探索建筑智能制造在裝配式建筑中的應(yīng)用

陳豐華（上海?？ńㄖこ炭萍及l(fā)展有限公司，上海 200000）

隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，建筑技術(shù)也得到了蓬日新月異的發(fā)展。國(guó)家“十四五”發(fā)展規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中明確指出：建設(shè)智能制造示范工廠(chǎng)，完善智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)制造業(yè)優(yōu)化升級(jí)，深入實(shí)施智能制造和綠色制造工程。《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（建市〔2020〕60 號(hào)）中提出“大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級(jí)為動(dòng)力，創(chuàng)新突破相關(guān)核心技術(shù)，加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用，形成涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)營(yíng)等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系，提升工程質(zhì)量安全、效益和品質(zhì)”。

由于受科技與經(jīng)濟(jì)水平的制約，目前建筑智能制造水平無(wú)法滿(mǎn)足裝配式產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展需求，基本停留在將施工現(xiàn)場(chǎng)的工作搬到工廠(chǎng)里完成的局面，根本達(dá)不到智能化、工業(yè)化、規(guī)?；乃?。因此，迫切需要通過(guò)數(shù)字化、智能化的方式促進(jìn)裝配式產(chǎn)業(yè)整體升級(jí)，使得智能化技術(shù)能夠涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工等多個(gè)階段，創(chuàng)新突破智能制造相關(guān)的核心技術(shù)，使得智能化技術(shù)能夠在裝配式產(chǎn)業(yè)化的各個(gè)環(huán)節(jié)都得到更好的使用，最大程度地提升工程的質(zhì)量安全、效益和品質(zhì)。由此推動(dòng)建立以標(biāo)準(zhǔn)部品為基礎(chǔ)的專(zhuān)業(yè)化、規(guī)?；?、信息化生產(chǎn)體系，全面突破新的國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

1 發(fā)展背景與行業(yè)機(jī)遇

1.1 時(shí)代背景

傳統(tǒng)的建設(shè)施工過(guò)程中主要依靠農(nóng)民工。由于存在大量的廉價(jià)勞動(dòng)力，使得行業(yè)對(duì)其產(chǎn)生依賴(lài)，最終導(dǎo)致建設(shè)施工無(wú)法得到更好的發(fā)展[1]。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們不再愿進(jìn)行此類(lèi)工作，而且傳統(tǒng)施工人員的要求和福利待遇也在逐漸增加，最終導(dǎo)致用人的成本在逐漸提升[2]。

傳統(tǒng)建筑業(yè)存在工程質(zhì)量差、材料浪費(fèi)嚴(yán)重、能源消耗高、施工效率低、工人老齡化、人員技術(shù)水平低、用工成本高等一系列問(wèn)題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人們生活水平的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)建筑的粗獷式建造和管理方式已不能適應(yīng)時(shí)代需求。國(guó)家提出大力發(fā)展以裝配式建筑為代表的建筑工業(yè)化，推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展，促進(jìn)傳統(tǒng)粗放的建造方式向新型工業(yè)化建造方式轉(zhuǎn)變，加快建筑工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，使整個(gè)建筑業(yè)完成跨越式發(fā)展，整體提升行業(yè)建造水平和建筑工程品質(zhì)[3]。

1.2 行業(yè)機(jī)遇

我國(guó)明確提出，力爭(zhēng)用 10 a 左右的時(shí)間，達(dá)到裝配式建筑面積占新建建筑面積的 30% 的目標(biāo)。近期，住建部等部門(mén)聯(lián)合推出了《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見(jiàn)》等文件。其目的在于推動(dòng)建立以標(biāo)準(zhǔn)部品為基礎(chǔ)的專(zhuān)業(yè)化、規(guī)?；?、信息化的生產(chǎn)體系[4]。

當(dāng)前，智能建造快速發(fā)展，在實(shí)際的發(fā)展和生產(chǎn)過(guò)程中可以充分使用 BIM、互聯(lián)網(wǎng) +、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能和云計(jì)算等綜合信息技術(shù)。在具體的使用過(guò)程中可通過(guò)人機(jī)交換、感知、決策、執(zhí)行和反饋等工作使效率得到全面提高，做到最大程度地完成對(duì)人力的解放。整個(gè)工程的實(shí)際施工需要完成片面的轉(zhuǎn)換，更多的是讓其從體力勞動(dòng)轉(zhuǎn)變成腦力勞動(dòng)，這些都能夠有效提高工程建造的效率。對(duì)科學(xué)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，亦能提升創(chuàng)造力和科學(xué)決策能力，也讓建筑行業(yè)向著更多的方向進(jìn)行發(fā)展，使其真正成為我國(guó)建造施工的基礎(chǔ)所在。同時(shí)，也保證了相關(guān)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。對(duì)于我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)模式而言，建筑行業(yè)成為主要的經(jīng)濟(jì)支柱之一，全面地將有關(guān)技術(shù)與其進(jìn)行更好的融合，能夠綜合符合實(shí)際的發(fā)展需求，保證經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展[5]。

