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巨型建设项目智慧工地模式：港珠澳大桥岛隧
工程的案例研究
周洪涛；王红卫；曾伟
摘要：巨型建设项目(MCP)的施工现场通常有着众多参与方，他们在一个高度复杂的系统中进行交互工作。如何实现众多参与方之间的协同工作和信息共享至关重要。信息通讯技术(ICTs)为解决这一问题提供了技术保障。现行研究已实现了施工现场的部分流程数字化，但仍存在一些问题：第一，施工现场的信息识别是被动的；第二，建筑业中普遍存在的协同合作问题仍未得到解决。ICTs的新发展趋势是将CPS、BIM、大数据、云计算等各种计算机技术进行集成并融入到施工过程中，这将改变施工现场人员行动方式和管理模式。这些新的信息通信技术已经成功地应用于大型建设项目，诸如港珠澳大桥项目。这一案例启发了一种新的施工现场管理模式，本文提出了一种新的MCP施工现场管理模式，即智慧建筑工地。智慧建筑工地的终极目标是实现安全、高效、优质施工。本研究提出了智慧工地的概念框架，确定了智慧建筑工地的三大要素，包括信息支撑平台、协同工作和智能施工管理。以港珠澳大桥工程为例，验证了该模型的可行性。本研究的重要贡献在于提出了一种新的建筑行业MCP管理模式，丰富了建筑行业的知识面和管理群体。未来的研究应该致力于进一步探索智慧建筑工地在大型建设项目管理中的潜力。
关键词：大型建设项目；智慧工地；信息识别；协同工作；智能施工管理；信息通信技术
1绪论
根据《牛津巨型项目管理手册》，巨型建设项目（Mega Construction Projects ，MCP)是指大规模、复杂性的项目，它们通常投资可达到一亿美元甚至更多，需要花费多年时间进行开发建设，具有多个公共、私人利益相关者，常常具有变革性，影响可辐射数百万人。欧洲科学技术协会（COST）将巨型项目分类为那些具有极复杂性（在技术和人力资源上）、且长期以来交付质量低的项目。由于对社区、环境、预算的重要影响和其高昂的投资费用，举行项目吸引了许多公众的注意。一般来说，MCP是指一系列结构密集、技术要求高、施工难度大、环境复杂的大规模项目，这些项目被认为对社会发展的影响较大，涉及知识面广且参与主体更多。与一般项目相比，MCP包括许多不同利益方，其特点是不同施工活动之间的联系复杂、施工现场条件动态变化、技术或时空跨度大以及复杂的系统。基于复杂性施工的管理思想，MCP的施工现场管理需要有效的技术手段来实现众多参与方之间的协同工作和信息共享。但传统的现场管理很难组织和协调这些参与方，因此从施工现场管理的角度来看，改革MCP施工现场管理模式十分关键。
信息通信技术（ICTs）的应用可以支持广泛且密集的交互工作、海量数据的实时访问和实现跨域协作的问题（Rajkumar et al.， 2010）。 当前，ICTs已经应用于施工过程，从而提高建设项目的效率和收益（Taxeacute;n and Lillieskouml;ld， 2008； Succar， 2009； Lu et al.，2011）。然而，当前的研究较为零散，在建设项目中仅取得了局部优化的施工现场管理效果。随着互联网、云计算、大数据、BIM等其他信息技术尤其是信息物理系统(CPS)在建设项目中的广泛应用，必然需要通过结合3C技术（计算机、通信、控制）实现巨型建设项目的实施感应、动态控制和信息服务（Mikusz，2014； Rudtsch et al.， 2014）。这将会给工程建设项目的行为模式和管理模式带来深刻的变化。
信息和通信技术已经成功地运用到巨型建设项目中，如港珠澳大桥。在港珠澳大桥施工期间，将信息通信技术结合运用到施工现场，支持实时识别并获取施工现场大量的信息，包括环境、质量、安全、材料供应和项目进度等。所有参与者，如业主、承包商、供应商、顾问等都可以通过互联网和物联网互换和共享这些信息。这支持所有参与者通过网络进行有效操作，从而使港珠澳大桥工程的智慧工地管理得以实现。为此，本文总结探讨了港珠澳大桥的建设经验，提出了一种面向巨型建设项目的新型施工现场管理模式——智慧工地。
智慧工地模式的受启发于港珠澳大桥项目的案例研究，本案例研究工作可作为证据用以支持所提出模式的可行性。本文采用案例研究法，对该方法的讨论安排如下：第二部分总结与本文相关的文献综述；第三部分介绍了智慧工地的的概念框架；第四部分以港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道的拼装为例阐述了智慧工地概念的实质；第五部分提供本文的结论和未来的研究方向。
