5G与智慧工地的应用研究

5G与智慧工地的应用研究

蔡 坤1 张百龙2 于洋3

辽宁兴宫房地产建筑开发集团有限公司 辽宁葫芦岛125000

摘要：推动互联网大数据人工智能和实体经济深度融合，要大力改造提升传统产业。建设数字中国，智慧建造的变革，将促进建筑产品形态，从实物产品像实体+数字+智能产品的转换。建造模式从工程施工向“制造+建造”转变，经营理念从产品建造向服务建造，市场形态从产品交易向平台经济转变，行业管理从管控向治理转变，最终实现以人为本、绿色、可持续、智能化工程产品与服务的交付功能目标。目前，我国建筑产业正经历着深化改革、转型升级、科技创新、碳达峰、碳中和同步推进的发展过程，在科技创新、碳达峰、碳中和多重作用下，行业数字化转型的发展趋势尤其值得我们关注。5G技术可以更好地支撑建造阶段的万物互联，促进工程项目数据收集、应用、治理的循环绿色发展，真正实现建筑产业的数字化建造。

关键词：5G、数字建造、科技创新、BIM、碳中和

1、目前建筑业的发展现状

在过去的一段时间里，建筑业取得了诸多瞩目的成绩，中国基建被世界人称“基建狂魔”，建筑业的发展离不开科学技术的创新与数字化的发展，以前建筑业存在生产方式粗放、效率低、科技创新不足等问题，管理和生产水平之间存在差距。如今，建筑业发展数字化建造，打通数据之间的互通、互联，避免信息孤岛和数据死角，真正做到基于真实数据提升项目能力，实现降本增效，智能建造所带来的效益未来可期。

2、建筑业数字化

2.1建筑业数字化转型升级

在过去的几十年里，我国建筑行业也取得了较为显著的成长，但在竞争环境日益严峻的今天，技术创新成为企业竞争力的新筹码，数字化转型成为了建筑人的共识。在 5G 时代，建筑业的数字化转型将实现从智能辅助到半自动化再到全自动化的过程演变。对于一个企业来讲，项目的收益直接决定了企业的收益，每个企业都希望项目管理是标准化的、可执行的、科学的、盈利的。建造初始，由于市场因素、政策因素、环境因素等，人、材、机就会不定时发生变化，给管理带来困难，因此需要一项综合解决方案。建筑产业的变革和数字时代的到来，实现与互联网、智能软硬件的无缝融合，成为最新的智慧建造管理方法。物联网、BIM、CIM、云计算、人工智能等先进技术的应用，将彻底改变建筑业，实现智慧建造的伟大目标。 建筑人追求敬业、精益、专注、创新，无时无刻不发挥着“工匠精神”，随着建筑人创新思维的提升，鼓励以技术带动发展，以创新创造效益，深化技术革新，强化创新管理，从根本上改变以往高消耗、低技术、高投入、低产出的传统行业定位。为我国碳达峰、碳中和目标添加“核动力”。随着数字建造的推广，该模式已经成为企业发展与创新的指路明灯，现在能够熟练使用这些创新科技的企业还有限，原因在于大家还未充分认识到技术创新的重要性。一个企业会不会被市场所淘汰，取决于能够愿意接受、学习新技术，融入5G终端互联。在 5G 时代，可以结合物联网、移动互联网、BIM等技术更好的实现万物互联。

2.2工程建设中5G如何应用

数字化转型的实现，首先要进行数据的收集。5G 网络在工地上的建设存在很多方面的挑战，比如：环境的挑战、成本的挑战、系统运行的挑战。实现 5G 网络建设的挑战是不同的，如；工业建筑多建造在大面积空地或相对偏远的区域，无法做到信号的覆盖。还有一些干扰信号装置，大型金属构件的移动，造成信号的波动，成本方面也是在工地进行 5G 组网建设要考虑的重要问题，成本问题不容忽视。此外，工地现场环境复杂，很容易受到人工破坏、损坏设备的情况，以上都为5G建设提出了挑战，5G 网络的安全性要做到可靠、稳定、安全。 初始 BIM 信息的导入，基于云技术、大数据、AI 等能力的自动化网规工具，自动生成网络规划结果。可以借助 BIM 信息做更灵活精准的网络提前规划，可以知道完整的从无到有的建筑结构生成过程，匹配建造过程，提前规划所需要的数字化业务，从而提前构建精准的动态网络演进模型。通过工程优化和网络架构创新，适配不同的场景，对应有不同的接入侧站点。数字建造场景需要 5G 设备低能耗、易安装部署、易维护、环境适应性强和安全可靠，保证整体高效、低成本交付。5G 网络实现自主“可视、可管、可控”，从人工运维走向数字化运维，最终实现智能运维。

