超高层建筑的数智化施工管理探索

许浩波

(云南建投第三建设有限公司)

当前建筑业面临着资源浪费、施工效率低、安全监管松散等问题，同时由于超高层建筑项目一般建设周期较长、资料种类及数量较多，导致管理效率低下、施工成本高。而建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术能满足工程项目精细化管理的需求，其核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库[1-2]。但由于超高层建筑施工范围一般较广，仅依靠BIM 技术进行管理较为困难[3]。而地理信息系统（Geographic Information System，GIS）能有效弥补BIM 缺少空间宏观信息，无法进行大规模的建筑群体空间信息定位的技术空白。因此，为了实现超高层建筑的数智化施工管理，研究利用BIM/GIS 集成的数智化管理平台对昆明市山海湾8 号项目进行了施工管理，实现了项目安全文明施工形象和效益的双重提升。

1.超高层建筑的数智化施工管理平台

1.1 数智化施工管理平台关键技术

建筑行业规模虽然在不断扩展，但受其落后的管理水平及参建主体间信息不互通的限制，往往施工效率低下，且建筑成本较高。而BIM 技术能囊括建筑的设计与施工的全部信息，并且信息集成过程可以从建筑开始运行持续至建筑全寿命周期的终结为止。BIM 技术有效地提高了工作效率，实现了节省资源、降低成本的目的，为可持续发展作出了有力贡献[4-5]。但在住宅小区的建设中，由于建筑面积往往较大，施工管理困难，因此将GIS 技术与BIM 技术进行集成有利于提高大规模区域性工程的管理能力。在BIM/GIS 集成管理中，为了对建筑实体、实体属性等相关关系进行描述，研究采用了IFC 模型信息作为语义模式。在利用IFC 进行模型信息的传递时，其重点在于如何定义IFC 属性集。在超高层住宅建筑施工工程中，需要在标准IFC 的基础上对超高层住宅建筑的特点进行扩充，并根据这些特点对属性表达方式进行定义[6]。同时考虑到超高层住宅建设的需求，研究选用的GIS 平台为Cesium 平台。由于BIM 使用的坐标系为相对坐标系，而IFC 一般为笛卡尔坐标系或地理坐标系，因此需要对坐标系进行转换。坐标系转换公式见式（1）。

式（1）中，x0表示BIM 模型的局部坐标点；x1表示转换后的直角坐标；Tr表示转换关系；R 表示旋转矩阵；Rx、Ry和Rz均表示对应的齐次坐标；T 表示平移矢量；Tx、Ty和Tz分别表示T 在不同轴上的分量。Rx、Ry和Rz的计算公式见式（2）。

式（2）中，θx、θy和θz分别表示绕不同轴的旋转角度。为了对BIM 模型进行三维渲染，需要将IFC 转换为Cesium 平台的兼容格式。同时为了实现BIM 与GIS 数据的融合，需要在保留必要属性的基础上，对模型构件赋予标识编码，并按项目-工点-构件的层级进行划分管理[7-8]。此外在BIM/GIS 集成管理中，数据库也是一个十分重要的模块。考虑到数据库的可延性、开放性及客户端支持和应用模式，研究选择了MySQL 作为数智化管理平台的数据库。

1.2 数智化施工管理平台功能设计

数智化施工管理平台分为展示和管理两大板块，其中管理板块又被分为决策、项目、设计、模型、进度、成本、物资、人员、安全、质量、资料和基础设置12 个模块。数智化施工管理平台构架如图1 所示。

图1 数智化施工管理平台构架

由图1 可知，数智化施工管理平台的业务层涵盖了项目进度、质量、安全和计价等需求，满足了工程管理的各方面需求。展示层支持电脑和手机运行，方便随时查看项目情况。由于功能模块较多，研究将选择成本、进度、物资、质量及安全共5 个重点功能进行介绍。在成本管理模块中，数智化施工管理平台首先根据构件属性选择模型构件，然后从算量规则库中选择计算规则。接着选择定额条目套价，并按实际情况对人员、材料及设备价格及消耗情况进行调整，再将结果汇总至清单条目并进行取费，最后生成报表。在进度管理中，首先导入进度计划；然后通过甘特图展示进度计划，并进行多版本进度计划比选和生成关键路径；接着与模型信息和成本信息挂接，生成5D施工模拟，并录入实际进度计划。然后将实际进度与计划进度进行对比，并生成进度前锋线，将进度前锋线录入施工日志；最后根据施工模式和实际成本数据生成实际进度的施工模拟。物资管理分为物资计划管理、供应商管理和物料追踪三部分，其中物资计划管理主要负责根据现场实际需求制定采购计划，并进行月度/季度计划审批。物料追踪的主要作用是通过二维码对物料信息进行管理，以追溯物料的使用情况，保证物料的质量合格，使用部位明确[9-10]。在质量管理中，当发现存在质量问题时，通过管理平台可以将缺陷部位与模型构件进行绑定，以方便制定具有针对性的解决方案，同时为整改后的检查提供便利。在安全管理中，施工主体按照风险等级对风险源进行申报审批，然后根据风险生命周期进行风险源管控。接着进行风险源检查，其可以在APP 端发起。同时为了提高对高风险区域的管控力度，系统还提供风险源盯控管理，即由包保人对高风险区域进行专人盯控、定期巡检。

