息化水平，推动数字化、信息化、智慧化的工地建设。

随着技术的不断进步和应用的不断深化，智能建造及智慧工地管理系统将在建筑行业中发挥更加重要的作用。建筑行业应加大对智能建造技术的研发投入，推动技术的不断创新和升级，同时加强智能建造技术在施工中的推广应用，提高整个行业的智能化水平。此外，还需要加强相关人才的培养和引进，为智能建造技术的发展提供坚实的人才支撑。将来，智能建造及智慧工地管理系统将成为建筑行业的主流趋势，为建筑行业的可持续发展注入新的活力。