裝配式建筑智慧建造現(xiàn)狀研究

文｜中鐵建工集團(tuán)北方工程有限公司 馬旭國

裝配式建筑是我國建設(shè)行業(yè)目前主要發(fā)展類型，在裝配過程中體現(xiàn)出較高的便捷性、技術(shù)性。隨著新興技術(shù)的發(fā)展，裝配式建筑逐步走向了智慧化。

1 裝配式建筑智慧建造現(xiàn)狀分析

1.1 行業(yè)背景

全球建設(shè)行業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)力在增長速度方面遠(yuǎn)低于制造行業(yè)，且與整體經(jīng)濟(jì)相差較多，信息化時(shí)代未到來前，建設(shè)行業(yè)在20年內(nèi)的生產(chǎn)增長率極低，且備受關(guān)注的問題為房屋質(zhì)量，實(shí)際建設(shè)時(shí)，由于沒有先進(jìn)技術(shù)作為支撐，極大程度降低建設(shè)領(lǐng)域整體數(shù)字化水平，在排名上僅高于農(nóng)業(yè)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能技術(shù)、云技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用，我國裝配式建筑呈現(xiàn)出高速發(fā)展趨勢(shì)，2020年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部對(duì)全國新開展的裝配式建造工程進(jìn)行深入研究，得到數(shù)據(jù)結(jié)果如下：總規(guī)模為6.3 億m2，相較于2019年，裝配式建筑面積增長率為50%。與此同時(shí)，我國也通過打造“1+3”標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)體系，來處理因標(biāo)準(zhǔn)化程度不高而阻礙裝配式建筑發(fā)展的問題。

現(xiàn)如今，我國依托于《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》以及生產(chǎn)體系來提高裝配式建筑比例，并獲得顯著成效，且這一建筑工程還體現(xiàn)出高效性的特點(diǎn)，尤其是2020年抗擊新冠疫情時(shí)，便采取裝配式建筑方式以及國民“云監(jiān)工”下，僅用10 天時(shí)間便完成火神山、雷神山醫(yī)院的竣工，解決特使時(shí)期收容新冠患者的難題。

1.2 現(xiàn)狀調(diào)查

為全面掌握當(dāng)前我國裝配式建筑智慧建造現(xiàn)狀，國家建設(shè)部門通過移動(dòng)端、PC端發(fā)放相關(guān)調(diào)查問卷，得到有效問卷267份，調(diào)研對(duì)象單位類型主要有建設(shè)開發(fā)單位、科研單位、政府部門、勘察設(shè)計(jì)單位等，并分別在華中、華北、華南等多個(gè)地區(qū)展開調(diào)研。匯總、整理問卷內(nèi)容得出以下調(diào)查結(jié)果：裝配式建筑智慧建造主要體現(xiàn)在三方面即標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、施工與管理、部品生產(chǎn)與管理[1]。

開展裝配式建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)時(shí)，一般會(huì)應(yīng)用BIM 技術(shù)搭建三維模型，為設(shè)計(jì)工作提供直觀依據(jù)，也有部分施工單位運(yùn)用CAD 軟件，完成項(xiàng)目施工圖紙的設(shè)計(jì)，并在智慧平臺(tái)的支撐下，展開裝配式建筑協(xié)同設(shè)計(jì)工作。該環(huán)節(jié)各工作內(nèi)容信息化應(yīng)用情況如表1所示。

表1 裝配式建筑設(shè)計(jì)階段各作業(yè)環(huán)節(jié)信息化應(yīng)用占比

通過對(duì)調(diào)查結(jié)果分析，所有信息化應(yīng)用點(diǎn)相比，占比較高的應(yīng)用點(diǎn)包括虛擬預(yù)拼裝、預(yù)制部件質(zhì)量跟蹤管理、可視化技術(shù)交底等，占比率分別為70.79%、56.55%、68.54%，但在套筒灌漿質(zhì)量信息化管理方面僅有36.33%。

裝飾環(huán)節(jié)也是調(diào)查問卷中的一項(xiàng)內(nèi)容，施工至此階段時(shí)，占比最高的信息化應(yīng)用點(diǎn)占比率為68.16%，為模塊化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、三維標(biāo)準(zhǔn)化圖集、部品族庫。

