近年来, 随着国家政策和行业内在需求的推动, 建筑业逐步开始向绿色化、信息化、工业化的方向发展, 而计算机和通讯技术的进步, 为建筑业的转型升级提供了有利的支持。雄安新区作为未来中国特色现代化城市的代表, 对信息化、智能化提出了很高的要求, 推行同步建设数字孪生城市。

数字孪生指的是建筑物建造过程中, 物理世界的建筑产品与虚拟空间中的数字建筑信息模型同步生产、更新, 形成完全一致的交付成果。而建筑施工过程, 正是实现从无至有的关键阶段。

建造过程的数字孪生, 需要数字化模型、实时的管理信息、覆盖全面的智能感知网络, 在该目标下, 传统模式信息离散的建造方式已经无法满足要求, 必须通过高度集成的信息化平台为项目管理决策提供数据支撑和指导, 利用“协同、互联、智慧”方式来实现模式的转变。

雄安市民服务中心项目通过定制研发智慧建造管理平台, 集成项目管理 (PM) 、建筑信息模型 (BIM) 、移动应用与物联网技术 (Mobile) 、云技术 (Cloud) 、数据管理与服务 (DM) 等先进的信息化技术, 实现建造过程数字孪生的初步探索。

雄安市民服务中心项目位于容城县以东, 是雄安新区第1个公共建筑工程 (见图1) 。工程占地24.24万m², 总建筑面积10.54万m², 由8栋建筑单体组成。园区是短期内新区建设的根据地, 承担着政务服务、规划展示、会议举办、企业办公等多项功能, 是雄安新区功能定位与发展理念的率先呈现。

要实现施工过程的数字孪生, 需要将施工现场“人、机、料、法、环”五大要素的信息进行采集和管理, 依靠交互、感知、决策、执行和反馈, 将信息技术与施工技术深度融合与集成, 实现建造过程的真实环境、数据、行为3个透明, 推进施工现场的管理智慧化、生产智慧化、监控智慧化、服务智慧化。

针对以上目标的解决方案分析, 传统的项目管理, 信息是离散的, 但总体层面可分为3个大类, 第1是图纸及构件信息、第2是生产及环境信息、第3是过程管理信息。而经历多年的实践积累, 施工企业在这3个大方向上都有一定的信息化工作基础。基于此, 首先要做的是定制一套信息集成平台, 做好信息的采集与储存, 然后通过对数据的分类和提取, 将有效信息以展示大屏和应用的形式发送, 最终为项目管理者提供项目全面、实时的信息和便捷、高效的管控渠道。利用信息集成平台辅助管理, 项目趋近于透明化、管理更为智慧高效、生产更为绿色环保, 是新时代下智慧建造的必然选择。

为实现数字孪生工地目标, 中建集团的联合团队定制研发“透明雄安”智慧建造管理平台。该平台分为3个层面: (1) 第1层是感知层, 即数据采集层, 智慧建造所依据的感知层是基于物联网所支撑的一系列传感器应用, 这也包括移动终端的应用, 例如手机、读卡器等, 传感器等电子标签、测量器、传感器、摄像头、RFID、红外感应器等。 (2) 第2层是数据分析层。从感知层所采集到的一系列信息或数据, 如何传递到后台的实际应用, 这就是数据分析层的主要职责, 数据分析层是通过互联网连接不同数据服务器进行数据分析统计。 (3) 第3层是应用层, 以BIM信息为载体, 以云计算为支撑手段, 通过PC及移动通讯设备实现各类应用。平台总体架构如图2所示, 所有数据通过有线/无线网络传递, 在云服务器中储存管理。

施工现场人员管理的基础是劳务实名制, 通过对人员进行实名认证, 记录其个人履历和劳动合同信息。既有助于提高劳动者自我约束意识, 也便于规范项目日常管理, 最重要的是可以有效降低劳资纠纷的风险。

雄安市民服务中心项目工期短、用工量多、场地大, 对现场人员进行妥善组织十分困难。现场所有人员信息全部录入建筑工人劳务实名制管理平台, 未登记无法进入办公生活区, 现场人员管理主要工作内容如图3所示。

