智能建造的理論框架與核心邏輯

于程水

中鐵建發(fā)展集團(tuán)有限公司

1 智能建造的背景

我國(guó)的建筑施工行業(yè)長(zhǎng)期以來基本處于停滯不前的尷尬處境，勞動(dòng)密集型的組織機(jī)制給我國(guó)的建筑行業(yè)帶來了許多問題，例如在施工方面，這種管理機(jī)制會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)、施工效率低下、安全事故發(fā)生率較高、工程質(zhì)量參差不齊等一系列問題，因此我國(guó)的建筑施工行業(yè)的管理模式急需轉(zhuǎn)型。

1.1 信息技術(shù)對(duì)建造的影響

信息技術(shù)為第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）時(shí)代的核心技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)正在滲透到社會(huì)生活、工作、學(xué)習(xí)中的各個(gè)領(lǐng)域中，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)可以幫助我們對(duì)大量信息進(jìn)行分析與判斷，問題也可以簡(jiǎn)化為對(duì)不確定信息進(jìn)行確定，而建筑建造所包含的海量信息也可借助計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)等簡(jiǎn)化目前臃腫繁雜的流程，使得建造脈絡(luò)變得清晰，信息流動(dòng)變得通暢。其建造行業(yè)的發(fā)展的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）建筑行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力有所提升。建筑產(chǎn)品正在逐步進(jìn)入精細(xì)化施工管理階段，精細(xì)化施工不僅是一種施工方式，也是一種理念和一種文化，建筑行業(yè)施工方面的精細(xì)化是現(xiàn)代社會(huì)對(duì)建筑施工的必然要求，建立在常規(guī)的施工方式基礎(chǔ)上，并將常規(guī)的施工方式引向更為深入的精細(xì)化施工模式，是一種以最大限度的減少對(duì)常規(guī)施工的后續(xù)維護(hù)修繕時(shí)間和資源，降低后續(xù)維護(hù)成本的施工方式。精細(xì)化施工雖然提升了建筑產(chǎn)品的精度，但并不能以無限長(zhǎng)增加施工時(shí)作為代價(jià)，因此精細(xì)化施工這一技術(shù)需要足夠的信息技術(shù)來支撐。

（2）增加了設(shè)計(jì)、施工、管理的便捷性。信息技術(shù)的使用和研發(fā)大多數(shù)基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，而且許多地產(chǎn)公司都會(huì)利用可視化技術(shù)對(duì)施工方進(jìn)行指導(dǎo)和管理，通過可視化平臺(tái)，不用親臨施工現(xiàn)場(chǎng)便能直觀的進(jìn)行設(shè)計(jì)、校對(duì)、審核，這種可視化技術(shù)大大減少了時(shí)間成本。例如中石化SEI公司推行的工程設(shè)計(jì)集成化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程中的三維模型集成了整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的所有工程信息，該系統(tǒng)建立了標(biāo)準(zhǔn)的工作流程，保證了在項(xiàng)目進(jìn)行中的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系統(tǒng)化。與項(xiàng)目施工有關(guān)的各個(gè)專業(yè)在該系統(tǒng)中協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)專業(yè)的施工信息統(tǒng)計(jì)，避免了各專業(yè)之間輸入重復(fù)數(shù)據(jù)，提高了施工中的效率。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展方向

近年來，我國(guó)越來越重視智能建造和信息技術(shù)的發(fā)展，用于建造過程的可視化監(jiān)控與仿真模擬。工程建造過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，例如工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、建造過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及施工企業(yè)信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，構(gòu)成了施工企業(yè)級(jí)的大數(shù)據(jù)資源，面向建筑施工領(lǐng)域的人工智能算法將通過對(duì)大數(shù)據(jù)挖掘分析，為項(xiàng)目管理知識(shí)發(fā)現(xiàn)及建造過程趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供決策支持。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，我國(guó)的智能建造技術(shù)正在飛速的發(fā)展并且取得的顯著的成效，但在基礎(chǔ)理論和技術(shù)體系方面，相對(duì)于國(guó)外來說，我國(guó)基礎(chǔ)研究能力略顯薄弱，雖然積極引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，但是對(duì)于新技術(shù)的消化能力不足，并且缺乏自主創(chuàng)新能力。國(guó)外發(fā)展智能建造技術(shù)略早于我國(guó)，控制核心軟件和技術(shù)，在重點(diǎn)前沿領(lǐng)域有較為成熟的發(fā)展。

