建筑技术 | 雄安大学园图书馆智能建造技术研究与应用

1　项目概况

雄安启动区大学园图书馆项目总占地面积为2.1万m²，地下2层，地上7层，总建筑面积为6.8万m²，其中地上4.3万m²，地下2.5万m²，建筑高42.3 m。图书馆地上部分的主要功能为图书储藏、阅览，地下部分的主要功能为停车、综合活动空间及设备用房。雄安新区大学园图书馆效果图如图1所示。

图1　雄安新区大学园图书馆效果图

建筑顶部为采光顶，采光顶采用钢桁架设计，桁架底部标高36.450 m，桁架高度3 m。长度42 m，宽度25.2 m。采光顶选用H型钢结构，构件采用Q355–B钢材，桁架支座采用隔震支座，埋件与支座连接采用Q355B、10.9级高强螺栓。

2　数字孪生技术驱动的智能建造框架

数字孪生技术以高保真度的虚拟模型刻画物理实体的行为和状态，其最早应用于航空航天领域，后广泛应用于工业领域。近年来，由于建筑业转型的需要，数字孪生技术开始逐渐应用于建筑业。数字孪生驱动的智能建造方法主要包括物理建造实体、虚拟建造模型、智能建造服务、数字孪生数据以及各要素间的连接5个要素，如图2所示。

图2　数字孪生驱动的雄安图书馆智能建造模型

物理实体是指建造对象以及与其相关的要素，如人员、机械、环境等。虚拟模型主要是通过建模刻画物理建造实体的行为与状态。智能建造服务指依据实际需求，利用虚拟空间的模型、算力与规则，对建造过程中遇到的问题进行分析，进而实现对建造过程的功能性调控。孪生数据是整个数字孪生系统数据的集合，用于驱动数字孪生系统的运行，从时间上看，孪生数据可分为历史数据与实时数据两类。各要素间的连接是为了实现各要素的互联互通，是实现数字孪生驱动的智能建造的基础。

在数字孪生驱动的智能建造模型中，孪生数据分别为物理建造实体、虚拟建造模型、智能建造服务提供数据驱动；通过建立BIM模型等虚拟模型实现的孪生数据的集成。孪生数据的感知是建筑和基础设施项目中非常重要的一部分，促进物理空间和虚拟空间之间的信息共享和协同工作，从而提高项目的效率和质量。随着建造的不断进行，现场会不断产生大量时效性的多源异构数据。因此，需要应用多种传感设备感知数据，常用的感知技术主要包括RFID标签、无线网络、数字传感等技术。

3　智能建造技术在雄安图书馆项目应用

3.1　标准化工地建设

本工程场地情况复杂，为避免施工过程中出现各场地间拥挤等不合理现象，需合理规划施工场地。利用整体建筑的BIM模型，对施工现场进行三维规划，制作场地布局模型。依靠场地布局模型，制作符合标准化管理手册的机械设备模型，在场地布局模型中对加工区、建设区、堆放区等区域进行合理规划。

运用BIM技术进行标准化工地的建设，可直观地展现施工场地各个区域的实际情况，提高施工场地的利用率，确保其物流的畅通，有效避免危险事件与二次搬运事件的发生。

标准化工地模型搭建完成后，将航拍照片与BIM标准化模型出具的场地平面图进行参照对比，技术人员可对办公区、加工区等区域的布置以及塔式起重机的高度、臂展、协同作业是否合理进行分析，帮助管理人员及时发现可能出现的问题，从而采取相应的措施进行调整和优化。

3.2　倾斜摄影

与无人机航测收集到的垂直影像相比，通过增设倾斜角度摄像头，采用倾斜摄影技术，可获取具有一定倾斜角度、丰富的地物侧面纹理信息及位置信息的高清晰倾斜影像。通过倾斜摄影能真实地反映地物情况，较大程度上拓展了遥感影像的应用范围，为项目建造过程收集三维地物信息。通过无人机现场测绘，软件后期处理，可建立高精度的三维GIS模型，在计算机上重现施工场地，进行土石方工程的计算，为现场放线等辅助工序，提供强有力的数据支撑。

3.3　三维数字化交底

项目应用三维交底技术帮助项目团队进行总体的规划，通过模型动态展示的方式讲述项目的规划、施工流程等细节，预演整个施工过程中可能面临的困难，提高施工的效率和准确性。借助BIM模型及施工模拟软件提前展示施工方案的细部构造、顺序等内容，可以解决传统二维图纸详图复杂、注释标注繁多、人员识图困难等问题，使之直观理解，避免沟通误差。可视化展示设计理念和成果的方法也是建筑和基础设施项目管理中非常重要的一环，可以以生动直观的方式展示设计理念和成果，提前发现问题，降低成本，并提高参与方的投入和参与度。

3.4　三维激光扫描技术

三维激光扫描通过利用激光对结构进行采样，快速收集物体几何信息及三维坐标，形成点云模型。获取到的点云数据通过降噪、配准等处理之后，可用于结构实体的可视化展示与质量分析。

