中國人民大學(xué)通州校區(qū)學(xué)部樓項(xiàng)目智能建造技術(shù)

王俊鵬，劉俊杰，張 裕，劉占省，羅安家，衛(wèi)紅然

(1.中鐵建工集團(tuán)有限公司，北京 100160； 2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

0 引言

目前建筑行業(yè)信息化程度較低，生產(chǎn)方式較落后，資源利用率較低，機(jī)械設(shè)備利用率不高，建筑工人文化素養(yǎng)偏低、年齡偏高、專業(yè)化程度較低，建筑產(chǎn)業(yè)與信息化、智能化制造技術(shù)融合水平較低[1]，在智能建造領(lǐng)域發(fā)展較慢。

土木建筑行業(yè)應(yīng)用智能化與數(shù)字化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。智能建造技術(shù)結(jié)合新興技術(shù)能有效提高建筑行業(yè)的智能化程度，推動(dòng)建筑行業(yè)升級轉(zhuǎn)型，進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展模式[2]。劉占省等[3]對國內(nèi)外智能建造技術(shù)做相應(yīng)總結(jié)，同時(shí)歸納國內(nèi)相關(guān)政策法規(guī)對智能建造發(fā)展的支持，為我國智能建造發(fā)展方向提供正確指引。蔣小銳等[4]實(shí)現(xiàn)了智能建造技術(shù)在大跨地下車站中的應(yīng)用，搭建基于BIM的信息一體化統(tǒng)一平臺，可實(shí)現(xiàn)三維集成設(shè)計(jì)，同時(shí)在項(xiàng)目智能施工、智能監(jiān)測等方面做相應(yīng)探討和研究總結(jié)。王可飛等[5]結(jié)合當(dāng)前時(shí)代背景與信息技術(shù)，總結(jié)智能建造的相應(yīng)技術(shù)，并提出以BIM為中心的智能化技術(shù)在鐵路工程項(xiàng)目建設(shè)全生命周期中的應(yīng)用。本文結(jié)合各位專家學(xué)者的研究成果，以中國人民大學(xué)通州校區(qū)學(xué)部樓為例，結(jié)合BIM+智能化技術(shù)，助力整個(gè)項(xiàng)目施工階段的智能化升級[6]。

1 工程概況

中國人民大學(xué)通州校區(qū)學(xué)部樓項(xiàng)目位于北京城市副中心0902街區(qū)6011地塊，包含學(xué)部樓基礎(chǔ)工程、結(jié)構(gòu)工程、給排水工程及相應(yīng)裝飾裝修工程(見圖1)?？偨ㄖ娣e30 540m2，其中地上建筑面積15 540m2，地下建筑面積15 000m2，項(xiàng)目總計(jì)劃工期628d。

圖1 項(xiàng)目效果

2 項(xiàng)目重難點(diǎn)

1)本工程建筑面積92 030m2，有效工期僅1.5年，存在工期緊、施工質(zhì)量與安全文明施工要求高、可用于施工的場地非常有限、立體交叉作業(yè)多、管理協(xié)調(diào)難度大、分部分項(xiàng)工程較多等難題。且因疫情影響，多次配合政府停工進(jìn)行現(xiàn)場封控，在工期緊張的情況下加大工程進(jìn)度壓力。

2)基坑西側(cè)、南側(cè)鄰近綜合管廊，開挖深度達(dá)12.03m，屬深基坑工程，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，深基坑開挖難度大，安全要求高。且施工場地狹小，現(xiàn)場部分區(qū)域無施工道路，通行受限，存在較多交叉施工工序，多個(gè)工序無法同時(shí)進(jìn)行，部分施工區(qū)域不具備施工條件，影響施工進(jìn)度，易延誤工期。同時(shí)，開挖深基坑時(shí)，會影響周圍土體，引起不均勻沉降。

3)本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地上主體為鋼框架結(jié)構(gòu)，地下采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。地上部分包含5棟單體，地下3層為整體地下室。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括焊接箱形鋼柱、焊接H型鋼梁等，存在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)施工復(fù)雜、外墻集水坑鋼筋密集、安裝效率低、安裝精度不高等問題，且實(shí)施方案選擇不準(zhǔn)確，無法給后期施工提供準(zhǔn)確依據(jù)。

4)地下2層除停車庫外，還有配電室、機(jī)房等設(shè)備專用房，機(jī)電管線量大，其中大多處于走廊位置，走廊未安裝吊頂，寬度最小處僅1.7m，管線布置復(fù)雜，空間凈高壓力大。

5)該校區(qū)地處北京城市副中心，為響應(yīng)北京市副中心“十四五規(guī)劃”和“2035遠(yuǎn)景目標(biāo)”綱要中關(guān)于打造數(shù)字孿生城市的要求，需推廣智能建造技術(shù)，提高建設(shè)智能化程度。

