智慧工地系统在兰州奥体中心项目施工中的应用研究

刘 波，禹 宁，万国平，关永莹，司拴牢，李光耀

（1.中国十七冶集团有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.兰州市建设工程安全质量监督站，甘肃 兰州 730030）

0 引言

建筑业是国民经济的重要支柱产业之一，而传统的项目管理存在信息沟通不对称、安全质量常见问题治理不及时、施工进度控制滞后、资料管理庞杂等诸多难点和痛点。近年来，随着信息化技术在建筑工程施工管理中的应用，智慧工地系统应用而生。智慧工地是一种崭新的工程生命周期管理理念，是通过某一平台，对项目进行施工过程管理，通过各单位和各部门之间相互协同，科学化信息管理，过程数据挖掘分析，对施工阶段各环节进行趋势预测管理和可视化管理，实施精准施测，科学应对，从而提高项目管理水平。

利用先进科技手段进行智能、高效、绿色、精益、科学的施工现场管理，杜绝各种违规操作和不文明施工[1]，提高建筑工程质量和施工管理效率，促进项目管理的创新和发展[2-4]，是立足新发展阶段，实现建筑行业高质量发展的必然要求。因此，本项目在智慧工地系统的应用研究中，基于信息化、数字化、网络化和智能化，旨在实现绿色施工，精益建造，标准化管控，为提升工程品质和增强企业核心竞争力积极探索，形成可复制的推广的经验和模式。

1 项目概况

兰州奥体中心项目总建筑面积 450 080 m2，总投资 54.14 亿元，包含三馆一场和体育产业用房及配套商业用房等（见图 1），施工周期 28 个月，以创“国家优质工程奖”、兰州市“白塔奖”、甘肃省“飞天奖”为质量目标。项目建设体量大、工期紧、标准高、结构复杂、地质情况复杂，钢结构、幕墙、机电管线深化工作量大，施工安装难度大且精度高，幕墙安装定位困难，复杂节点和交叉碰撞居多，高支模等异性结构施工危险系数高，给施工与管理带来极大的挑战。

图1 兰州奥体中心项目组成

2 智慧工地应用构架

为提高项目质量安全管理标准化和绿色精益化施工水平，应用智慧工地管理系统，首先对施工中相关数据进行收集和统计分析，并利用相关软硬件（见表 1）进行辅助项目管理，从而极大地提高了施工作业效率。

通过 BIM 建模，智能监控，各类传感器感知，对过滤后的施工现场有效数据进行全面、准确、及时的平台展现，围绕施工进度、劳务管理、物资进出场、安全质量、机械设备运行管理等，利用“互联网+”技术实现数字孪生和在线化动态预警管理，现场的质量、安全、进度、人、材、机的调配动态可控，提升了施工安全质量和生产管理的精益化、标准化水平，为项目按计划推进保驾护航。

表1 智慧工地软硬件一览表

3 智慧工地应用系统

3.1 劳务管理

按照建筑工人劳务实名制管理要求，进行作业工人自动化现场考勤和工资管理。利用劳务实名制管理系统［见图 2（a）］，可对劳务分包用工评价，生产作业协调进行管理。利用管理平台对劳务分包商进行了安全、质量、生产任务等多维度的综合评分，辅助项目选择诚信、优质的劳务合作供应商。

图2 劳务实名制管理系统

平台根据录入的劳务管理系统信息进行工人身份证自动读取，判别分析该进场人员是否超龄、是否为疫情地区返工人员、是否身份证过期等信息，实现项目劳务人员进场管控。对于已进场录入系统平台内的人员，通过现场智能门禁系统打卡数据及智能安全帽反馈至平台可按日统计出勤天数，并归纳至班组，并按月从平台导出考勤数据，供项目使用，从而实现项目劳务用工薪资发放管控，有效避免拖欠工人工资等情况的出现。

