建设工程项目数字化施工管理概述

建设工程项目数字化施工管理１、前言施工管理过程其实就是信息流动的过程，通过信息从上层到下层或从下层到上层的纵向流动，以及在同一层次间的横向流动，达到管理和控制的目的。

但目前我国的建设工程管理过程中，信息的流动主要采用手工统计数据、编制报表的方式（一些企业即使采用了计算机，也主要用于将手写的报表编织成打印的报表），这种方式工作量大、效率低，难以保证信息的及时性和有效性。

随着“数字化地球”概念的提出，“数字化”时代已经到来，相对其他行业和领域来说，建设工程领域的数字化概念还很模糊，数字化的施工管理方法研究也很少见。

为此，本文从“数字化施工管理”概念出发，重点分析了数字化施工管理的内涵及可能实现的手段。

数字化施工管理是工程管理领域的必然趋势，本文抛砖引玉，以期引来同仁的积极探讨并带来数字化施工管理的繁荣。

2、数字化施工管理的内涵与“数字地球”的概念相似，“数字化施工”就是将施工过程数字化，它包括工程全部施工过程信息的数字化、网络化、智能化和可视化。

“数字化施工管理”即在数字化施工的基础上，用数字化手段整体性地解决工程施工问题并最大限度地利用信息资源。

数字化施工管理是以知识为基础，运用空间的概念整合信息及资料库的体系，是一种强调知识共享与更新的机制及过程，注重将原始资料经过整理、统计与分析后变成信息，而信息经过充分运用及共享，则可转化为有用的知识。

因此，本文认为数字化施工管理的内涵应包括以下几个部分：①空间信息技术；②系统仿真计算；③可视化与虚拟现实；④多智能体施工。

数字化施工管理的兴起将为建设行业加快工程进度、节约工程造价、保证工程质量等起到巨大作用。

2.1空间信息技术空间信息是数字化施工管理的首要前提，它包括施工场地的地形、地貌、建筑物、施工项目等一切空间的信息。

空间信息技术是处理空间信息最为有力的工具，它主要包括遥感技术（ＲＳ）、地理信息系统（ＧＩＳ）和全球定位系统（ＧＰＳ），即3Ｓ。

其中，地理信息系统在建设工程管理中发挥了越来越重要的作用。

地理信息系统（ＧＩＳ，ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）是近年来迅速发展起来的、一门介于地球科学与信息科学之间的交叉学科，亦是地学空间数据与计算机技术相结合的新型空间信息技术。

它是在计算机硬件和软件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。

ＧＩＳ具有存储、处理、传输和显示海量地理信息或空间数据的功能，因而适合用于管理规模越来越庞大的工程建设系统的信息。

目前有学者研制开发了以ＧＩＳ和数字媒体技术为基础的三峡工程决策支持系统集成指挥中心，在可视化的环境下以多种媒体形式为决策用户提供各种施工动态、静态信息，为提高决策效率提供有效的工具[3].ＧＩＳ可以对信息进行空间分析和可视化表达，这些功能适用于工程地质勘探、工程项目选址分析、工程项目风险评价、施工平面规划等工程建设领域。

丰富的查询功能也是ＧＩＳ的一大显著特点，ＧＩＳ提供图形查询、文字查询、事件查询和过程查询，利用这些功能不但能获得与空间坐标有关的各项实体的信息（如设计参数、图纸等），还可以获得动态的过程信息，如施工过程信息等。

文献[4]将ＧＩＳ用于公路建设管理中，利用ＧＩＳ动态反映路基、结构物的施工进展情况，随时反映出工程的变更情况，实现各构造物的施工进展形象图及各种信息的统计与分析。

近年来，随三维、四维的数据模型日趋成熟，三维、四维的ＧＩＳ也逐渐得到研究和应用。

天津大学的钟登华等将ＧＩＳ技术与系统仿真技术相结合，并广泛应用于水利水电工程的施工领域中，如坝区地质三维可视化、地下洞室和大坝施工过程三维动态演示、施工导截流施工管理、施工场地总布置等，在行业内取得不小的反响[5-7].如图1为应用ＧＩＳ技术生成的某水电工程施工场地总布置图。

