智能建造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢

葉生文

摘要：面對信息時(shí)代的大潮洶涌而來，建筑行業(yè)面臨著強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)，智能化建造技術(shù)發(fā)展異常迅速，在建筑行業(yè)技術(shù)升級改造中將擔(dān)負(fù)起先鋒的角色，推動(dòng)著建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)繼續(xù)增加人工智能、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)在建筑全過程應(yīng)用的集成化與自主創(chuàng)新，加速促進(jìn)新一代信息科技與建筑工業(yè)化技術(shù)協(xié)作發(fā)展趨勢，緊緊圍繞智能化工程施工、智能制造系統(tǒng)、數(shù)字設(shè)計(jì)，提升建筑工業(yè)化與智能建造基本關(guān)聯(lián)性技術(shù)和重要關(guān)鍵技術(shù)革新研發(fā)，提高智能化建設(shè)管理水準(zhǔn)，加強(qiáng)智能建造上中下游協(xié)調(diào)工作，為智能建造健康發(fā)展?fàn)I造良好氛圍。

關(guān)鍵詞：智能建造;技術(shù);趨勢

一、智能建造內(nèi)涵

智能建造是新一代通訊技術(shù)與先進(jìn)設(shè)計(jì)施工技術(shù)深度融合，并貫徹于勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等工程活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自適應(yīng)等功能的新型建造方式。筆者認(rèn)為，智能建造是指在建造過程中充分利用信息技術(shù)、集成技術(shù)和智能技術(shù)，構(gòu)建人機(jī)交互建造系統(tǒng)，提升建造產(chǎn)品的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)安全綠色、精益優(yōu)效的建造方式。智能建造內(nèi)涵可從以下方面展開：（1）智能建造是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工一體化的建造體系，是建造新思維、新技術(shù)和新模式的集成創(chuàng)新，是建造方式的深刻變革。（2）通過“智能+”，提升建造質(zhì)量和建造產(chǎn)品的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)建造行為精益優(yōu)效、節(jié)能降污，提供安全、綠色、舒適的建造產(chǎn)品。（3）應(yīng)充分利用智能技術(shù)和相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建造技術(shù)的提升，以BIM 技術(shù)為核心，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能設(shè)備、可信計(jì)算、云邊端協(xié)同、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維、管理服務(wù)等建筑業(yè)全生命周期建造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)相互融合，全面提升建造技術(shù)的水準(zhǔn)。（4）采用智能系統(tǒng)，實(shí)施人機(jī)協(xié)同的施工，通過大數(shù)據(jù)和人工智能算法，建立智能建造控制平臺(tái)作為控制大腦，根據(jù)信息分析進(jìn)行判斷和決策;構(gòu)建泛在感知和5G 系統(tǒng)作為神經(jīng)系統(tǒng)，感知信息和傳達(dá)信息;基于人機(jī)協(xié)同環(huán)境，制定施工技術(shù)方案;智能裝備、自動(dòng)化機(jī)械和人協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)建造控制系統(tǒng)的各種指令;最終，實(shí)現(xiàn)具有信息深度感知、自主采集與迭代、知識(shí)積累與輔助決策、工廠化加工、人機(jī)交互、精益管控的建造模式。

二、智能建造關(guān)鍵技術(shù)

智能建造即數(shù)字技術(shù)與工程建造系統(tǒng)深度融合形成的工程建造創(chuàng)新發(fā)展模式，其技術(shù)體系主要由人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、BIM等技術(shù)支撐搭建而成。

1、人工智能技術(shù)。人工智能簡稱AI，是二十一世紀(jì)三大尖端技術(shù)之一，研究內(nèi)容包括：機(jī)器學(xué)習(xí)和知識(shí)獲取、知識(shí)處理系統(tǒng)、智能機(jī)器人、自動(dòng)推理和搜索方法、計(jì)算機(jī)視覺等。建筑行業(yè)中人工智能技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，比如人工智能技術(shù)已在建筑工程管理中的施工圖生成和施工現(xiàn)場安排、建筑工程預(yù)算、建筑效益分析等環(huán)節(jié)應(yīng)用，目前比較流行的基于C/S環(huán)境開發(fā)的建筑施工管理系統(tǒng)，涵蓋了施工人員管理、施工進(jìn)度管理、分包合同管理等方面，使工程管理工作得到了進(jìn)一步的細(xì)化。未來建筑機(jī)器人將成重要的建造輔助工具，代替人工完成高層作業(yè)等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)任務(wù)。