在智能建造裝備配備方面，國(guó)外基本已經(jīng)掌握了關(guān)于智能建造的先進(jìn)自主研發(fā)技術(shù)，我國(guó)對(duì)國(guó)外進(jìn)口的智能建造先進(jìn)設(shè)備依賴程度較高，智能建造的裝置裝備進(jìn)口率高達(dá)50%。

在軟件和硬件方面，我國(guó)較為重視硬件的發(fā)展，較為輕視軟件的研發(fā)，缺少高端的軟件產(chǎn)品，引用國(guó)外軟件程序較多，而對(duì)于國(guó)外來說，軟件和硬件一同發(fā)展是主要戰(zhàn)略。

最后，在人才儲(chǔ)備方面，我國(guó)缺少高端專業(yè)型人才，高校成立智能建造專業(yè)較晚，而國(guó)外起步較早，有較多的關(guān)于智能建造的復(fù)合型研究人才。

2 智能建造

2.1 概念解釋

目前智能建造代表了一種智能科學(xué)技術(shù)下的新型建造模式，包括了從設(shè)計(jì)到施工以及后期管理的全周期的生產(chǎn)組織方式，使建造系統(tǒng)趨于簡(jiǎn)潔，達(dá)到優(yōu)化建造過程、提高建筑品質(zhì)的目的。智能建造并不指某一項(xiàng)技術(shù)，而是集合多種手段，形成一種不同于以往的高效的建造系統(tǒng)。

近年來，以建筑信息模型（Building Information Modeling）、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及云計(jì)算為代表的新一代信息技術(shù)于人工智能技術(shù)正在逐步應(yīng)用到建筑施工行業(yè)。

2.2 相關(guān)理論

目前，我國(guó)的智能建造基本包括機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈、建筑構(gòu)配件智造、建機(jī)智造四大部分。

（1）人機(jī)協(xié)作。在建筑學(xué)領(lǐng)域，數(shù)字化的生產(chǎn)工具不斷融入建筑建造的生產(chǎn)過程之中。建筑生產(chǎn)由高度依賴工匠本身的建造經(jīng)驗(yàn)與對(duì)材料的理解的生產(chǎn)方式，到文藝復(fù)興時(shí)阿爾伯蒂將建筑作為一門學(xué)科理論化和抽象化，通過制圖來表達(dá)設(shè)計(jì)者的思考和意圖，再由建造者依照?qǐng)D紙進(jìn)行實(shí)施形成的建筑師與工匠含義的分離、設(shè)計(jì)與建造的分離，這導(dǎo)致了建筑師對(duì)建造的細(xì)節(jié)難以把控。而目前數(shù)字化技術(shù)的引入則打斷了建筑行業(yè)高度分化與各專業(yè)逐步被分割隔離的進(jìn)程，設(shè)計(jì)和建造之間的流通更加直接順暢。以算法為核心的數(shù)字化平臺(tái)可以從設(shè)計(jì)目標(biāo)出發(fā)，依照特定的邏輯逐步推演出整個(gè)設(shè)計(jì)建造流程。建筑師根據(jù)模擬得出的建筑性能表現(xiàn)，借助多種人工智能方法如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多代理系統(tǒng)等，改進(jìn)設(shè)計(jì)中表現(xiàn)不足的性能，完成設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