另外，与人工智能、面向对象、万维网、虚拟现实等技术的结合的新型地理信息系统不断的出现，这与施工管理数字化的趋势相符合，因此也必将在工程建设领域得到更加深入和广泛的应用。

2.2系统仿真计算系统仿真技术是20世纪40年代末以来随着计算机技术的发展逐步形成的一门新兴学科，它以相似性原理、系统工程方法、信息技术以及应用领域相关专业技术为基础，以计算机等设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合技术[8].仿真就是通过建立系统模型对实际系统进行试验研究的过程。

随着仿真技术的发展，现代仿真技术已经成为任何复杂系统不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。

国外从70年代开始将仿真技术应用到工程施工过程仿真，以循环网络仿真软件为代表的一系列软件已广泛的应用在隧洞施工、土石方开挖、桥梁施工、管道施工等工程施工领域，如Ｈａｌｐｉｎ用于工程施工过程仿真的ＣＹＣＬＯＮＥ；Ｍｏａｖｅｎｚａｄｅｈ用于费用预测的隧道施工仿真软件ＴＣＭ；Ｃｌｅｍｍｉｎｓ用于土方工程施工仿真的ＳＣＲＡＰＥＳＩＭ；Ｋａｖａｎａｇｈ用于代替ＣＰＭ的循环网络仿真系统ＳＩＲＥＮ；Ｏｄｅｈ基于知识的施工计划仿真系统ＣＩＰＲＯＳ；Ｈｕａｎｇ用于施工过程动态交互仿真的ＤＩＳＣＯ等等。

随着人们对建模方法学研究的不断深入及计算机技术的飞速发展，对系统仿真技术提出了更高的要求。

20世纪90年代以来，系统仿真的研究主要集中在：分布式交互仿真（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）、面向对象仿真（Ｏｂｊｅｃｔ-ＯｒｉｅｎｔｅｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）、智能仿真（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）、可视化仿真（ＶｉｓｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）、多媒体仿真（ＭｕｌｔｉｍｅｄｉａＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）等等[10].图2为可视化与仿真相结合而生成的可视化施工管理过程。

在国内，天津大学的孙锡衡[13]等于80年代初首先把仿真技术引入水电工程施工领域，随后，钟登华等人对大型地下洞室群、混凝土坝的施工过程进行仿真研究，尤其是近期提出基于ＧＩＳ的可视化仿真等理论和方法在众多大型实际工程中得到了成功的应用[14-20].其他的一些研究单位和学者也在施工过程仿真领域作了一定的工作。

其中，同济大学[21]根据已有的盾构法隧道施工引起地层移动理论，采用了基于数据体视化算法的计算机仿真技术，研制了盾构法隧道施工实时预测与控制仿真软件；武汉水利电力大学和大连理工均在混凝土坝浇筑仿真方面进行了研究[22-24]；四川大学主要研究了地下洞室群施工过程的仿真计算[25]，等等。

沙梅[26]用离散系统仿真对集装箱码头的工艺系统设计进行模拟，为集装箱港口工程项目设计提供决策支持。

曾赛星[27]引入了可用于离散事件和连续事件的ＳＬＡＭⅡ仿真系统，针对一个多服务台的土方运输系统进行了传真试验。

2.3可视化与虚拟现实可视化即科学计算可视化（ＶｉＳＣ，ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ）[28]，是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。

而虚拟现实（ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ，简称ＶＲ）是采用以计算机技术为核心的现代高新科技生成逼真的集视觉、听觉、触觉与嗅觉为一体的特定范围的模拟环境，通过多种传感设备（如头盔显示器、立体眼镜、数据手套、数据衣等）使用户以自然的方式与模拟环境中的物体进行交互，从而产生身临其境的感受和体验。

