從“建造”到“智造” 共筑美好未來

文｜龔劍

上海建工集團(tuán)股份有限公司總工程師（首席專家）/教高 龔劍

目前建筑行業(yè)智能裝備很多，比如智能模架裝備、預(yù)制構(gòu)件智能生產(chǎn)線、智能焊接機(jī)器人、3D打印機(jī)器人等。這些智能建筑裝備在其所應(yīng)用的場景、流程方面各不相同，但也有一些共性特征。一是都需要聚焦應(yīng)用場景，從工藝和控制程序上明確智能化算法，這也是裝備可以實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)。二是基于智能化算法來建立控制程序，以程序驅(qū)動來賦予裝備的智能化屬性，如此，裝備也將逐漸具有運(yùn)行環(huán)境感知、工況分析決策、控制調(diào)整執(zhí)行、學(xué)習(xí)優(yōu)化改進(jìn)等能力。三是其落地應(yīng)用的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工作業(yè)，被賦予智能化屬性的工程裝備最終目的是要實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用和解決工程建造難題，在應(yīng)用中不斷發(fā)展和完善。

智能裝備成建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級有力推手

將先進(jìn)制造技術(shù)、信息化控制技術(shù)和智能化算法及程序驅(qū)動與工程裝備進(jìn)行融合與應(yīng)用，賦予工程裝備智能感知、分析、決策和控制功能，可以顯著提升裝備的智能化水平，其落地應(yīng)用也將改變傳統(tǒng)建造模式，給建筑行業(yè)帶來一些驚喜和變化。一是智能建筑裝備的落地應(yīng)用可以極大地將現(xiàn)場操作人員解放出來，簡化工序和工種，減少現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量，有效降低工程勞動人員成本，提高施工效率，解決現(xiàn)場用工人員不足的難題。二是智能建筑裝備的落地應(yīng)用有利于提升施工行業(yè)的工業(yè)化建造水平，減少現(xiàn)場手工作業(yè)，將施工過程中人的影響因素和施工安全成本降到最低，確保工程高效安全施工。三是智能建筑裝備的落地應(yīng)用有利于帶動建筑業(yè)及其關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，工程裝備的發(fā)展是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，通過聚焦高大深重工程，從工程場景應(yīng)用端和解決重大工程技術(shù)難題，開展我國自主創(chuàng)新的智能裝備研發(fā)，可以借助市場需求來促進(jìn)建筑業(yè)建筑及其關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新轉(zhuǎn)型發(fā)展，進(jìn)而改變建筑業(yè)傳統(tǒng)的建造模式。

這里以房建工程為例，具體通過以下三個典型的智能裝備實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行分析。

應(yīng)用場景一：超高結(jié)構(gòu)混凝土工程施工場景。200m 以上超高結(jié)構(gòu)，通常采用混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，其建造裝備主要為智能化整體鋼平臺模架裝備。整體鋼平臺模架是一種以蝸輪蝸桿動力系統(tǒng)或液壓油缸動力系統(tǒng)驅(qū)動，通過整體式的鋼平臺系統(tǒng)及腳手架防護(hù)進(jìn)行施工的爬升式模板體系，特別適用于超高結(jié)構(gòu)工程建造。整體鋼平臺模架主要由鋼平臺系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、爬升系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、腳手架系統(tǒng)等五大部分組成，主要工藝是通過支撐系統(tǒng)與爬升系統(tǒng)的交替支撐進(jìn)行移動式爬升作業(yè)，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)施工的模架裝備。

應(yīng)用場景二：超高復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工場景。針對超高、大跨、復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工環(huán)境惡劣、作業(yè)安全控制難等難題，引入智能化施工裝備，比如智能化鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人，可以很好的解決超高空室外焊接作業(yè)及風(fēng)險(xiǎn)控制難題，大幅提升施工工效和施工安全控制水平。在上海中心大廈工程中，我們探索性在300m 高空進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人作業(yè)研究，由焊接機(jī)器人執(zhí)行器、多自由度焊槍調(diào)節(jié)控制器、機(jī)器人控制平臺及智能化控制模塊等組成，采用模塊化配置，很好的滿足了超高層鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝焊接作業(yè)需求。

應(yīng)用場景三：復(fù)雜結(jié)構(gòu)與構(gòu)件造型施工場景。針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)、異形構(gòu)件、個性化部件的施工難題，3D 打印施工技術(shù)是一種很好的滿足個性化需求的新型技術(shù)。3D 打印系統(tǒng)裝備主要由混凝土輸料系統(tǒng)、混凝土布料系統(tǒng)、打印路徑控制系統(tǒng)組成，通過計(jì)算機(jī)控制下協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)施工過程的智能化。目前，3D 打印裝備已在打印房屋、建筑公共設(shè)置、景觀構(gòu)件和異形構(gòu)件中均有應(yīng)用，比如在上海迪士尼工程中，針對一些復(fù)雜預(yù)制構(gòu)件、飾面工程，我們通過采用3D 打印技術(shù)很好地滿足了工程個性化需求，并顯著提升了施工工效。