通过工人迁徙［见图 2（b）］、工人属性、应用分析、流动性分析、出勤分析、项目监控表进行多维度数据统计分析，全面掌握现场用工人数和动态。去年疫情期间，单周进场人数超过 1 000 人，通过流动轨迹分析筛选，人员有序进场作业，统计分析发挥了重要的作用，确保了无中高风险地区人员进入施工现场，有力地支持了复工复产工作。

3.2 智能监控

项目部按智慧工地系统策划中视频监控点位要求安装摄像头［见图 3（b）］，视频监控［见图 3（a）］覆盖全施工现场，并设专人负责日常运维，确保系统用电、网络、设备稳定工作。通过对现场的多方位实时监控、历史回放、远程访问，轻松解决了施工现场的管理盲区，施工安全与进度得到了有效保障。

图3 施工现场智能监控系统

3.3 质量监督管理

建筑质量是对一个工程的安全、适用、经济、环保、美观等特定的要求，质量监督管理是保证过程质量受控，达标创优的重要保证措施之一。智慧工地质量管理系统集成了关于工序的质量规范标准，辅助质量管理人员进行日常检查以及项目技术负责人的督查工作。通过客户端上传现场的质量问题并进行统计分析（见图 4），通过平台设置的整改链接到责任人进行闭环处理，确保质量问题按时整改闭合，可有效辅助质量管理人员及时对现场问题及隐患进行督促整改。系统平台再通过客户端上传的数据进行统计分析形成质量问题库，以图表的形式直观反映各施工阶段常见质量问题及发生的部位，从而有针对性地进行“靶向治疗”，防范质量问题的发生，为企业、社会和政府质量监督提供有效的数据支撑。

图4 质量管理系统示意图

3.4 安全环保管理

3.4.1 安全管理

安全管理系统通过各级管理人员现场发现隐患，快速生成巡检记录，自动推送相关责任人，督促整改合格形成闭环，有效降低现场安全隐患。电脑端一键生成整改通知单，减少工作量提高管理效率。巡检记录形成大数据并支持多维分析，为管理赋能。目前，入场进行三级安全教育，信息录入 100 %，每天填写安全日志，日均隐患排查不少于 3 条，隐患问题及时整改率为 99 %，截止目前累计检查总数 1 822 条，隐患总数 1 401 条，其中重大隐患 90 条。

3.4.2 环境监测

环境监测系统如图 5 所示，通过环境监测设备实时监测施工现场各项环境指标，平台自动统计分析当前环境质量，通过大数据分析，为科学施工提出参考性措施。利用环境监测仪对现场各项环境指标进行监测，包括温湿度、PM 值、风力及风向等，并将数据传输至云平台存储分析，通过电脑、手机的 APP 进行实时查看，在 LED 屏幕进行数据显示，并下发手机短信通知单，提醒现场作业人员温度和注意事项，特别是为冬期施工措施的落实提供了保障。通过智慧工地管理平台，对接现场噪声和扬尘监测动态预警系统，设置空气质量及扬尘上线阈值，实现超限报警并自动启动现场联动喷淋系统。

图5 现场环境监测系统

3.4.3 工地宝与智能安全帽

随着新一代智能安全帽的诞生，安全帽已经不只是用来保护穿戴者头部的防具，还是智能巡检系统的辅助工具。智能安全帽人员定位系统，是以工人实名制为基础，以物联网智能硬件为手段，通过项目定制三维场布模型（见图 6）和智能芯片的安全帽（见图 7），现场安装“工地宝”数据采集和传输，实现数据自动收集、上传和语音安全提示，最后在移动端实时数据整理、分析，统计工人现场分布、个人考勤数据，实现人员的定位和轨迹跟踪，对人员进入危险区域进行预警，给项目管理人员提供了科学的现场管理和决策依据。