2、大數(shù)據(jù)技術(shù)。從建造之初的規(guī)劃、設(shè)計(jì)到后期的運(yùn)營等過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的造價(jià)、材料、建筑、工藝等方面的數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)集合使得建筑行業(yè)本身成為一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)載體，大數(shù)據(jù)技術(shù)的核心價(jià)值即在于挖掘數(shù)據(jù)潛在價(jià)值，為建筑決策提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。比如在規(guī)劃階段，大數(shù)據(jù)可以根據(jù)建筑周邊人口密度、人口分布、人口流向等方面，合理劃分出商業(yè)、住宅等功能區(qū)域，作為建筑選址的有力依據(jù);在運(yùn)維階段，借助大數(shù)據(jù)分析則可實(shí)現(xiàn)預(yù)測、預(yù)警、規(guī)劃和引導(dǎo)，使建筑設(shè)備保持安全使用，建筑環(huán)境舒適度得到調(diào)整。

3、BIM技術(shù)。BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維等項(xiàng)目全過程各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型。BIM技術(shù)是建筑業(yè)從二維向三維、從圖形向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的一次重大技術(shù)革命。相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工建造流程，信息化模型能有效控制建設(shè)周期、減少錯(cuò)誤發(fā)生。而從長遠(yuǎn)利益看，BIM技術(shù)應(yīng)用的好處則遠(yuǎn)不止設(shè)計(jì)和施工階段，還會(huì)惠及將來的建筑物運(yùn)行、維護(hù)和設(shè)施管理。對工程的各個(gè)參與方來說，可減少錯(cuò)誤、縮短工期、降低建設(shè)成本。目前BIM技術(shù)主要在施工階段應(yīng)用較多，主要內(nèi)容有：三維模型渲染，VR宣傳展示;模擬施工方案;錯(cuò)漏碰缺檢查，減少返工率等。未來BIM將在設(shè)計(jì)和運(yùn)維階段中發(fā)揮出新的作用，比如BIM與GIS技術(shù)、BIM與VR技術(shù)的集成應(yīng)用，將為建筑設(shè)計(jì)帶來更豐富的維度信息。

三、工程建設(shè)管理中智能建造技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用

隨著科技的快速發(fā)展，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其憑借更為廣泛的應(yīng)用環(huán)境而被各領(lǐng)域及行業(yè)所吸引。在這種背景下，建筑行業(yè)也在先進(jìn)工程建造技術(shù)中引入新一代技術(shù)，設(shè)計(jì)構(gòu)造智能建造技術(shù)并應(yīng)用于工程建設(shè)管理之中，以推動(dòng)工程建設(shè)各階段工作更為高效地開展。

1、勘察設(shè)計(jì)階段創(chuàng)新應(yīng)用。工程建設(shè)開展前，建設(shè)方首先需要聘請專業(yè)勘察機(jī)構(gòu)組織開展工程地質(zhì)勘察，然后根據(jù)勘察結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)工程設(shè)計(jì)。在開展勘察工作時(shí)，相應(yīng)人員需要進(jìn)行工程地質(zhì)測繪、勘探、物探、資料內(nèi)業(yè)整編、圖表和勘察報(bào)告繪制等工作;在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，工作人員需進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)。隨著智能技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，勘察設(shè)計(jì)人員能夠在開展具體工作時(shí)將最新智能技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)勘察、數(shù)據(jù)收集分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化之中，增強(qiáng)勘察設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性及全面性。一是深層地質(zhì)探測。借助雷達(dá)等先進(jìn)探測技術(shù)，可以對地質(zhì)構(gòu)造和地形條件復(fù)雜地區(qū)的施工地質(zhì)狀況進(jìn)行深層探測，對礦物、水文、地質(zhì)、地形等環(huán)境信息自動(dòng)掃描識(shí)別和存儲(chǔ)。二是遙感大數(shù)據(jù)智能解譯?；诳睖y大數(shù)據(jù)和遙感觀測數(shù)據(jù)，對施工區(qū)域海量的多維度勘察信息進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)有用設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)的快速提取和勘察數(shù)據(jù)的自動(dòng)分類等。三是BIM優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用BIM與GIS集成技術(shù)，使BIM模型兼具地理空間數(shù)據(jù)，經(jīng)過輕量化融合處理，為線路、橋梁等空間關(guān)系復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)方案，提供更好的場景化體驗(yàn)和數(shù)字化分析工具。