雄安启动区大学园图书馆项目因其复杂的结构形式，在悬挑钢结构的拼装需进行严格的质量把控，在施工过程中运用三维激光扫描技术，形成点云模型，为钢构件的拼装质量的管理提供了一种有效的解决方案。

三维激光扫描与BIM的融合应用，弥补了点云处理单一的问题，使数据分析更为准确性，可帮助管理人员制订更加科学合理的管理策略，以提高效率，减少成本，为工程质量管理提供更加便捷高效的解决方案。

3.5　安全管理

BIM技术的特征是可视化、模型化和数字化，将BIM技术运用到工程安全管理中，极大地提升了安全管理水平。在工程建设中，由于多种因素的作用，很容易产生安全隐患，基于BIM技术的工程安全管理，可有效提高工程建设的信息化管理水平。

将BIM模型信息输入以BIM为基础的智慧工地平台中，并以BIM模型为基础，运用移动设备对安全管理数据进行采集，从而对问题展开定位并进行整改，经过审核验收，最终形成了闭合管理。在管理过程中，安全数据被传回至平台，在平台中形成了安全数据库。

3.6　进度管理

通过应用BIM进行的工程项目进度管理，对项目进行更加精细和全面的协调、控制，确保预定进度目标。应用BIM的实时模拟，与施工进度对比，从而发现差异，在分析差异的原因后，通过对应的措施进行优化。

在本项目中，使用平台更新每周进度表，严格按照模拟的施工进度严格控制施工的周期，通过预定进度与现场进度对比，及时获取进度差异，并进行要素分析。

在进度管理过程中，首先，相关人员初步制订施工进度计划表，确定各项施工作业的流程。然后根据项目的特点与施工进度计划对BIM模型进行结构分解，建立与进度计划相对应的BIM模型。

其次，通过Navisworks平台，建模人员融合施工的进度计划与三维建筑信息模型，从而创建进度管理模型。进度管理模型可帮助管理人员更好地掌握项目进度和状态，及时发现和解决问题，并提高项目的效率和质量。

最后，对现场进度的数据进行收集、汇总、分析和预测，将周计划与三维建筑信息模型关联，并在模型中区分现场已完成和未完成的工作，然后使用施工进度管理模型进行不同情况下的施工进度可视化进度模拟，并分析影响进度计划的因素，帮助管理人员更好地了解项目进度的变化和影响因素，及时采取相应的措施进行调整和优化，如图3所示。

图3　施工进度管理流程

3.7　人员、环境、机械设备管理

在人员管理上，建立员工实名制管理系统，利用低频射卡采集并统计了现场人员基本信息；收集并识别他们的资质信息，并通过门禁系统统计他们的人数和工作时间，在平台上可以直观地看到他们的进出情况。

对环境进行实时实地进行监测。构建基于物联网的现场的环境监测系统，实现对现场风力、噪声、扬尘等环境信息的实时监测。利用施工现场传感器，对周围的环境进行实时采集，并将数据传送到智慧工地平台上，通过该平台可以实时掌握现场的环境资料。在酷热的夏季，利用实时温度监控和远程喷淋控制系统，可以及时对施工现场进行喷淋降温增湿，从而避免因高温而产生的不良影响。

本工程采用了大量塔式起重机对物料进行吊运，对塔式起重机的运行进行合理的调度及安全控制是本项目管理的一个重要内容。在BIM+物联网的基础上，构建出了塔式起重机防碰撞系统。以项目场地的平面图为载体，整合了与塔式起重机有关的信息，通过平台塔式起重机防碰撞系统，每隔0.5 min进行数据更新，展示信息中包含了安全吊重、力矩比、载重比以及塔式起重机司机等信息，从而实现对现场塔式起重机施工过程的实时监控，确保其安全。

4　总结

传统建筑业的建造及管理方式落后，一直受建设粗狂、成本高、信息化程度低等问题的影响。依托雄安启动区大学园图书馆项目，分析了智能建造方面面临的问题，提出了基于数字孪生的雄安启动区大学园图书馆项目智能建造方法，并研究了图书馆智能建造所需的关键技术，主要包括BIM、无线传输、三维激光扫描等技术；分析了智能建造技术具体应用，主要包括人员信息化管控、三维数字化交底、工程管理、质量管控等。

建筑信息模型技术的应用愈发成熟，与其他各软件间的信息交互与模型关联也越来越完善，在建筑施工阶段发挥的作用也越来越大。通过集成BIM、三维扫描技术、有限元分析等技术，能够构建建筑实体的孪生模型，实现施工过程的仿真模拟。

从智能建造趋势和内涵出发，智能建造技术的发展离不开BIM、有限元分析、GIS、物联网、大数据等信息化技术的支撑，不同技术之间相互独立又相互联系。在项目建造的过程中，各种信息技术往往需要结合在一起应用，实现物理实体与虚拟空间信息的交互与融合，进而实现建筑业建造及管理过程的信息化、智能化发展。