2文献综述
2.1施工现场信息感应
2.1.1施工质量信息
利用射频识别和传感器（RFID）技术，可以实现预制构件的质量跟踪管理和施工质量信息的统计管理，如现浇混凝土构件的质量信息（Wang， 2008；Yin et al.，2009）。采用三维激光扫描技术，对选定部分的空间数据组织点云抽样，促进三维点云模型的迅速建立。通过与BIM模型的对比，用实测数据输出值展示施工偏差，从而确保数据的真实性和客观性，并提高质量检验效率（Akinci et al.， 2006）。实时视频监控系统的应用不仅可以有效地控制施工质量，还可以降低风险因素或安全事故的发生频率（Teizer， 2015）。
2.1.2 施工安全信息
RFID（射频识别）和GPS（全球定位系统）技术可以实时定位建筑工人和机械，实时监测和安全预警工人和建筑机械的空间位置，可以防止工人发生坠落、高空撞击、机械碰撞等安全事故（Chae and Yoshida， 2010； Teizer et al.， 2010；Pradhananga and Teizer， 2013）。同时，RFID和GPS技术还可以及时检查安全防护装置和设备的使用、工人进入危险区域的次数，其特定的安全培训能够组织减少潜在的事故发生并保证人员安全（Kelm et al.， 2013）。使用各种类型的传感器，可以获取现场的安全信息并进行实时的安全警告（Ding et al.，2013； Riaz et al.，2014）。使用3D激光扫描仪识别潜在的危险。两个通道的点云数据结果可进行叠加，此外，通过对两个通道的点云数据进行区分，可识别出这些灾害的变化趋势(Cheng and Teizer，2013)。
2.1.3 项目过程信息
RFID在施工进度信息获取中的应用，使得相关信息可以传输到BIM模型中，揭示BIM模型中计划与实际情况的偏差，解决了实时进度追踪和风险控制（Ju et al.， 2013；Alizadehsalehi and Yitmen， 2016）。通过将项目WBS与计划横道图相结合，GIS技术实现了对项目进度以及任意节点具体的项目计划的可视化，这可显著降低由于误解而导致项目延误的风险（Bansal and Pal， 2009； Poku and Arditi，2006）。安装于施工现场的3D激光扫描仪，可以对施工实体进行全天候的扫描，实时获取高密度、高精度的三维点云数据来跟踪施工过程，准确地评价项目进度（Teizer et al.， 2007）。
2.1.4 原材料供应信息
利用RFID技术实时地自动获取建筑材料进出库操作和库存信息，动态管理所有材料以保证准确、及时供应，降低施工现场的缓冲存货和施工成本（Ju et al.，2013；Sardroud，2012）。GPS和RFID的结合可以提供建筑构件和材料的定位信息，来满足物流管理的相关要求（Torrent and Caldas，2009；Razavi and Haas， 2010）。
2.2建设信息集成与协同工作
计算机集成建造（Computer-integrated construction，CIC）侧重于建筑领域的数据和应用的集成，为不同参与者的具体工作提供更好的支持（Boddy et al.， 2007）。一般来说，施工信息的集成可以通过BIM技术来实现。通过参考BIM、BLM和IFC标准，可以创建一个集成的协同施工管理平台，有效地整合关于合同、质量和供应链的信息（Liu et al.， 2014）。提出基于BIM的全生命周期框架，可用于开发基于BIM的数据集成系统（Zhang et al.， 2012）。
2.3施工现场智能化管理
当前，施工现场智能化管理的报告较少，安全、材料供应管理方面的研究也较为有限。可以使用条形码、BIM、GIS和Web服务来跟踪材料供应过程，并以可视化形式显示相关信息并在早期对可能出现的延迟发出自动警告（Irizarry et al.， 2013）。随着传感技术的进步，进入危险区域的工人可被识别出来。进入预先定义的危险区域的建筑工人可被跟踪警告（Carbonari et al.， 2011）。利用超声传感器结合多传感器信息融合技术，可以对障碍物准确定位实现安全判断和碰撞报警（Li et al.， 2012）。
2.4总结
上述研究对于通过实现施工现场部分流程的数字化来提高施工现场的信息获取水平、促进参与方之间数据及信息的互换和沟通有重要意义。但仍有一些问题存在，如：
（1）当前对施工现场的信息识别是被动的。