2.3 5G与 物联网技术智能感知

建筑业的数字化转型，首先要实现建筑物“数据化”，可以通过物品传感设备，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。与工程项目管理信息系统的集成应用，将物联网技术与施工现场管理深度融合，利用大数据的海量资源精细化和标准化管理，让建筑工地的每一构件像人体一样，统一由“智慧工地（智慧大脑）”支配。真正做到眼观六路，耳听八方。如大体积混凝土板测温、脚手架的支撑力等，一但有异常就会发出警报。

图名：多传感器融合的智能感知关系图

对于施工环境复杂的现场，为防止事故的发生，借助智能感知设备来辅助管理安全、质量，可以得到事半功倍的效果。立体视觉技术可以提供图像中各个点的深度差异，对环境中的物体类型、大小、数量、距离、运动趋势进行精确感知。如：

多座塔吊同时运行时，可以识别吊臂位置计算每个时刻危险区域的范围及运动趋势预测，及时提醒可能会处于危险区域的人员避让。还可以通过扫描仓库中石子体积，精确完成库存盘点，从而帮助预测未来需要进货的时间点和数量。同样，深基坑挖掘土方的体积也可以借助精准的感知获得精确的数据。利用立体视觉配合激光扫描仪等精准三维感知整个工程数据，进行精确的人工智能辅助，进而实现半自动或全自动的施工质量检查，确保工程实施。此外，使用物联网实时立体视觉技术，可以在工地现场跟踪每位工作人员的精确位置和行动轨迹。结合对工地实时危险源的监控，及时提醒工作人员与危险区域保持足够的安全距离。通过超高清视频信号智能感知、现场模型、点云数据等共同形成了立体视觉，更好的避免误识别现象的发生。同时，采集的现场信息还可以进一步形成数字模型，为物理世界与数字世界的数字孪生打下良好的基础。物联网技术在应用过程中实现了对过程数据的实时采集与传送，为后续的数据应用提供了更好保障。在数字化运转体系建立的过程中，超高清视频已不局限于监视、录像、回放等传统功能，开始向字符识别、人脸识别、行为分析、物体识别等智能化方向发展。当设备越来越多，不同的数据分布于不同的设备及软件应用中，各种应用没有统一的数据整合，数据的价值没有得到最大化体现。有了 5G 技术的支撑，海量物联网设备采集的数据就可以实时传送到统一的数据平台，进而更有效的感知工程项目的情况。超高清视频的主要应用在物料管理、机械安全管理、人员管理、防火防盗等场景，目前大部分是利用重点区域的固定视频监控点进行监控，过程中会产生大量的视觉死角，无法满足工地现场安全、质量的管理需要，同时也无法将工地现场的所有情况进行数字化收集与处理。随着超高清视频终端技术的发展，终端设备可以实现可移动、可存储，这样工地上的每一个工作人员都可以加载一台视频采集设备，相互间形成视角互补，通过丰富的空间视角对超高清图像进行分析，实现智能化决策以及对现场真实情况的数字化处理。由于设备的增多、视野的丰富以及清晰度要求的大幅提升，对网络环境提出了更高要求，5G 技术的到来，很好解决了数据实时传输与分析的痛点，让超高清视频信号的实现成为可能。

2.4 5G与BIM模型的结合

通过对工程项目的智能感知，实时采集的数据与 BIM 模型进行衔接，形成场景的关联，最终实现数字化管理。由于建造过程中，现场每时每刻都会发生变化，将这些变化关联到BIM 模型上，做到数字世界与现实世界的信息联动，这需要可靠的网络支持，实现工地现场与 BIM 模型的数字孪生。

