智能建造創(chuàng)新技術(shù)協(xié)同構(gòu)建智慧工地★

蘇 瑾 瑾

(廣州華商職業(yè)學(xué)院 智能工程學(xué)院，廣東 廣州 511300)

1 概述

智能建造是建筑行業(yè)的信息集成技術(shù)變革的智慧成果，是建筑行業(yè)謀求高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)階段。世界經(jīng)濟(jì)論壇重新定位了建筑行業(yè)的發(fā)展模式，旨在借助科技力量助推建筑行業(yè)從傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)化為智能建造模式[1]。2020年3月，全國(guó)“兩會(huì)”召開，主要議題有加快5G網(wǎng)絡(luò)、信息化工程等涉及國(guó)計(jì)民生基建設(shè)施的建設(shè)進(jìn)度[2]。2020年7月，住建部等13部委發(fā)文《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》指出，以大力發(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)新突破核心技術(shù)，加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)應(yīng)用，形成涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、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[3]設(shè)立“中國(guó)建造”國(guó)際品牌，成為“智能建造”世界強(qiáng)國(guó)。而智能建造具體應(yīng)用的最基礎(chǔ)單元是每一個(gè)工地項(xiàng)目，因此智慧工地建設(shè)的情況直接反映和檢驗(yàn)著智能建造的成果轉(zhuǎn)化程度。在查閱眾多國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)之后，發(fā)現(xiàn)智能建造的理論研究已經(jīng)相當(dāng)豐富，而和工地施工生產(chǎn)的結(jié)合與應(yīng)用的研究并不多。本文以人民群眾迫切需要的“智慧安居工程”為切入口，就智能建造創(chuàng)新技術(shù)對(duì)于智慧工地的構(gòu)建和應(yīng)用進(jìn)行深入研究，旨在推行智能建造新技術(shù)更廣泛、更深入地應(yīng)用于施工領(lǐng)域。

2 建立智能建造與建筑工業(yè)化系協(xié)同管理機(jī)制

2.1 智能建造與建筑工業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀

“智能建造”在英文中的概念定義為Intelligent Construction，Smart Construction，或Wisdom Construction[4]是數(shù)字化、智能化創(chuàng)新技術(shù)的集成，被定義為第四次科技工業(yè)革命。建筑工業(yè)化的管理范疇起源于二戰(zhàn)后，發(fā)起者是德國(guó)著名建筑師瓦爾特.格羅皮烏斯(WalterGropius)，20世紀(jì)50年代引入中國(guó)，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的摸索與發(fā)展，已經(jīng)形成了自主創(chuàng)新與特色研發(fā)相結(jié)合的建筑工業(yè)化體系。隨著新一輪科技革命的到來，并在國(guó)家和黨中央資金投入與政策保障下，建筑工業(yè)體系化呈現(xiàn)高質(zhì)量、高速度、高水平穩(wěn)定增長(zhǎng)發(fā)展的局面。

2.2 智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同管理框架

智能建造的內(nèi)涵凸顯綜合性、智慧性，具有的主要的特點(diǎn)是建造目標(biāo)多重性，屬性多樣性建造工藝綜合性。而建筑工業(yè)化是以構(gòu)件批量預(yù)制和節(jié)能裝配式施工為生產(chǎn)模式，以設(shè)計(jì)模數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件部品化、生產(chǎn)流水化為特征，打造設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維全壽命周期的新型建筑產(chǎn)業(yè)鏈條，從而實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品節(jié)能、環(huán)保、綠色，使建筑產(chǎn)品價(jià)值發(fā)揮到最大化，人類的居住體驗(yàn)達(dá)到最優(yōu)化[5]。智能建造與建筑工業(yè)化在融合過程中受到了建筑工業(yè)化程度發(fā)展不均等，建筑行業(yè)周期長(zhǎng)、施工內(nèi)容復(fù)雜多樣、本土化施工水平參差不齊等諸多因素影響，主要的原因是缺乏統(tǒng)一的、明晰的、邏輯關(guān)系嚴(yán)密的建設(shè)框架體系。通過查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)施工行業(yè)現(xiàn)狀，建立智能建造與建筑工業(yè)協(xié)同管理機(jī)制(見圖1)。