现场入口设置全高闸门禁系统, 实名制信息与门禁考勤相结合, 人员采用一卡通+人脸识别的双识别方式进行管理。为真实掌握人员分布, 了解现场作业监管重点, 对比多种智能定位系统, 考虑大场区、短工期的特点, 选择GPS定位方式, 向主要劳务及管理人员发放定位器, 记录行动轨迹及场内人员分布热点图, 实现精细化管控, 如表1所示。

人员管理信息通过4G及无线网络传输, 汇总至智慧建造平台, 平台中可查询当前进场人数、工种及所属单位、人员考勤情况、人员分布热点, 基本实现人员全透明管理, 平台人员管理综合展示界面如图4所示。

1) 塔式起重机运行状态管理在塔式起重机上安装塔式起重机安全监控管理系统的设备终端, 可以记录塔式起重机的实时运行情况, 包括大臂运行角度、当前吊重、室外风力等。在项目设置多台塔式起重机时可对群塔作业进行分析, 防止安全事故。该信息可集成至智慧建造管理平台中。

2) 大型机械管理对进场机械进行统一编码, 并绑定定位芯片 (或运行监控设备) , 对机械的定位和运行状态做管控, 对设备在项目使用时长记录统计, 确保在使用寿命范围内安全作业, 机械进出场时平台进行记录。

为了实现数字城市的目标, 本工程所有材料进场及消耗情况通过信息平台进行登记录入 (见图5, 6) 。对于施工的主要材料及设备, 考虑其对建筑结构及运行有重要意义, 结合BIM进行全生命期追溯。项目的钢结构构件、机电设备、幕墙门窗等都拥有专业的BIM族文件, 使用构件的ID生成二维码, 并将该编码与加工厂的ERP系统进行对照关联, 在构件上粘贴二维码或RFID芯片后可实时记录现场装配式构件的设计、加工、运输、安装的全过程;所形成的构件安装及验收记录上传至平台中, 可通过扫码或射频感应设备在现场进行查看, 也可经由专用账户在平台系统中进行查询, 确保了工程质量的可追溯。

在施工建造管理方面, 企业原有的信息化系统具备一定的功能, 但各部门板块相对独立, 不利于信息共享。考虑到本项目BIM技术应用较深, 各专业模型齐全, 采用专业轻量化引擎对模型进行处理, 并与原有业务进行结合, 实现在技术、进度、质量、安全上的综合管理。

1) 协同化技术管理在平台中设置共享云盘系统, 用于项目资料的共享及归档, 项目管理人员能根据权限访问提取信息。共享信息主要包含施工图纸、BIM模型、施工方案、项目组织机构、项目大事记等, 各类信息由归口部门信息专员上传及更新, 利用手机或网页端可快速查询、在线查看, 如图7所示。

2) 创新型进度管控为科学指导现场进度, 做好项目主要节点及里程碑计划的执行与预警分析, 尝试将BIM模拟进度计划与实际进度进行对比分析。首先按主要分部分项施工顺序编制计划, 再将计划任务与轻量化BIM模型相关联, 同时计划任务节点生成列表, 管理人员在现场完成后输入实际完成信息, 实现工期进度的对比。当任务的实际开始滞后时将提前预警, 任务实际完成时间拖延后会自动提示纠偏, 为项目的生产提供了科学的数据支撑。

3) 精细化质量管控项目质量管理工作使用手机APP端进行数据录入, 通过填写质量问题及整改数据逐步建立质量管理数据库, 统计每周或每月的质量问题数量、待整改回复问题数量、待复查的问题数量、整改完成率等信息, 项目质量管理人员能够通过平台完成质量部门的日常工作, 质量管理的表单能够通过BIM模型参数相互关联。设置工程质量隐患、重点部位锚点, 定时提醒智能巡查。

4) 高效性安全管控现场安全管理隐患发现后, 通过拍照并上传至平台, 记录责任单位与个人, 并流转至处理责任工程师。平台内可统计近1个月的安全隐患数量、待整改回复的隐患数量、待复查的隐患数量、隐患整改完成率以及重大危险源数量等信息。平台的使用提高了安全员日常的工作效率, 任务下达后可持续追踪, 直至隐患排查整改完毕。为便于复查及管理, 平台BIM模型界面还以锚点展示形式记录安全巡检及过程检查的现场定位, 可直观了解施工现场整体的安全生产状态, 如图8所示。