3 智能建造技術(shù)內(nèi)涵

3.1 智能建造技術(shù)概述

智能建造技術(shù)是信息數(shù)字化技術(shù)結(jié)合項(xiàng)目建造形成的新型建造模式，基于項(xiàng)目要素資源的信息化與數(shù)字化內(nèi)容，采用標(biāo)準(zhǔn)化建立模型、可視化交互認(rèn)知、精確化計(jì)算分析及智能化決策，在數(shù)字化鏈條驅(qū)動(dòng)中進(jìn)行立項(xiàng)規(guī)劃、施工建造、運(yùn)維服務(wù)于一體的整合與高度協(xié)同集成[7]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保。因此，智能建造施工通過對建筑項(xiàng)目整個(gè)過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模，在數(shù)字鏈驅(qū)動(dòng)過程中完成建筑工程全生命周期的建造與服務(wù)模式，以提升建造過程和資源利用效率，交出高性價(jià)比的工程產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)建筑工程項(xiàng)目全生命周期集成和可持續(xù)建造。

3.2 智能建造技術(shù)特點(diǎn)

在節(jié)能減排大背景下，從可持續(xù)發(fā)展角度來看，工程建造產(chǎn)品要融入生態(tài)環(huán)境保護(hù)中。通過智能建造模式，一定程度上提高項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工管理及智慧運(yùn)維運(yùn)用中的資源利用率，同時(shí)提高工作效率，該全生命周期管理模式使工程資源價(jià)值得到充分利用與實(shí)現(xiàn)，最大程度減少對環(huán)境的危害。智能建造利用BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程建造全過程、各要素間及各主體間的信息集合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理模式[8]。

4 BIM+在施工中的應(yīng)用

4.1 BIM+AR技術(shù)

該工程開發(fā)了以AR技術(shù)為基礎(chǔ)的可視化平臺。BIM模型建成后，導(dǎo)入U(xiǎn)NITY 3D中進(jìn)行加工、處理，流程如圖2所示。利用AR軟件對關(guān)鍵部位進(jìn)行可視化交底，將三維模型以虛擬現(xiàn)實(shí)狀態(tài)呈現(xiàn)給技術(shù)與施工人員，進(jìn)行沉浸式施工交底。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對施工人員進(jìn)行場景體驗(yàn)檢查和安全培訓(xùn)。每個(gè)施工人員可通過手機(jī)AR程序進(jìn)行及時(shí)傳達(dá)，并可看到組裝物件的虛擬正確位置，保證施工質(zhì)量。

圖2 BIM+AR技術(shù)流程

4.2 BIM+MR技術(shù)

在項(xiàng)目中融合BIM與MR技術(shù)，采用HoloLens設(shè)備，通過智能手機(jī)、平板等展示三維模型，可輔助設(shè)計(jì)人員討論復(fù)雜節(jié)點(diǎn)與精確構(gòu)件的深化細(xì)節(jié)，提高模擬真實(shí)性。將建筑項(xiàng)目相關(guān)信息整合到虛擬模型場景中，實(shí)現(xiàn)模型多種維度下的信息聯(lián)合，可同時(shí)進(jìn)行可視化交底指導(dǎo)。施工前，將整個(gè)施工過程輸入計(jì)算機(jī)軟件中，進(jìn)行三維數(shù)字化模擬，便于施工人員了解現(xiàn)場施工環(huán)境及流程，同時(shí)規(guī)避相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 BIM+3D打印技術(shù)

結(jié)合BIM與3D打印技術(shù)，如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的打印模擬演示。在BIM建模軟件中，Revit軟件可實(shí)現(xiàn)任意構(gòu)件的三維演示，需重點(diǎn)分析鋼結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件及連接的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，以及根據(jù)BIM模型施工的節(jié)點(diǎn)拼裝焊接，通過三維動(dòng)畫圖，便于后期施工交底。拆分BIM模型得到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件參數(shù)信息后，利用3D打印機(jī)打印等比例構(gòu)件，結(jié)合BIM模型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)處理構(gòu)件，組合完成鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)要求。本項(xiàng)目利用2項(xiàng)技術(shù)打印出相應(yīng)構(gòu)件模型，如圖4所示，能有效降低施工難度，提升建筑物結(jié)構(gòu)合理性，施工人員也可了解施工流程，有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 BIM與3D打印融合機(jī)理

圖4 3D打印模型

5 智能技術(shù)應(yīng)用

5.1 航拍點(diǎn)云掃描技術(shù)應(yīng)用

利用無人機(jī)搭載的點(diǎn)云掃描技術(shù)在地形地貌勘測中具有高精度、可視化等特點(diǎn)，可同時(shí)獲得較大的數(shù)據(jù)量，更加完整地掃描一塊地形。本項(xiàng)目使用無人機(jī)對場地表面進(jìn)行尋跡航拍后，將航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行三維處理，得到三維地形表皮模型，并導(dǎo)入Civil 3D及GIS軟件中分析高程坐標(biāo)，形成DEM高程模型文件，以提供更準(zhǔn)確的場地情況，同時(shí)將場地模型文件結(jié)合BIM技術(shù)，合理布置施工場地，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的施工材料運(yùn)輸路徑規(guī)劃。項(xiàng)目管理人員也可定期掌握整個(gè)施工場地現(xiàn)場情況，提高施工效率。