（2）建筑业常见的协同、合作问题仍然没有实现。
信息通信技术的发展趋势使得CPS、BIM、大数据、云计算等多种计算机技术融入到施工管理中。这些新的计算机技术与施工现场紧密相连，使被动感应施工现场信息转化为主动感知，实现广域、深度的交互联接和海量数据的实时获取。另外，通过移动网络，可以实现将工人、机器、材料供应和建筑环境的相关资料集成，实现多参与方之间的协同工作。最终，由上述可知，通过对施工现场进行智慧管理可以大大提升施工现场管理的效果和效率。
3 智慧工地的概念框架
设计智慧工地模式目的是利用ICT手段来实现工人、机器、材料资源和施工环境之间的实时互联、相互识别和有效沟通。通过大数据处理平台，实现施工现场信息共享与整合，支持包括业主、承包商、供应商、监理在内的所有现场参与方的协同工作，实现安全、高效、高质量的现场施工。
智慧工地的基本特征如下：
（1）信息识别：实时感知并获取各参与方的所有流程、设备、施工环境、系统等信息，实现现场全过程的数字化。
（2）信息互联与协同工作：通过网络，将工人、机器、物资资源、施工环境有组织地互联，实现各参与方之间的协同办公，完成所有施工过程的无缝衔接。
（3）智能化施工管理：通过施工信息的互联和参与方间协同工作，使施工现场的各种数据和信息透明化，使参与方更加“智能化”，实现智能施工管理。
在施工过程中，为了有效的完成施工，必须要更加深入地识别感应信息，更加广泛地互联与协作。为了实现这一目标，智慧工地需要应用ICT来创建一个智慧的施工现场环境。只有实现施工现场信息共享和参与方之间的协同工作，才能实现现场的智能化管理。因此，图1给出了智慧施工场地的概念框架。
（1）智慧施工现场环境
通过不同的信息收集技术，例如地理信息系统或全球定位系统、无线射频识别技术、视像监控、感应器及激光扫描器，可以根据不同的施工需求，实时从工地上的所有参加方获取有关施工环境、质素、安全、物料资源及进度的资讯。这些信息通过网络互联，形成一个智能的施工现场环境。
（2）信息整合和协同办公
在智慧施工现场环境的基础上，通过BIM技术有效地实现施工现场信息的整合与共享，包括参与方的纵向(内部)整合和参与方之间的横向整合。在合作的基础上进行不同参与方的施工进度管理，从而实现施工现场所有参与方之间的协同作业，并等达成成本、工期方面的施工管理目标。
（3）智能施工管理
智能施工管理是基于信息通信技术的智慧施工地模式的核心。通过施工信息的互联、协同工作，使各参与方更加“智能化”，实现安全风险预控、质量跟踪管理、智能施工物流、施工进度智能调度等。
建立智慧工地模式，必须识别出智慧工地的关键要素，这个识别过程要基于智慧工地的概念框架。首先，智能施工现场模式离不开信息支持，这就需要一个信息识别和信息互联的环境；第一点，这些施工现场信息应该整合起来，形成一个数据中心，以支持各种施工活动。因此，信息支撑平台是智慧工地所必需的，它可以实现施工现场的信息共享和整合。第二点，建设过程还需要建设过程中所有的资源、技术、组织和信息的协同工作，这是通过所有参与方间的协作来实现的。基于信息支持平台，各参与方协同工作，可以有效实现各施工环节的无缝衔接。第三点，智能施工现场的目标是支持所有参与方的智能施工管理。智能施工管理可以极大地提高项目管理水平。因此，智能施工现场的关键要素应该包括信息支撑平台、协同工作和智能施工管理。
3.1信息支撑平台
施工现场离不开信息支持，可以说信息支持平台是智慧工地必不可少的一部分。建立信息支撑平台的目标是将施工过程中各种施工活动的信息与BIM模型进行整合，实现施工现场的信息共享与整合，最终形成一个支撑所有参与方进行智能施工管理的智慧工地环境。
建设过程中，以施工为中心，通过不同的信息技术支撑不同的施工活动，形成一个支持智能化施工管理的数据中心。如图2所示，信息支撑平台的结果分为多个层次，包括管理层、数据中心层、施工服务层、信息收集层和网络层。
（1）数据中心层是为了标准化数据格式、数据存储、建设过程中所有信息的记录、施工过程的和BIM模型中的信息的集成、三维数据向多维数据的转换、施工现场的信息共享和集成的实现以及满足智能施工管理的需要。
（2）施工服务层包括各种施工活动或子过程，包括现场施工、监理、材料供应和辅助活动。这些活动的实施需要信息支持，其生成的大量的信息需要传送到数据中心进行智能施工管理。
（3）信息收集层是为根据不同的施工要求，
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