數(shù)字建造在建設(shè)工程中的應(yīng)用

徐建紅　王翔

【摘要】數(shù)字建造把數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于工程的策劃，設(shè)計(jì)施工，等過(guò)程中提供滿足工程建設(shè)主體需求，環(huán)境和諧的優(yōu)良建造產(chǎn)品及服務(wù)。介紹常用的數(shù)字技術(shù)如BIM、VR、仿真、物聯(lián)網(wǎng)等。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字建造;建設(shè)工程

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.15.123

1、工程建設(shè)行業(yè)面對(duì)的問(wèn)題及對(duì)策

社會(huì)及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于建造工程的要求，也從傳統(tǒng)的功能需求發(fā)展為審美需求，例如復(fù)雜的大型曲面造型設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，通過(guò)個(gè)性化的需求來(lái)實(shí)現(xiàn)自身活動(dòng)場(chǎng)景與市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品之間的沖突，推動(dòng)了建設(shè)工程的變革。建設(shè)行業(yè)項(xiàng)目從可研、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、回收的各個(gè)階段資源及能耗的消耗巨大。社會(huì)老齡化導(dǎo)致作為勞動(dòng)密集型行業(yè)的用工緊張，而作業(yè)環(huán)境差，作業(yè)地點(diǎn)不固定，也帶來(lái)了勞動(dòng)力的不斷流失。新技術(shù)發(fā)展又對(duì)高技術(shù)人才需求逐漸增加，管理及技術(shù)等復(fù)合型人才的缺乏、供求失衡，嚴(yán)重制約了建設(shè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

雖然建設(shè)行業(yè)也嘗試了各種改革，但技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)落后于制造業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)，普遍存在產(chǎn)值利潤(rùn)率低，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，能耗高等現(xiàn)象。在數(shù)字信息技術(shù)沖擊下的建設(shè)行業(yè)同時(shí)帶來(lái)了變革的機(jī)遇，數(shù)字技術(shù)和建設(shè)行業(yè)的結(jié)合是突破行業(yè)困境的重要手段。

2、數(shù)字建造概述

數(shù)字建造，利用各種數(shù)字信息技術(shù)提升整個(gè)工程建造產(chǎn)業(yè)的全生命周期服務(wù)提升產(chǎn)品綜合性和施工設(shè)計(jì)效率，協(xié)調(diào)各利益相關(guān)方的組織溝通實(shí)現(xiàn)需求，資源環(huán)境的價(jià)值的提升。如BIM技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)提高效率，降低成本，推動(dòng)建設(shè)行業(yè)的專(zhuān)業(yè)協(xié)作協(xié)同與整合。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用信息及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可減少20%～60%的溝通成本。三維模型讓項(xiàng)目各個(gè)階段相關(guān)者無(wú)需專(zhuān)業(yè)知識(shí)形象直觀的了解項(xiàng)目狀態(tài)。數(shù)字建造研究針對(duì)工程項(xiàng)目全生命周期，不只局限于施工階段，系統(tǒng)化應(yīng)用多項(xiàng)數(shù)字技術(shù)在建造過(guò)程中有機(jī)融合。

3、數(shù)字建造的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)

扎哈通過(guò)廣州劇院的參數(shù)化設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特美學(xué)外觀造型，工程中每個(gè)構(gòu)件都不相同，外形復(fù)雜，截面不一，需要在數(shù)字模型當(dāng)中包括構(gòu)建尺寸信息，制造加工信息，空間三維定位指導(dǎo)安裝施工過(guò)程，綜合保障安裝精度要求。傳統(tǒng)技術(shù)不支持如此多的非標(biāo)準(zhǔn)化的建造過(guò)程，高度靈活而又個(gè)性化的設(shè)計(jì)和定制。趨向于采用基于模型的設(shè)計(jì)模式。

3.2 BIM建模技術(shù)

消除建設(shè)行業(yè)條塊分割導(dǎo)致的碎片化，統(tǒng)一各主體的目標(biāo)利益，BIM與各項(xiàng)數(shù)字技術(shù)的集成是其中的主要發(fā)展方向。BIM技術(shù)為三維或N維為設(shè)計(jì)創(chuàng)造了可能性，而且與虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人等技術(shù)但集成更加提高整體效率，反映時(shí)間和精益程度。例如傳統(tǒng)人工放樣，使用二維圖紙易發(fā)生錯(cuò)誤和誤差，工時(shí)長(zhǎng)?；贐IM的放樣機(jī)器人利用BIM 模型中的模型數(shù)據(jù)使得放樣操作簡(jiǎn)單，速度快，精度高，節(jié)約人工。

BIM整合，從用戶需求設(shè)計(jì)到運(yùn)維有全部工程信息在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)信息共享，有效解決由于專(zhuān)業(yè)沖突和隔閡，實(shí)現(xiàn)了建造目標(biāo)的價(jià)值最大化，有效指導(dǎo)各個(gè)主體的建造活動(dòng)。推動(dòng)組織模式向扁平型過(guò)渡，形成全體智慧帶來(lái)的有效決策。一夢(mèng)平臺(tái)，帶來(lái)項(xiàng)目主體范圍的擴(kuò)大如最終用戶、社會(huì)大眾的參與更大程度的參與了解項(xiàng)目的信息，降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。如信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)人員、程序員、機(jī)械加工制作人員等的增加，現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)圖、施工人員的機(jī)械勞動(dòng)減少帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