图名：BIM建筑信息模型

智能感知实现了对信息采集和记录，再通过 BIM 与实体建筑的信息连接在一起，就可以实现数字模型与实际工程数据的实时交互。建筑业数字化建设需要考虑四个方面，即建筑实体数字化、要素对象数字化、作业过程数字化、管理决策数字化。将多专业建筑实体的模型化，通过 BIM 模型先将整个项目的建造过程进行计算机模拟、优化，再进行工程项目的建设，减少后期返工问题。同时数字化建设也要遵循PDCA（计划、执行、检查、处理）形成效率闭环。对工程质量、进度、成本、安全、环保等建造过程数字化，将传统管理过程通过数字化的手段进行提升，形成以 BIM 模型为数据载体，实现对传统作业方式的替代与提升。通过数据的共享提升项目各参与方之间的效率。有了 5G 技术的支撑，工程项目海量数据将得到更大程度的发挥与利用，在此过程中，其价值主要集中在生产全过程的数字化管理以及生产工艺工法的标准化管理。基于 BIM 技术建立与实际项目实时交互的数字模型，保证数字模型能够实时精准的反映工地现场情况，就可以真正实现对生产过程的管理。如：某个施工作业面需要增加作业人员，数字模型就会自动对各层管理者发出预警，帮助决策者调配劳动力补充，并推送给相关管理者，同时，在生产全过程中，每个阶段的数据都能被准确地记录下来，这也为后续过程数据的应用打下了基础。5G 网络环境的保障以及以 BIM 为载体，云计算、物联网、移动互联网、大数据、人工智能、区块链等数字化技术的支撑，生产全过程的数字化管理场景很快就会成为可能。建筑业属于工艺集型产业，如何借助标准化的手段指导施工过程成为管理的关键，标准化的管理方式在整个行业中普及的不是十分理想，借助数字孪生，可以很好地解决工艺工法标准化的落地问题，可以将带有实时数据的 BIM 模型与现场场景交互，工人只需按照演示方式进行操作即可。当然，每一个工程都存在一定的特殊性。通过演示的方式进行工艺工法的指导，以及工地现场多人共享网络都对网络环境的低延时、高带宽、可靠性提出了更高的要求，5G 技术可以更快的实现这样的理想场景。智能感知和数字孪生的实现，为工程项目的协同带来了更多的可能性，通过对视觉的共享和对 BIM 模型相关数据的共享，可以更好地实现工地现场人员的协同、人员与机械设备的协同、机械设备间的协同工作，各参与方之间的协同。各参建方之间的数据协同，可以让业主方、设计方、总包单位以及分包单位形成基于统一数据平台的协作，避免了在沟通过程中信息不一致和信息不对称情况的发生，真正促进各方之间建立利益共同体，实现收益的共赢。

图名：借助5G实现多方协同

2.5 5G与智能设备协同工作

项目的作业过程中涉及到很多协同的场景，其中主要以人人协同、人机协同和机械间的协同为主，人人协同，人人协同是通过智能辅助，避免一个人的视角和精力无法兼顾整个项目而导致的安全隐患，既能预防隐患，还能及时采取行动。人机协同，节省人力，避免工地上常出现的凭经验判断合规性和安全性的操作。人机协同，目前，在建筑行业要求的精度越来越高，实现多人感知互通的精准操作。比如在安装配件时，多人视野共享，每人配备 AR/VR 摄像头设备，不同人员提供不同的视角，每人能够互通视野，各类运输工作都可由机器人来独自完成。机器人的动作一般比较固定、重复性较高，提前设定好每个机器人不同的运输路径就能保证工作的有效执行。但移动的路径可能有许多, 而且机器人在行进过程中会遇到障碍物，或是可能有人员走动等情况发生。这种多变的环境对机器人提出了更高的要求，通过 5G 网络进行海量数据的计算，并能够实时进行预警，停止机器人可能会出现的比如相互碰撞、物料摆放错误等非常规性的危险动作。

3、 5G与智慧监控技术

3.1 借助于智慧监控技术，可以对现场识别、预警，通过AI 识别靠近危险区域的人员是否有靠近行为，通过声光传感实时发出预警，提示人员进入危险区域，特别是深基坑、洞口、等特定区域。明火预防也是现场管理中非常重要的环节，特别是很多施工作业区域无法安装防烟感报警。