1) 可视化视频监控传统的项目视频监控系统虽然能一次展示多画面信息, 但难以准确给出监控点位。为解决上述问题, 在传统界面的基础上, 项目选择采用倾斜摄影还原现场实景总况, 并将现场摄像头以锚点形式进行关联, 可有针对性地实时调取现场监控画面。在这种模式下, 企业及项目管理人员既可了解当前工程的进度状态, 还可直观选择锚点, 查看监督重点部位的情况, 有助于提高管理效率、降低现场安全管理隐患, 如图9所示。

2) 多功能环境监测在施工现场布设自动监测环境仪器, 对施工现场的扬尘、噪声、温湿度、风速、风向、工程污水和用水用电量等信息进行实时监测, 通过数据分析并及时处理项目环境、能耗情况。对工程现场的温度、湿度、风力、风向、噪声、污水、能源消耗等环境信息进行实时监测 (见图10) 。各环境要素超标时进行报警。

平台基于BS进行设计, 拥有网页+手机APP双端登陆的优势, 可随时对工地信息进行查阅, 大幅提升管理效率。

项目内业管理人员和企业项目管理人员, 主要通过网页端访问, 可以进行大型文件的上传和处理或批量导入, 可提高信息传递的效率。

现场外业管理人员和企业管理人员可通过智慧建造APP登陆 (见图11) 。APP端既能进行现场质量、安全、材料等信息采集, 也能查看平台数据源中统计分析后的汇总信息, 其功能与Web端一致。

以智慧建造平台为核心的创新项目管理能够实现对工程项目全方位、立体化的管控与协调, 应用效果主要体现在以下方面。

1) 现场工作协同高效通过通讯录、任务安排、全景监控、云盘等功能, 实现各参与方协同高效工作。

2) 人、机、料准确定位依托人脸识别系统、智能卡、电子标签等标识装置, 实现人员、车辆、机械、材料的信息采集与精准定位。

3) 关键指标预警联动通过采用各种传感器、智能监测仪, 可以对扬尘超标、混凝土养护温度、高支模变形超限等关键指标进行监控。

4) 进度质量实时掌握多种终端功能, 如现场拍照巡检、二维码巡检、整改与罚款、远程验收、周计划自动反馈, 确保进度质量实时掌握。

5) 资料图纸有序便捷建立图纸库、规范库、影音资料库、项目成长树, 掌握丰富的技术资料。

6) 企业对项目的管理力度增强能通过接口, 从项目管理平台中提取信息数据, 为企业管理和资源支撑做好服务。在企业级的平台中, 除了企业对项目的各工作及流程外, 应加入GIS技术, 能对多项目 (某片区或城市) 进行管理, 并拥有综合统计分析的功能。

7) 政府、业主、监理管控高效直接通过接口, 政府监管部门从智慧建造系统提取信息数据从而进行管理。智慧建造系统增加业主、监理等单位管理及参与的功能。

雄安市民服务中心项目通过整合BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用, 全面提高了建造管理能力。施工过程中以智慧建造管理平台为核心, 采用人和物全面感知、工作互通互联、信息协同共享、决策科学分析、风险智慧预控的新型管理手段, 围绕人、机、料、法、环等关键要素, 对工程进度、质量、安全等生产过程及商务、技术等管理进行服务, 改变了传统工地管理层级多、信息传递困难、决策制定周期长的弊端, 推动工地生产的智慧化、透明化、绿色化, 是项目在112d内高效建造交付的重要技术保障。

虽然现阶段的信息技术还不足以完全支撑数字孪生工地的最终目标, 但通过信息化技术确实能显著提高建筑业施工现场的生产效率、管理效率和决策能力。相信随着物联网、大数据、云计算、人工智能等技术的进一步发展, 系统容量快速提升、数据处理更为智能, “数字城市与现实城市同步规划、同步建设、智慧运营”的目标将随之到来。