大型城市智慧工地建设需求和发展趋势分析

孙博洋，张 猷，沈志鹏，姚 峣，黄阮明，赵晶晶

(1.国网上海市电力公司，上海 200120；2.上海电力大学，上海 200090)

0 引言

全球气候变化是21世纪人类面临的重大挑战。我国是全球最大的碳排放国，应对气候变化事关国际、国内大局，是推动经济高质量发展和生态文明建设的重要抓手。目前，我国已经明确提出“碳达峰、碳中和”目标，为我国绿色低碳转型指明了前进方向，也为全球气候治理向前迈进注入了新动能[1-2]。

以北上广为代表的我国大型城市在加快智慧城市建设的同时，也在积极争取提前实现“双碳”目标，面对社会各领域大体量、高密度的工程建设，亟需提升工程建设管理水平，助力社会绿色低碳发展。智慧工地是近几年工程建设领域管理创新的热门方向，也是智慧城市建设的重要内涵和现实需求，可促进城市建设面向“工业化、信息化、绿色化”发展，智慧工地是实现绿色建造和智慧建造的正确途径和有效手段。“双碳”背景下大型城市的工程建设特点、智慧工地管理需求和发展趋势是本文讨论的重点。

1 大型城市发展特点

北京、上海、广州等大型城市是我国经济发展快、工程建设体量大、智慧工地系统应用较早的大型城市之一。改革开放40多年以来，北上广的国民经济总值(GDP)持续增长，尤其是进入21世纪后经济增长速度明显加快。货物运输量是经济活动繁荣程度的重要衡量指标之一，与GDP变化趋势基本一致[3-5](见图1～6)。经济发展和城市建设的特点，决定了工程建设管理的智慧化需求也更加迫切。

图1 1978—2019年北京市国民生产总值

图2 1978—2019年北京货运总量

图3 1980—2019年上海国民生产总值

图4 1990—2019年上海货运总量

图5 1978—2019年广州国民生产总值

图6 1985—2019年广州货运总量

上海作为我国的经济、金融、贸易、航运、科技创新中心，是全国改革开放排头兵、创新发展先行者。根据国务院批复的上海城市总体规划，2035年上海将建成“卓越的全球城市”。要严守城市安全，建设韧性城市，加大海洋、大气、水、土壤环境的保护力度，主动应对全球气候变化，提升城市抵御自然灾害能力。通过优化能源结构，降低产业和建筑能耗，引导绿色交通出行，全面降低碳排放。上海市政府在2021年初的“两会”上提出，将制定全市碳排放达峰行动计划，着力推动电力、钢铁、化工等重点领域和重点用能单位节能降碳，确保在2025年前实现碳排放达峰。低碳脱碳、节能减排也是工程建设领域“双碳”工作的重要考量。

改革开放40多年来，上海市经济发展持续增长，2000年之后的增长速度明显加快，与此同时，货物运输量、交通运输投资也在近二十年出现大幅增长，与经济发展速度很匹配。按照当前增长趋势，“十四五”期间，上海等大型城市的经济发展速度将仍然保持较高水平，城市建设体量、货物运输量也将持续保持高位。

上海是全国经济实力最强、投资拉动最显著的超大型城市之一，每年重大工程投资额在1 700亿元左右。2020年，全市房地产开发投资稳步增长，完成投资4 698.75亿元，虽然受疫情影响，但仍然比上年增长11.0%，房地产支撑城市建设的作用比较突出。近两年，上海城市发展积极规划布局，临港新片区、长三角一体化示范区、五大新城及虹桥商务区等重要地区的开发建设，呈现出密度高、工程量大、时间紧等特点，对工程建设安排和智慧工地管理提出更高要求。运用人工智能、物联网、云计算、大数据等现代信息技术的“智慧工地”管理稳步推进。

从上海市重大工程和热点地区的大量工程建设安排和全市货物运输量、道路车辆容量等数据看，各项工程的密集开工建设，相关材料运输、渣土转移等必然存在道路占用和通行不便问题，必须合理规划工程车辆行车路径和优化工期安排，实时监测道路流量并及时调整运输策略，以更加智慧智能的方法来组织管理工程建设。

2 智慧工地总体框架分析

智慧工地的概念来源于智能制造、智慧建筑、BIM技术、智慧城市等概念。国内相关研究起始于2013年，其中有工程项目基于劳务问题，尤其是进城务工人员工资发放问题，提出智慧工地维权管理系统；还有项目建立了工地监管安全管理的视频远程监控系统，是智慧工地的先驱尝试。近年来，随着BIM技术、物联网技术、互联网等技术的发展，智慧工地定义得到不断延伸，应用领域及涵盖技术随之增加[6-7]。

智慧工地管理系统是以建设项目现场为核心，依托BIM、物联网、互联网等技术为基础，集成一系列智能设备的智慧化管理平台，以实现建设项目现场信息流和物质流的协同管理。智慧工地管理系统利用智能机器人、可穿戴设备等智能设备同工人、传统机械实施现场生产，通过智能摄像头、人脸识别、RFID、二维码、无人机等收集工程现场数据，依靠移动通信、互联网与基础平台实现信息流的实时交互，实现工程现场的安全、质量、进度、成本、劳务等方面的智慧管理与智慧决策。

