智能化建造技術(shù)的研究與探索

房霆宸

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；3. 上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心 上海 200080

經(jīng)過100年的發(fā)展，我國(guó)建筑業(yè)從早期的傳統(tǒng)建造模式逐步發(fā)展為現(xiàn)在的數(shù)字化建造模式，并逐步往智能化建造方向發(fā)展。從各大高校相繼設(shè)立智能建造專業(yè)，到各大企事業(yè)單位和研究機(jī)構(gòu)相繼成立智能建造研究所；從點(diǎn)上的智能建造技術(shù)研究與應(yīng)用，到面上的智能建造技術(shù)體系的構(gòu)建，大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、建筑機(jī)器人、3D打印、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、智慧工地、智慧運(yùn)維等智能化元素已不同程度地在各類工程中得到應(yīng)用，尤其是2020年7月，中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13個(gè)國(guó)家相關(guān)部委聯(lián)合頒發(fā)的《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》中，明確提出智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的智能建造產(chǎn)業(yè)體系，為我國(guó)的智能化建造研究、應(yīng)用與未來發(fā)展指明了方向。智能建造已成為建筑行業(yè)時(shí)代發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，也是我國(guó)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵和必然趨勢(shì)[1-4]。

1 基于大數(shù)據(jù)和智能算力算法的建造技術(shù)

智能化建造的關(guān)鍵是建立大數(shù)據(jù)庫，其核心技術(shù)是形成智能化算力算法。通過對(duì)不同建造過程應(yīng)用場(chǎng)景所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和應(yīng)用，基于大數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯形成智能算力算法和訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以應(yīng)用場(chǎng)景為載體，將大數(shù)據(jù)、智能化算力算法與建造技術(shù)、裝備進(jìn)行融合，賦予相關(guān)建造技術(shù)與裝備智能化屬性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化建造。如針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊接質(zhì)量檢測(cè)問題，可通過開發(fā)基于圖像識(shí)別技術(shù)的訓(xùn)練程序，研究深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型庫的構(gòu)架與組成，建立鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊接質(zhì)量訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫，確定鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量破壞算法公式和區(qū)間值，當(dāng)檢測(cè)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于破壞區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)認(rèn)為其不合格，可以快速檢測(cè)出不合格的預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提高成品檢測(cè)效率。

2 基于圖像識(shí)別和智能感知的建造技術(shù)

圖像識(shí)別和智能感知是一門新興的綜合性學(xué)科，該技術(shù)在建造領(lǐng)域的應(yīng)用就好比給建造過程的應(yīng)用場(chǎng)景裝上了“眼睛”和“知覺”，將極大地提高建造技術(shù)與裝備的智能化水平。圖像識(shí)別和智能感知是工程建造領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。首先，針對(duì)不同功能需求，基于計(jì)算機(jī)視覺方法和人工智能等技術(shù)，構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的深度學(xué)習(xí)模型，做好模型數(shù)據(jù)智能化降維與特征提取、模型輕量化、模型間智能關(guān)聯(lián)、智能感知賦能等專項(xiàng)技術(shù)研究，進(jìn)行不同應(yīng)用場(chǎng)景圖像識(shí)別和智能感知的算法設(shè)計(jì)和模型開發(fā)；其次，針對(duì)工程需要的不同應(yīng)用場(chǎng)景，基于圖像識(shí)別和智能感知的算法設(shè)計(jì)和模型，開展臨邊洞口安全檢查、施工過程遮擋問題、構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)、混凝土裂縫識(shí)別、人員心理和生理健康、施工機(jī)械設(shè)備、施工進(jìn)度分析等專項(xiàng)場(chǎng)景的研究與應(yīng)用。如在中山大學(xué)深圳校區(qū)工程中，可通過采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，進(jìn)行大體量土方量的精確計(jì)算，為土方的快速開挖和運(yùn)輸提供支撐。

3 基于工業(yè)互聯(lián)的智能控制技術(shù)