2、施工建造階段創(chuàng)新應(yīng)用。施工圖設(shè)計(jì)完成并通過審核后，業(yè)主方需聘請專業(yè)團(tuán)隊(duì)開展具體施工作業(yè)。在此階段，施工團(tuán)隊(duì)需合理規(guī)劃場地布局，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)各分項(xiàng)工程建設(shè)規(guī)劃，組織協(xié)調(diào)物資調(diào)控，并對整體工程建設(shè)進(jìn)行全面管控。隨著智能技術(shù)不斷涌現(xiàn)，施工方可充分利用其進(jìn)行場地布局優(yōu)化，加強(qiáng)建設(shè)物資管控，并對建設(shè)過程進(jìn)行全流程管控。一是基于BIM的場地布局優(yōu)化。利用BIM模型進(jìn)行現(xiàn)場施工場地平面布置方案的有效模擬驗(yàn)證，通過模擬過程分析方案的可實(shí)施性，預(yù)先發(fā)現(xiàn)方案中的問題，在方案實(shí)施之前將一切不合理的隱患問題排除，合理安排加工場地、生活區(qū)、各種臨時(shí)設(shè)施等功能區(qū)的位置，模擬選擇出最優(yōu)布置方案，確保施工的順利進(jìn)行。二是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)強(qiáng)化材料管理。物聯(lián)網(wǎng)的RFID技術(shù)能夠快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理建筑材料信息，將電子標(biāo)簽或RFID芯片在生產(chǎn)階段植入構(gòu)件或原材料，采用RFID電子標(biāo)簽的閱讀器在材料運(yùn)輸、進(jìn)場、出入庫時(shí)對其信息快速讀取，并通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)控，使原料管理更為便捷、準(zhǔn)確。三是基于人工智能的作業(yè)管理。將人工智能感知系統(tǒng)、可視化監(jiān)控系統(tǒng)及BIM技術(shù)相結(jié)合，對施工現(xiàn)場安全隱患和險(xiǎn)情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成智能安全監(jiān)管及處置;對重點(diǎn)部位自動(dòng)三維建模，判斷工程進(jìn)度情況，提升工程項(xiàng)目的進(jìn)度管理，實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度的智能化監(jiān)控。

3、運(yùn)營維護(hù)階段創(chuàng)新應(yīng)用。工程項(xiàng)目建設(shè)完成并交付使用后，業(yè)主方需要組織開展設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，所屬區(qū)域內(nèi)衛(wèi)生、安全的保持，基礎(chǔ)設(shè)施的維修管理等工作。在智能技術(shù)加持下，業(yè)主方能夠充分利用技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)督基礎(chǔ)設(shè)施及各類設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，全面監(jiān)督區(qū)域內(nèi)人員流動(dòng)情況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在風(fēng)險(xiǎn)并作出預(yù)警?；诖髷?shù)據(jù)與云計(jì)算的智能管理平臺(tái)是該階段智能建造技術(shù)的主要應(yīng)用成果。基于物聯(lián)網(wǎng)感知、視頻多媒體、BIM、GIS等各類信息，智能檢索與實(shí)時(shí)分析運(yùn)維階段海量數(shù)據(jù)信息，深度挖掘數(shù)據(jù)參考價(jià)值，為運(yùn)維過程優(yōu)化和決策提供信息輔助。基于云計(jì)算技術(shù)，對環(huán)境、安全、設(shè)備、人員等多維多級建筑運(yùn)維信息進(jìn)行云端存儲(chǔ)、快速計(jì)算、優(yōu)化處理等操作，為運(yùn)營單位提供監(jiān)測、預(yù)警等全方位決策分析支持，提高運(yùn)維和管理效率。

四、智能建造技術(shù)發(fā)展展望

建筑業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)和重要引擎，我國建筑業(yè)也迫切需要制定工業(yè)化與信息化相融合的智能建造發(fā)展戰(zhàn)略，深入推進(jìn)人工智能技術(shù)與工程建造技術(shù)的深度融合，強(qiáng)化智能建造的基礎(chǔ)共性技術(shù)、關(guān)鍵核心技術(shù)和卡脖子技術(shù)的研發(fā)。目前智能建造中長期發(fā)展戰(zhàn)略缺失，智能建造技術(shù)體系尚不完整，技術(shù)路線圖還不清晰，關(guān)鍵和共性技術(shù)研究成果及已開發(fā)的智能化建造產(chǎn)品尚不能滿足向市場廣泛推行應(yīng)用的條件。需要對智能建造做出科學(xué)布局，制定和出臺(tái)中長期發(fā)展實(shí)施規(guī)劃，全面布局智能建造的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為智能建造提供理論技術(shù)支撐，做好政策引領(lǐng)、科技支撐、關(guān)鍵技術(shù)、工程應(yīng)用四個(gè)層面的頂層設(shè)計(jì)，構(gòu)建開放協(xié)同的智能建造創(chuàng)新體系和應(yīng)用環(huán)境。

