业主方视角下高速公路智慧建造框架与应用*

魏 杰，侯 玉，张静晓

(1.山西路桥昔榆高速公路有限公司，山西 晋中 030616；2.长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710064；3.长安大学经济与管理学院，陕西 西安 710064)

0 引言

高速公路智慧建造是由业主方协调监理、施工、检测等参建方，构建一体化的建设管理平台，从而实现建设全过程、各阶段、各环节的有效衔接，提升投资控制、进度管控、质量监管、安全管控、环境监测等工程建设管理各环节数字化和智能化水平。张静晓等[1]指出，推进全球可持续发展已经成为人类的共识，但在经济发展过程中，环境污染和资源危机仍在不断加剧，要改善这一现状，应该注重智慧建造的发展与进步。张浩等[2]认为，智慧建造的发展现处于起步阶段，仍然存在许多技术以及标准规范问题等待解决。李祥进等[3]认为，相比于智慧施工和智慧设计，在智慧建造方面的研究成果仍然缺乏，目前形成的概念尚未统一。姚辉彬等[4]认为，当前采用智慧建造技术使项目成功的案例不多，为提高项目成功实现的机会，将工程项目承包商智慧建造能力纳入承包商评价与选择评价体系，有利于业主选择出更适合的承包商，由此可以推动智慧建造的发展。李贵等[5]认为，现阶段的智慧建造存在各业务板块单独搭建信息系统的问题，导致数据无法相互联通，并且施工现场智慧设备属于不同厂家，无法统一接入管理，同时，企业系统多针对内部管理，无法打通上下游的合作伙伴系统等问题，故需要加强智慧建造系统集成。黄炜等[6]认为，可以从构建施工企业数据驱动体系入手，为企业决策和业务运营提供数据支撑，从而为企业的智慧建造集成系统建设和研发打下坚实的基础。本文通过构建智慧建造的框架，从智慧建造的三大核心，即进度数字化、质量数字化、安全数字化入手，分别阐述其内涵、信息采集和集成等内容，并结合具体案例展开叙述，将理论与实践结合，详细地介绍了智慧建造的应用方法，在一定程度上弥补了此研究领域的空白。要使智慧建造更好地普及于工程当中，业主方的支持是主要动力。业主方可以通过引进智能机械、智能设备、搭建智慧管理平台等手段来推进高速公路智慧建造的进行，从而显著提高建筑业信息化管理水平，实现项目全生命周期智能管理和全产业链相关方信息与数据的互联互通，推动传统建造模式变革升级[7]。

1 高速公路智慧建造框架

高速公路智慧建造框架由硬件支持层、数据采集层、数据资源层、业务管理应用层、数据分析与交付应用层以及用户层组成，如图1所示。其中硬件支持层中包含的硬件设施与设备有各类感知节点、自动识别装置、传输网络、显示、存储、监控终端等。数据采集层支持多种数据采集方式，包括数字工地监测设备、移动APP、其他系统提供的数据接口、二维图纸翻模和人工录入等。数据采集层中安装了生产设备、试验设备、安全设备、施工现场数据的填报、采集、监控等程序，从而可以使各个业务系统可以及时得到数据源。数据资源层包括基础数据库、项目数据库、工程管理台账、信息模型等，并且各部分均满足相应要求：基础数据库包括数字化的路基工程设计、施工等行业规范标准、业务资源、操作规程、知识库等；项目数据库包括本项目数字化的批复文件、合同文件、施工组织、0号台账、工程台账、工作任务清单、质量控制、安全风险等；工程管理台账的基础是信息模型，为了减少业主建设基础数据的难度，其特别为用户提供了专业的指导知识以及标准工序、工序用表等数据资源服务。业务管理应用层将为各方责任主体及相关人员提供进度管理、安全管理、人员管理等业务功能模块及其对应的数据统计、分析和各模块之间的数据共享等服务。数据分析与交付应用层将架构和技术支撑提供给上层应用，基于GIS引擎、物联网等技术，实现数字化的质量评定及竣工资料、数字档案的生成等功能。用户层包括建设单位、施工单位、监理单位、监管单位以及参与公路施工的咨询、检测单位等。