3.2借助智慧监控技术，可对监控区域内画面的火焰以及工人违规吸烟进行识别与报警，同时将报警信息快照和报警视频存档。 另外，明火预防也是现场管理中非常重要的环节。通过此项技术能及时发现现场灾情隐患，尤其是项目现场电路电线、生活区私搭乱建等重点隐患问题。一经发现，异常情况通知到相关人员后可立即采取相应措施，做到未雨绸缪，防范于未然。

3.3借助于智慧监控技术，可实时检查建筑工地的安全防范措施是否到位，包括建筑物的安全网设置、施工人员作业面的临边防护、施工人员安全帽的佩带、外脚手架及落地竹脚手架的架设、缆风绳固定及使用、吊篮安装及使用、吊盘进料口和楼层卸料平台防护、塔吊和卷扬机安装及操作等。对于发现的施工过程中安全防范措施不到位的地方，可以第一时间通知施工单位现场整改，并及时检查整改效果，真正做到全过程管理。

3.4 借助于智慧监控技术，识别一些施工机械运行情况如果发生了异常，比如塔吊防碰撞监测、吊篮超载监测、卸料平台超载监测、施工电梯运行监测等等。群塔作业施工时，群塔之间存在起重臂与起重臂、起重臂与钢丝绳、起重臂与平衡臂、起重臂与塔身等多种碰撞安全隐患。现在的塔吊一般加装有风力、风速、力矩、行程等传感器，配合塔机辅助驾驶仪，预测塔机到达控制点的时间，实现高速运行时提前控制、低速运行时延迟控制的作业目标。当塔吊运行过程中可能出现碰撞危险时，系统将根据设定的角度、距离，向司机发出断续的声光预警。当塔机达到碰撞设置极限值时，向司机发出持续的声光报警，系统将自动限制塔机回转控制，允许塔机向安全方向控制的动作，不允许向危险方向运转。塔吊黑匣子目前使用 GPRS 或 3G 技术，在使用 5G 网络后，由于传输延时极低，可以高效实时地传送至云端，解决云端数据同步慢。在 5G 技术的帮助下，数据传输实时性和可靠性的提高，将使得远程控制塔吊作业成为可能。

4.智慧工地专项施工方案的验算

目前我国在建工程除大部分混凝土采用泵送外，其余需要垂直运输，因工期紧，需增加塔式起重机，提高垂直运输能力和吊次，因此塔机安全系数显得十分重要，塔吊的各项参数计算要求精益求精，通过5G网络进行计算，可大大减少手算的失误。

4.1基础承载力计算，基础承载力大于200KN/m2，埋入深度大于1.2米，基础上的四根锚柱倾斜度和平整度误差小于1/500（基础顶面水平度小于1/500）。

4.2 塔基计算（采用 4.8×4.8×1.25的C30砼基础），塔吊自重（含附着、平衡重） （28.8+9.6）×10=384KN，承台自重4.8×4.8×1.25×25=720KN，活载（吊重，施工中规定起吊活载不超过20KN） 20KN。塔吊起重力矩：M=600KN·M，为保证塔吊稳定，根据整体混凝土基础抗倾覆要求偏心距（不考虑水平力V）：

e=（M+V×h）/（V+G）=600/（384+720+20）

=0.53m＜L/3 =1.6M（满足要求）

基础对地最大压力：

S地=2（V+G）/（3L×G）

=2×（384+720+20）/［（3×4.8×（2.5-0.49）］

=77.67KN/m2＜[S地]=200KN/m2 （满足）

4.3 支座力计算

塔机按照说明书与建筑物附着时，最上面一道附着装置的负荷最大，因此以此道附着杆的负荷作为设计或校核附着杆截面的依据。附着式塔机的塔身可以视为一个带悬臂的刚性支撑连续梁，其内力及支座反力计算如下:风荷载取值

q=0.10kN/m，塔吊的最大倾覆力矩M=600kN.m，

计算结果:   Nw=68.394kN，附着杆内力计算，

计算单元的平衡方程为:

∑Fx=0

T1cosa1+T2cosa2-T3cosa3=-Nwcosθ

∑Fy=0

T1sina1+T2sina2+T3sina3=-Nwsinθ

∑M0=0

T1[（b1+c/2）cosa1-（a1+c/2）sina1]+T2[（b1+c/2）cosa2-（a1+c/2）sina2]+T3[-（b1+c/2）cosa3-（a2-a1-c/2）sina3]=Mw