針對(duì)當(dāng)前裝配式建筑和智能化發(fā)展而言，在實(shí)際的發(fā)展過(guò)程中可讓其更好地保證施工效益全面提升。在建筑裝配式工業(yè)化的發(fā)展中，裝配式技術(shù)能夠有效地提高建筑施工的整體效率，并加快施工進(jìn)程，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)各種建設(shè)施工效果而言，在具體的發(fā)展過(guò)程中使用裝配式等技術(shù)能夠有效節(jié)約人力資源，更好地提升實(shí)際建設(shè)施工效果，同時(shí)也能夠解決當(dāng)前存在的各種安全問(wèn)題，保證施工過(guò)程中的安全，可以從多重角度入手來(lái)完成經(jīng)濟(jì)效益的全面提高。最后，裝配式和智能化技術(shù)能夠完成對(duì)各種管理體系的建設(shè)和對(duì)建筑施工的管理。這些都能夠?qū)ㄔO(shè)施工進(jìn)行有效的管理，確保完成既定的計(jì)劃，利于對(duì)施工成本的管理和對(duì)工業(yè)化經(jīng)濟(jì)效益的控制。

2 裝配式建筑與智能建造

2.1 裝配式技術(shù)

改革開(kāi)放 40 a 來(lái)，建筑業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一始終處于高速發(fā)展階段。然而，建筑業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式存在著能耗高、效率低、管理手段落后、科技創(chuàng)新能力差等問(wèn)題。裝配式建筑技術(shù)可克服和解決上述傳統(tǒng)建筑行業(yè)的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，滿(mǎn)足政府和行業(yè)對(duì)質(zhì)量、安全、環(huán)境等方面的要求，獲得充分認(rèn)可。裝配式建筑指將由工廠(chǎng)生產(chǎn)的建筑預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模塊化安裝而形成的建筑。從而可有效縮短建設(shè)周期、降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度、節(jié)約建筑資源、減少人工，保護(hù)環(huán)境。

裝配式建筑是對(duì)傳統(tǒng)建造技術(shù)的革新。裝配式建筑建造用的是集成技術(shù)體系、工程總承包項(xiàng)目信息化管理模式、裝配式建筑建造全過(guò)程都采用能夠智能化運(yùn)營(yíng)的 BIM + 智慧工地信息化管理平臺(tái)。

2.2 智能建造

以“工業(yè) 4.0”“BIM”“互聯(lián)網(wǎng)＋”等先進(jìn)科技為代表的技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展的要求，已成為實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和持續(xù)健康發(fā)展的重要手段。

當(dāng)前，全球建筑業(yè)正呈現(xiàn)信息化、工業(yè)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，建筑行業(yè)正在越來(lái)越廣泛地應(yīng)用智能建造技術(shù)。智能建造是指利用數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、智能算法等創(chuàng)新技術(shù)，將信息化、智能化與工程建造高度融合的新一代建造方式。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家先后經(jīng)歷了工業(yè)化、自動(dòng)化和信息化 3 個(gè)階段，當(dāng)前正在邁入智能化時(shí)代。我國(guó)改革開(kāi)放 40 a 來(lái)，同步引進(jìn)工業(yè)化、自動(dòng)化和信息化，成功實(shí)現(xiàn)“三化合一”。經(jīng)過(guò)持續(xù)地引進(jìn)、消化、吸收和創(chuàng)新，結(jié)合當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)、5G 等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，吸收制造業(yè)先進(jìn)技術(shù)，建筑業(yè)應(yīng)當(dāng)抓住歷史機(jī)遇，以裝配式建筑為切入點(diǎn)，積極推進(jìn)智能建造裝與配式建筑的融合發(fā)展。

