工程建設(shè)領(lǐng)域要向智慧建造邁進(jìn)

錢七虎中國工程院院士

目前全球正面臨氣候變暖導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境惡化等多重挑戰(zhàn)，應(yīng)對之策是要推進(jìn)綠色發(fā)展和綠色建造。而在工程建設(shè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)綠色建造的必然選擇和最佳途徑是智慧建造。信息技術(shù)要繼續(xù)深入地應(yīng)用到建設(shè)工程中去，全面推廣數(shù)字工程和智慧工程，未來還要向少人化、無人化的方向發(fā)展。

工程建設(shè)應(yīng)向“綠色建造”轉(zhuǎn)型

我在上世紀(jì)90 年代提出開發(fā)利用地下空間，可能對當(dāng)時(shí)人均GDP 剛超過1000 美元的中國來說，是略為超前，但在全世界范圍內(nèi)就不是了。作為一名學(xué)者，我參加了一些國際會議，也接觸到科學(xué)的前沿。當(dāng)時(shí)我看了三本討論全球生態(tài)環(huán)境的著作：《寂靜的春天》《增長的極限》和《只有一個(gè)地球》?！都澎o的春天》里講述了由于大規(guī)模采用DDT 等劇毒殺蟲劑，造成了“沒有鳥兒歌唱的樹林”“死亡的河流”的典型案例，說明“向大自然宣戰(zhàn)”“征服大自然”的不科學(xué)，而應(yīng)與之和諧相處?！对鲩L的極限》講的是19 世紀(jì)到20 世紀(jì)全球生產(chǎn)力的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展取得了巨大成就，但也帶來了嚴(yán)重的生態(tài)破壞、環(huán)境污染、“城市病”等問題。經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展要有能夠適應(yīng)資源和環(huán)境的客觀限制，人類不能一味追求增長，不應(yīng)該去想著戰(zhàn)勝自然，要適應(yīng)自然，與自然和諧相處。

1992 年，為了履行聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會通過的《21 世紀(jì)議程》，中國承諾將可持續(xù)發(fā)展納入國家戰(zhàn)略，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的城市和社會。雖然當(dāng)時(shí)中國因?yàn)槌鞘谢胶徒?jīng)濟(jì)發(fā)展程度相對其他國家滯后，但是發(fā)達(dá)國家面臨的那些問題在中國也將很快顯露出來。當(dāng)時(shí)我們向中國工程院提出了咨詢課題《21 世紀(jì)中國地下空間開發(fā)利用的戰(zhàn)略和對策》。充分利用地下空間，特別是大力發(fā)展以地鐵為骨架的軌道交通系統(tǒng)和集約可持續(xù)的城市基礎(chǔ)設(shè)施，從而節(jié)省土地資源，提高土地利用效率，釋放出大批地上空間用作綠色植被和生態(tài)空間，建設(shè)可持續(xù)城市。可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)長久的問題，現(xiàn)在進(jìn)一步發(fā)展到綠色發(fā)展。

在當(dāng)下的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展背景下，可持續(xù)發(fā)展、綠色發(fā)展已經(jīng)成為我們?nèi)鐣▏翌I(lǐng)導(dǎo)人、科學(xué)家和大眾的普遍共識。在上個(gè)世紀(jì)，很多人還沒有意識到氣候變化、碳排放等可能引發(fā)的全球?yàn)?zāi)難?，F(xiàn)在我們能夠切身感受到了，比如，全球氣溫上升，洪水、風(fēng)暴潮、臺風(fēng)、颶風(fēng)等自然災(zāi)害增加。為了適應(yīng)綠色發(fā)展的要求，工程建設(shè)應(yīng)該向“綠色建造”轉(zhuǎn)型。

目前，全球建筑運(yùn)營能耗已占到總能耗的30%以上，加上建設(shè)過程中的能耗，這一指標(biāo)接近50%。我國傳統(tǒng)的粗放建造資源消耗量大、浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。許多老舊工程拆除數(shù)量規(guī)模巨大，許多遠(yuǎn)未達(dá)到使用壽命期限的道路、橋梁、大樓被提前拆除，城市建筑垃圾和建筑物貢獻(xiàn)的溫室氣體，與建筑有關(guān)的空氣污染、光污染等，都在呼吁“綠色建造”。