图1 高速公路智慧建造框架Fig.1 Intelligent construction framework of expressway

在高速公路智慧建造中，最重要的3个体系分别是进度体系、质量体系、安全体系。进度管控是高速公路施工的主线，做好进度管控的关键首先在于做好施工进度计划的编制，其次还要重视保持项目详细进度计划的灵活性；质量管控是提高工程质量、保障施工安全的关键，要做好质量管控，就要把握好智慧建造的关键技术，例如：将信息与模型结合、建立管控台账等；安全管控是高速公路施工的重点内容，是企业经营发展的重要保障，其核心是做好信息化安全组织管理和信息化风险管理。

2 进度数字化

2.1 内涵

路基、通道、涵洞、防护工程等的进度管理不仅应包括进度计划编制、进度采集、分析、控制、任务驱动等内容，还应该包含过程跟踪和纠偏所需要的数据收集、分析、辅助决策的能力。

进度数字化是指为使实现进度计划的自动确认，同时提高其真实性和有效性而采用的一种方法[8]。其中，进度计划宜关联计量台账、计量台账中计量子目等，并关联施工定额进行工程量、合同金额和工料机资源配置计算。公司应根据技术规范、设计文件、施工组织设计要求，基于0号台账编制进度计划作为施工进度管理的基础，开展进度模拟、进度审查等进度管理工作。进度分析将用于辅助进度管理，在巡查工程施工进度时，利用无人机进行阶段性定时航拍是很好的选择。在进行进度分析时，应实现目标计划与实际进度的年、季、月的动态对比、偏差分析以及分级预警，各类进度报告宜按标准模板数字化自动生成，实现计划进度与实际进度的自动对比。并且，进度分析宜与质量台账、计量台账等关联，这样利于获取分项工程的工程质量和计量支付等信息，还利于自动生成施工进度报表，实现形象进度、资源投入的可视化展示。进度控制是将控制措施及审批流程数字化，支持与合同管理数字化条款的联动，实现对工程进度履约的实时监管。工作任务驱动以开工报告应用为基准，将开工报告的各类前置工作任务清单数字化，以任务清单驱动质量、安全、环保等各业务模块任务实时同步。

在进行进度管理时，可以使用WBS分解法，WBS分解法是一项将项目所需工作进行区分，将各个主要进行的工作分成若干个分项小工程，有利于项目管理人员对于各个工作进行细分后的管理事宜，不仅为项目管理工作提供便利，还方便在项目初期阶段所进行商榷、计议[9]。除此之外，资料共享也是一项重要功能，资料共享功能是指：任何获得权限的人均可在电脑端和手机端内查看管理人员上传的资料。除了要注重资料共享之外，还应该注重将信息模型与施工进度相关联，当实际的施工进度与计划不相符时，应及时采取措施。若采取措施后，按原进度计划制定的目标仍不能实现，则应变更进度计划，并上报给相关部门审批。在变更进度计划期间，项目管理机构应当做好变更前后的协调衔接工作。

2.2 信息采集

在采集路基、通道、涵洞、防护工程的进度数据时，可以按照工序划分、工序工程量、劳动量、机械台班数量等模块进行，将这些模块的数据当作对比数据用于进度跟踪的同时，采集、储存、分析过程数据，并将过程数据作为依据来进行进度纠偏，这便是一个完整的进度信息采集过程。进度信息采集可以采用信息化技术实现，对于构件结构工程，例如：通道、涵洞基础、墙体、预制管节、盖板、砌块等可以以数字化的标准工序交验情况自动生成；对于非构件结构工程，例如：路基填方、挖方边坡、防护工程等可以以数字化填报或无人机、视频监测等数字工地监测等方式完成。

2.3 集成

集成所需的集成管理平台应在对工程实体统一分解编码的基础上，对接各子系统的数据，以便做好业务的互联互通，数据的共享、集成与协同。集成管理平台系统的配置在具有信息采集、数据通信、数据分析处理的功能和数据可视化展示能力的同时还应该具备应用的扩展能力，并且集成管理平台的通信方式不仅要符合国际通用的接口及协议的规定，还应符合国家现行相关标准的规定，而且要具备实现不同数据库信息共享以及通信方式扩展和升级的能力。进度的系统集成是将数据采集层与数据资源层中的信息相结合，应用于业务管理应用层的进度管理和数据分析与交付应用层的进度检测。进度集成系统的实现可以实现施工进度的优化，减少各类因素对工程进度的影响，从而保证施工顺利进行。