1.3 現(xiàn)狀不足

通過對(duì)上文的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析能夠看出，盡管大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)被廣泛應(yīng)用于裝配式智能建造中，促使建筑質(zhì)量得到顯著提高，并大幅提升建設(shè)效率，但在具體實(shí)踐時(shí)，所獲得的綜合成效仍與預(yù)期相差較大，其不足主要體現(xiàn)在四方面：

其一，使用預(yù)制構(gòu)件開展裝配式建筑施工時(shí)，其側(cè)面極易發(fā)生出筋現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)自動(dòng)化水準(zhǔn)；后澆帶連接后，會(huì)增加鋼筋、模板作業(yè)量，因此需組織更多勞動(dòng)力參與到施工中，且使用的構(gòu)件本身較重，增大其運(yùn)輸、吊裝難度，若在施工時(shí)，未按照正確的方式連接鋼筋，便無法保證施工整體質(zhì)量。

其二，設(shè)計(jì)預(yù)制構(gòu)件時(shí)，會(huì)借助BIM設(shè)計(jì)軟件將智慧建造的特點(diǎn)顯現(xiàn)出來，但現(xiàn)階段該軟件的運(yùn)用未做到大范圍普及，基于BIM 技術(shù)打造的深化設(shè)計(jì)軟件實(shí)際功能在裝配式建筑中體現(xiàn)的并不明顯，且不具備較高的智能化水準(zhǔn)，既增加軟件設(shè)計(jì)成本，又使市場應(yīng)用量受到影響，因此很多裝配式建筑施工仍以CAD二維設(shè)計(jì)為主。

其三，預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)效率較低。造成這一問題出現(xiàn)的原因是生產(chǎn)管理系統(tǒng)與設(shè)計(jì)軟件之間的匹配度不高，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，致使預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)精度得不到基本保障[2]。

其四，智能技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等環(huán)節(jié)的彼此銜接提出更為多元化的要求。以裝配式設(shè)計(jì)為例，施工人員不能深層次掌握裝配式技術(shù)體系，且在構(gòu)件生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)人員未能做到對(duì)預(yù)制工藝、現(xiàn)場情況的全面了解。站在智慧建造角度進(jìn)行思考，在線協(xié)同管理系統(tǒng)的應(yīng)用情況有待改善，此外，對(duì)拆分后的構(gòu)件規(guī)格與質(zhì)量進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其與標(biāo)準(zhǔn)值仍有較大差別，無法保障裝配式建筑施工安全，既不能實(shí)現(xiàn)智慧建造目的，又使裝配式建筑原有優(yōu)勢(shì)受到嚴(yán)重影響。

2 裝配式建筑智慧建造的實(shí)現(xiàn)

2.1 搭建產(chǎn)業(yè)服務(wù)信息平臺(tái)

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心技術(shù)人員借助大數(shù)據(jù)、智能化、自動(dòng)化等現(xiàn)代化技術(shù)，搭建裝配式建筑產(chǎn)業(yè)服務(wù)信息平臺(tái)，以此整合項(xiàng)目設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息，促使建筑產(chǎn)業(yè)朝著工業(yè)化、現(xiàn)代化的方向轉(zhuǎn)型。平臺(tái)的建設(shè)意味著多元化建設(shè)技術(shù)的應(yīng)用，有助于建筑行業(yè)智能建造的進(jìn)一步發(fā)展，為生成的數(shù)據(jù)信息整體安全性提供保障。發(fā)揮出智能化平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，促使多個(gè)BIM 軟件信息的實(shí)時(shí)交互，為不同環(huán)節(jié)作業(yè)同時(shí)實(shí)施打通通道，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，并在信息平臺(tái)的幫助下，展開對(duì)裝配式建筑各階段數(shù)據(jù)信息的全方位監(jiān)管，將更為優(yōu)質(zhì)性的數(shù)據(jù)服務(wù)提供給建設(shè)行業(yè)，達(dá)到裝配式建筑精細(xì)化管理目的，構(gòu)建出良性的裝配式建筑生態(tài)環(huán)境。裝配式建筑產(chǎn)業(yè)服務(wù)信息平臺(tái)可被簡化為“裝建云”，現(xiàn)如今，平臺(tái)中共研發(fā)出6 大管理系統(tǒng)、6 大數(shù)據(jù)庫、6 大應(yīng)用類系統(tǒng)，并在各系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)下，建設(shè)平臺(tái)構(gòu)架體系，主要包括數(shù)據(jù)源、交換層、業(yè)務(wù)平臺(tái)、應(yīng)用層。裝建云可實(shí)現(xiàn)行業(yè)管理與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的深度融合，在“6+6+6”綜合系統(tǒng)內(nèi)，包括行業(yè)管理與建筑全過程企業(yè)管理應(yīng)用。此外，“裝建云”的研發(fā)不需要編寫代碼，施工期間若有實(shí)際需要，可隨時(shí)變更，且該平臺(tái)各系統(tǒng)均設(shè)置多個(gè)API 接口，為系統(tǒng)間的相互集成提供方便。