（2）工業(yè)大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈。機(jī)器人通過工業(yè)大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈兩個(gè)核心技術(shù)，不斷推動(dòng)建筑行業(yè)的數(shù)字化、智能化、透明化發(fā)展。建筑的生產(chǎn)工藝和流程可以通過工業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的優(yōu)化，這種方式大大提高了建筑行業(yè)的生產(chǎn)效率，在簽訂建筑合同、施工設(shè)備租賃、施工資金結(jié)算等方面，可以通過應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，通過手機(jī)等智能設(shè)備快速完成，簡(jiǎn)化了繁瑣的步驟。

（3）建筑構(gòu)配件智造。建筑構(gòu)配件智能制造為鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)提供了更快捷方便的生產(chǎn)形勢(shì)，這種方法可以滿足鋼結(jié)構(gòu)精度更高、標(biāo)準(zhǔn)更高的要求，鋼結(jié)構(gòu)智能生產(chǎn)線基于機(jī)器人技術(shù)和BIM（建筑信息模型）進(jìn)行研發(fā)，且我國(guó)具有46項(xiàng)自主技術(shù)研發(fā)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線的研發(fā)實(shí)現(xiàn)了從鋼板到鋼結(jié)構(gòu)件的全數(shù)字化生產(chǎn)。

（4）建機(jī)智造。建機(jī)智造主要為建筑塔機(jī)片式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接自動(dòng)化方案，該方案主要為批量運(yùn)用機(jī)器人對(duì)片式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行焊接處理，其中運(yùn)用的專用反變形技術(shù)可以有效防治焊接變形，不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度而且提高了生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量，起到了事半功倍的效果，增加了社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 基礎(chǔ)與核心

智能建造相比于傳統(tǒng)建造的優(yōu)勢(shì)在于其智能化的組織形式,以建筑機(jī)器人為核心工具，以人工智能為感知基礎(chǔ)，通過信息融合與實(shí)際建造施工的信息反饋與動(dòng)態(tài)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的深度集成、實(shí)時(shí)反饋、決策優(yōu)化與精準(zhǔn)控制的智能體系，以應(yīng)對(duì)建造過程中信息繁多、更新緩慢、協(xié)調(diào)配合不暢、資源浪費(fèi)等問題。

3 智能建造關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信息處理及可視化

數(shù)字時(shí)代的建造，需要進(jìn)行分析處理的對(duì)象由物質(zhì)變?yōu)榱诵畔ⅰＣ鎸?duì)復(fù)雜的建造系統(tǒng)以及大量數(shù)據(jù)，建筑師需要在不同層次上對(duì)其進(jìn)行處理分析，在這個(gè)過程中信息的可視化就成了虛擬數(shù)字與設(shè)計(jì)物質(zhì)化的橋梁。達(dá)到這一目的可采用的技術(shù)有高水平的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)指通過計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一種可體驗(yàn)的虛擬仿真環(huán)境，是一種多源信息的融合，是交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為仿真；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)指的是把虛擬世界的信息與現(xiàn)實(shí)世界的信息集成在一起，并被使用者所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。這些技術(shù)在復(fù)雜空間定位、人機(jī)協(xié)同工作等多種智能建造場(chǎng)景中有著巨大的潛力。

3.2 智能機(jī)器人

機(jī)器人技術(shù)主要為機(jī)械臂的各項(xiàng)應(yīng)用，通過自主研發(fā)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)操作，工作人員可以自由組合機(jī)器人的外部軸、機(jī)械手、工具、移動(dòng)平臺(tái)。這種通用的、開放的、多適應(yīng)的特點(diǎn)使得它能承擔(dān)多種多樣的工作。這種多功能性可以使得它們被定制，通過計(jì)算機(jī)編程來完成不同的任務(wù)。目前在采用機(jī)械臂對(duì)各種材料進(jìn)行加工成型、數(shù)字化建造、機(jī)械臂自適應(yīng)空間的人機(jī)協(xié)作與交互式設(shè)計(jì)、3d打印等方面都有著廣泛的研究。這些自動(dòng)或智能的建造過程大大減少了人力的消耗，且在現(xiàn)在的數(shù)字時(shí)代，利用算法生形、參數(shù)化設(shè)計(jì)等對(duì)于復(fù)雜形體建造的精確度與施工效率是人力所不能及的。