3 現(xiàn)狀與問(wèn)題

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化、協(xié)同化難以實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前，眾多項(xiàng)目大多在設(shè)計(jì)前期并未考慮裝配式技術(shù)的應(yīng)用，而僅僅是將現(xiàn)澆項(xiàng)目進(jìn)行“硬拆分”，從而導(dǎo)致房型、軸網(wǎng)重復(fù)率小，預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度低。此外，傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)各專(zhuān)業(yè)相對(duì)獨(dú)立，管線(xiàn)施工主要靠現(xiàn)場(chǎng)打孔、開(kāi)槽。此類(lèi)設(shè)計(jì)和施工手段與裝配式建筑技術(shù)的原則和初衷相背離，即裝配式設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化要求與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念相沖突。裝配式施工與現(xiàn)澆工程項(xiàng)目的管理模式不協(xié)調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)當(dāng)前的實(shí)際建設(shè)施工現(xiàn)狀而言，完成具體的裝配式建設(shè)應(yīng)當(dāng)從多個(gè)角度入手，但是在具體的操作和施工上仍是存在問(wèn)題。首先對(duì)于目前的實(shí)際施工來(lái)說(shuō)，雖然裝配式技術(shù)在進(jìn)行更好地使用，但是由于缺少專(zhuān)業(yè)化的人才完成各種操作安排導(dǎo)致相關(guān)工作無(wú)法順利開(kāi)展，因此在實(shí)際的工作開(kāi)展上應(yīng)當(dāng)進(jìn)行對(duì)專(zhuān)業(yè)人員的培養(yǎng)[6]。其次對(duì)于當(dāng)前裝配式施工建設(shè)而言，相關(guān)工作人員缺少管理意識(shí)，因此針對(duì)建筑智能化的工作開(kāi)展來(lái)說(shuō)，當(dāng)前的裝配式工業(yè)發(fā)展較為緩慢，具體使用上并未滿(mǎn)足其發(fā)展需求。最后，對(duì)目前的智能化制造而言，在開(kāi)展過(guò)程中裝配式建筑的具體使用技術(shù)還需進(jìn)行針對(duì)性分析，若缺少相關(guān)技術(shù)將會(huì)影響目前裝配式建設(shè)的效果，因此，應(yīng)當(dāng)盡快完成建設(shè)技術(shù)的全面操作和研究安排[7]。

3.2 信息化水平低

當(dāng)前，我國(guó)建筑行業(yè)的信息化水平仍然較低。主要體現(xiàn)在相關(guān)利益各方不使用同一信息化平臺(tái)進(jìn)行信息共享，致使信息不對(duì)稱(chēng)或流通不暢，這與目前我國(guó)建筑行業(yè)仍采用傳統(tǒng)管理方式與信息技術(shù)利用率較低有關(guān)?，F(xiàn)階段裝配式建筑的管理模式依舊不能滿(mǎn)足現(xiàn)代施工技術(shù)對(duì)信息化管理的要求。

信息化水平低導(dǎo)致的另一個(gè)后果是預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)效率低。其主要原因一是構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度低。對(duì)于預(yù)制混凝土構(gòu)件而言，不但構(gòu)件內(nèi)的配筋數(shù)量和類(lèi)型千差萬(wàn)別，同類(lèi)構(gòu)件的外形尺寸都不盡相同。許多構(gòu)件的模具均為專(zhuān)門(mén)定制，不但費(fèi)用高，工廠(chǎng)在生產(chǎn)時(shí)也容易出差錯(cuò)。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)效率低的另一個(gè)原因是工廠(chǎng)設(shè)備的柔性化生產(chǎn)能力弱。除部分國(guó)外與生產(chǎn)設(shè)備配套的專(zhuān)業(yè)軟件外，大部分國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)軟件無(wú)法與工廠(chǎng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)相匹配，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙與工廠(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的無(wú)縫對(duì)接。

4 對(duì)策與建議

4.1 發(fā)展數(shù)字設(shè)計(jì)

在當(dāng)前的實(shí)際建設(shè)和操作過(guò)程中，為了能夠保證智能化技術(shù)的整體發(fā)展，需要在實(shí)際的建設(shè)施工當(dāng)中完成對(duì)各種統(tǒng)籌建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備和部品部件的整體裝飾與安排，更好地完成其數(shù)字化和通用化的建設(shè)操作，積極應(yīng)用建筑信息模型技術(shù)。并且，在此過(guò)程中應(yīng)當(dāng)完成對(duì)基礎(chǔ)平臺(tái)和各種集成系統(tǒng)的規(guī)劃，使得數(shù)字技術(shù)得到更好的提升，全面促進(jìn)數(shù)字設(shè)計(jì)工廠(chǎng)機(jī)器人、智能生產(chǎn)線(xiàn)之間的無(wú)損交換。

當(dāng)前，智能建造技術(shù)國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。應(yīng)用比較典型的數(shù)字化技術(shù)是建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)。目前，BIM 技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工、工地管理等各個(gè)環(huán)節(jié)。

4.2 裝備智能工廠(chǎng)

