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浅谈智慧工地应用发展与未来展望
发布时间：
2022-10-25 16:59
来源：
一项目部
浅谈智慧工地应用发展与未来展望
论文作者：张浩
演讲者：张浩
【摘要】在加快数字化发展，推进数字化场景应用，以数字化转型整体驱动生产方式变革是“十四五”时期党中央重要决策部署。智慧工地，是数字化在建筑业的场景应用，是基于信息技术，围绕建筑工程项目全生命周期，建立支撑现场管理、互联协同、智能决策、知识共享的一整套项目管理的数字化系统。随着智能技术发展，特别是互联网、物联网、数字技术的加速应用，推进智慧工地建设已经成为加快建造方式转型升级的突破口和着力点，成为助力建筑业高质量发展的重要路径。
【关键词】智慧工地；发展；施工现场
随着传统建筑业转型升级和人口红利的消失，智慧工地的建设已成为必然趋势。2020 年 7 月，住房和城乡建设部等十三部门联合发布《关于推动智能建造与建筑工业化协同的指导意见》，指出：需大力推进先进制造设备、智能设备及智慧工地相关装备的研发、制造和推广应用。2021年5月，住房和城乡建设部办公厅印发《关于开展施工现场技能工人配备标准制定工作的通知》要求：不断完善本地区建筑工人实名制及智慧工地等管理系统，增加配备标准达标考核功能。2022年3月，住房和城乡建设部印发《关于开展房屋市政工程安全生产治理行动的通知》要求：鼓励利用先进信息技术推动智慧工地建设，提高施工现场安全生产智能化管理水平。
智慧工地的本质是要素的数字化，围绕施工现场项目管理的“人、机、料、法、环”五大核心要素，将BIM技术、云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能AI等新型信息化技术，与传统施工项目管理深度融合，把智能感知、施工监测与过程管理等汇聚到一个平台上，开展安全、质量、生产、技术、环境等多方面应用，对项目进行数字化、信息化、智能化、标准化、精细化管理。智慧工地给传统的建筑工地装上“智慧大脑”，辅助进行项目决策、监督与管理。
一、智慧工地的定义
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首先，需要明确智慧工地的研究对象，那就是工地，智慧是工地的定语，是一种技术手段和状态。其次，我们分析工地的组成，如图 1 所示。
图1 工地组成分析
从物理空间和实际的建造过程来看，工地由人、机械设备、材料物资、施工场地这些要素组成。智慧工地的技术手段是对工地要素的智慧化和数字化。所以，我们认为：智慧工地是采用数字化技术，对建设工程项目的工地人员、材料物资、机械设备、场地环境和施工过程实施智能化管理的工地。
二、智慧工地总体架构分析
智慧工地建设纵向涉及企业本部与施工现场项目部的数据贯通，横向涉及施工现场各应用子系统的数据融合。因此，在开展智慧工地管理平台建设前，需要围绕项目施工现场的监管要求，设计并形成平台的系统架构，在此基础上开发平台各子系统。各子系统既能协同运作，也能独立运行；既能保证系统的整体性，也可分阶段循序推进。
智慧工地管理平台的系统架构包括六个层级，分别为感知层、传输层、数据层、支撑层、应用层和用户层，如图2所示。
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图2智慧工地总体架构
感知层由物联网感知终端构成，通过监控摄像机、各类传感器、无线射频识别（RFID）、视频与图像识别、位置定位、激光扫描等智能传感设备对作业人员、施工机械、危险源、周边环境的实时状态及施工过程中的关键环节、关键工艺、关键工序、关键部位进行智能感知和数据采集。
传输层是平台的神经中枢和大脑，通过4G/5G移动通信网、有线网络、无线网络将现场的智能传感设备融合成物联网，实现前端感知信息的实时可靠传送。考虑到施工现场监控环境的特殊性，布线困难，建议尽量采用灵活性高、扩展性强、维护简单的无线传输方案。
数据层应建立专门的共享数据库，用于各子系统传感数据的统一存储、与外部BIM、GIS等三维信息模型的接口对接、主数据的集中管控，同时提供与应用层的数据交换。
支撑层主要提供应用所需的各种服务和共享资源，包括统一身份认证、下一代防火墙、VPN网关等网络安全防护软硬件、多项目一张图管理的WebGIS服务，以及搜索引擎、报表服务等。
应用层分为七大板块，分别为项目信息、人员管理、特种设备管理、安质管理、环境管理、物料管理、特色应用等。
用户层面向项目部、企业本部和政府部门三类用户提供多功能的智慧工地平台服务，包括满足不同功能及数据差异化展现的项目级平台、企业级平台的大屏/桌面端/移动端应用服务，以及按政府部门要求将项目级平台相关子系统数据接入政府监管平台。
在上述六层结构之外还应研究建立完善的标准规范体系、信息安全体系、运行维护体系，保障信息有序汇集、存储、应用和共享，强化平台管理、使用的规范性和安全性。
三、智慧工地应用发展现状分析
当前，我国建筑行业在智慧工地方面的探索与研究发展还处于初级阶段，但随着粗放式项目管理不能满足企业发展需求、施工安全管理压力大等问题越发突出，国家层面陆续颁布了相应政策文件，也提出了“推动新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展”的发展战略，地方各级政府管理部门也出台了相应的管理办法与指导意见，共同促进智慧工地信息化的发展和建设工程管理规范化、智慧化的新局面。