2.3 智能建造業(yè)務(wù)的協(xié)同管理鏈條

智能建造的業(yè)務(wù)協(xié)同邏輯貫穿智能建設(shè)項(xiàng)目的全壽命周期階段。但是每個(gè)階段只能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的單點(diǎn)信息技術(shù)，缺少解決整個(gè)建筑行業(yè)工作鏈條的方案[6]。只有打通各環(huán)節(jié)的技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)各階段數(shù)據(jù)的無縫對(duì)接，形成新的業(yè)務(wù)管理鏈條，才能實(shí)現(xiàn)智能建造(見圖2)。

BIM技術(shù)可為項(xiàng)目的全壽命周期管理提供可能，過程中需要大量的數(shù)據(jù)交互傳輸，一方面要求數(shù)據(jù)類型的標(biāo)準(zhǔn)化，另一方面需要對(duì)構(gòu)件位置參數(shù)、屬性參數(shù)等信息做統(tǒng)一規(guī)定。因此，智能建造的新業(yè)務(wù)邏輯以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以BIM建模為核心手段，形成BIM1.0～BIM5.0核心數(shù)據(jù)模型[7]，為全壽命周期管理奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 協(xié)同模式下的智能建筑安居工程

3.1 裝配式總體發(fā)展情況

制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)大背景下，國(guó)務(wù)院、住建部等持續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策推進(jìn)裝配式建筑。2016年2月，國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》中提出：力爭(zhēng)用10年的時(shí)間將裝配式項(xiàng)目的市場(chǎng)占比達(dá)到30%；2016年9月，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》中提出，要因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑，這標(biāo)志著中國(guó)裝配式建筑的發(fā)展上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，裝配式技術(shù)將步入快速發(fā)展的階段。

以廣東為例，從2018年至2020年，各地區(qū)住建局發(fā)布多項(xiàng)關(guān)于裝配式建筑文件，要求到2020年，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到15%以上，其中政府投資工程裝配式建筑面積占比達(dá)到50%以上；到2025年前，裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到35%以上，其中政府投資工程裝配式建筑面積占比達(dá)到70%以上。綜合國(guó)家政策及地區(qū)政策可見裝配式政策利好，從國(guó)家到地區(qū)支持力度大、建設(shè)目標(biāo)明確、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)日趨完善(見圖3)。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)總體發(fā)展情況

鋼結(jié)構(gòu)被賦予了智慧裝備制造工業(yè)化的先進(jìn)基因，具有“輕、快、好、省、噪聲小、無揚(yáng)塵、少垃圾”的特性，突顯了智能建筑的特征，被國(guó)際智能建造強(qiáng)國(guó)廣泛使用。并且，建筑業(yè)與鋼鐵行業(yè)是“此漲彼漲”同向正比例發(fā)展行業(yè)，既消化了鋼鐵產(chǎn)能過剩，又培養(yǎng)了掌握“四新”技術(shù)的建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)技能型工人隊(duì)伍。

3.3 發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是全過程數(shù)字化管理、智慧運(yùn)維的融合，最終目的是解放生產(chǎn)力，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，提升國(guó)家經(jīng)濟(jì)效益。以采用鋼結(jié)構(gòu)裝配式建造技術(shù)的武漢“火神山”醫(yī)院為例，10 d之內(nèi)建成并投入使用，創(chuàng)造了智能建造技術(shù)為生命爭(zhēng)取時(shí)間的奇跡，刷新了“創(chuàng)新科技”締造的“中國(guó)速度”。

4 BIM+智慧工地集成技術(shù)落地

4.1 構(gòu)建智慧工地協(xié)同實(shí)施方案

運(yùn)用BIM云技術(shù)構(gòu)建智慧工地整體實(shí)施架構(gòu)(見圖4)。通過構(gòu)建統(tǒng)一平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各管理部門可視化，可協(xié)同，可共享，可管理，打破傳統(tǒng)的各業(yè)務(wù)部門數(shù)據(jù)不通，溝通效率低等問題。