智能裝備是實(shí)現(xiàn)智能建造的關(guān)鍵支撐

雖然近些年來，我國自主研發(fā)并應(yīng)用了一系列智能裝備，但在具體應(yīng)用過程中還有很多需要突破的障礙。一是核心技術(shù)還有待突破，自主創(chuàng)新能力還有很大的提升空間。目前，智能建筑裝備整體創(chuàng)新相對較弱，關(guān)鍵場景應(yīng)用還遠(yuǎn)沒有達(dá)到智能建造目標(biāo)?，F(xiàn)有的智能建筑裝備的性能和穩(wěn)定性有待提升，智能建筑裝備產(chǎn)品和核心技術(shù)尚未形成體系。二是智能建筑裝備標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，部分智能裝備缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。智能建筑裝備在應(yīng)用過程中，各種信息集成軟件、設(shè)備關(guān)鍵部件接口、信息網(wǎng)絡(luò)端口等都需要統(tǒng)一連接標(biāo)準(zhǔn)，智能建筑裝備在應(yīng)用發(fā)展時，在裝備和技術(shù)管理的標(biāo)準(zhǔn)化方面存在一定的不足，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)之間、設(shè)備之間存在一定程度上的異質(zhì)異構(gòu)問題。三是裝備應(yīng)用大數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘不足。智能建筑裝備制造和應(yīng)用過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，通過收集、整體、分析這些數(shù)據(jù)，可以很好地挖掘其大數(shù)據(jù)價(jià)值，優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，提升智能化施工能力。

智能建筑裝備是我國建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)智能建造的關(guān)鍵，關(guān)于其未來發(fā)展，主要有以下四個特點(diǎn)。一是滿足不同場景化工程應(yīng)用的智能裝備不斷涌現(xiàn)。從點(diǎn)上來說，每一個工程應(yīng)用場景都會也都需要有專業(yè)的智能裝備，從而滿足工程的智能化建造需求。二是滿足專項(xiàng)或整體建造的智能集成裝備不斷涌現(xiàn)。隨著智能裝備的發(fā)展，智能化集成裝備是進(jìn)一步提升工程裝備水平的關(guān)鍵，可以很好的滿足工程的整體智能化建造需求。三是滿足個性化和整體協(xié)同施工需求的智能化控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。智能裝備的應(yīng)用離不開智能化控制系統(tǒng)，當(dāng)智能裝備發(fā)展到一定水平時，不僅要從點(diǎn)上對單個裝備進(jìn)行智能化控制，還要從面上對現(xiàn)場所有智能裝備進(jìn)行一體化集成控制，從整體上提升其智能化水平。四是整個施工現(xiàn)場可以發(fā)展成為建筑機(jī)器人一體化集成作業(yè)。智能裝備發(fā)展的終極目標(biāo)是智能機(jī)器人，關(guān)鍵場景都有智能機(jī)器人在施工作業(yè)，管理人員只需進(jìn)行總體操控，即可完成整個工程建造過程。

建筑智能技術(shù)與裝備的應(yīng)用將對我國建筑行業(yè)帶來很多新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，其將對整個行業(yè)產(chǎn)生的影響主要有以下四個方面。一是全面革新傳統(tǒng)施工工藝。智能裝備的不斷發(fā)展與應(yīng)用，必將顛覆傳統(tǒng)的建造模式，從點(diǎn)到面上革新各項(xiàng)施工工藝，實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級。二是改變建筑業(yè)從業(yè)人員需求模式。智能裝備的發(fā)展與應(yīng)用，將對操作人員和管理人員的素質(zhì)及技能提出新的要求，否則將無法操作、控制智能裝備高效安全作業(yè)。三是改變傳統(tǒng)工程管理模式。智能裝備的發(fā)展與應(yīng)用，必將從流程上改變施工作業(yè)方式，這就對工程管理模式提出了新的要求，從方案審批到現(xiàn)場質(zhì)量安全管理等都將出現(xiàn)新的管理方式。四是改變傳統(tǒng)的工程監(jiān)管模式。智能裝備的發(fā)展與應(yīng)用，在改變工程管理模式的同時，也將改變工程監(jiān)管模式。隨著施工現(xiàn)場智能裝備的增多以及智能化應(yīng)用水平的提升，政府、監(jiān)理單位對于工程的監(jiān)管模式、審批模式也將產(chǎn)生變化。

結(jié)語

智能裝備是建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)智能建造的關(guān)鍵，其發(fā)展是一個系統(tǒng)工程，涉及的學(xué)科及產(chǎn)業(yè)眾多，需要各行各業(yè)的共同努力和協(xié)同創(chuàng)新。智能裝備的發(fā)展是一個持續(xù)進(jìn)步的過程，需要我們在具體落地應(yīng)用中不斷明確工程需求及其應(yīng)用效果，不斷優(yōu)化智能化算法、改進(jìn)智能化控制系統(tǒng)、完善智能化裝備性能，方可滿足日益提升和變化的工程應(yīng)用場景需求。智能裝備的發(fā)展與應(yīng)用，也將給我國建筑業(yè)帶來越來越多的驚喜，極大地改變行業(yè)的工程建造和管理模式，最終可以助力我國從工程建造大國向工程建造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。