如何向“綠色建造”方向發(fā)展

首先是理念上的推動(dòng)，大家要認(rèn)識到綠色建造的重要性，它與人類命運(yùn)共同體、與未來可能的全球?yàn)?zāi)難是什么樣的關(guān)系，要重視并自覺地在實(shí)踐中貫徹執(zhí)行綠色發(fā)展的理念。其次是政策驅(qū)動(dòng)，比如政府部門對單位和家庭不同等量的用水、用電采取不同的收費(fèi)價(jià)格，鼓勵(lì)大家節(jié)能；也可以通過標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)，例如制定綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)等對建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行準(zhǔn)入，使得高耗能項(xiàng)目退出。當(dāng)然最重要的，還是要依靠科技的發(fā)展，發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 技術(shù)等，有了這些科技基礎(chǔ)，建設(shè)才會更加高效節(jié)能、低碳排放，甚至零排放。這些技術(shù)應(yīng)用到工程建設(shè)中，其實(shí)就是這次要談到的另一個(gè)主題——智慧建造。智慧建造是實(shí)現(xiàn)綠色建造的必然選擇和最佳途徑。

“智慧建造”在工程建設(shè)中的體現(xiàn)

首先是全面的透徹感知系統(tǒng)。拿我熟悉的地下工程、隧道工程來講，地下工程是高風(fēng)險(xiǎn)的工程，因?yàn)榈叵麓嬖诤芏嗖淮_定性，比如地下有沒有水、水量多大，地下巖體是破碎的還是堅(jiān)固的，破碎的巖體有沒有可能導(dǎo)致塌方等。這些情況，人都是看不到感受不到的，要通過設(shè)備、傳感器、信息化的設(shè)備去全面感知，摸清情況。第二是通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的全面互聯(lián)實(shí)現(xiàn)感知信息（數(shù)據(jù)）的高速和實(shí)時(shí)傳輸。只能感知還不行，獲取的信息一定要快速傳輸出去，如果當(dāng)下獲得的信息要過幾天才能看到，只能進(jìn)行事后分析，工程建設(shè)就不能實(shí)時(shí)地反饋和服務(wù)。有了互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 技術(shù)后，信息傳輸非?？?。另一個(gè)是智慧平臺的打造，技術(shù)人員要通過這個(gè)平臺對反饋來的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、處理、模擬，得出決策，從而及時(shí)發(fā)布安全預(yù)警和處理對策預(yù)案，這是非常有必要的。有了這些技術(shù)，工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)更低，施工人員更安全，同時(shí)也能最大限度地節(jié)省材料和減少環(huán)境破壞。

未來要向無人化、少人化發(fā)展

我國工程領(lǐng)域的科技創(chuàng)新經(jīng)歷了從低到高，從局部到全面的發(fā)展歷程。改革開放以來，工程建設(shè)經(jīng)歷了機(jī)械化和信息化的發(fā)展，比如地下工程原來都是采取鉆爆法、人工打眼、人工放炮，后來可以大量應(yīng)用機(jī)械臺鉆，多鉆臺車施工，現(xiàn)在可以采取數(shù)字化掘進(jìn)。再如地鐵隧道施工目前大都采用盾構(gòu)法，使用全斷面的TBM 掘進(jìn)機(jī)施工。我們已經(jīng)成功研發(fā)生產(chǎn)了直徑15 米的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，正在設(shè)計(jì)直徑18.2 米的，這是機(jī)械化的巨大進(jìn)步。信息化的發(fā)展體現(xiàn)在地下工程的地質(zhì)探測工作中。建地下工程，需要把地下的情況了解得很清楚，地下有沒有水，石頭有沒有節(jié)理、裂隙，有沒有斷層，如何防止地下安全事故發(fā)生，這都是靠信息化設(shè)備來提升安全性能的。

今后，工程領(lǐng)域的進(jìn)步要通過數(shù)字化向智慧方向邁進(jìn)，比如數(shù)字工程的BIM 技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用。原來我們做設(shè)計(jì)是用圖紙的，但圖紙和工程實(shí)體是分離的，比如不同圖紙上畫出來的線可能都是交叉的、矛盾的，到建設(shè)中就會出現(xiàn)很多問題。進(jìn)入BIM 時(shí)代后，技術(shù)人員可以在計(jì)算機(jī)里建立立體的可視化工程模型。另外怎么樣安裝、怎么樣開挖效率最高，通過這個(gè)模型都可以模擬得到結(jié)論。當(dāng)前科技創(chuàng)新最主要的標(biāo)志，就是信息技術(shù)繼續(xù)深入地應(yīng)用到建設(shè)工程中去，也就是全面地推廣數(shù)字工程和智慧工程。