數(shù)智化技術(shù)在住宅建筑施工管理中的深度應(yīng)用
——以“吉寶靜安中心項目”為例

■ 趙堂君 ZHAO Tangjun

0 引言

近年來，VR 與AR 技術(shù)作為推動建筑行業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型的底層強大驅(qū)動力，在不同層次的項目中進行了廣泛的應(yīng)用與嘗試，展示出強大的項目多類型適應(yīng)性、建筑工程領(lǐng)域的可行性與未來工程管理的開拓性。但在現(xiàn)階段，仍普遍存在項目全生命周期內(nèi)的技術(shù)使用落地性無重點研究、施工管理實用性偏弱的缺陷，其應(yīng)用層面存在著使用階段廣度不足、實踐性欠缺的問題。筆者就虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的項目應(yīng)用，對國內(nèi)建筑面積在15 萬 m2以上的商業(yè)、住宅項目進行了深度調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該類型技術(shù)普遍應(yīng)用于項目概念設(shè)計階段與方案設(shè)計階段，僅小部分應(yīng)用于項目施工圖深化階段，而項目施工階段的應(yīng)用更少?；诖?，本文以上海市吉寶靜安中心項目為例，開創(chuàng)性地提出“數(shù)字孿生施工管理系統(tǒng)”，并基于其基本原理，總結(jié)該類技術(shù)在不同階段應(yīng)用中的優(yōu)勢與劣勢，為其進一步數(shù)據(jù)化推廣與應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 項目概況

上海市吉寶靜安中心項目由吉寶置業(yè)開發(fā)，位于靜安寺北側(cè)，距離CBD 中心1.5 km 輻射范圍內(nèi)，北臨康定路，西臨常德路，南臨武定路，東側(cè)則緊臨靜安豪苑。項目基坑西側(cè)為地鐵7 號線靜安寺與昌平路站區(qū)間，距地鐵區(qū)間隧道最近距離僅10.08 m，整體地下室埋深約19.53 m，塔樓為超高層建筑，高179.9 m。綜上所述，本項目整體施工環(huán)節(jié)多樣、專業(yè)管理復(fù)雜度高、各類風(fēng)險源極多，尤其對周邊居民維穩(wěn)，以及防止周邊房屋、地鐵區(qū)間隧道與項目周邊管線變形的保護要求極高（圖1、2）。

圖1 項目鳥瞰效果圖

圖2 項目工況鳥瞰圖

針對上述工程重點、難點與各類風(fēng)險源，在項目管理前期制定了數(shù)智化、智慧化工地施工管理策略，考慮基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，將BIM 技術(shù)在建筑施工管理中的應(yīng)用貫徹在整個項目周期之中，做到事前預(yù)判、事中管理、事后糾偏的“三大維度實時可控”的“數(shù)智化”管理策略，以此作為本項目管理的重中之重。

2 傳統(tǒng)虛擬環(huán)境下BIM 技術(shù)的項目應(yīng)用

為了更好地進行項目實踐應(yīng)用，筆者總計調(diào)研了14 個建筑面積超過15 萬m2的項目，并對各項目虛擬環(huán)境下的數(shù)智化應(yīng)用進行進一步梳理統(tǒng)計（表1），以針對性地為吉寶靜安中心項目形成匹配度與可實施度更高的數(shù)智化技術(shù)應(yīng)用策略。

表1 全國大型項目數(shù)智化技術(shù)宏觀應(yīng)用統(tǒng)計表

（1）由宏觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，隨著近年來政府對相關(guān)技術(shù)的要求與推廣，數(shù)智化技術(shù)在各個項目都有了進一步的應(yīng)用。數(shù)據(jù)表明，各項目對于VR 與BIM 技術(shù)的應(yīng)用積極性提高，尤其在方案階段、設(shè)計階段的VR 與BIM 模擬占比最高；但在施工階段使用占比較低，使用最普及的功能仍然是碰撞檢查。

（2）從微觀數(shù)理統(tǒng)計上看，除了碰撞檢查外，生產(chǎn)管理類功能應(yīng)用的比例快速提高（表2）；尤其是諸如質(zhì)量管理、進度控制、安全管理等排名上升較多，說明基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的數(shù)智化施工管理技術(shù)應(yīng)用已成為業(yè)內(nèi)普遍的共識，相關(guān)應(yīng)用由虛擬模型向現(xiàn)實應(yīng)用逐步發(fā)展，將最終成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。

表2 數(shù)智化技術(shù)微觀應(yīng)用趨勢分析

（3）數(shù)智化投入方面，在單個體量超過15 萬m2的項目上，2019年投入超過100 萬以上的工程數(shù)量只占總調(diào)研項目比例的14%，2020 年占28%，上升趨勢明顯但是投入資源數(shù)量仍顯示不足（圖3）。