在建造信息技術(shù)方面，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)核心作用，以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，建立工程項(xiàng)目規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維、廢棄的全生命周期協(xié)同與互用的信息模型和建造平臺(tái);拓展BIM 的外延應(yīng)用，將BIM 技術(shù)與三維掃描、構(gòu)件部件的工廠化生產(chǎn)、增材制造、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR/AR）、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、GIS、智慧城市的深度整合，構(gòu)建工程建造的數(shù)字孿生世界;強(qiáng)化BIM 數(shù)據(jù)底層數(shù)據(jù)研究，研發(fā)國產(chǎn)自主可控的BIM 技術(shù)與軟件，避免國外封鎖引起的卡脖子現(xiàn)象;高度重視建造信息安全，推動(dòng)區(qū)塊鏈等新技術(shù)的集成與創(chuàng)新應(yīng)用，構(gòu)筑建造信息安全的防火墻。在建造智能理論跨學(xué)科、應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，應(yīng)加快工程活動(dòng)認(rèn)知規(guī)律的理論、方法和技術(shù)的研究，推動(dòng)基于工程建造場景的案例推理、分布式人工智能、多源數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)攻關(guān)，研究工程建造的智能規(guī)劃、智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能施工和智能決策的關(guān)鍵技術(shù)。

在新材料、新結(jié)構(gòu)、新裝備等方面，研發(fā)高性能、輕質(zhì)和高耐久的混凝土;研發(fā)高強(qiáng)、高塑性和高韌性的建造鋼材;研發(fā)具有自我診斷、破壞預(yù)告、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)以及可重復(fù)利用的智能建造材料;基于工程建造需求，面向傳感、驅(qū)動(dòng)、修復(fù)和控制四大功能，研發(fā)光導(dǎo)材料、壓電材料、電（磁）流變液、形狀記憶材料、磁致伸縮材料、智能高分子材料;研發(fā)網(wǎng)絡(luò)化、智能化的攝像頭、RFID、激光掃描儀、紅外感應(yīng)器、無人機(jī)等建造感知設(shè)備;大力發(fā)展具備人機(jī)協(xié)調(diào)、自然交互、混凝土3D 打印機(jī)等建筑機(jī)器人技術(shù);進(jìn)一步提升混凝土泵送機(jī)、自動(dòng)升降機(jī)、自動(dòng)盾構(gòu)機(jī)等的自動(dòng)化與機(jī)械化水平。在施工現(xiàn)場方面，研發(fā)構(gòu)件部件工廠批量生產(chǎn)、現(xiàn)場拼裝的施工技術(shù)和施工方法;推進(jìn)工藝流程數(shù)字化和建筑機(jī)器人應(yīng)用;研發(fā)各種面向人機(jī)協(xié)同的建造場景的施工方法、施工技術(shù)建設(shè)智慧工地，實(shí)現(xiàn)建造工地的智能管控，積極開展智能建造技術(shù)研發(fā)和實(shí)踐。

五、結(jié)語

智能建造技術(shù)的各項(xiàng)人才短缺問題已經(jīng)極為嚴(yán)重，智能建造包含的各項(xiàng)技術(shù)的高端人才極為匱乏，嚴(yán)重影響了我國智能建造技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展。建筑行業(yè)已經(jīng)開始了新的技術(shù)革命。在信息時(shí)代的發(fā)展過程中，一個(gè)結(jié)合信息技術(shù)的建筑行業(yè)正在形成，越來越先進(jìn)的信息技術(shù)為建筑行業(yè)創(chuàng)造更加高速發(fā)展的平臺(tái)，這些最新的智能建造技術(shù)將設(shè)計(jì)、施工、管理等各方數(shù)據(jù)整合起來，形成一種新型建筑方式，為建筑施工過程和運(yùn)維過程的信息化、智能化的轉(zhuǎn)型，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，有利于更好、更加全面地發(fā)展智能建造技術(shù)。

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