图6 三维场布模型

图7 智能安全帽

3.4.4 高支模监测

高支模监测是通过设置无线压力传感器、位移传感器、倾角传感器、声光报警器等，实现远程对模板支架监测并报警，第一时间将预警信息推送至手机端，及时采取手段，避免因架体失稳、沉降、侧移导致坍塌事故发生。支模架采用新型盘扣式［见图 8（a）、图 8（c）］，利用 Midas 进行支架受力分析，进一步验证架体安全性，保证高支模危大工程施工方案的可行性，同时用模型参与［见图 8（b）］现场安全检查［见图 8（d）］预验收，使 BIM 落地运用。

3.4.5 施工升降机监测

利用施工升降机安全监控设备，将各项数据上传到 PC 端，可对驾驶员身份进行验证识别，并设置有节能灯、楼层呼叫器；通过传感器实时监控升降机运行，保障作业安全及施工效率设备数据实时展示，可对设备当日工作情况、运行重量违章行为等进行记录和分析。

3.4.6 塔机运行管理

图8 现场高支模监测管理示意

兰州奥体中心项目工程量庞大，塔吊设备众多，众多塔吊同时作业，塔吊之间相互影响，相互制约，所以对塔吊设备的安全管理、有序作业是重中之重。现场共计使用 37 台塔吊设备，其中包括无人塔吊 1 台。通过塔吊管理系统［见图 9（a）］，各塔吊和司机信息一目了然，提升了资源分配效率。通过塔吊运行监控［见图 9（b）］，实现了风速报警、碰撞控制、吊钩高度与吊重监测，并在塔机关键位置安装了高清网络摄像头，实现吊钩可视化，杜绝隔物吊和盲吊，解决大型设备监管困难的问题，减少了安全事故的发生。利用大型设备线上数据管理，一个设备一个身份，通过扫码检验，历史数据随时可查，解脱了繁重的手工记录，增加了历史数据的安全性。通过进行塔吊功效分析、塔机报警统计、群塔吊装循环次数统计、塔机工作情况的统计等分析，有效协助现场管理高效作业。

图9 塔吊安全运行监测系统

3.4.7 无人塔吊应用

传统塔吊作业至少需要 2 名工人，一个在驾驶室，一人在地面通过对讲机传递信号，对接交流反应缓慢，易产生不安全因素。无人驾驶塔吊只需一人地面操作操控台，利用移动互联网技术和塔机信息化平台，通过无线电波传送数据，实现地面远程遥控驾驶。考虑到目前 5G 信号没有覆盖全面，信号传输低延时，因此，施工现场只在钢筋加工区设置了一台无人塔吊进行试验［见图 10（b）］。结果表明，通过无人塔吊的应用，切实降低了现场高空作业风险，减少了塔机操作人员数量和间接信号传递，提升了设备管理和施工现场安全管理水平［见图 10（a）］。

图10 无人塔吊应用示意

3.4.8 无人机倾斜摄影

项目部采购大疆系列无人机两台，利用 BIM+ 遥感技术，以 5G 长续航无人机为载体进行建模，真三维+假三维结合，以“上帝视角”巡查施工现场［见图 11（a）］，实施航拍、监测，动态掌控，并配合超级计算软件，进行三维建模计算［见图 11（b）］，直观地将现场施工质量安全、生产进度及文明施工反映出来。应用无人机方便对特种设备工作状况、外架、高空作业吊篮、水平洞口防护等区域进行监察。

图11 无人机施工现场巡检示意

3.5 钢结构三维激光扫描成像测量

钢结构安装施工过程中，利用建筑钢结构激光三维扫描测量与数字预拼装技术对安装构件进行三维扫描，可实现实体模型三维重建。利用三维扫描自动拼接得到的点云模型与 BIM 模型对比分析，检查安装精度，确保钢结构空间安装精度及变形控制，辅助钢结构空间卸载及定位验收。将 BIM 技术和多维扫描、数字模拟技术应用于钢结构建筑生产加工、施工安装等环节，大大提高了精益建造水平，如图 12 所示。

