迎接智能建造帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)*

馬智亮

(清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

0 引言

智能建造意味著在設(shè)計(jì)、制造、施工在內(nèi)的工程建設(shè)各階段，充分利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)，及建筑信息模型(BIM)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、自動(dòng)化和機(jī)器人等新興應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)智能化系統(tǒng)，提高建造過(guò)程的智能化水平。2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13個(gè)部委聯(lián)合下發(fā)“關(guān)于推進(jìn)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)”，由此智能建造在建筑行業(yè)引起廣泛關(guān)注。

改革開放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)工程建設(shè)突飛猛進(jìn)，建筑行業(yè)相應(yīng)發(fā)展。迄今為止，我國(guó)已經(jīng)建造很多世界級(jí)的高樓、鐵路、橋梁、隧洞，被譽(yù)為基建狂魔。但相比發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)人均基礎(chǔ)設(shè)施擁有量仍有很大發(fā)展空間。因此，為滿足人民群眾對(duì)美好生活的追求，仍有很多工程建設(shè)工作需要去做，建筑行業(yè)仍大有可為；另外建筑行業(yè)經(jīng)歷多年的粗放式發(fā)展后，必然需要轉(zhuǎn)型升級(jí)。在此背景下，智能建造的提出恰逢其時(shí)，必將給我國(guó)建筑行業(yè)下一步的發(fā)展帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。

1 智能建造帶來(lái)的機(jī)遇

建筑行業(yè)在發(fā)展過(guò)程中，逐步引入新技術(shù)，不斷提高生產(chǎn)力水平。過(guò)去40年，建筑行業(yè)引入最重要的新技術(shù)包括CAD技術(shù)和信息化管理技術(shù)，極大地推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。智能建造是工程建設(shè)中系統(tǒng)應(yīng)用新一代信息技術(shù)和新興應(yīng)用技術(shù)的建造模式，可以說(shuō)，智能建造給建筑行業(yè)帶來(lái)新機(jī)遇。

1.1 帶來(lái)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)

智能建造可提高建筑行業(yè)生產(chǎn)力水平。歷史上，機(jī)械生產(chǎn)代替手工勞動(dòng)，依靠電子系統(tǒng)和信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，每次科技進(jìn)步都帶來(lái)生產(chǎn)力的巨大提升。智能建造作為新型建造模式，應(yīng)起同樣作用，促進(jìn)建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。從管理上看，智能化管理系統(tǒng)可提高管理水平，真正實(shí)現(xiàn)管理效益。整個(gè)行業(yè)強(qiáng)調(diào)企業(yè)的信息化管理，提升管理水平。通過(guò)智能化管理系統(tǒng)，使企業(yè)管理再上一個(gè)臺(tái)階。以施工項(xiàng)目計(jì)劃管理為例，目前需要人工排程、確定計(jì)劃，這樣確定的計(jì)劃優(yōu)化程度取決于排程人員的經(jīng)驗(yàn)，而如果采用智能化計(jì)劃管理功能，則只需排程人員輸入有關(guān)基礎(chǔ)信息，不管排程人員是否有經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)均會(huì)自動(dòng)生成優(yōu)化的計(jì)劃。另外，從制造階段或施工階段看，通過(guò)使用智能化裝備或設(shè)備，可大大提高工作效率，提高工作質(zhì)量，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。如在超高層建筑施工過(guò)程中使用造樓機(jī)，工期至少可縮短20%，施工質(zhì)量和安全更有保障。

1.2 可解決建筑行業(yè)面臨的急迫問(wèn)題

建筑行業(yè)具有工作環(huán)境差、較危險(xiǎn)的特點(diǎn)，對(duì)年輕人就業(yè)沒(méi)有吸引力。據(jù)調(diào)查，目前勞務(wù)人員年齡超過(guò)40歲的占60%以上，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的改善，越來(lái)越少的年輕一代愿意參與施工，因此出現(xiàn)用工荒問(wèn)題，隨著時(shí)間的推移，該問(wèn)題將更加嚴(yán)重。智能建造通過(guò)智能化系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)完全取代人或少人化，且可改善操作環(huán)境、降低危險(xiǎn)度。

