基于现代信息技术的智慧工地系统构建及应用

单卫明

【摘要】    为解决建筑工地安全隐患众多、各项管理松散薄弱等问题，本文根据建筑业发展实践以及相关政策规定，利用互联网、移动通信、大数据、物联网等现代信息技术手段，构建了以基于IFC的BIM为基础数据模型、融各种监测与管理功能于一体的智慧工地系统，剖析了其构建逻辑与基本架构，并对系统各项功能及其应用进行了详细分析，以期对建筑业智能化发展提供指导思路，对建筑工地的信息化实践与升级提供一定的参考借鉴。

【关键词】    智慧工地    移动通信    信息化    工地管理

一、引言

建筑业的不安全因素众多，工程施工区域分散，工地危险区域繁多且现场情况复杂多变，工程施工操作规范性差，各类污染严重，工地管理较为松散薄弱，对安全隐患的警惕性不高，各类安全事故时有发生，是相关部门紧抓安全生产重点关注的五大行业之一[1][2]。2016年8月23日，住房和城乡建设部印发《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》，提出了企业信息化、行业监管与服务信息化、专项信息技术应用及信息化标准四大主要任务，同时要求在“十三五”期间全面提升建筑业信息化水平，使其数字化、网络化以及智能化水平取得突破性进展[3]。利用现代信息技术加强工地管理、防范危险事故的发生既是建筑业安全规范发展的迫切需求，也是适应信息化时代发展和国家政策要求的必然趋势，因此，本文将建筑工地工程实践与各类信息技术充分融合，试图构建基于现代信息技术的智慧工地系统并分析了其在建筑工地上的应用。

二、 智慧工地系统概述

智慧工地是指以互联网为基础的信息化管理平台，它利用各类信息技术手段，实现工地各项工程事项、工地管理等方面的智能决策、信息共享、智能生产、现场与设备的安全监控、多方互联协同等功能[4][5]。智慧工地系统广泛利用BIM、大數据、智能化、移动通信、云计算、物联网等现代信息技术，将人员管理、工程进度管理、现场监控与巡查、施工设备监管、环境监控、应急管理、后勤保障管理等一系列管理活动融于一体，实现各项管理活动的集成，以最大限度提升建筑工地各类管理工作的有序性和条理性、监测各项危险指标并及时预警、降低安全事故发生的可能性。

三、模型与方法

本文利用基于IFC数据标准的BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型），构建智慧工地信息系统的基础数据模型。

3.1 基于IFC的BIM

IFC（industry foundation classes，工业基础类）数据标准是IAI（国际协作联盟）专门针对建筑业制定的面向对象的、开放的BIM数据标准。IFC是ISO（国际标准化组织）制定的STEP（产品模型数据交互规范）在建筑业领域的延伸，定义了各类与建筑工程相关的数据元素的标准，构建了建筑业全生命周期的信息管理模式，提升各类建筑数据交换和共享的可操作性、便利性和高效性，使建筑业数据交换模式由传统的建筑业各参与方杂乱的交换模式转变为基于IFC建筑模型共享的交换模式。

BIM是基于三维数字技术，对建筑施工过程中的各类相关信息进行集成而生成的建筑信息模型。基于IFC的BIM将IFC的建筑产品数据表达与交换共享标准融入传统的建筑信息模型中，实现工程设计、建造、施工、管理等全流程的数字化，提升建筑业各参与方的协调性、统一性与协同化水平。

3.2 数据交换方式

基于IFC的数据交换方式一般包括两种。

（1）基于数据访问接口的数据交换

当数据以EXPRESS语言来建模和描述时，基于SDAI（标准数据访问接口，在STEP标准中定义）的应用系统就能够访问和共享不同物理存储下的数据，同时独立于具体的数据存储[6]。

图1     基于数据访问接口的数据交换模型[6]

（2）基于数据文件的数据交换

图2    基于数据文件的数据交换模型[6]

图3    基于IFC的BIM构建与调整流程图[7]

用于能够识别IFC模型数据文件的系统之间的数据交换。IFC模型数据文件包括在“IFC实现”方式中符合IFC标准的STEP中性物理文件（ISO 10303.21文件）和“ifCXML实现”方式中XML格式的模型文件两种[6]。

3.3 基于IFC的BIM构建原理

BIM数据库在应用过程中动态变化，其各类元素和属性不断更新和丰富，结合智慧工地系统各类数据特征及系统的功能与应用需求，需在工程项目设计、建设、施工、运营等阶段不断调整BIM，使其适应不同生命周期的信息需求，智慧工地系统BIM构建与调整的原理和过程如图3所示。

四、系统构建逻辑与基本架构

从系统实际应用的角度出发，构建基于现代信息技术的智慧工地系统需考虑两个维度的内容：一是系统的功能模块，二是系统的实现方式。

从系统功能模块的角度来看，基于现代信息技术的智慧工地系统需实现人员管理、危险因素监测、工程进度与质量管理、现场巡检、重点区域进出管理、应急管理以及人员培训等相应的辅助功能。根据各部分功能瞄准解决的重点任务不同，本文将这一智慧工地系统划分为三个子系统：现场管理系统、专项监测系统、综合支撑系统，并在此基础上构建相应的细分功能模块，其功能架构如图4所示。