图12 钢结构三维激光成像比对

3.6 混凝土温度应力及结构健康监测

针对兰州地区昼夜温差大且兰州奥体中心体育场、体育产业用房及运动员公寓等混凝土大体积、大面积浇筑的特点，对部分钢筋混凝土结构进行施工期间的温度应力健康监测，通过监测结构内混凝土应变、钢筋应力和温度，及时了解并掌握各项监测指标的变化情况，为结构受力状态的评判和危险状态的预、报警提供数据支撑，确保施工质量及结构安全。同时在施工期间监测工作完成后，选取一部分监测点进行运营期间的长期自动化监测，确保运营期间的结构安全。监测指标为：结构构件内温度、钢筋应力、混凝土应变。监测系统由 5 部分组成：传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、结构性态评估系统、多用户端可视化实时系统。通过现场设置的自动化采集单元进行数据采集和传输。采样频率可根据情况具体设定，并实时无线传输到云平台，PC 端平台登录后可查看全部数据，手机端 APP 也可随时查看基本数据。

3.7 进度计划管控

项目利用生产管理系统对工程进度全程进行跟踪模拟比对，比对实际和计划进度情况，合理制定施工进度计划，避免施工中可能的冲突，严格控制施工节点，保证质量，降低成本，缩短工期。

在施工过程进度管理中，采用斑马计划管理软件，对本项目进度进行管理和规划，形成时间进度，将此时间进度与 BIM 模型进行匹配，得到可视化强的三维进度模型，如图 13 所示。依据此模型可对施工原材料、施工机械及现场劳动力进行调配，保障项目工期目标的实现。

使用 Revit 系列软件对本项目的 BIM 模型进行设计，模型建立过程中可检测图纸设计深度不足和缺陷，以便设计院对施工图纸进行纠正，以此来指导施工。

同时可利用原件的自动统计功能，对施工原材料数量进行汇总和统计。也可通过建立 4D 模型，实现建筑动画、实景和仿真效果，通过 4D 效果的演示，各层级管理人员能更直观了解设计意图，形成宏观的进度管理计划，有利于项目整体工期的掌控。

图13 施工进度模拟示意

3.8 物料管理

物料管理系统（见图 14）是利用视频监控设备、物联网技术，通过地磅周边硬件智能监控作弊行为，自动采集精准数据，对验收过程进行记录，所有进、出场的车辆经过磅房监控，随时随地掌控现场、识别风险，零距离集约管控、可视化智能决策。

2020 年项目累计上传运单数量 59 562 条，累计重量达 125 397.733 t，运单号填写率 100 %。该系统的现场智能地磅称重通过数据自动化录入、资料信息化共享，避免了因误报、虚报等导致的材料成本虚高现象，为项目节约了成本。

图14 物料管理系统

3.9 BIM 技术应用

利用 BIM 技术进行钢结构设计优化，对方案进行提前模拟和优化，通过虚拟施工从设备投入、工期、施工措施费用等各方面进行精细的对比评估，确定最优施工方案，并形成施工模拟动画，便于给作业人员进行交底。结合 BIM 轻量化应用，将 BIM 轻量化的三维场布和深化 BIM 模型导入智慧工地系统，并具备 PC 端和移动端的浏览操作。轻量化后的模型，保存完整的构件信息，支持主视角、框选、测量、剖切、漫游模式、地图、构建详情等功能。根据编定的施工进度计划，结合 BIM 模型形成施工进度模拟动画，透过 BIM 模型对虚拟建造过程的分析，合理调整施工进度，更精准地控制现场的施工与生产（见图 15），实现了利用 BIM 技术进行施工进度纠偏、投资控制的目的等。

图15 钢结构安装模拟

4 结语

通过兰州奥体中心项目智慧工地系统的综合应用，使项目管理更加有效便捷，使监督和服务更加科学高效，使建筑成本得到了有效的控制，极大地促进了基于信息技术的数字化、网络化、智能化与传统施工管理的深度融合，实现了绿色施工、精益建造与智慧管理的有效协同，推动了工程质量安全水平的提升和施工过程安全可控、进度及时纠偏，为推进传统施工技术管理转型升级和项目提质增效提供了鲜活的案例。Q