智慧工地管理系统的总体框架如图7所示，包含智能感知层、通信网络层、数据层、应用层、交互层和决策层6大梯次结构，贯穿数据采集、传输、分析和应用等方面，依托物联网、互联网、超级计算机，建立云端数据管理平台，形成“端+云+大数据”的管理模式。

图7 智慧工地管理平台的总体框架结构

3 智慧工地建设需求和发展趋势分析

随着信息化时代的发展，建筑行业也随着时代的变迁而转变，建筑施工也在朝着智慧化、精细化的方向发展。随着“双碳”战略的实施和信息化、网络化技术的广泛应用，智慧工地的理念也将会顺应提倡绿色施工的发展应运而生。智慧工地的应用在项目管理、质量控制及数据分析等方面的成效有明显提升。同时在施工过程管理中，植入更多的网络应用、可视化管理、虚拟现实等高科技技术，使施工过程管理更加经济高效、便捷以及节约各项成本资源，并且形成一个完整的可视化、数据化、人性化的过程控制网，实现施工过程管理人与施工现场无缝整合[8-9]。智慧工地的典型应用场景包括多个方面。

3.1 人员信息管理

通过电子标签(RFID)、面部、指纹识别和虹膜识别等多种技术，对工程建设全体人员进行实名制管理，可以将工地劳务人员姓名、身份证号、劳动合同书编号、岗位技能证书号登记入册，并确保人、证、册、合同、证书相符统一，从而促进工程合法用工。施工现场门禁、人员考勤、会议签到、工资发放等都是智慧工地人员管理的重要应用。

3.2 工地安全管理

流动人员定位监控、电子围栏、塔机/升降机、深基坑/高支模等安全管理，是工程建设现场安全管理的重中之重。

本试验以黄芩、黄芪、杜仲、甘草复合提取物和益生菌（枯草芽孢杆菌）按一定比例制成复合物，通过研究其对育肥猪生长性能和胴体性状的影响，为益生菌与复方中药提取物在育肥猪养殖中的推广应用提供理论依据。

工地现场应用的电子围栏以预警为主，多采用红外感知、电子标签定位识别、视频捕获识别等技术，一般采用广播告知驱离、信息反馈和管理人员现场制止警告等措施，防止无关人员进入施工现场的安全区域内。工地电子围栏多应用在“四口”(通道口、楼梯口、预留洞口、电梯井口)、“五临边”(没有防护措施的阳台周边、屋面周边、楼梯侧边、框架结构楼层周边以及基坑周边)及其他需要重点防护的位置。

塔机、升降机是建设工地最常见的机械器具，由于起重货物、运送人员和材料、高空作业的特点，这类设备的安全管控显得尤为重要。借助高度、力矩、回转、幅度等各类传感器和风速仪、监视器等设备，采集并监控塔机的幅度、起重量、起重力矩、起升高度、工作速度等关键技术指标。采用芯片卡、指纹或面部智能识别技术，规范化管理升降机的施工、维保、机管人员信息，确保专人操作、专人维保。加装防超载、上下限位、内外门检测、防坠检测、楼层呼叫、防冲顶预警等传感器和模块，实现升降机的安全可控运行。

基坑支护及地下工程施工过程中，需要监测支护结构及周边环境的安全信息包括：支护结构变形、地下管线变化、周边建筑物及地表变化，并就其变化情况进行及时综合分析。支模体系越来越高大、复杂，安全风险也越来越高，高支模安全事故一旦发生，往往造成重大人员伤亡和巨大的经济损失。高支模安全监控系统，一般监测模板沉降、立杠轴力、杠件倾角、支架整体水平位移等关键参数，实现全覆盖的监测数据自动采集、实时传输功能，并且建立信息和数据分析模块，形成各类变化曲线和图形，使监测成果展现得更形象。

3.3 环境监测与治理

施工现场的环境监测一般借助风向/风速、扬尘、温湿度和噪声等多种类型传感器全方位监控工地，并在施工现场基坑和施工围挡周围以及楼层内(兼顾主体阶段混凝土养护)布置喷淋降尘养护系统，以实现工程养护与降尘设施的综合利用。

3.4 其他应用

近年来，VR、AR、BIM等技术已经被广泛应用于建筑工程领域，实现了项目管理的全可视化。在工程正式施工前，利用BIM技术进行施工3D/4D虚拟建造，通过VR/AR/MR可视化的预演练和施工过程模拟，检查设备空间位置和工艺实施的可行性，进而优化施工组织方案，减少返工、加强施工安全。

此外，施工现场和办公生活区的节水节电控制、材料进场自动计数、大体积混凝土测温、智慧广播和音像休闲设施等也是智慧工地管理系统的应用方式。

4 结语

“碳达峰、碳中和”战略目标，为我国经济绿色低碳转型指明了前进方向，以北上广为代表的大型城市在加快智慧城市建设的同时，也在积极争取提前实现“双碳”目标。面对各领域大体量、高密度的工程建设，亟需提升工程建设管理水平，合理规划工程车辆行车路径和优化工期安排，实时监测道路流量并及时调整运输策略，助力社会绿色低碳发展。

智慧工地管理系统包含智能感知层、通信网络层、数据层、应用层、交互层和决策层6大梯次结构，可以提供包括车辆路径优化、人员信息管理、工地安全管理、环境监测与治理及其他应用的综合性智慧管理服务，随着信息、通信、人工智能等技术的不断进步，未来智慧工地功能将更加丰富、管理更加高效便捷。