2.数智化施工管理平台的项目应用效果

2.1 项目概况及总平面布置

位于昆明市官渡区福保半岛环湖路南面的山海湾8 号项目，属于超高层高端住宅建筑；具有车位配比高、地下室精装修的优点。山海湾8 号项目总建筑面积约30 万m2，其中地下单层面积约3.8 万m2，地上面积约22.5 万m2，建筑高度为129.65 m。桩基础为旋挖桩筏基础，桩径为800 mm，有效桩长为68 m。现场布置严格按照三维图纸实施，人车道路、消防、加工区、设备、防护棚、雨水收集池及太阳能灯等平面布局，确保了场内人车分流畅通，材料堆放、加工、取料有序，有效避免二次搬运，提升场地使用效率。现场安全防护首先项目技术人员用BIM 模型进行立体策划，将需要安全防护的部位和防护形式进行立体建模，形成三维图纸并生成防护材料统计表，现场实施人员和材料员依照图纸和材料统计表精准下料和制作、安装，提高安全防护时效性。

2.2 项目管理成效

为了探究数智化施工管理平台的性能，研究以昆明市山海湾8 号项目为例，对其管理效果进行了分析。在人员管理方面，为了保证施工现场无无关外来人员，采用人脸识别和实名制系统将班组人员的人脸信息、基本信息及进出场时间录入到劳务系统，并利用带有5G 芯片的安全帽对班组人员进行定位。以便及时了解劳务人员数量和施工位置等信息，及时调整劳务人员的分配情况。数智化施工管理平台的劳务管理系统及安全检查情况如图2 所示。

图2 劳务管理系统及安全检查情况

由图2（a）可知，通过劳务管理系统可以清楚地了解到山海湾8 号项目共有812 名工人，各工种的人数、在岗情况均一目了然。由图2（b）可知，相较于传统的安全检查，数智化施工管理平台的安全问题整理时间、记录下发整改时间、整改回复时间分别降低了66.67%、33.33%和66.67%。可见，数智化施工管理平台在劳务管理及安全检查方面具有独到优势。数智化施工管理平台的物资管理情况如图3 所示。

图3 数智化施工管理平台的物资管理情况

由图3（a）可知，通过数智化施工管理平台可以对升降机的使用工效进行分析，及时发现安全隐患，提高升降机的使用安全性。由图3（b）可知，数智化施工管理平台可以通过吊钩可视化系统为司机提供安全监控，降低盲吊事故的发生概率，提高施工的安全性。由此可知，数智化施工管理平台在物资设备管理方面能极大地减少大型设备的使用安全隐患，为安全施工提供有力支持。数智化施工管理平台的高危工程管理及绿色施工管理如图4 所示。

图4 高危工程管理及绿色施工管理

由图4（a）可知，数智化施工管理平台对于项目的高危工程能实时监测高支模支撑系统杆轴力、水平位移、立杆倾斜、模板沉降和地基沉降等情况，相关人员通过手机端应用即可实时了解各监测点位的情况，及时对异常情况做出相应处理。由图4（b）可知，智能喷淋系统可以根据施工现场的温度、湿度、PM2.5、PM10 等数据进行智能喷淋降尘。该智能喷淋系统相较于传统喷淋系统节约用水用电各11500 m3和2273 kWh。可见，数智化施工管理平台不仅能对高危工程进行实时监控，还能实现绿色施工。

3.结论

为了改变建筑行业管理效率低下的问题，研究提出BIM 和GIS 技术集成的数智化施工管理平台，并结合昆明市山海湾8 号项目对平台的管理效果进行了探讨。结果显示，数智化施工管理平台的安全问题整理时间、记录下发整改时间、整改回复时间分别降低了66.67%、33.33%和66.67%，且能对高支模支撑系统的情况进行实时监测。在物资管理方面，数智化施工管理平台能对各类设备的情况进行监控，极大地减少大型设备的使用安全隐患；在绿色施工方面，智能喷淋系统相较于传统喷淋系统节约用水用电各11500 m3和2273 kWh。上述结果表明，数智化施工管理平台在超高层建筑的施工管理方面具有独到优势，能实现安全施工、绿色施工。