2.2 結(jié)構(gòu)技術(shù)與設(shè)計(jì)軟件研發(fā)

裝配式建筑智慧建造時(shí)，需始終以工業(yè)化發(fā)展為建造目標(biāo)，以此為基礎(chǔ)，打造裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)體系，并保證該體系符合工廠自動(dòng)化需求，在技術(shù)體系的幫助下，可高質(zhì)量完成現(xiàn)場吊裝工作，此外，還需對(duì)裝配式建筑防水性能以及整體安全性能加以優(yōu)化。研發(fā)設(shè)計(jì)軟件時(shí)，需以預(yù)制混凝土全裝配（SPCS）結(jié)構(gòu)體系為依據(jù)（圖1），對(duì)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)程序進(jìn)行充分總結(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)軟件智能深化設(shè)計(jì)，并賦予該軟件預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)功能，在技術(shù)的支撐下，完成構(gòu)件生產(chǎn)加工期間全部數(shù)據(jù)的調(diào)用。

圖1 SPCS 結(jié)構(gòu)體系核心構(gòu)件示意

研發(fā)出結(jié)構(gòu)技術(shù)與設(shè)計(jì)軟件后，將其應(yīng)用于裝配式建筑施工實(shí)際中，實(shí)現(xiàn)智慧工地的建造。在此期間，還需借助IOT 技術(shù)、云技術(shù)等，而建筑施工過程中涉及到的所有現(xiàn)場環(huán)節(jié)均可在數(shù)字化平臺(tái)上遠(yuǎn)程管理，以此強(qiáng)化項(xiàng)目管理水平。還需在多類別技術(shù)的依托下，打造協(xié)同管理平臺(tái)，并將其看成數(shù)據(jù)管理中心，實(shí)現(xiàn)各類生產(chǎn)、施工數(shù)據(jù)的云端管理，而生產(chǎn)要素與勞動(dòng)力也可在平臺(tái)的幫助下達(dá)到全過程監(jiān)管的目的，主要表現(xiàn)為兩方面：

其一，結(jié)構(gòu)技術(shù)。將智慧建造作為裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系完善目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多元化現(xiàn)代技術(shù)的研發(fā)，以鋼筋焊接網(wǎng)疊合混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)為例，依托于混凝土疊合原理，借助混凝土現(xiàn)澆方法將水平疊合構(gòu)件與豎向疊合構(gòu)件整合在一起，以此發(fā)揮出此項(xiàng)工藝的作用[3]。

其二，設(shè)計(jì)軟件選擇與應(yīng)用。設(shè)計(jì)預(yù)制構(gòu)件時(shí)，傳統(tǒng)施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)對(duì)于精度的要求較高，且工程量較大，若仍通過二維設(shè)計(jì)方式開展此項(xiàng)工作，便會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量、效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對(duì)此，需開發(fā)設(shè)計(jì)軟件，發(fā)揮其自動(dòng)化特點(diǎn)，高質(zhì)量完成構(gòu)件設(shè)計(jì)與配筋出圖等工作，同時(shí)，依托于BIM 技術(shù)，將各設(shè)計(jì)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起，確保施工數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。此外，所打造的設(shè)計(jì)軟件還具有多方面功能如方案設(shè)計(jì)拆分、模型構(gòu)建、計(jì)算分析、匯總裝配式指標(biāo)等。

2.3 重視BIM 技術(shù)的合理應(yīng)用

2.3.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)