工程建造是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及的學(xué)科門類繁多，要實(shí)現(xiàn)智能建造，其控制系統(tǒng)的建立是關(guān)鍵。要發(fā)展智能建造，可以通過借鑒工業(yè)制造領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和理念，結(jié)合工程建造過程中的專項(xiàng)場(chǎng)景應(yīng)用，對(duì)工程建造所涉及的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行控制和管理，可以顯著提升工程建造的智能化水平。如針對(duì)基坑微變形控制，可開發(fā)基坑微變形主動(dòng)控制監(jiān)控系統(tǒng)，以土體位移、傾斜等變形量最優(yōu)為調(diào)控目標(biāo)，設(shè)立軸力主動(dòng)補(bǔ)償閾值，融入智能算法，當(dāng)軸力達(dá)到臨界值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)進(jìn)行支撐軸力的閉環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)整，解決了傳統(tǒng)支撐軸力單純以軸力理論值為調(diào)控目標(biāo)導(dǎo)致土體變形過大的問題；如針對(duì)主體結(jié)構(gòu)豎向變形監(jiān)測(cè)與主動(dòng)控制技術(shù)難題，可通過總結(jié)和明確結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及其變形補(bǔ)償算法，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值與理論預(yù)估值進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)生成優(yōu)化方案，主動(dòng)提醒施工及管理人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形補(bǔ)償，提高施工精度；如在施工質(zhì)量與安全管理工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，可對(duì)關(guān)鍵監(jiān)控部位進(jìn)行算法控制，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)超過臨界值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)采取相關(guān)措施進(jìn)行預(yù)警和質(zhì)量安全管理工作，第一時(shí)間解決安全風(fēng)險(xiǎn)，減少損失。

4 基于機(jī)器智能的建造技術(shù)

機(jī)器智能是制造業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，是建造領(lǐng)域智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)器智能在建造領(lǐng)域的應(yīng)用很多，但礙于技術(shù)現(xiàn)狀、建造成本和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等綜合因素，目前機(jī)器智能在建造領(lǐng)域以點(diǎn)上應(yīng)用為多，面上和成體系的應(yīng)用較少。從實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來看，其在作業(yè)人員不方便到達(dá)的區(qū)域、作業(yè)環(huán)境惡劣區(qū)域、危險(xiǎn)工況區(qū)域等場(chǎng)景中的應(yīng)用較成功。如上海中心大廈工程中，在300 m高空應(yīng)用了焊接機(jī)器人技術(shù)，在逾300 m2地下冷凍機(jī)房機(jī)電運(yùn)維中應(yīng)用了智能巡檢機(jī)器人，為超高空焊接和作業(yè)環(huán)境惡劣區(qū)域的施工提供了新方法；在國(guó)家會(huì)展中心場(chǎng)館功能提升工程中，應(yīng)用了智能遙控機(jī)器人安裝車，微調(diào)精度達(dá)到±0.5 mm。

5 三維打印建造技術(shù)

3D打印建筑是今年新興的一項(xiàng)建造技術(shù)，其打印系統(tǒng)主要由混凝土輸料系統(tǒng)、混凝土布料系統(tǒng)和打印路徑控制系統(tǒng)組成，打印建造時(shí)通過計(jì)算機(jī)程序驅(qū)動(dòng)機(jī)器打印建造。3D打印技術(shù)對(duì)于建造領(lǐng)域的發(fā)展是一項(xiàng)變革性的技術(shù)，3D打印建造技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型特異、個(gè)性定制要求高的建筑具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。如上海迪士尼度假區(qū)工程，在各類復(fù)雜飾面工程、裝飾部品等施工和制作過程中，應(yīng)用3D打印技術(shù)，很好地解決了復(fù)雜預(yù)制構(gòu)件和裝飾部品快速高質(zhì)施工的難題；在廣東河源龍川縣2層高3D打印精裝別墅工程中，實(shí)現(xiàn)了墻體與室內(nèi)裝飾一體化打印，通過1 d打印、3 d安裝，實(shí)現(xiàn)了快速高效建造；在迪拜“未來博物館”的3D打印辦公指揮總部工程中，探索了3D打印綠色環(huán)保建造方式。3D打印技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高建造效率具有顯著優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)在建造成本、工程質(zhì)量方面還存在很多問題，其主要原因是打印設(shè)備和打印成本較高、建筑材料達(dá)不到高品質(zhì)建造的要求、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范依據(jù)不足等[5-6]。

6 結(jié)語

智能建造是一門綜合性學(xué)科，對(duì)制造技術(shù)和信息化控制技術(shù)要求比較高，不僅需要開展專項(xiàng)技術(shù)和裝備研發(fā)，也需要信息化控制技術(shù)與大數(shù)據(jù)、智能化算力算法的融合，打造智能建造的大腦，賦予建造技術(shù)與裝備智能化屬性。為實(shí)現(xiàn)智能建造長(zhǎng)期的持續(xù)發(fā)展，須加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、加快標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相關(guān)政策的制定，從具體場(chǎng)景的研究和應(yīng)用入手，在解決實(shí)際工程問題中實(shí)現(xiàn)工程建造技術(shù)的智能化升級(jí)。