積極推動(dòng)鋼筋自動(dòng)化下料、模具拆裝、混凝土澆筑等傳統(tǒng)勞動(dòng)力密集型工藝的數(shù)字化改造和建筑機(jī)器人應(yīng)用。加快部品部件的數(shù)字化生產(chǎn)、工廠(chǎng)設(shè)備的智能化改造，積極應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)人數(shù)的減少，打造智能建造產(chǎn)業(yè)基地。積極推動(dòng)在工地現(xiàn)場(chǎng)采用高效材料配送、機(jī)械化噴涂、機(jī)器人焊接等施工環(huán)節(jié)，提高建筑機(jī)器人和智能建造技術(shù)的應(yīng)用比例。

4.3 應(yīng)用智慧工地

為了能夠更好地提升項(xiàng)目建設(shè)效果，需要開(kāi)發(fā)智能化穿戴和智能監(jiān)測(cè)等移動(dòng)終端的軟件，完成集成化創(chuàng)新。加大對(duì) BIM 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng) +、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、移動(dòng)通信、區(qū)塊鏈等高科技技術(shù)的創(chuàng)新與集成應(yīng)用。通過(guò)有關(guān)的軟件能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵、噪聲和人員等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，更能夠完成具體的控制和優(yōu)化管理目標(biāo)，提高施工的整體效率，全面降低安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)智能化技術(shù)的整體研究可在工程進(jìn)度、成本與合同等方面進(jìn)行綜合管控，可對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行更好地保護(hù)，可在建筑管理過(guò)程中能夠?qū)Ω鞣N建筑垃圾進(jìn)行管理[8]。

基于智能攝像頭與感應(yīng)設(shè)備，自動(dòng)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)施工人員安全帽、安全帶等安全工具的佩戴情況，及時(shí)捕獲各類(lèi)異常行為。結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控工地機(jī)械設(shè)備及時(shí)管控現(xiàn)場(chǎng)重大危險(xiǎn)源作業(yè)情況，監(jiān)督發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的各類(lèi)不安全行為。同時(shí)，利用大數(shù)據(jù)分析工具對(duì)項(xiàng)目施工中的各類(lèi)安全隱患和違章事故的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與梳理，定期統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)人員不規(guī)范行為，分析各類(lèi)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)與規(guī)律，合理制定各項(xiàng)施工安全管理措施，及時(shí)消除工程隱患。

4.4 打造建筑產(chǎn)業(yè)平臺(tái)

加快打造建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，推廣應(yīng)用構(gòu)件智能制造生產(chǎn)線(xiàn)。在當(dāng)前的實(shí)際發(fā)展過(guò)程中，為了能夠更好地完成智能化的設(shè)計(jì)和操作安排，在具體的操作和安排上應(yīng)當(dāng)完成互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字信息的有效建設(shè)，使得各種消息能夠得到綜合的聯(lián)絡(luò)，保證建設(shè)工作能夠在生命周期當(dāng)中進(jìn)行多元化的管理。使各項(xiàng)智能技術(shù)全面涵蓋建筑設(shè)計(jì)、工廠(chǎng)生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工、管理服務(wù)等全過(guò)程，構(gòu)建產(chǎn)品市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化的機(jī)制，更好發(fā)展建設(shè)新模式。

在當(dāng)前的實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中需要對(duì)智能技術(shù)的各類(lèi)形式進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，通過(guò)對(duì)技術(shù)的合理使用能全面地完成智能化和裝配式建筑的安排，使得整體的建設(shè)和施工效果都能夠符合具體的發(fā)展要求。因此，從多個(gè)角度入手完成既定的規(guī)劃，可最大程度地滿(mǎn)足其實(shí)際發(fā)展需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

裝配式建筑需要各專(zhuān)業(yè)、多環(huán)節(jié)高效協(xié)作完成，是一項(xiàng)高度系統(tǒng)的工作。發(fā)展裝配式建筑是推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化發(fā)展的重要手段。智能建造是推動(dòng)智慧城市建設(shè)的有利途徑，實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。隨著新型建筑工業(yè)化時(shí)代的到來(lái)，裝配式建筑業(yè)的綜合信息管理與應(yīng)用逐漸成為當(dāng)代建筑行業(yè)發(fā)展的客觀需求和提高全產(chǎn)業(yè)鏈信息技術(shù)的有力支持。裝配式建筑和智能建造需要齊頭并進(jìn)，協(xié)同發(fā)展，綜合發(fā)揮行業(yè)信息技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)。

在智能建造方面，雖然目前我國(guó)在數(shù)字設(shè)計(jì)和數(shù)字工地方面開(kāi)始了初步的探索，但大量工作仍處在碎片化初試階段，尚未形成系統(tǒng)化的集成創(chuàng)新。若要解決上述問(wèn)題，需要通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)、智能裝備研制、管理模式重組等核心技術(shù)方面取得不斷突破，為裝配式建筑智能化發(fā)展提供動(dòng)力支撐。