建筑智慧建造需同建筑工業(yè)化發(fā)展相融合，裝配式建筑項(xiàng)目的建設(shè)預(yù)示著我國建設(shè)行業(yè)的工業(yè)化轉(zhuǎn)型，并在智能化技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段幫助下，實(shí)現(xiàn)智慧建造與裝配式建筑的深度結(jié)合，其智慧性主要體現(xiàn)在數(shù)字化設(shè)計(jì)、智慧工地、智能施工等領(lǐng)域。依托于BIM 技術(shù)，收集各類施工現(xiàn)場勘測(cè)數(shù)據(jù)，搭建三維立體模型，以達(dá)到數(shù)字化設(shè)計(jì)的目的。

裝配式建筑設(shè)計(jì)體系中涵蓋多個(gè)系統(tǒng)如設(shè)備與管線系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)等，且每個(gè)系統(tǒng)均體現(xiàn)出較強(qiáng)的獨(dú)立性，建筑設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要對(duì)后續(xù)施工圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需完成建筑單元化拆分工作。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為保證裝配式建筑智能化設(shè)計(jì)效果，需先利用BIM 技術(shù)打造數(shù)字設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，做好建筑各專業(yè)應(yīng)用的統(tǒng)籌工作，達(dá)到集成一體化設(shè)計(jì)目的，并在BIM 技術(shù)的幫助下，打通各環(huán)節(jié)交互數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)計(jì)同智能生產(chǎn)線、工廠機(jī)器人之間的交互。

2.3.2 智能生產(chǎn)

裝配式建筑體現(xiàn)出工廠生產(chǎn)的特點(diǎn)，因此，建筑智慧建造時(shí)，可積極學(xué)習(xí)制造行業(yè)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，將傳統(tǒng)建造方式轉(zhuǎn)變?yōu)楣S生產(chǎn)現(xiàn)場裝配形式，依托于BIM 技術(shù)與IOT 技術(shù)，針對(duì)裝配式建筑項(xiàng)目生產(chǎn)環(huán)節(jié)打造智能工廠生產(chǎn)系統(tǒng)，充分發(fā)揮系統(tǒng)功能優(yōu)勢(shì)，以保證構(gòu)件生產(chǎn)整體精度。同時(shí)，技術(shù)的投入與系統(tǒng)的應(yīng)用真正意義上達(dá)到全過程智能化生產(chǎn)目的，此外，還需借助BIM 技術(shù)搭建的BIM 可視化模型，構(gòu)建生產(chǎn)管理平臺(tái)，將生產(chǎn)期間所生成的數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備中，在此基礎(chǔ)上，借助IOT 技術(shù)與設(shè)備，展開對(duì)BIM 模型構(gòu)件設(shè)計(jì)信息的全面識(shí)別，達(dá)到智能化生產(chǎn)目的[4]。

2.3.3 智慧施工

裝配式建筑智慧建造需在智能建造管理平臺(tái)的幫助下實(shí)現(xiàn)，該平臺(tái)將BIM 看作成人機(jī)交換載體，在平臺(tái)運(yùn)行過程中，依托BIM 技術(shù)開展深化設(shè)計(jì)工作，起到模擬、優(yōu)化施工方案的作用，BIM 5D 技術(shù)的合理運(yùn)用（圖2），可為智能管理平臺(tái)賦予施工安全管理、進(jìn)度管理、智能管理。充分發(fā)揮IOT 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成萬物互聯(lián)，與此同時(shí)，為裝配式建筑施工作業(yè)引進(jìn)AI 智能硬件，對(duì)現(xiàn)場施工進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，并在硬件智能化分析下，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度與方案的智能化調(diào)度。此外，在移動(dòng)設(shè)備的幫助下，將現(xiàn)場施工實(shí)際情況實(shí)時(shí)反饋給智慧建造管理平臺(tái)，達(dá)到對(duì)建筑施工動(dòng)態(tài)化管理效果。

圖2 BIM 5D 技術(shù)模型

3 結(jié)束語

信息化技術(shù)為裝配式建筑提供了有效技術(shù)支撐，在建筑施工建設(shè)過程中，要重視BIM 技術(shù)的運(yùn)用，大力研發(fā)結(jié)構(gòu)技術(shù)與設(shè)計(jì)軟件，搭建“裝建云”，達(dá)到智慧設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工效果，促進(jìn)裝配式建筑智慧化發(fā)展。