亚运会水上运动中心智能建造技术及其在施工管理中的应用

在大型工业民用建筑物施工过程中，对现场的施工质量、安全、进度的管理是各参与方关注的重点。如何提高施工管理的精细化程度。提高施工的智能化是建造行业近年研究的热点。

刘占省等基于BIM技术进行了预制装配式风塔架的建模，得到了在参数变化驱动下结构整体形变和应力分布的状态，为结构施工提供了可靠的依据。刘华等探讨了影响建筑废弃物减量化效果的管理方法，为项目利益相关方进行现场管理方法的优选提供理论依据与支持。谢天圣等引入BIM技术创建模型，提高了装配式构件物料跟踪的管理效率，减少材料浪费。Rossella Marmo等提出了一种开放的标准方法来扩展和验证基于建筑信息模型（BIM）和设施管理（FM）系统集成的方法，为建筑施工管理精度和效率的提高提供了参考，有效地打破了数据信息的交互壁垒。Wawan Solihin等提出了一种将建筑数据转换成简化模式的新方法，具有高性能查询和实时支持多种查询类型等优点，从而使建造检查过程更容易、更稳健，实现了项目管理的数据化、智能化、实时化。

目前在施工现场的管理方面，对质量、安全的创新探索较多，但对整个施工过程全要素的集成化管理的研究还较少。

基于数字孪生技术搭建智能建造框架，提出智能建造平台，通过融合BIM、3D打印、RFID等现代化信息技术对施工过程中的质量、安全、进度进行智能化管理，并成功地应用于北支江水上运动中心项目。

1　 基于数字孪生的智能建造框架搭建

基于数字孪生的智能建造框架包括物理空间、虚拟空间、信息处理层、系统层4部分，各部分之间的关系为：物理空间提供包含“人机料法环”在内的建造过程多源异构数据并实时传送至虚拟空间；虚拟空间通过建立起物理空间所对应的全部虚拟模型完成从物理空间到虚拟空间的真实映射，虚拟空间的交互、计算、控制属性可实现对物理空间建造全过程的实时反馈控制；大数据存储管理平台接收物理空间与虚拟空间的数据并进行一系列的数据处理操作，提高数据的准确性、完整性和一致性，作为调控建造活动的决策性依据；基于数字孪生的智能建造系统平台通过分析物理空间的实际需求，依靠虚拟空间算法库、模型库和知识库的支撑和信息层强大的数据处理能力，进行建筑工程数字孪生的决策与功能性调控。建筑工程应用数字孪生的框架如图1所示。

图1　 建筑工程应用数字孪生的框架

2　基于数字孪生的智能建造平台

在智能建造框架的驱动下，提出了基于数字孪生的智能建造平台，通过分析物理空间的实际需求，依靠虚拟空间算法库、模型库和知识库的支撑和信息层强大的数据处理能力，对建造过程中遇到的问题与设备、构件运行状态进行决策，进而实现功能性调控。具体功能包括施工进度监控、安全风险预警、自动化监测、施工工艺模拟、构件吊装指导、物料管理、智能张拉控制、人机定位、塔基防撞、噪声扬尘监控等，对整个建造过程进行实时优化控制。

2.1　基于数字孪生的CBM决策

决策能力是基于数字孪生的智能建造平台的核心，在航空航天、机械工业等领域，研究人员为提前发现设备故障、降低故障成本，提出了基于状态的维护（CBM）手段以进行决策性维护，由被动响应模型转变为主动响应模式。CBM的核心在于通过对设备的监测来实现对设备状态的实时评估和预测，以降低维修费用。传统的CBM过程是通过在监测对象上部署传感器获取数据后，依次进行数据处理、特征提取、状态监测、评价和预测、人机交互等一系列操作。状态监测包括在线监测与离线周期性监测2种方式，操作过程始终面向物理对象；但在线监测方式会使监控模块长时间运转造成成本提高，离线周期性监控易错过重要信息。传统CBM决策方式如图2所示。