自2021年9月启动以来，重庆已建成智慧工地600余个。根据《重庆市房屋建筑和市政基础设施工程智慧工地管理规定（试行）》，智慧工地需要对及基础设施、人员管理、设备管理、环境监测、安全管理、质量管理、建造过程数字化应用七个类别进行全方位的评价认定，目前智慧工地分为一星级、二星级、三星级三个等级，其中三星级为最高等级。目前，重庆已有3个项目获评三星级智慧工地。其中首个挂牌三星级智慧工地的项目为重庆江北国际机场T3B航站楼及第四跑道工程T3B航站楼施工总承包工程，该工程通过可视化的智慧展厅继承数据平台，项目可实现全景监控、全过程、全方位的智慧管理。
以塔吊施工为例设立了塔吊防碰撞检测平台，可以看到现场塔吊的实时数据，包括塔吊悬臂所处的角度等，并与现场塔吊限位器联动，当现场塔吊的旋转角度，或是塔吊悬臂、吊钩之间存在碰撞的可能。
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图3整平机器人投入到施工中
在现场施工方面，图3该机器人采用高精度的激光标高控制系统，集成了测量、刮平及收面三个功能，施工功效达每小时150平方米以上，且整平精度高，能够实现楼地面一次成型，施工效率、精度高于人工。
安全管控方面，可对实时抓拍、健康筛选、安全教育、违章记录、人员轨迹、用工统计等多维度数据进行融合。“利用智慧工地管理平台，我们还可以实现工人工资专户及工资发放信息储存、查询、公示等信息化功能，保障了工人工资的按时足额发放”。
上海作为我国的经济、金融、贸易、航运、科技创新中心，是全国改革开放排头兵、创新发展先行者。全国经济实力最强、投资拉动最显著的超大型城市之一，每年重大工程投资额在 1700亿元左右。2020年，全市房地产开发投资稳步增长，完成投资4698.75 亿元，虽然受疫情影响，但仍然比上年增长11％ ，房地产支撑城市建设的作用比较突出。 近两年，上海城市发展积极规划布局，临港新片区、长三角一体化示范区、五大新城及虹桥商务区等重要地区的开发建设，呈现出密度高、工程量大、时间紧等特点，对工程建设安排和智慧工地管理提出更高要求。 运用人工智能、物联网、云计算、大数据等现代信息技术的“智慧工地” 管理稳步推进。
四、智慧工地的未来发展趋势
智慧工地是数字化场景应用的有益探索和实践。目前，全省智慧工地尚处于起步阶段，智能关键技术仍未成熟，管理系统集成化程度较低，随着数字技术加速发展并与建筑业不断融合，智慧工地发展必将推进技术升级，作业升级和管理升级，全面推进智能建造、智能管理和智能服务。
技术升级:智慧工地在近几年蓬勃兴起，正是源于物联网、移动互联网、VR&AR（虚拟现实和增强现实技术）、BIM（建筑信息模型），以及云计算、云存储、大数据等技术的全面创新。未来，智慧工地发展更多依赖对现有物联技术、移动互联技术和云技术的全面整合，实现各项智能技术从点到线，从线到面，从端到云以及大数据的多方联动，实现各种前沿信息技术的整合集成。其中信息管理平台技术是智慧工地发展核心技术之一，它以应用日趋广泛、技术日渐创新的智能终端实时采集、汇总、分析、预判等各项信息数据为基础，运用数据交换标准技术，推动不同项目成员之间，不同软件产品之间，不同管理系统之间的信息数据交换，实现建筑工程建设项目主体、企业主体、政府监管主体在一个统一的平台上协同工作。
作业升级:智慧工地是信息技术与建造技术在施工现场深度融合的产物，信息系统不再简单局限于计算、分析，而是具备了感知、思维和决策能力，必然推动建筑施工作业升级。智慧工地，一方面可以完成人工操作难以完成的工作，如用机器人去完成危险作业。另一方面是超越人的感知提升施工建造水平，使施工作业在技术上实现一个质的飞跃。例如，利用智能传感器技术自动获取梁等构件的受力、应变情况等监测数据，更精准地把控施工质量。应用塔机监控设备，通过吊钩可视化，打破盲区作业工作场景，实现全程可视化操作，有效解决塔机司机在操作塔机运行过程中面临群塔干涉、碰撞的问题，最终提升作业安全和质量水平，全面提升建筑工程建造质量。
管理升级:未来，智慧工地通过“互联网 +理念”和技术，最大限度地对建筑施工现场的人员、机器、物料、方法、环境等各生产要素进行实时、全面、智能的数据采集，按照建筑施工现场管理的逻辑关系，依托云端大数据管理平台，推动进度、安全、质量、环境、成本等各个方面管理，实现管理功能升级。例如，在劳务管理方面，建立工人刷卡进场与劳务分包管理制度，通过工人出勤与工资支付台账，减少了劳资纠纷。在器械管理方面，据测算，智能加工机械代替人工，效率可以提升 20 倍以上，机械利用率提高70% 以上。在材料管理方面，可以有效掌握材料的种类信息、价格信息以及进出数量信息，实现成本控制和优化。在方案与工法管理方面，面对项目越来越复杂的发展趋势，推进各项解决方案更可视，更及时，通过工艺工法流程再造和控制，实现风险预判。在生产与环境方面，运用信息技术，加强生产和组织协调，严格把控项目进度。
五、结语
智慧工地的建设应用对建筑行来说是一项重要的革新，是打造新型智慧城市，推进新型信息化、城镇化发展战略的重要保障，它的成功推广普及将有效提升建筑工程施工项目的监管、分析、预测等能力。随着信息技术、智能技术等的不断进步，以及与建筑行业的不断融合创新交互，赋予智慧工地的意义与内涵也将不断完善，智慧工地的应用发展也将为建筑业企业及项目的降本增效、促安提质提供更有力的保障，最终推动建筑行业向更加自动化、智能化、智慧化的趋势发展进步。
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