1)技術(shù)部應(yīng)用：方案交底，方案交底跟蹤，三維可視化；

2)安質(zhì)部應(yīng)用：PDCA質(zhì)量安全閉環(huán)可視化管理，質(zhì)量安全評(píng)優(yōu)，安全定點(diǎn)巡視；

3)工程部應(yīng)用：跟蹤構(gòu)件和原材料加工，分析圖紙碰撞數(shù)據(jù)，二次方案優(yōu)化，采集進(jìn)度信息，根據(jù)實(shí)際工期和計(jì)劃工期數(shù)據(jù)，分析進(jìn)度超前或滯后的原因；

4)物資部應(yīng)用：實(shí)施原材進(jìn)出場(chǎng)管控，周轉(zhuǎn)材料、消耗材料的合理性的統(tǒng)計(jì)分析，核算分包節(jié)超；

5)計(jì)合部應(yīng)用：創(chuàng)建核算模型，可按月度、季度分析和考核節(jié)超情況。

4.2 智慧工地協(xié)同管理與監(jiān)測(cè)

4.2.1 智能設(shè)計(jì)

1)臨建設(shè)施及場(chǎng)地布設(shè)。包括施工紅線、圍墻、道路、臨時(shí)房屋、材料堆放、加工場(chǎng)地、施工設(shè)備等實(shí)際設(shè)置情況，同時(shí)包含場(chǎng)地內(nèi)水電布設(shè)的直觀展示(見圖5)。

2)可視化建模。BIM技術(shù)提供三維可視化影像，可以幫助設(shè)計(jì)單位快速抉擇出合理的工程方案，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)出圖以及全模型的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)更新，徹底解決設(shè)計(jì)人員專業(yè)協(xié)同問題，使得工程結(jié)構(gòu)的仿真數(shù)值模擬工作量大大降低，設(shè)計(jì)人員繪圖時(shí)間縮短，增加工程設(shè)計(jì)占比，提升設(shè)計(jì)水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，作為全壽命周期建設(shè)項(xiàng)目管理的首要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)單位可通過BIM為業(yè)主及施工方提供項(xiàng)目管理技術(shù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)跨界資源整合，創(chuàng)造新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)和業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

通過BIM技術(shù)良好的三維呈現(xiàn)效果，施工單位從多方位剖切工程對(duì)象，全面了解工程設(shè)計(jì)意圖，縮短施工人員學(xué)習(xí)圖紙時(shí)間，有效控制施工準(zhǔn)確度；根據(jù)工程建設(shè)場(chǎng)地條件進(jìn)行施工模擬，有效降低因施工組織不當(dāng)而增加的時(shí)間成本和管理成本，減少資源浪費(fèi)，提高企業(yè)利潤(rùn)；在復(fù)雜項(xiàng)目結(jié)構(gòu)施工過程中，通過BIM技術(shù)模擬施工方法及過程，控制施工進(jìn)度，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證施工安全。BIM技術(shù)在施工單位中的使用，能夠極大提升施工組織水平和技術(shù)實(shí)力，增強(qiáng)自身的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，增強(qiáng)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力。

3)圖紙會(huì)審與碰撞分析。模擬分析鋼筋碰撞，能夠?qū)︿摻羁臻g排布和綁扎進(jìn)行三維技術(shù)交底。提前解決了現(xiàn)場(chǎng)的圖紙問題，節(jié)約工期超過30 d。

4.2.2 智能管理

1)智慧勞務(wù)考勤管理。工地門禁施行刷臉管理，進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證，同時(shí)提醒工作內(nèi)容，檢查安全帽佩戴及防護(hù)工具使用情況。提高勞務(wù)人員生產(chǎn)效率，杜絕違反規(guī)范操作行為，保障工人安全權(quán)益。

2)智慧資料協(xié)同管理。通過智慧資料協(xié)同系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)材料檢測(cè)、安全質(zhì)量、技術(shù)、測(cè)量等各類工程資料專人跟蹤，實(shí)時(shí)跟進(jìn)，資料完成進(jìn)度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物完成量匹配，并及時(shí)整理、歸檔，順利交付甲方。