另外，據(jù)有關(guān)資料顯示，因施工中錯(cuò)誤信息傳遞導(dǎo)致返工，使建筑工程中存在30%的浪費(fèi)。智能建造通過(guò)BIM等手段，可防止錯(cuò)誤的信息傳遞，或通過(guò)信息共享減少甚至去除信息傳遞，從而避免返工，大幅度減少浪費(fèi)，為企業(yè)帶來(lái)效益。

2 智能建造帶來(lái)的挑戰(zhàn)

智能建造雖然美好，但不可能一蹴而就。從智能建造理念的提出，到完全實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，智能建造需運(yùn)用一系列智能化系統(tǒng)來(lái)實(shí)施，而智能化系統(tǒng)需要人們利用新一代信息技術(shù)和新興應(yīng)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前已出現(xiàn)部分智能化建造系統(tǒng)，如基于BIM的設(shè)計(jì)系統(tǒng)、造樓機(jī)、焊接機(jī)器人、3D打印機(jī)、砌墻機(jī)器人等，通過(guò)利用這些系統(tǒng)，可幫助用戶實(shí)現(xiàn)建造過(guò)程中局部的智能化，但要實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的智能化，仍存在一些主要挑戰(zhàn)。

2.1 需不斷完善智能化系統(tǒng)

智能化系統(tǒng)剛誕生時(shí)需不斷改進(jìn)才能走向成功。以施工現(xiàn)場(chǎng)使用的焊接機(jī)器人為例，某機(jī)械化施工企業(yè)從開發(fā)出產(chǎn)品原型到完善使用，經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)8年的過(guò)程。當(dāng)然，若系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，花費(fèi)的時(shí)間也會(huì)短些。

2.2 需集成應(yīng)用新技術(shù)開發(fā)智能化系統(tǒng)

建筑工程最顯著的特性是建造場(chǎng)地的流動(dòng)性、產(chǎn)品的單件性和多樣性。因此，需開發(fā)和利用多種多樣的系統(tǒng)。目前已存在的智能化系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足智能建造的需求。同時(shí)，在智能化系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，需充分集成應(yīng)用新技術(shù)。因?yàn)槿缛祟惞ぷ?，需綜合運(yùn)用感知、記憶、計(jì)算、分析等能力，智能化系統(tǒng)同樣需要具有這些能力才能替代人類，而每種能力對(duì)應(yīng)到信息技術(shù)中，都有不同的技術(shù)與之對(duì)應(yīng)。如對(duì)應(yīng)于記憶能力可以有BIM技術(shù)、GIS技術(shù)，對(duì)應(yīng)于分析能力可以有大數(shù)據(jù)技術(shù)等。所以，智能化系統(tǒng)意味著多項(xiàng)信息技術(shù)的綜合應(yīng)用，不僅帶來(lái)技術(shù)開發(fā)的難度，也會(huì)增加智能化系統(tǒng)的復(fù)雜度。

2.3 需大量、有效的資源投入

實(shí)施智能建造首先要購(gòu)入或開發(fā)各種智能化系統(tǒng)，但若僅購(gòu)入智能化系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，即使能夠形成企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，也很難持久，因?yàn)槠渌髽I(yè)得知后會(huì)很快購(gòu)入，并迅速獲得該競(jìng)爭(zhēng)力。為此，有條件的企業(yè)可自行開發(fā)，或與有關(guān)廠商聯(lián)合開發(fā)，從而打造企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。但無(wú)論購(gòu)入還是開發(fā)，都需企業(yè)投入資源。另外，企業(yè)為用好智能化系統(tǒng)，還需進(jìn)行人員培訓(xùn)、應(yīng)用示范；為加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，還需建立相關(guān)組織機(jī)構(gòu)，這些工作同樣需要投入資源。

3 企業(yè)如何發(fā)展智能建造

建筑企業(yè)應(yīng)主動(dòng)迎接智能建造帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，發(fā)展智能建造。但同其他事物一樣，發(fā)展智能建造的前途是光明的，道路是曲折的。企業(yè)發(fā)展智能建造需把握全局、科學(xué)布局、有序推進(jìn)。