5.2 施工質(zhì)量檢測智能機(jī)器人應(yīng)用

1)結(jié)構(gòu)腐蝕檢測

本項(xiàng)目采用空中飛行智能機(jī)器人檢測鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況，機(jī)器人通過掃描混凝土或鋼結(jié)構(gòu)外觀進(jìn)行檢測，因此，利用智能機(jī)器人可取代質(zhì)量檢查員檢測鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況，為智能檢測提供硬件基礎(chǔ)，在檢測作業(yè)中，利用該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測，并智能化識別缺陷位置、種類，有效降低人工質(zhì)量檢測存在的誤差，降低安全隱患，提高檢測全面性、準(zhǔn)確性，降低檢測人工成本，提高作業(yè)效率及檢測智能化程度。同時(shí)基于云計(jì)算，提高數(shù)據(jù)訪問能力，并整合數(shù)據(jù)，避免重復(fù)計(jì)算[9]。

2)放樣定位

施工人員通過放樣機(jī)器人結(jié)合建筑物BIM模型，采集、整理現(xiàn)場定位點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過操作平臺選取BIM模型中所需的放樣點(diǎn)，進(jìn)而指揮機(jī)器人發(fā)射紅外激光自動(dòng)照準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)點(diǎn)位，將現(xiàn)場實(shí)體對應(yīng)BIM虛擬模型。在樁基點(diǎn)和地腳螺栓定位時(shí)進(jìn)行控制點(diǎn)定位并測量相應(yīng)地形，同時(shí)校核鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量。在機(jī)電管道安裝施工中，放樣機(jī)器人可協(xié)助設(shè)備支架安裝定位，提高安裝精度。

3)空間尺寸校核

本項(xiàng)目采用實(shí)測實(shí)量機(jī)器人測量室內(nèi)建筑墻體平整度、垂直度，全墻數(shù)據(jù)無死角，一鍵式生成數(shù)據(jù)表格，可實(shí)現(xiàn)實(shí)測實(shí)量、快速上墻的目的，自動(dòng)匯總數(shù)據(jù)信息，一鍵統(tǒng)計(jì)墻體垂直度和平整度的合格率，為控制工程質(zhì)量做好基礎(chǔ)。

5.3 基于數(shù)字孿生的綠色施工管理

在雙碳戰(zhàn)略背景下，建筑業(yè)引入綠色施工，利用基于數(shù)字孿生的綠色施工管理技術(shù)，從環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約利用、節(jié)能角度介紹智能技術(shù)的應(yīng)用[10]。

5.3.1綠色智慧管理平臺

基于數(shù)字孿生的綠色智慧管理平臺，通過現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測設(shè)備及BIM智慧管理平臺，可精確監(jiān)控溫濕度、PM2.5、PM10、噪聲、揚(yáng)塵等環(huán)境指標(biāo)，一旦指標(biāo)超過規(guī)定監(jiān)測范圍，平臺將自動(dòng)提醒。同時(shí)與智能噴淋聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行噴淋工作，實(shí)現(xiàn)綠色文明施工。

5.3.2資源節(jié)約利用

在項(xiàng)目材料管理中，利用數(shù)字孿生技術(shù)控制成本與進(jìn)度的同時(shí)，利用BIM合理規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)工程量，避免材料浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)材與材料資源利用。根據(jù)工程進(jìn)度規(guī)劃，可合理安排材料進(jìn)場，降低存貨。對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行模擬，可避免由于返工造成的浪費(fèi)，如圖5所示。根據(jù)現(xiàn)場臨時(shí)用水量，可合理制定管徑、管路，同時(shí)，利用BIM模型模擬管線走向，進(jìn)行合理排布。通過智能物聯(lián)網(wǎng)水表管控現(xiàn)場用水量，實(shí)現(xiàn)智能工地雨水回收及屋面噴水降溫控制。

圖5 節(jié)材與資源利用

5.3.3節(jié)能與能源利用

基于數(shù)字孿生技術(shù)分析水能循環(huán)、風(fēng)能流動(dòng)、自然光能照射等性能，模擬建筑物光照情況、風(fēng)環(huán)境等，可合理布局場地及建筑。同時(shí)，利用智能化監(jiān)測電表實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場用電量。監(jiān)控能源消耗，自動(dòng)分析能源使用情況并生成報(bào)告，對建筑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

6 結(jié)語

我國智能建造技術(shù)發(fā)展速度較緩慢，且起步較晚，目前處于探索和萌芽階段，與發(fā)達(dá)國家存在一定差距。本項(xiàng)目依據(jù)相應(yīng)工程經(jīng)驗(yàn)，對BIM+技術(shù)、三維掃描技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等應(yīng)用進(jìn)行介紹，分析技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用模式與方法。但智能建造技術(shù)的應(yīng)用種類還有所欠缺，如數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用也相對較少，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用也不成熟，未來要更好地整合智能建造技術(shù)，助力建筑業(yè)智能化升級。