3)智慧黨建協(xié)同管理。依托互聯(lián)網(wǎng)和智慧應(yīng)用系統(tǒng)，搭建黨建管理平臺(tái)，統(tǒng)籌管理各項(xiàng)目部黨組織，實(shí)時(shí)傳輸與共享黨建信息，增強(qiáng)基層黨委的凝聚力和戰(zhàn)斗力。

4.2.3 智能監(jiān)測(cè)

1)進(jìn)度監(jiān)測(cè)。a.通過任務(wù)派分，實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)進(jìn)度；b.現(xiàn)場(chǎng)工長(zhǎng)不僅可以及時(shí)收到施工任務(wù)而且可以獲得施工工藝的技術(shù)支持；c.現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度采集后，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)參與方實(shí)時(shí)掌握施工進(jìn)度，即使不在現(xiàn)場(chǎng)，也可以了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況；d.勞動(dòng)力實(shí)時(shí)分析，可以輔助人員管理決策。

2)物資消耗監(jiān)測(cè)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助互聯(lián)網(wǎng)手段和大數(shù)據(jù)分析模式，對(duì)各類主材進(jìn)場(chǎng)環(huán)節(jié)和半成品出廠環(huán)節(jié)全方位管控，提升業(yè)務(wù)效率，節(jié)約管理成本，提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。a.運(yùn)用BIM平臺(tái)根據(jù)需要按照不同的方式進(jìn)行物料統(tǒng)計(jì)，滿足各個(gè)階段的需求。b.導(dǎo)入模型統(tǒng)計(jì)工程的總工程量，對(duì)工程量有個(gè)總體把控，包括鋼筋、混凝土等。c.利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤物料進(jìn)場(chǎng)情況，防止跑冒滴漏。

3)安全質(zhì)量監(jiān)測(cè)。項(xiàng)目各層級(jí)管理人員通過使用BIM5D的PC端和WEB端，實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全問題及整改情況，杜絕現(xiàn)場(chǎng)的安全質(zhì)量隱患。

4)文明環(huán)境監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)中每天更新施工當(dāng)日的溫度、濕度、噪聲、風(fēng)速、工地?fù)P塵量，當(dāng)超過預(yù)警值時(shí)，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)警報(bào)裝置和噴淋系統(tǒng)，降噪除塵，待達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)之后會(huì)自動(dòng)停止。

5)設(shè)備裝置限位保護(hù)監(jiān)測(cè)。對(duì)于大型的、重要的機(jī)械設(shè)備，如塔吊、龍門架等，系統(tǒng)中設(shè)定了限位保護(hù)。如遇到超載，起吊設(shè)備會(huì)自動(dòng)斷電，停止工作，待載重量達(dá)標(biāo)后方可繼續(xù)起吊。

5 結(jié)語

隨著國(guó)家采取發(fā)展信息技術(shù)，建立城市數(shù)據(jù)中心，普及智能基建設(shè)施等一系列惠民措施，使得智慧城市建設(shè)水平不斷提升。當(dāng)前建筑業(yè)得益于第四代國(guó)際工業(yè)革命浪潮的助推，在“技術(shù)簇群”的支持下實(shí)現(xiàn)重要的技術(shù)轉(zhuǎn)型。誰先盡早掌握“智能建造”的核心技術(shù)和領(lǐng)先思維，誰就能在這次巨變中拔得頭籌。建筑工業(yè)化作為一種良性的、集約化的、低碳綠色的新型建筑生產(chǎn)方式，必然顛覆傳統(tǒng)建筑行業(yè)，促使其革新除弊攻堅(jiān)轉(zhuǎn)型。以智能建造與建筑工業(yè)協(xié)同化發(fā)展為載體，運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)施智慧工地管理，可以統(tǒng)籌施工現(xiàn)場(chǎng)綜合信息，減少資源浪費(fèi)，降低人、財(cái)、物力的投入，加快施工進(jìn)度，縮減工期，提高項(xiàng)目管理效率，降低管理成本。本論文以輕鋼結(jié)構(gòu)裝配式作為研究模型，為節(jié)能環(huán)保綠色的建筑工程提供技術(shù)參照，為同類型智慧工地構(gòu)建和應(yīng)用提供借鑒和參考。