大型城市智慧工地建設(shè)需求和發(fā)展趨勢分析

孫博洋，張 猷，沈志鵬，姚 峣，黃阮明，趙晶晶

(1.國網(wǎng)上海市電力公司，上海 200120；2.上海電力大學，上海 200090)

0 引言

全球氣候變化是21世紀人類面臨的重大挑戰(zhàn)。我國是全球最大的碳排放國，應對氣候變化事關(guān)國際、國內(nèi)大局，是推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要抓手。目前，我國已經(jīng)明確提出“碳達峰、碳中和”目標，為我國綠色低碳轉(zhuǎn)型指明了前進方向，也為全球氣候治理向前邁進注入了新動能[1-2]。

以北上廣為代表的我國大型城市在加快智慧城市建設(shè)的同時，也在積極爭取提前實現(xiàn)“雙碳”目標，面對社會各領(lǐng)域大體量、高密度的工程建設(shè)，亟需提升工程建設(shè)管理水平，助力社會綠色低碳發(fā)展。智慧工地是近幾年工程建設(shè)領(lǐng)域管理創(chuàng)新的熱門方向，也是智慧城市建設(shè)的重要內(nèi)涵和現(xiàn)實需求，可促進城市建設(shè)面向“工業(yè)化、信息化、綠色化”發(fā)展，智慧工地是實現(xiàn)綠色建造和智慧建造的正確途徑和有效手段。“雙碳”背景下大型城市的工程建設(shè)特點、智慧工地管理需求和發(fā)展趨勢是本文討論的重點。

1 大型城市發(fā)展特點

北京、上海、廣州等大型城市是我國經(jīng)濟發(fā)展快、工程建設(shè)體量大、智慧工地系統(tǒng)應用較早的大型城市之一。改革開放40多年以來，北上廣的國民經(jīng)濟總值(GDP)持續(xù)增長，尤其是進入21世紀后經(jīng)濟增長速度明顯加快。貨物運輸量是經(jīng)濟活動繁榮程度的重要衡量指標之一，與GDP變化趨勢基本一致[3-5](見圖1～6)。經(jīng)濟發(fā)展和城市建設(shè)的特點，決定了工程建設(shè)管理的智慧化需求也更加迫切。

圖1 1978—2019年北京市國民生產(chǎn)總值

圖2 1978—2019年北京貨運總量

圖3 1980—2019年上海國民生產(chǎn)總值

圖4 1990—2019年上海貨運總量

圖5 1978—2019年廣州國民生產(chǎn)總值

圖6 1985—2019年廣州貨運總量

上海作為我國的經(jīng)濟、金融、貿(mào)易、航運、科技創(chuàng)新中心，是全國改革開放排頭兵、創(chuàng)新發(fā)展先行者。根據(jù)國務院批復的上海城市總體規(guī)劃，2035年上海將建成“卓越的全球城市”。要嚴守城市安全，建設(shè)韌性城市，加大海洋、大氣、水、土壤環(huán)境的保護力度，主動應對全球氣候變化，提升城市抵御自然災害能力。通過優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)業(yè)和建筑能耗，引導綠色交通出行，全面降低碳排放。上海市政府在2021年初的“兩會”上提出，將制定全市碳排放達峰行動計劃，著力推動電力、鋼鐵、化工等重點領(lǐng)域和重點用能單位節(jié)能降碳，確保在2025年前實現(xiàn)碳排放達峰。低碳脫碳、節(jié)能減排也是工程建設(shè)領(lǐng)域“雙碳”工作的重要考量。

改革開放40多年來，上海市經(jīng)濟發(fā)展持續(xù)增長，2000年之后的增長速度明顯加快，與此同時，貨物運輸量、交通運輸投資也在近二十年出現(xiàn)大幅增長，與經(jīng)濟發(fā)展速度很匹配。按照當前增長趨勢，“十四五”期間，上海等大型城市的經(jīng)濟發(fā)展速度將仍然保持較高水平，城市建設(shè)體量、貨物運輸量也將持續(xù)保持高位。

上海是全國經(jīng)濟實力最強、投資拉動最顯著的超大型城市之一，每年重大工程投資額在1 700億元左右。2020年，全市房地產(chǎn)開發(fā)投資穩(wěn)步增長，完成投資4 698.75億元，雖然受疫情影響，但仍然比上年增長11.0%，房地產(chǎn)支撐城市建設(shè)的作用比較突出。近兩年，上海城市發(fā)展積極規(guī)劃布局，臨港新片區(qū)、長三角一體化示范區(qū)、五大新城及虹橋商務區(qū)等重要地區(qū)的開發(fā)建設(shè)，呈現(xiàn)出密度高、工程量大、時間緊等特點，對工程建設(shè)安排和智慧工地管理提出更高要求。運用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的“智慧工地”管理穩(wěn)步推進。