圖3 2020 年前后項目數(shù)智化投入費用對比分析表

由此可見，無論是宏觀統(tǒng)計還是微觀統(tǒng)計，BIM 建模與出圖、3D 建模節(jié)點優(yōu)化、二維建模、進度施工方案模擬、施工過程模擬、動畫制作與動畫瀏覽仍然是大型項目的主要數(shù)智化應(yīng)用場景；而深度的數(shù)智技術(shù)在施工管理實施階段的應(yīng)用，未有很好的落地性體現(xiàn)。可以說，虛擬環(huán)境下的數(shù)智化應(yīng)用實際上僅是在“虛擬”的環(huán)境下體現(xiàn)，而并未在“實景”環(huán)境下深度應(yīng)用?，F(xiàn)階段項目管理的數(shù)智化應(yīng)用也大部分體現(xiàn)在模型數(shù)智化和過程數(shù)智化的事前數(shù)智化上，對項目管理中事中、事后數(shù)智化的落地案例極為缺少。

3 “數(shù)字孿生系統(tǒng)”的施工管理數(shù)智化

基于上述梳理與分析，傳統(tǒng)虛擬環(huán)境下的數(shù)智化技術(shù)應(yīng)用在項目管理的應(yīng)用階段有一定局限性，為了打破這種局限，就必須在項目的施工管理階段進行實踐。以客戶痛點和最小化實驗方法論為理論依據(jù)，兼顧傳統(tǒng)數(shù)智化硬件與軟件的應(yīng)用趨勢，開創(chuàng)性地提出吉寶靜安中心項目在施工管理階段“數(shù)字孿生系統(tǒng)”的應(yīng)用實踐。

3.1 客戶需求

通過項目專項調(diào)研，對客戶需求與客戶總體目標(biāo)進行統(tǒng)計（表3）。在項目的建設(shè)過程中，不同的公司對數(shù)智化技術(shù)的需求大相徑庭。

表3 客戶分類與目標(biāo)需求匯總表

（1）以傳統(tǒng)開發(fā)商為代表的甲方管理團隊，對數(shù)智化的應(yīng)用寄予厚望，隨著房地產(chǎn)市場由黃金時代轉(zhuǎn)向白銀時代，房地產(chǎn)公司不斷謀求轉(zhuǎn)型，極其期待數(shù)智化技術(shù)應(yīng)用在公司轉(zhuǎn)型階段，不僅僅賦能，更要求賦值。從表格發(fā)現(xiàn)，其功能需求覆蓋項目全生命周期，且對自動化、智慧化需求極高，讓人工智能替代人工、讓數(shù)智化投資產(chǎn)生效益的主要需求，是其重中之重。

（2）不同于甲方管理團隊，監(jiān)理與總包的功能需求會把數(shù)智化需求更多地展示在事前管理方面，便于其在市場競爭中獲得更好的推廣與商務(wù)效果。相反，考慮數(shù)據(jù)保密性、工程管理的部分機密性，對事中施工管理的實際需求積極性不高，更多的是配合甲方合同與管理要求的配合性數(shù)智化需求。但隨著大型監(jiān)理、總包單位BIM 部門的逐步落地與運營，其與甲方管理團隊在功能需求上的技術(shù)目標(biāo)趨勢必定會逐步趨同。

3.2 用戶需求

根據(jù)用戶訪談，匯總實際系統(tǒng)使用用戶的客觀需求（表4）。

表4 使用用戶的具體需求清單

3.3 亟需解決的問題

綜合客戶與用戶的需求調(diào)研，發(fā)現(xiàn)施工階段的數(shù)智化應(yīng)用存在覆蓋面廣、問題精細(xì)化要求高與智慧自動化欠缺等問題。因此，應(yīng)嘗試在方案階段對重點且有碎片化的問題提供系統(tǒng)性解決方案，并將根據(jù)用戶屬性，降低系統(tǒng)的使用難度，確保數(shù)智化技術(shù)的落地性與可行性，避免數(shù)智化技術(shù)僅停留在專家應(yīng)用層面。筆者認(rèn)為，真正的數(shù)值化轉(zhuǎn)型，其初級階段必須是專家數(shù)智化應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)槿巳藬?shù)智化應(yīng)用。在這個階段使用“數(shù)字孿生系統(tǒng)”的工地施工技術(shù)人員，將在最簡單的應(yīng)用界面上解決項目工作的大部分問題，如：通過模型圖紙與現(xiàn)場施工的精準(zhǔn)定位對比，來解決質(zhì)量問題；通過施工模型與現(xiàn)場工況的匹配，來解決安全欄桿的搭設(shè)問題；通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的實物量工作，來確保簽證數(shù)量的實時有效性、準(zhǔn)確性與可溯源性等。通過上述架構(gòu)，可實現(xiàn)“三大維度實時可控”的數(shù)智化目標(biāo)，其初步的問題解決框架如圖4 所示。