图4    基于现代信息技术的智慧工地系统功能架构图

图5    基于现代信息技术的智慧工地系统技术架构图

从系统实现方式的角度来看，构建智慧工地系统必须具备前端采集系统、中层传输系统和终端呈现系统三个子系统。根据系统功能需求，前端采集系统需包括球机摄像头、枪机摄像头、手机APP、温度传感器、湿度传感器、颗粒物传感器、气压传感器、噪声传感器、风速传感器、风向传感器、重力传感器、人脸识别装置、车牌识别装置等;中层传输可通过有线和无线两种方式实现;终端呈现方式包括系统PC端和移动端两种。

根据系统构建逻辑以及功能需求，可将基于现代信息技术的智慧工地系统技术架构抽象成四个层次的结构，即采集层、传输层、应用层和呈现层，如图5所示。

五、系统功能及其应用

5.1 现场管理系统

智慧工地系统最主要的是对建筑工地现场的管理，其功能和应用场景主要包括以下几个方面：

（1）现场监控

通过在各工地重要部位安装摄像头，可将施工现场的情况实时传送到系统中，并在手机APP和系统PC端查看现场实时情况，对于球机摄像头，还可利用方向控制器调整方向，查看施工现场不同方向的监控视频。

通过现场监控，可远程实时监控施工现场情况，从而能够控制重大危险源、及时发现问题并进行整改，还可回访历史录像，追溯还原施工情况以分析问题缘由。

（2）环境监测

通过在施工现场安装各类传感器和检测设备，可实时监测工地的噪声、扬尘、温度、湿度、PM2.5、PM10等数据并进行统计分析。

根据监测数据，可判断分析现场施工环境，实时调整施工工序，减少污染，降低投诉次数，优化施工环境。

（3）现场巡检

当需要检查某一项目工地时，直接通过系统手机端或PC端委派任务，写明要求、事由、委派人等;巡检人员在检查过程中发现问题时，可通过手机端提交现场巡查情况，知会相关责任人来整改。同时，还可跟踪巡检记录并对一定时期内的巡检情况进行统计和分析。

通过现场巡检，把安全巡检工作信息化，避免出现纸质化操作中存在的时效性差、遗漏、文档丢失等问题。

（4）智能门禁

在工地作業区域、危险区域等重点区域设置人脸识别设备、车辆识别一体机等，对进场人员、项目部工程车辆、员工车辆及外来车辆等进行监控和分类管理。

（5）质量监管

根据施工项目的不同项目部位进行质量检查，并生成质量检测报告，依据合格情况及检测详情，对施工不合格之处进行整改，保障工程质量。同时，对工程项目每个月的错误、返工等情况进行统计和分析，为质量管理提供参考依据。

（6）工程进度管理

通过项目计划列表查看工程项目计划详细情况，通过调用现场视频监控录像，定期查看工程重要节点的实际完成进度。

5.2 专项监测系统

专项监测系统主要针对施工现场重要部位进行监控和管理，其功能和应用主要包括以下几个方面：

（1）塔吊安全监测

在大臂前端安装高清夜用摄像头实现吊钩可视化，自动追踪吊钩的运行轨迹、球机可自动变焦保障画面的清晰度。工作人员根据司机室中吊钩运行画面进行操作，避免盲区作业。同时，工地管理人员可远程查看视频图像进行现场监控、指挥和管理。

（2）升降机安全监控

本模块由升降机主控、编码器、质量与倾角传感器、摄像头组成，通过前端设备采集的数据，可实现司机身份识别、超载和超员报警、楼层和速度等重要参数检测、远程锁车等功能。

（3）高支模监测

本模块由前端采集器、智能采集仪和监控软件组成，通过前端传感器对模板沉降、支架变形和立杆轴力等进行实时监测，实现超限预警、危险报警等功能。

（4）深基坑监测

深基坑监测选取液位、沉降等指标，监测深基坑的水位状态;选取监测基坑顶部的水平位移、竖向位移及基坑深层的水平位移，监测基坑状态。

5.3 综合支撑系统

综合支撑系统是为工人以及工地管理人员提供辅助服务的系统，包括人员考勤、人员信息管理、培训教育、应急管理、工程重要节点施工审批、安全专项资料共享、视频会议等功能模块。

六、结语

本文基于建筑工地现状与信息化发展需求，构建了基于现代信息技术的智慧工地系统，并详细分析了其具体功能和应用，目前该系统部分功能已推广应用，未来将在专项监测方面进行深入细化，并开发更多能够切实帮助工人、工地管理员以及其他相关人员的辅助应用功能，完善智慧工地系统，推动建筑业数字化、网络化、智能化发展，为我国建筑业信息化发展和建筑工地管理实践提供参考借鉴。

参  考  文  献

[1] 窦安华，刘著国，王帅.智慧工地用智慧建造未来[J].安徽建筑， 2017（05）：92-96.

[2] 宋丙坤，谭春波.基于异构数据融合的智慧工地移动化解决方案[J].信息通信， 2018（3）：83-85.

[3] 搜狐网.《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》全文[EB/0L].（2017-12-15） [2019--6-16].http：//www.sohu.com/a/210762310_188910.

[4] 张艳超.智慧工地建设需求和信息化集成应用探讨[J].智能建筑与智慧城市， 2018， 258（05）：84-86.

[5] 曾凝霜，刘琰，徐波.基于BIM的智慧工地管理体系框架研究[J].施工技术， 2015， 10（44）：96-100.

[6] 秦领.基于BIM的建筑设计与结构分析集成方法研究[D].上海：上海交通大学， 2010.

[7] Hesam， H.， Ehsan， R.A.， Brenda， M. IFC-Based Development of As-Built and As-Is BIMs Using Construction and Facility Inspection Data： Site-to-BIM Data Transfer Automation[J]. Journal of Computing in Civil Engineering， 32（2）.