与可视化相比，在ＶＲ系统中用户与计算机的交互方式就像现实中人与自然的交互一样，即具有沉浸性（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）；在ＶＲ系统中用户不再是被动地接受计算机所给予的信息或者是旁观者，而是能够使用交互输入设备来操纵虚拟物体，以改变虚拟世界的，即具有良好的交互性（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）；用户利用ＶＲ系统可以从定性和定量综合集成的环境中获得感性和理性的认识，从而深化概念和萌发新意，即具有想象性（Ｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎ）。

由于上述特点，虚拟现实在建设工程领域的应用成为了新的热点。

利用ＶＲ的可视化特性，对整个施工现场场景和施工过程进行三维展现，可以充分挖掘人类视觉获取信息的潜能，使工程技术人员和决策人员可以最大限度地获得施工过程的信息，有效地检验施工组织设计方案的可行性；用户也可以进入数据本身所在的环境，通过实时交互修改参数来对不同施工方案进行比较。

ＶＲ的交互性是学校教学或培训员工的有效工具。

建筑工程施工和管理是实践性较强的课程，而现实条件又不可能提供所有的实践环节，采用ＶＲ构建一个虚拟的工程建设环境，使学生“参与”其中，将会提高学生的“实践经验”。

采用ＶＲ技术虚拟施工过程，也有助于操作人员全面了解操作流程，优质安全地完成施工任务，尤其对一些特殊的或危险的操作进行全面培训，可以大大提高培训的安全性，并降低培训的费用。

2.4多智能体施工智能体（Ａｇｅｎｔ）是指为了实现自己的设计目标或任务而独立自主的运行，能适应自身所处的环境，并能不断地从环境中获取知识以提高自身能力，具有学习和推理功能的智能实体。

多智能体系统[34]是由多个可计算的智能体组成的集合，其中每个智能体是一个物理的或抽象的实体，能作用于自身和环境，并与其他智能体通讯。

其目标是特大的复杂系统（软硬件系统）建造成小的、彼此相互通讯及协调的、易于管理的系统。

多智能体技术是人工智能技术的一次质的飞跃。

多智能体技术具有自主性、分布性、协调性，并具有自组织能力、学习能力和推理能力。

采用多智能体系统解决实际应用问题，具有很强的鲁棒性和可靠性，并具有较高的问题求解效率。

由于多智能体技术的这些特点，它在解决复杂大系统的问题是具有明显的优势。

随着国民经济的发展和新技术、新材料、新工艺的不断出现，工程项目规模不断扩大、形式日益复杂，工程建设过程涉及的单位和个人也越来越多，因而对建设工程管理的统筹性、协调性、时效性提出的要求就越来越高。

对于这样一个复杂的系统，应用多智能体技术来保证工程建设任务的顺利进行时非常合适的。

目前，已有学者研究基于Ａｇｅｎｔ的工程建设协同工作方法，为工程建设项目进行高效管理、协作设计的提供重要的工具[35].曾明[36]以苏州河综合整治工程的计划管理为背景，提出一种用于多部门计划协调支持系统的Ａｇｅｎｔ协同工作组织结构。

由于在招投标时，需要大量的工程量数据计算工程造价，重庆大学的任玉珑等提出了构建适用于投标计价和做招标的标底的招投标计价多Ａｇｅｎｔ协同工作系统的思想，该多Ａｇｅｎｔ协同工作系统包含工程量计算Ａｇｅｎｔ和造价计算Ａｇｅｎｔ[37].西北工业大学的储备等从设计资源的角度深入研究了通过Ａｇｅｎｔ以招投标模型实现产品设计任务的合理配置从而达到设计资源的合理分布与合理流转[38].大型水利工程的物资供应系统是一个复杂系统，为此，刘三伢等[39]将供应链管理理论和Ａｇｅｎｔ技术引入大型工程物资供应系统的研究中。