其中：a1=arctg[b1a1]  a2=arctg[b1/（a1+c）]  a3=arctg[b1/（a2-a1+c）]

塔机满载工作，风向垂直于起重臂，考虑塔身在最上层截面的回转惯性力产生的扭矩和风荷载扭矩。将上面的方程组求解，其中从0-360循环，分别取正负两种情况，分别求得各附着最大的轴压力和轴拉力：杆1的最大轴向压力为：91.96 kN，杆2的最大轴向压力为：0 kN，杆3的最大轴向压力为：60.54 kN，杆1的最大轴向拉力为：44.82 kN，

杆2的最大轴向拉力为：24.85 kN，杆3的最大轴向拉力为：76.25 kN。

塔机非工作状态，风向顺着起重臂，不考虑扭矩的影响。将上面的方程组求解，其中=45,135,225,315， Mw=0，分别求得各附着最大的轴压力和轴拉力。杆1的最大轴向压力为：68.29 kN，杆2的最大轴向压力为：0 kN，杆3的最大轴向压力为：52.45 kN，

杆1的最大轴向拉力为：43.90 kN，杆2的最大轴向拉力为：0.00 kN，杆3的最大轴向拉力为：62.75 kN。

4.4 附着杆强度验算，杆件轴心受拉强度验算，验算公式:=N/An≤f，其中  N──为杆件的最大轴向拉力,取N=76.25kN；──为杆件的受拉应力；An──为杆件的的截面面积，本工程选取的是14号工字钢,查表可知 An=2150mm2；经计算，杆件的最大受拉应力=76.25×1000/2150=35.47N/mm2。最大拉应力不大于拉杆的允许拉应力216N/mm2,满足要求!

4.5 杆件轴心受压强度验算，验算公式: =N/An≤f，其中──为杆件的受压应力；N──为杆件的轴向压力,杆1:取N=91.96kN；杆2:取N=0.00kN；杆3:取N=60.54kN；An──为杆件的的截面面积，本工程选取的是14号工字钢,查表可知 An=2150mm2；──为杆件的受压稳定系数,是根据查表计算得,杆1:取 =0.732,杆2:取=0.459 ,杆3:取 =0.732；──杆件长细比,杆1:取 =73.657,杆2:取=116.462,杆3:取=73.657。经计算，杆件的最大受压应力=58.43N/mm2。最大压应力不大于拉杆的允许压应力216N/mm2,满足要求!

4.6 附着支座连接的计算，多采用与预埋件螺栓连接，预埋螺栓必须用Q235钢制作，附着的建筑物构件混凝土强度等级不应低于C30，预埋螺栓的直径大于24mm，预埋螺栓的埋入长度和数量满足下面要求：其中n为预埋螺栓数量，d为预埋螺栓直径，l为预埋螺栓埋入长度，f为预埋螺栓与混凝土粘接强度（C20为1.5N/mm^2，C30为3.0N/mm^2），N为附着杆的轴向力。通过借助5G网络反复验算，同比减少工作时间45%以上。

5.总结：在 5G、云计算等技术全面应用的助推下，建筑业将全面提高数字化水平，着力增强 BIM、CIM、大数据、智能化、移动互联、云计算、物联网等信息技术集成，建筑业数字化、网络化、智能化将取得突破性进展，更好实现成熟的一体化行业监管服务平台，建筑产业的数字化发展将取得瞩目的成绩。真正实现建筑业的数字化转型升级，使海量的工程项目数据实时共享，让智

慧建造、数字建造助力每一个建筑业角落。

参考文献：

1、杨栋斌 BIM技术在装配式建筑中的应用{J}中外交流，2017.（38）

2、刘宁等现代信息技术在装配式建筑质量问题中的应用{J}沈阳建筑大学学报 2017,05

3、朱贺 智慧工地应用探索-智能化建造、智慧型管理{J}中国建筑信息化 2017,09

作者简介：

蔡坤（1987-）男，工程师职称，注册一级造价师、二级建造师，本科学历，研究方向：工程管理、工程造价、BIM等；

张百龙（1988-）男，工程师职称，注册一级建造师、二级建造师，本科学历，研究方向：施工技术、装配式建筑等；

于洋（1988-）女，工程师职称，注册二级建造师，本科学历，研究方向：工程造价，BIM;