3 质量数字化

3.1 内涵

质量数字化内容包括质量台账(试验检测、测量管理、质量检验)、施工过程质量管理、质量巡查与监控、变更管理、质量验收与评定为一体的全过程质量管理。质量管理应遵循行业相关规范标准，基于项目工作结构及项目工程组织结构分解，形成工程质量管理任务台账，实现“任务到岗，责任到人”。并且应按照工程项目相关方的管理需求，根据建设项目设计文件、技术规范、质量验收规程、质量检验评定标准等，以分部分项工程的施工工序等形成质量台账，试验台账、测量台账和质检台账三部分内容是质量台账所必须包含的。试验检测应建立试验台账，试验台账可以对试验参数、试验类型、试验样品、原材料试验、配合比、现场检验、外委试验等进行任务清单条目化管理；测量管理应建立测量台账，测量台账可以对设计交桩、施工放样、现场检验等进行任务清单条目化管理；质量检验应建立质检台账，质检台账应与计量前置数字化清单关联，并与竣工资料及电子档案对接，为满足工程竣工验收文件材料的规定，还应该基于《公路工程质量检验评定标准》，将单位工程、分部工程、分项工程的划分良好地结合施工工序，对分项工程的自检、抽检、中间交工进行任务清单条目化管理，在此基础上开展工序交验、质量评定的流程化管理和现场质量巡查管理。在质量评定时应将评定的公式及评定值数字化，并支持CA及电子签章技术实现最终质检报表的数字化自动生成。

3.2 信息采集

质量管理信息采集是按照以下流程进行的，即先检查项目的质量状况并对其进行分析，而后发布质量报告并对相关方的满意程度进行收集，最后综合以上信息对项目制定相应的改进措施。为更好地实现质量数字化管理，质量管理信息采集最好利用信息化技术实现，高速公路的建造质量管理信息采集可以通过信息化技术来实现：先将所需信息传入测量设备，待生成相关图片后，再将这些图片传输至远程信息管理平台即可。同时，为了使变更过程更加顺利，质量管理信息采集在支持质量检查项电子化维护的同时，还要支持记录台账和图纸的变更，并且变更最好要结合电子签章管理、CA认证以及建筑信息模型(BIM)和模型内嵌信息管理。在检查出质量问题之后，应及时推送自动生成的整改通知单，还要实时查看所出问题之处的整改完成情况。

3.3 集成

质量的系统集成是将数据采集层与数据资源层中的信息相结合，应用于业务管理应用层的质量管理和数据分析与交付应用层的质量评定。质量系统集成的实现可以有效减少因原材料、环境因素、人为因素、机械因素、设备因素等导致的问题，有效降低施工安全事故发生概率，从而保证高速公路的建造效果，缩短工程进度，达到公路工程的施工质量要求，在高速公路工程质量大幅度提高、工程寿命大幅增长的同时，可增加工程的经济效益与社会效益。

4 安全数字化

4.1 内涵

安全数字化是指：针对基本安全管理、施工环境以及危险系数较高的分部分项工程和安全组织管理等开展的智慧化管理。安全数字化管理分为信息化安全组织管理和信息化风险管理。

对于信息化安全组织管理来说，不仅要建立安全责任体系与安全管理机构，配置19+1责任体系，还要建立风险管控台账，加强施工现场安全检查。除此之外，在实现常态化闭合管理的同时完善隐患排查治理制度、记录在排查隐患过程当中的闭合管理情况是基本工作。隐患排查工作完成后，要对存在安全隐患之处积极治理，治理情况要及时通报给专业人员。当遇到重大事故隐患时，应该按照规定上报并进行专项治理。