3.3 3d打印的發(fā)展

3d打印技術(shù)最初被應(yīng)用于產(chǎn)品制作，如打印珠寶首飾、工業(yè)產(chǎn)品、人體義肢等較小的部件；當(dāng)其一體成型及制作方便的優(yōu)點(diǎn)被建筑學(xué)所關(guān)注時(shí)，它就作為了一種新型建造方式拓展了建筑的發(fā)展。3d打印的材料可以采用建筑材料如混凝土、陶土、金屬、木屑等；各種曲面等非線性形體也可以方便快捷地被建造出來。目前建筑的3d打印已有多個(gè)成功案例，清華大學(xué)建筑學(xué)院徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)于2020年，利用機(jī)械臂技術(shù)進(jìn)行混凝土澆筑，建成了非洲低收入住宅的樣板房，這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用了“機(jī)器人3D打印混凝土移動(dòng)平臺(tái)”及“混凝土房屋快速建造體系”，均為徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，建成了真正意義上的3D打印混凝土建筑。

3.4 人工智能

人工智能正在滲透到各行各業(yè)中，一些簡(jiǎn)單的指令與判斷可以通過機(jī)器來完成，在一些方面人工智能甚至可以做得比人更優(yōu)秀。依靠深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，一些耗費(fèi)人力的設(shè)計(jì)工作如小區(qū)規(guī)劃、城市規(guī)劃的前期分析、小區(qū)住宅樓的排布等都可以由人工智能來高效完成。依靠計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的優(yōu)秀能力，可以將建筑師從重復(fù)勞動(dòng)中解放出來。在未來，隨著人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，各種風(fēng)格的建筑形式都可以依靠計(jì)算機(jī)自主學(xué)習(xí)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，依靠學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，給出合理的方案。在施工、管理、維護(hù)階段人工智能也能發(fā)揮巨大的作用。

4 智能建造的未來展望

在5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)的推動(dòng)下，智能建造已經(jīng)成為了建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國(guó)建筑業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，規(guī)模也越來越大，但長(zhǎng)期以來建筑業(yè)與先進(jìn)的制造技術(shù)與信息手段結(jié)合不緊密，對(duì)時(shí)代發(fā)展的反應(yīng)遲緩，工業(yè)化、信息化程度較低，智能化的施工裝備也未能廣泛應(yīng)用，建造方式與管理模式急需升級(jí)。建筑業(yè)應(yīng)借鑒高鐵、航母等工業(yè)系統(tǒng)的工程管理組織模式，改革工程建設(shè)招標(biāo)的體制，打造有利于智能建造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的積極市場(chǎng)；應(yīng)積極引入高新技術(shù)，加大對(duì)建筑科研的投入，加大對(duì)智能機(jī)器人、工業(yè)大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈、建筑構(gòu)配件智造、建機(jī)智造等技術(shù)的研究力度，突破智能建造的關(guān)鍵技術(shù)；重視多學(xué)科交流，積極引入其他專業(yè)人才與技術(shù)，形成不同專業(yè)的融合，促進(jìn)智能建造體系的整體功能的進(jìn)步。

5 結(jié)語(yǔ)

信息時(shí)代正在越來越多地影響各行各業(yè)，建筑產(chǎn)業(yè)也急需變革升級(jí)。智能建造的發(fā)展將是一個(gè)復(fù)雜的過程，這不僅僅是各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，從生產(chǎn)組織形式、學(xué)科研究模式、人員管理方式、市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)理念、行業(yè)管理和規(guī)則等各個(gè)方面都需要進(jìn)行相應(yīng)改革。當(dāng)前還面臨著許多認(rèn)知的誤區(qū)和組織模式上的障礙，這需要從行業(yè)的各項(xiàng)人員共同開放思想、積極實(shí)踐，才能持續(xù)推動(dòng)智能建造的蓬勃發(fā)展，推動(dòng)建筑建造行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。