從上海市重大工程和熱點地區(qū)的大量工程建設(shè)安排和全市貨物運輸量、道路車輛容量等數(shù)據(jù)看，各項工程的密集開工建設(shè)，相關(guān)材料運輸、渣土轉(zhuǎn)移等必然存在道路占用和通行不便問題，必須合理規(guī)劃工程車輛行車路徑和優(yōu)化工期安排，實時監(jiān)測道路流量并及時調(diào)整運輸策略，以更加智慧智能的方法來組織管理工程建設(shè)。

2 智慧工地總體框架分析

智慧工地的概念來源于智能制造、智慧建筑、BIM技術(shù)、智慧城市等概念。國內(nèi)相關(guān)研究起始于2013年，其中有工程項目基于勞務問題，尤其是進城務工人員工資發(fā)放問題，提出智慧工地維權(quán)管理系統(tǒng)；還有項目建立了工地監(jiān)管安全管理的視頻遠程監(jiān)控系統(tǒng)，是智慧工地的先驅(qū)嘗試。近年來，隨著BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，智慧工地定義得到不斷延伸，應用領(lǐng)域及涵蓋技術(shù)隨之增加[6-7]。

智慧工地管理系統(tǒng)是以建設(shè)項目現(xiàn)場為核心，依托BIM、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為基礎(chǔ)，集成一系列智能設(shè)備的智慧化管理平臺，以實現(xiàn)建設(shè)項目現(xiàn)場信息流和物質(zhì)流的協(xié)同管理。智慧工地管理系統(tǒng)利用智能機器人、可穿戴設(shè)備等智能設(shè)備同工人、傳統(tǒng)機械實施現(xiàn)場生產(chǎn)，通過智能攝像頭、人臉識別、RFID、二維碼、無人機等收集工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)，依靠移動通信、互聯(lián)網(wǎng)與基礎(chǔ)平臺實現(xiàn)信息流的實時交互，實現(xiàn)工程現(xiàn)場的安全、質(zhì)量、進度、成本、勞務等方面的智慧管理與智慧決策。

智慧工地管理系統(tǒng)的總體框架如圖7所示，包含智能感知層、通信網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應用層、交互層和決策層6大梯次結(jié)構(gòu)，貫穿數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和應用等方面，依托物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、超級計算機，建立云端數(shù)據(jù)管理平臺，形成“端+云+大數(shù)據(jù)”的管理模式。

圖7 智慧工地管理平臺的總體框架結(jié)構(gòu)

3 智慧工地建設(shè)需求和發(fā)展趨勢分析

隨著信息化時代的發(fā)展，建筑行業(yè)也隨著時代的變遷而轉(zhuǎn)變，建筑施工也在朝著智慧化、精細化的方向發(fā)展。隨著“雙碳”戰(zhàn)略的實施和信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的廣泛應用，智慧工地的理念也將會順應提倡綠色施工的發(fā)展應運而生。智慧工地的應用在項目管理、質(zhì)量控制及數(shù)據(jù)分析等方面的成效有明顯提升。同時在施工過程管理中，植入更多的網(wǎng)絡(luò)應用、可視化管理、虛擬現(xiàn)實等高科技技術(shù)，使施工過程管理更加經(jīng)濟高效、便捷以及節(jié)約各項成本資源，并且形成一個完整的可視化、數(shù)據(jù)化、人性化的過程控制網(wǎng)，實現(xiàn)施工過程管理人與施工現(xiàn)場無縫整合[8-9]。智慧工地的典型應用場景包括多個方面。

3.1 人員信息管理

通過電子標簽(RFID)、面部、指紋識別和虹膜識別等多種技術(shù)，對工程建設(shè)全體人員進行實名制管理，可以將工地勞務人員姓名、身份證號、勞動合同書編號、崗位技能證書號登記入冊，并確保人、證、冊、合同、證書相符統(tǒng)一，從而促進工程合法用工。施工現(xiàn)場門禁、人員考勤、會議簽到、工資發(fā)放等都是智慧工地人員管理的重要應用。

3.2 工地安全管理

流動人員定位監(jiān)控、電子圍欄、塔機/升降機、深基坑/高支模等安全管理，是工程建設(shè)現(xiàn)場安全管理的重中之重。

本試驗以黃芩、黃芪、杜仲、甘草復合提取物和益生菌（枯草芽孢桿菌）按一定比例制成復合物，通過研究其對育肥豬生長性能和胴體性狀的影響，為益生菌與復方中藥提取物在育肥豬養(yǎng)殖中的推廣應用提供理論依據(jù)。