信息化风险管理包含了风险识别、风险评估、风险监控以及风险应对等内容，其中风险应对需要包括技术、经济、管理等方面的内容，是指具体化的应对策略。风险源需通过信息化系统进行台账化管理，该台账要求对工地现场风险源信息数据进行采集、记录、查询，建立静态风险源信息数据库。当面对新的实施状况、环境条件和变更时，应当及时对风险进行预测并制定相应措施，同时还要对项目风险管理的有效性持续进行评价。

4.2 信息采集

安全管理信息采集应该包括基本安全管理、危大工程管控、安全风险源管理、视频监控管理等内容，应采用智能监控手段，将重大风险因子参数化、参数指标监控自动化、异常数据报警智能化。其中，基本安全管理是要通过信息化技术对人员安全管理、材料安全管理、机械安全管理的信息进行采集。对于人员安全管理的信息采集来说，要做到以下几点：①对重要机械采用生物识别技术的智能化应用，即在启动前对操作人员的身份进行识别和显示，未授权人员无法进行操作；②对未佩戴安全帽、禁火区抽烟、摔倒的作业人员做出预警提示；③通过智能设备对作业人员进行岗前教育和安全培训，并做好记录。为保证材料安全管理的信息采集，可以采用具备自动读取、记录、实时上传数据等功能的工具，通过二维码、RFID技术访问其他管理系统采集或者自动采集，同时建立安全用品台账来规范安全防护装置、用品的使用，对卸料平台发生超载不安全状态的采用自动化设备进行控制、预警。对于机械安全管理的信息采集来说，应通过建立机械设备信息数据库，对机械设备日常维护保养、进场、使用和退场全周期内进行电子台账记录和管理。

4.3 集成

安全的系统集成是将数据采集层与数据资源层中的信息相结合，应用于业务管理应用层的安全管理和数据分析与交付应用层的安全管理。安全系统集成不仅可以实现对公路工程施工安全风险源的辨识，预警腐蚀、爆炸、中毒、触电以及其他有害因素，从而减少安全事故的发生，而且可以使项目建设过程中出现的安全隐患、安全问题及时落实整改，为项目安全管理工作提供强大、有力的保证。并且安全系统集成可以让项目各参建方更加快捷的访问数据与应急指挥处，从而达到使建设过程更加灵活、集约和高效的目的。

5 具体案例

5.1 工程概况

昔榆高速公路指的是从昔阳至榆次的高速公路，其起点位于昔阳县，途径和顺县、寿阳县，最终到达庄子乡。昔榆高速公路以隧道的形式与河北境内的高速公路相接，桥隧比例高达55%，是《山西省高速公路网调整规划》中“3纵12横12环”中第7横的重要一段。

昔榆高速作为省厅智慧建设示范项目和BIM技术应用示范工程，在集团推进信息化建设战略指引的大力支持帮助下，通过“2361智慧平台”，打造高速公路智慧建设示范工程，并努力做到“十可”，即：现场可视、违规可纠、预警可报、进度可知、质量可管、安全可防、投资可控、效益可增、数据可查、全程可溯。

5.2 昔榆高速具体应用

昔榆公司充分利用“2361智慧平台”，努力实现管理“数字化、智能化、智慧化”。“2361智慧平台”中的“2”是指2个总体管控，即“决策驾驶舱”和“BIM+GIS系统”，其中，决策驾驶舱涵盖了投资、进度、质量、安全、智慧云检、智慧物料、智慧监理、智慧梁场、智慧隧道9个业务模块并将各个模块的关键指标数据集中展示，通过对各类数据的及时掌握、分析可对项目决策提供有力支持；GIS+BIM系统是依托GIS+BIM技术，基于大数据可视化模型、三维BIM模型等，实现视觉呈现的可视化。该模块通过采集、融合施工过程中的关键信息，并将这些信息渗透到施工各个环节来实现管理上的透明化与可视化。为采集设备的施工原始数据并将其与业务平台关联，提升工程质量水平及施工效率，昔榆公司努力将施工设备向信息化、智能化方向改造，并促进信息化与机械化的融合。