圖4 “數(shù)字孿生系統(tǒng)”問題解決框架圖

3.4 數(shù)字孿生系統(tǒng)的布局意義

從客服需求端、用戶需求端了解問題，繼而尋找解決方案的過程可以看出，施工現(xiàn)場記錄與溯源管理是目前困擾建筑行業(yè)的最大管理問題之一。各施工單位按不同時間表工作，無法保證信息的及時溝通，且經(jīng)常通過人為主觀方式進行記憶和判斷，給項目帶來了很多爭執(zhí)和資源浪費。因此，適時地采用全新一代“數(shù)字孿生系統(tǒng)”的工地現(xiàn)場數(shù)智化記錄方式，提供全面的施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄，可避免因文字、圖片記錄不準(zhǔn)確或缺失等所導(dǎo)致的爭執(zhí)，提高施工管理效率；同時，遠端人員也能及時查看施工現(xiàn)場的狀況、進度及發(fā)生的相關(guān)問題，從而及時采取措施，降低項目風(fēng)險。這是“數(shù)字孿生系統(tǒng)”實施與推廣的最大意義。

4 應(yīng)用方案

4.1 軟件與硬件介紹

4.1.1 軟件

在本項目的應(yīng)用方案中，對國內(nèi)的BIM 星云綜合管理系統(tǒng)及國外的OpenSpace 360 系統(tǒng)兩套軟件進行應(yīng)用流程整合，即在技術(shù)上保證行業(yè)內(nèi)先進性的同時，也結(jié)合本土用戶的需求使用國內(nèi)軟件進行應(yīng)用嫁接，以期取得更好的應(yīng)用效果。同時，考慮數(shù)據(jù)同步的便捷性和現(xiàn)場使用效率，“數(shù)字孿生系統(tǒng)”的軟件組成均由云平臺軟件與SaaS（Software-as-a-Service，軟件即服務(wù)）模式進行集成，便于后期處理和各個使用端的使用。

4.1.2 硬件

使用云計算處理后的軟件對本地化硬件要求十分簡單：CPU 方面，一臺i3 級別的筆記本即可兼顧平臺的日常工作使用；而對于日常的虛擬巡檢與VR/BIM 對比功能，也僅需一臺分辨率1080P 以上、360°視角的攝像機，就可以進行落地化實施。為了能更好地固定與使用攝像頭，本項目還特別定制了與之相匹配的安全帽（圖5），在保證技術(shù)人員安全使用的同時，確保拍攝的穩(wěn)定和人員行走的便利。

圖5 特制安全帽

4.2 施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄服務(wù)軟件技術(shù)原理

本項目采用全新一代的施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄方式，簡單、快速和高效地捕獲現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)，進而通過計算機視覺和人工智能等技術(shù)方式，協(xié)助優(yōu)化施工現(xiàn)場數(shù)智化管理。新一代的施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄平臺應(yīng)采用以下技術(shù)方式。

4.2.1 計算機視覺

計算機視覺是計算機解讀和理解電子圖片和視頻的方式，它被廣泛運用于各個行業(yè)，如自動化、醫(yī)學(xué)影像、機器人和無人駕駛車等。視覺引擎有賴于計算機視覺自動將圖片排列在一個集成場景中，識別并標(biāo)注其關(guān)鍵特征，然后在平面圖上繪制。這些特征可以通過圖片和空間追蹤，讓人更好地理解所拍攝的環(huán)境。

4.2.2 機器學(xué)習(xí)

機器學(xué)習(xí)是指在沒有具體指令的情況下，計算機如何查找模型和解決方案。機器學(xué)習(xí)算法基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，無需明確設(shè)計程序如何執(zhí)行任務(wù)，即可預(yù)測未來結(jié)果。視覺引擎將每個拍攝和每次巡檢作為訓(xùn)練的數(shù)據(jù)集，實行追蹤。

4.2.3 3D 重建

3D 重建是從2D 圖片重新創(chuàng)建3D 物體或空間的過程，一般用于醫(yī)學(xué)、測量、機器人和礦產(chǎn)領(lǐng)域。視覺引擎利用3D 重建定位空間特征并創(chuàng)建3D 環(huán)境（圖6），通過對兩張圖片特征的比較，計算相機的位置，以最佳方式排列這些特征；每個全面的視頻拍攝中，這個過程會被重復(fù)幾千次，從而創(chuàng)建出一個3D 點云；點云又采用直接方式，將圖片特征和空間中的3D 位置連接。