3.3 數(shù)字仿真及制造技術(shù)

數(shù)字仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行吊裝的模擬仿真的首要步驟就是建立三維模型，利用Navisworks提供的Presenter插件來(lái)渲染模型，從而創(chuàng)建真實(shí)的照片集的視覺(jué)效果，進(jìn)行虛擬吊裝，當(dāng)?shù)跹b過(guò)程中，設(shè)備一旦發(fā)生碰撞就需要對(duì)吊裝方案進(jìn)行優(yōu)化，直至達(dá)到最優(yōu)方案。在四側(cè)設(shè)置超聲波測(cè)距傳感器、激光及角度傳感器布設(shè)在設(shè)備底部，風(fēng)力計(jì)及溫度濕度計(jì)布設(shè)在吊裝現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在吊裝過(guò)程中的實(shí)時(shí)定位，從技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)對(duì)于不安全行為進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)報(bào)警。

工業(yè)4.0帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步，工程數(shù)字制造通過(guò)計(jì)算機(jī)控制機(jī)械進(jìn)行構(gòu)建了定制加工生產(chǎn)，三維打印，數(shù)控激光按切割實(shí)現(xiàn)與數(shù)字設(shè)計(jì)的高精度加工要求。逐漸向精細(xì)化機(jī)械化發(fā)展，如建造機(jī)器人通過(guò)參數(shù)化設(shè)置自動(dòng)加工，讓建筑師可以實(shí)現(xiàn)更多的想象力。

在創(chuàng)新工程、藝術(shù)美感的應(yīng)用中，這種機(jī)械加工將在未來(lái)建設(shè)工程實(shí)現(xiàn)批量定制的生產(chǎn)。如現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)中采用網(wǎng)格模具的擠出式機(jī)器人3D打印出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生成，生成大型曲面、動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)的非標(biāo)準(zhǔn)墻體等。砌筑工程傳統(tǒng)施工由于完全靠工人進(jìn)行砌筑，將BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，搭建無(wú)人化智能砌筑系統(tǒng)，由砌筑機(jī)器人作為輸出終端，可以充分發(fā)揮BIM技術(shù)數(shù)字化信息的作用，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化施工。

3.4 虛擬現(xiàn)實(shí)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬三維工程空間用來(lái)檢驗(yàn)施工組織設(shè)計(jì)的參數(shù)設(shè)置、方案比選，如大型設(shè)備多機(jī)吊裝方案應(yīng)用VR技術(shù)，對(duì)熟練掌握操作要領(lǐng)，保證施工安全有積極作用。例如智能手環(huán)，眼鏡安全帽等可穿戴設(shè)備對(duì)傳感器信息進(jìn)行云端存儲(chǔ)、處理、反饋，反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施狀況，輔助決策。

3.5 物聯(lián)網(wǎng)、人工智能

物聯(lián)網(wǎng)在智能建筑當(dāng)中的應(yīng)用，對(duì)環(huán)境主動(dòng)響應(yīng)并提供個(gè)性化的服務(wù)，如感應(yīng)室內(nèi)甲醛濃度來(lái)自動(dòng)啟停通風(fēng)新風(fēng)系統(tǒng)。工程機(jī)械的發(fā)展方向是數(shù)字化、自動(dòng)化。遠(yuǎn)程控制工程機(jī)械目前得到廣泛的應(yīng)用，土方工程同樣是目前現(xiàn)場(chǎng)施工中量大、耗時(shí)、自動(dòng)化程度較低的工種。如小松智能推土機(jī)使用無(wú)人機(jī)遙感實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛和推挖土作業(yè)。無(wú)人機(jī)采集定型信息，通過(guò)激光雷達(dá)進(jìn)行三維建模，實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)給推土機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃和計(jì)算土方量。工程測(cè)量感知技術(shù)由三維激光掃描、地理信息系統(tǒng)、紅外圖像攝像技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)，實(shí)時(shí)地形地貌、地勢(shì)和植被環(huán)境和工程結(jié)構(gòu)的實(shí)景建模，結(jié)合工程BIM模型進(jìn)行綜合處理，輔助分析。也可以利用激光雷達(dá)掃描進(jìn)行竣工驗(yàn)收，超越人類(lèi)感官的感知能力。

建設(shè)行業(yè)與制造業(yè)的融合中， 實(shí)現(xiàn)構(gòu)件工廠化預(yù)制加工，功能集約，提高效率，降低成本，如工程外圍維護(hù)結(jié)構(gòu)，達(dá)到節(jié)能、防火、美觀等綜合功能。

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)、收集大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)分析信息進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)施精確的預(yù)警，輔助決策并改進(jìn)完善設(shè)計(jì)施工流程。

參考文獻(xiàn)：

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