“3”是指3个重点方向，即进度、质量、安全。其中进度管理系统是利用无人机摄影，真实对比施工现场进度完成情况，各项目通过系统进行工程日报，提高了工作效率，减少了数据误差。质量管理系统可以实现试验数据的自动采集分析，切实落实了三检制度并针对全线354 068道工序进行全过程管理管控。安全管理系统是通过建立19+1责任体系，实现一张图全面掌握安全生产动态，为全过程生产安全保驾护航。

“6”是指6个管理方面，即智慧监理、智慧隧道、智慧梁场、智慧物料、智慧劳务、智慧监控。其中智慧监理系统可以对监理企业信息、人员履约、监理日常工作、阶段考核评价进行统一的信息化管理。通过监理单兵设备的接入，可以实现传输现场实时画面以及进行远程通话，补充摄像头的盲区，做到现场无死角，同时通过电子围栏，可有效提高对监理人员的现场监管力度。智慧劳务系统可查询劳务人员的基本信息、考勤打卡、银行卡登记、合同登记、工资发放、教育培训、奖罚信息，保障施工单位和劳务工人的合法权益。智慧监控系统集成了项目全线所有摄像头，设立风险预警功能模块，实现人员未佩戴安全帽、危险源识别等预警，为各施工场地的安全运行提供信息化保障。智慧隧道系统可对隧道内人员精准定位，同时融合了视频监控、安全步距、环境监测、监控量测等功能模块，实现了隧道内关键信息的实时监测、自动预警；在人员管控方面，配发了智能安全帽，可实现视频实时传输、语音对讲及一键SOS报警，保障隧道施工安全落地。智慧梁场系统以BIM模型为载体，通过手机端工序填报驱动生产指挥大屏梁体变色，对梁厂生产情况、制梁存梁情况及台座利用情况等数据进行综合分析，实现生产计划的动态调整和优化，减少二次移梁，提高台座利用率，通过智能终端对吊重、起吊高度、天车行程超限自动预警，有效减少安全事故发生。智慧物料系统采用“互联网+物联网+移动APP”的方式，致力于“数据客观真实、过程规范留痕、预警纠偏及时”的物料管理新模式，通过汇总并动态展示各项目物料管理结果和经营指标，助力科学决策，提升物料管理信息化水平。

“1”是指党风党建系统，通过党风党建系统，方便了参建单位进行党史学习，并且使其更加了解各支部党建工作。推行党建工作智慧化，可以使党组织各类活动的时间、空间限制被打破，从而更好地满足项目建设发展的实际需要，是智慧公路建设的重要助推力。

5.3 应用成效

“2361智慧平台”可以促进项目降本增效。通过系统设备管理模块，可以使机械、料具的有效利用时间和使用效率双双提升，并且可以减少机具使用总量；通过系统中人员管理模块的使用加强了人员的横向调配，提高工人的使用率减少窝工时间。通过系统的材料管理模块能动态监控物资的使用情况(包括周转材料)，使材料能合理使用减少材料的浪费。

“2361智慧平台”可以提升信息交互质量，助力管理方式转变。其有效解决了管理力量薄弱、管理内容繁多，任务分解不清诸多问题。在人员管理方面，实现了人员定位、信息实名登记、人员考勤管理。在机械设备管理方面，实现了对机械的定位、运行轨迹、运行情况的分析与统计，并对设备异常情况进行预警。在材料管理方面，不仅实现了从材料进场、检测、使用等各个环节进行全过程追踪溯源，而且实现了管理人员对地磅数据的远程动态监管。

6 结语

交通运输作为国民经济的基础性产业，同时也是碳排放的主要来源，已经成为仅次于工业和能源产业的第三大能耗产业，在我国“双碳”发展背景之下，绿色建造将是大势所趋，而绿色建造的关键则在于智慧建造的发展。本文通过建立高速公路智慧建造的框架，从进度数字化、质量数字化以及安全数字化的内涵、信息采集以及集成3个方面入手，并结合昔榆高速公路的实际案例展开叙述，将理论与实践相结合，得出了智慧建造在工程当中的具体应用方法。智慧建造是目前工程上的热点话题，将会越来越多地应用到各行各业当中，若业主方可以将智慧建造更加广泛地进行推广，则可以发挥出现代技术的优势，大幅提高企业的管理水平，促使我国高速公路建造健康快速发展，登上新台阶。