1)把握全局 即深刻理解智能建造的發(fā)展歷程、與信息化及BIM等應(yīng)用的關(guān)系、包含的關(guān)鍵技術(shù)等；應(yīng)結(jié)合企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)需求，理解相關(guān)智能化系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，企業(yè)對(duì)實(shí)施智能建造的要求；應(yīng)理解智能化系統(tǒng)開發(fā)的原理、步驟和方法等。

2)科學(xué)布局 即科學(xué)地確定企業(yè)的智能建造發(fā)展目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)路徑。在把握全局的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)需求，制定企業(yè)智能建造發(fā)展目標(biāo)，并按整體規(guī)劃、分步實(shí)施的思路，確定智能建造的實(shí)現(xiàn)路徑。在進(jìn)行科學(xué)布局時(shí)，應(yīng)抓住行業(yè)智能建造的熱點(diǎn)。智能建造熱點(diǎn)即智能建造已取得一定成果的應(yīng)用點(diǎn)。按照建造階段，可將智能建造分為智能設(shè)計(jì)、智能制造和智能施工3個(gè)方面。目前，在各方面已實(shí)現(xiàn)部分智能建造應(yīng)用，稱為熱點(diǎn)。在智能設(shè)計(jì)方面，已有參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于BIM的設(shè)計(jì)等熱點(diǎn)；在智能制造方面，已有基于BIM的部品深化設(shè)計(jì)、智能化部品生產(chǎn)管理、智能化部品存儲(chǔ)與運(yùn)輸管理、智能化生產(chǎn)工廠等熱點(diǎn)；在智能施工方面，已有智慧工地(含BIM5D管理、基于BIM的協(xié)同管理、塔式起重機(jī)防碰撞等)、裝配式混凝土建筑智能化施工、裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑智能化施工、建筑機(jī)器人、造樓機(jī)等熱點(diǎn)。這些熱點(diǎn)意味著已存在相應(yīng)的智能化系統(tǒng)，并開始被應(yīng)用；同時(shí)也意味著這些系統(tǒng)的應(yīng)用在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面大體是可行的。應(yīng)首先理解這些系統(tǒng)，并在資源投入允許的前提下，按需引入這些系統(tǒng)，進(jìn)行示范應(yīng)用，摸索并總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然，企業(yè)也應(yīng)敢于創(chuàng)新，在熱點(diǎn)之外開辟新應(yīng)用點(diǎn)。

3)有序推進(jìn) 即部署相應(yīng)資源，扎實(shí)地加以推進(jìn)。如上所述，智能建造涉及多項(xiàng)技術(shù)，而這些技術(shù)往往由不同專業(yè)的人才所掌握，除建筑業(yè)自有的建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電等專業(yè)外，還包括計(jì)算機(jī)、電子工程、自動(dòng)化、機(jī)械工程、軟件工程等。當(dāng)然，建筑企業(yè)若同時(shí)擁有這些方面的人才更好，若不能擁有，也可采取與專業(yè)公司合作的方法。如某鋼結(jié)構(gòu)公司，投入近2億元，花費(fèi)3年多時(shí)間開發(fā)鋼結(jié)構(gòu)智能制造系統(tǒng)，采用的就是該方法。該公司擁有結(jié)構(gòu)工程、機(jī)械工程等人才，學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需要，系統(tǒng)提出智能化需求，然后與外部軟件公司合作，成功開發(fā)出該系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)1年多的打磨，成功實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，取得很好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

智能建造是我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展方向，具有可以期待的美好前景。為發(fā)展智能建造，需有長(zhǎng)期作戰(zhàn)的思想準(zhǔn)備，需全面把握智能建造，系統(tǒng)、分步驟地發(fā)展智能建造，保證投入，確保所需人才，關(guān)注智能建造熱點(diǎn)，按需應(yīng)用并開發(fā)智能化系統(tǒng)，摸索并總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，不斷提高智能建造水平。

致謝：本文工作得到如下基金資助：國(guó)家自然科學(xué)基金(51678345)，清華大學(xué)(土水學(xué)院)-廣聯(lián)達(dá)BIM聯(lián)合研究中心基金。