工地現(xiàn)場應用的電子圍欄以預警為主，多采用紅外感知、電子標簽定位識別、視頻捕獲識別等技術(shù)，一般采用廣播告知驅(qū)離、信息反饋和管理人員現(xiàn)場制止警告等措施，防止無關(guān)人員進入施工現(xiàn)場的安全區(qū)域內(nèi)。工地電子圍欄多應用在“四口”(通道口、樓梯口、預留洞口、電梯井口)、“五臨邊”(沒有防護措施的陽臺周邊、屋面周邊、樓梯側(cè)邊、框架結(jié)構(gòu)樓層周邊以及基坑周邊)及其他需要重點防護的位置。

塔機、升降機是建設(shè)工地最常見的機械器具，由于起重貨物、運送人員和材料、高空作業(yè)的特點，這類設(shè)備的安全管控顯得尤為重要。借助高度、力矩、回轉(zhuǎn)、幅度等各類傳感器和風速儀、監(jiān)視器等設(shè)備，采集并監(jiān)控塔機的幅度、起重量、起重力矩、起升高度、工作速度等關(guān)鍵技術(shù)指標。采用芯片卡、指紋或面部智能識別技術(shù)，規(guī)范化管理升降機的施工、維保、機管人員信息，確保專人操作、專人維保。加裝防超載、上下限位、內(nèi)外門檢測、防墜檢測、樓層呼叫、防沖頂預警等傳感器和模塊，實現(xiàn)升降機的安全可控運行。

基坑支護及地下工程施工過程中，需要監(jiān)測支護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的安全信息包括：支護結(jié)構(gòu)變形、地下管線變化、周邊建筑物及地表變化，并就其變化情況進行及時綜合分析。支模體系越來越高大、復雜，安全風險也越來越高，高支模安全事故一旦發(fā)生，往往造成重大人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。高支模安全監(jiān)控系統(tǒng)，一般監(jiān)測模板沉降、立杠軸力、杠件傾角、支架整體水平位移等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)全覆蓋的監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、實時傳輸功能，并且建立信息和數(shù)據(jù)分析模塊，形成各類變化曲線和圖形，使監(jiān)測成果展現(xiàn)得更形象。

3.3 環(huán)境監(jiān)測與治理

施工現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)測一般借助風向/風速、揚塵、溫濕度和噪聲等多種類型傳感器全方位監(jiān)控工地，并在施工現(xiàn)場基坑和施工圍擋周圍以及樓層內(nèi)(兼顧主體階段混凝土養(yǎng)護)布置噴淋降塵養(yǎng)護系統(tǒng)，以實現(xiàn)工程養(yǎng)護與降塵設(shè)施的綜合利用。

3.4 其他應用

近年來，VR、AR、BIM等技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用于建筑工程領(lǐng)域，實現(xiàn)了項目管理的全可視化。在工程正式施工前，利用BIM技術(shù)進行施工3D/4D虛擬建造，通過VR/AR/MR可視化的預演練和施工過程模擬，檢查設(shè)備空間位置和工藝實施的可行性，進而優(yōu)化施工組織方案，減少返工、加強施工安全。

此外，施工現(xiàn)場和辦公生活區(qū)的節(jié)水節(jié)電控制、材料進場自動計數(shù)、大體積混凝土測溫、智慧廣播和音像休閑設(shè)施等也是智慧工地管理系統(tǒng)的應用方式。

4 結(jié)語

“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標，為我國經(jīng)濟綠色低碳轉(zhuǎn)型指明了前進方向，以北上廣為代表的大型城市在加快智慧城市建設(shè)的同時，也在積極爭取提前實現(xiàn)“雙碳”目標。面對各領(lǐng)域大體量、高密度的工程建設(shè)，亟需提升工程建設(shè)管理水平，合理規(guī)劃工程車輛行車路徑和優(yōu)化工期安排，實時監(jiān)測道路流量并及時調(diào)整運輸策略，助力社會綠色低碳發(fā)展。

智慧工地管理系統(tǒng)包含智能感知層、通信網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應用層、交互層和決策層6大梯次結(jié)構(gòu)，可以提供包括車輛路徑優(yōu)化、人員信息管理、工地安全管理、環(huán)境監(jiān)測與治理及其他應用的綜合性智慧管理服務，隨著信息、通信、人工智能等技術(shù)的不斷進步，未來智慧工地功能將更加豐富、管理更加高效便捷。