图2　传统CBM决策方式

基于传统CBM决策方式存在的上述问题，本文将数字孪生技术与CBM结合，用于基于数字孪生的智能建造平台的决策。在虚拟空间中建立数字孪生模型（图3），将物理空间部署的传感器获取的数据上传至数字孪生模型中，使得在数字孪生模型中模拟物理世界建造过程进行运转，解决了监控模块长时间运转或者遗漏状态信息的问题。基于数字孪生模型的真实模拟，运用算法进行评价与预测，并利用知识库提出故障的解决方案，在数字孪生模型中验证后反馈至物理空间。

图3　基于数字孪生的CBM决策

2.2　基于平台的决策预警功能实现

平台的决策预警功能是基于平台内置的AI算法或逻辑算法实现的，本文以较简单的逻辑算法为例，阐述平台决策预警功能的实现机制。将基于数字孪生的智能建造分为方案设计与实时修正两个阶段。

方案设计阶段的工作过程是：首先依据设计图纸建立对象BIM模型，然后从BIM模型中提取关键节点坐标建立对象有限元模型，在BIM三维模型中模拟施工对象的复杂施工工艺，在有限元模型中对结构进行施工仿真分析，以给出合理的施工方案。

理论设计模型是指在方案设计过程中，应用BIM技术、有限元技术等建立的包含人机料法环信息的模型集合。理论设计模型可表示为：

式中：TDM_i为第i个工况的理论设计模型；Geo_i为第i个理论设计模型的几何信息；S_ij为第i个工况包含的静力学信息，包括内力、位移、空间位置等；E_ik为第i个理论设计模型上的工装、用料、环境等标注信息；m_i为第i个数字孪生模型上的静力学信息的个数；n_i为第i个理论设计模型上标注信息的个数。

实时修正阶段的工作过程是在施工过程中，基于虚拟模型的信息提取进行现场指导，同时由三维激光扫描技术、3D打印技术、RFID技术进行施工质量的管控；由图像识别技术对施工现场人员进行管控；通过建立BIM4D平台进行施工进度的管控。在建立的基于数字孪生的智能建造平台打造本项目施工过程的智慧工地，由此实现对施工过程的智能管理，精准指导施工。

3　智能建造技术在北支江项目中的应用

3.1　施工质量管理

3.1.1　BIM技术与三维激光扫描的结合

利用BIM技术既可完成从设计到施工再到运维的正向操作，还可实现由建筑物到虚拟模型转化的逆向设计。基于三维激光扫描的优点，可获取建筑物构件所有位置信息，形成点云数据，从而建立点云模型由逆建模形成施工过程的BIM模型。

在钢结构安装前，构件位置需进行预先安装模拟，以此确定最终结构构件的位置坐标。由三维激光扫描对模拟安装的构件提取点云数据，将逆建模形成的BIM模型与设计时的BIM模型进行对比，在各施工步骤均进行两个模型的对比工作，以及时调整施工误差，从而保证施工与设计的一致性，提高施工精度。

3.1.2　BIM技术与3D打印技术结合

通过分析BIM与3D打印技术的融合机理和应用价值，基于幕墙复杂节点安装的基本属性信息和安装信息的管理，提出BIM与3D打印技术融合驱动的幕墙复杂节点安装方法，其主要步骤包括模型创建、构件打印、构件安装，旨在提高幕墙复杂节点安装的智能化和管理的精细化，其施工质量智能管控流程如图4所示。

图4　幕墙复杂节点施工质量管控

幕墙复杂节点的安装过程中，由BIM技术进行模型创建，明确节点的详细信息，并制作出幕墙复杂节点安装的施工动画，为现场安装管理提供依据。应用3D打印技术可提取BIM模型中的构件信息，将节点的具体构造进行模拟展示，由打印技术制造出节点连接的各构件。通过打印出的构件可进行模拟安装，对现场进行直观的技术交底。融合BIM技术与3D打印技术，可实现对幕墙复杂节点的高效智能化安装和质量管控。