圖6 3D 重建

4.2.4 同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）

同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）是指在未知環(huán)境中移動的同時，可對未知環(huán)境構(gòu)建地圖的科技。SLAM 是用于無人駕駛車導(dǎo)航的核心算法之一，感應(yīng)器在當(dāng)?shù)丨h(huán)境移動時，會持續(xù)拍攝照片或進行掃描；通過算法排列序列數(shù)據(jù)，從而在平面圖上估算行走路徑。機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)會利用后續(xù)拍攝優(yōu)化估值，以增加每次行走的精確度。

4.2.5 圖像分割

圖像分割是將同類像素分到一組，組成邏輯塊。這些邏輯塊可以是單純按照特征分組，也可以和預(yù)設(shè)的類別及標(biāo)簽進行關(guān)聯(lián)。建議施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄平臺使用圖像分割開發(fā)一系列可用于建筑領(lǐng)域的分類和分類器，將原圖轉(zhuǎn)化為邏輯分割，用于追蹤和計算。

4.2.6 Autodesk Froge 云平臺引擎

這是基于Forge 云平臺，專為開發(fā)者打造的PaaS 云服務(wù)體系。Forge圍繞“數(shù)據(jù)”，針對智慧制造、智慧工程、智慧物聯(lián)的中心來提供強大的網(wǎng)絡(luò)API 體系，解決了目前工程建筑行業(yè)、制造行業(yè)等圍繞設(shè)計數(shù)據(jù)創(chuàng)新的許多核心挑戰(zhàn)，其實用性、便捷性與使用階段的感觀效果，可以為整個平臺帶來質(zhì)的提升。

4.3 施工階段數(shù)智化應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與要求

4.3.1 施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄標(biāo)準(zhǔn)的制定

由甲方制訂施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄實施方案，用于施工階段的施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄實施；總包、監(jiān)理或?qū)I(yè)分包根據(jù)項目情況制定相關(guān)的施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄平臺硬件和軟件管理使用細(xì)則，包括但不限于管理流程、組織架構(gòu)、溝通機制、培訓(xùn)計劃、職責(zé)權(quán)限等。

4.3.2 制定現(xiàn)場數(shù)智化記錄交付標(biāo)準(zhǔn)

制定項目實施細(xì)則，并記錄和管理現(xiàn)場數(shù)智化記錄平臺，包括：①每日線上巡檢數(shù)智化報告；②每周項目進度跟蹤數(shù)智化分析報告（記錄分析頻率待定）；③項目結(jié)束后，施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄完整移交報告。

4.4 施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄的落地性應(yīng)用模塊

4.4.1 虛擬巡檢模塊

使用Openspace 360 定制化系統(tǒng)，隨時隨地可以快速查看項目形象進度。其重點在于，可以通過分屏功能選擇兩個日期來查看施工過程的進展變化。

4.4.2 BIM 對比模塊

使用施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄平臺，通過對BIM 星云系統(tǒng)與OpenSpace的虛擬現(xiàn)實環(huán)境在綜合平臺上的實時對比，可以在電腦端快速查看實際施工情況并與BIM 模型進行比較。

4.4.3 巡檢記錄模塊

巡檢記錄功能可以快速地將手機在現(xiàn)場拍攝到的問題記錄自動定位到項目圖紙中，或者通過施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄平臺在線記錄和管理問題，使整個項目團隊及時了解項目情況，從而做出最優(yōu)化的解決方案，減少項目風(fēng)險和成本增加。

4.4.4 進度跟蹤模塊

根據(jù)施工現(xiàn)場數(shù)智化記錄，利用計算機視覺和人工智能全自動計算出施工現(xiàn)場的工程進展情況，并用圖表和立體模型詳細(xì)展示完成的數(shù)量、比例和團隊的工作效率，以協(xié)助項目管理者及時、快速地了解項目情況，優(yōu)化現(xiàn)場施工管理，同時也可以作為項目付款依據(jù)。

5 結(jié)語

綜上所述，吉寶靜安中心項目通過數(shù)智化理論、標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用方案的分析，總結(jié)了一套可適用于20 萬m2以下的商業(yè)辦公地產(chǎn)項目的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)。結(jié)合虛擬現(xiàn)實VR 設(shè)備與BIM建模平臺的綜合性云平臺系統(tǒng)，可以快速實現(xiàn)現(xiàn)場任務(wù)派發(fā)、3D/2D 圖紙對比、實時記錄與事后溯源。

項目將數(shù)智化技術(shù)集于“數(shù)字孿生”系統(tǒng)之后，又形成了一套可以嫁接最新技術(shù)資源的中臺系統(tǒng)；并在日常使用過程中，讓專家數(shù)智化轉(zhuǎn)化為人人數(shù)智化的落地性平臺，勢必會在推動行業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型的趨勢中，提供豐富的理論與實踐依據(jù)。