3.1.3　BIM与RFID技术

在门窗安装过程中，由BIM和RFID技术的结合，可将门窗的基本属性信息和安装信息进行呈现，对门窗的进场堆放合理规划。同时将门窗安装的关键施工工艺以动画的形式进行技术交底。将门窗安装的过程，特别是将复杂节点的施工工艺可视化地呈现出来，可直接指导施工安装，从而降低安装难度。在分析安装动画的同时，还可及时捕捉安装过程中的安全风险和质量控制要点，实现对安装过程的智能化管理。在由RFID技术对现场门窗信息拾取的同时，将门窗的实时信息导入BIM模型中，对门窗模型进行修正，从而实现了对门窗的实时动态管理。

3.2　施工现场人员管理

在智能建造平台框架下，由图像识别技术对北支江项目施工现场进行人员管理。在工人进入场地前，对其基本信息进行记录备案，工人通过门禁时由门禁系统的图像识别技术判断工人的身份，智能地判断工人是否可以通过门禁；在工人进入现场后开始记录其工作，当工人再次通过门禁离开现场时，智能地计算出其工作的时间，由此生成工人的工作量，作为工资发放的重要依据。

由此形成的施工人员智能管理方法可提高施工人员和成本管理的精度和智能化，也有效规避了施工现场因人员混乱造成的安全风险。施工现场人员智能管理流程如图5所示。

图5　施工现场人员智能管理流程

在施工工人进入场地之前，对工人的基本信息进行记录备案。保存施工工人的图像，对现场施工工人进行安全施工教育，保证每位进场施工人员均通过安全施工考核，统计施工工人的技术工种，并检查特殊工种的工人是否持证上岗，做好工人的基本信息记录，并上传至施工人员管理平台。由此可实现现场施工人员的规范操作，提高施工过程的安全管理效率。当工人通过门禁时，由门禁系统的图像识别技术判断其身份，并判断其是否通过。

根据其入场前的信息采集，当其通过门禁时，由门禁系统摄取其图像并与录入的信息对比，判断其是否通过安全培训的人员，若不是则不允许其入场，若是且符合入场的安全行为规范，则可以通过，并开始记录其工作时间。因此，由图像识别实现了对现场安全管理的规范化，避免了因人员违规而导致的安全事故。

同时，由门禁信息输入施工人员管理平台，可智能化计算工作时长，提高了人员的管理智能化。当工人再次通过门禁离开现场时，智能地算出其工作时间，由此生成工作量作为工资发放的重要依据。实现了对工人工资的智能化管理，也提高了管理的精度和效率。

3.3　施工进度管理

基于BIM技术实现对施工进度的模拟，在已确定的施工进度计划文件上，结合三维BIM模型，按照时间信息制订合理有效的施工次序，能在立体模式下将整个施工过程呈现出来[9]。基于本项目的建造特点，将BIM模型导入Navisworks，能做到结构建造的三维可视化漫游，也能进行碰撞检测以避免出现严重的施工误差。通过设置时间节点，可直观地分析各时刻的施工工序，进而模拟整个建造过程，保证在计划工期内完成施工。

通过完成对整个建筑施工流程的动态模拟，可直观地展示其中任何技术方案的实施方案和进度计划，对现场的施工单位进行可视化技术交底，避免因传统的语言、文字和CAD图纸交底模式而造成的信息误传。

总体而言，利用BIM技术的可视化4D模拟串联整个施工过程，可以实现对整个施工流程的全方位立体化呈现，不仅可为施工节点的把握提供可靠的依据，也可为后续工程的智慧管理打下基础。

4　结束语

针对施工现场管理精度低下、施工水平效率低下的问题，本文搭建了基于数字孪生的智能建造框架，包含物理空间、虚拟空间、信息处理层、系统层4部分。在智能建造框架的驱动下，提出基于数字孪生的智能建造平台，对整个建造过程进行实时优化控制。在此基础上，融合了BIM、3D打印、RFID等现代化信息技术，已成功地用于北支江水上运动中心项目施工过程中质量、安全、进度的智能化管理中。