智能建造在土木工程施工中的應(yīng)用

任方正

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 信陽 464007）

1 引言

我國目前正處在社會主義現(xiàn)代化建設(shè)階段，社會和經(jīng)濟(jì)都在向高質(zhì)量發(fā)展邁進(jìn)，為了滿足國家戰(zhàn)略目標(biāo)的發(fā)展需求，各種產(chǎn)業(yè)都要進(jìn)行自主創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)升級，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。土木工程是社會基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工業(yè)建筑等發(fā)展的基礎(chǔ)，促進(jìn)其高質(zhì)量發(fā)展是必然要求。智能建造是多種科學(xué)技術(shù)結(jié)合在一起的綜合體，其中包括BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、3D 掃描等先進(jìn)技術(shù)，如果能將智能建造有效地運(yùn)用到土木工程中，將會促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)升級、推動(dòng)社會基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展、提高工程效率和質(zhì)量，并為其帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

2 土木工程與智能建造發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 土木工程發(fā)展現(xiàn)狀

土木工程是諸多建造類技術(shù)的總稱。它包括所使用的材料、設(shè)備和運(yùn)用的地形勘測、建造設(shè)計(jì)、項(xiàng)目施工、建筑保養(yǎng)、設(shè)施維修等技術(shù)。土木工程的建設(shè)對象是為人類生活、生產(chǎn)服務(wù)的各種工程設(shè)施，如住房、交通、工廠、航空、軍工等，可見，土木工程與生活密切相關(guān)，對社會的發(fā)展至關(guān)重要。隨著我國建設(shè)現(xiàn)代化工業(yè)強(qiáng)國和社會經(jīng)濟(jì)向高質(zhì)量轉(zhuǎn)型的步伐加快，傳統(tǒng)土木工程顯露出了諸多問題。

2.1.1 資源消耗大土木工程大多涉及大型工程項(xiàng)目，對資源的需求量極大，隨著全球能源危機(jī)的逐步逼近，這個(gè)問題也越來越突出。另外，我國實(shí)行可持續(xù)發(fā)展理念，迫使土木工程進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級、技術(shù)創(chuàng)新，尋找新的技術(shù)和發(fā)展機(jī)遇。

2.1.2 勘測技術(shù)落后

以往的傳統(tǒng)勘測技術(shù)需要人力進(jìn)行實(shí)地考察，設(shè)備比較沉重。如果是對復(fù)雜地形的勘測，則需要消耗勘測人員大量的時(shí)間和精力，而且勘測起來十分困難，必須經(jīng)過多次勘測校準(zhǔn)。另外，以往的勘測技術(shù)數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析通常是分開進(jìn)行的，數(shù)據(jù)收集是在勘測所在地進(jìn)行，而數(shù)據(jù)分析則是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，這也會在一定程度上耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力資源。因此，尋求勘測技術(shù)的新突破非常重要。

2.1.3 工程規(guī)劃難以適應(yīng)新時(shí)期需要

以往的工程規(guī)劃往往只注重最終結(jié)果，很多工程為了追求經(jīng)濟(jì)效益而忽視生態(tài)環(huán)境，而現(xiàn)在我國實(shí)行了“綠水青山就是金山銀山”“寧要綠水青山，不要金山銀山”的綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，要求工程規(guī)劃的施工過程和工程規(guī)劃結(jié)果同等重要。因此，工程規(guī)劃必須在不破壞原有生態(tài)環(huán)境的前提下進(jìn)行。

2.1.4 工程設(shè)計(jì)方式需要?jiǎng)?chuàng)新

土木工程設(shè)計(jì)工作量非常大，傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)僅依靠人工完成，難免會出現(xiàn)紕漏，如果能夠利用先進(jìn)的科技手段輔助校準(zhǔn)，就可以大大節(jié)約設(shè)計(jì)人員的時(shí)間和精力，提高設(shè)計(jì)的精度和準(zhǔn)確性。

2.1.5 工程效率低、周期長

隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的提高和我國工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，土木工程的施工規(guī)模日益龐大，施工類型越來越復(fù)雜。如果一直堅(jiān)持采用傳統(tǒng)的施工方法，則會導(dǎo)致施工效率低下，而且項(xiàng)目竣工所需要的時(shí)間也很長，很難與社會快速發(fā)展的需要相適應(yīng)。

2.2 智能建造發(fā)展現(xiàn)狀

智能建造是面向國家的戰(zhàn)略需求和建筑業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，能夠掌握與計(jì)算機(jī)相關(guān)的開發(fā)語言，又能利用現(xiàn)代化手段進(jìn)行智能測繪、智能設(shè)計(jì)、智能施工、智能運(yùn)維管理等的新型技術(shù)。目前，智能建造這一類專業(yè)技術(shù)正在迅速發(fā)展之中，這將成為土木工程行業(yè)歷史性變革的新技術(shù)革命，為土木工程提供全新的發(fā)展機(jī)遇。隨著BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、3D 掃描等先進(jìn)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，一個(gè)全新的智能化建造時(shí)代將對城市建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。另外，我國對于智能建造技術(shù)的發(fā)展非常重視，出臺了很多相關(guān)規(guī)定予以大力支持。

3 智能建造的特點(diǎn)

智能建造可運(yùn)用在土木工程的范圍很廣，它貫穿整個(gè)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到建筑最終使用壽命的全過程。它是在土木工程建造的基礎(chǔ)之上，加以現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)支撐，其技術(shù)涵蓋了BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、3D 掃描等，通過智能化管理模式對整個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析、控制，從而實(shí)現(xiàn)土木工程產(chǎn)業(yè)的智能化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化以及高效率、高質(zhì)量完成。

3.1 對工程項(xiàng)目全方位監(jiān)測

全方位監(jiān)測就是利用各種傳感器、監(jiān)測設(shè)備收集工程項(xiàng)目所涉及的建設(shè)材料、建設(shè)進(jìn)度、危害因素等信息和數(shù)據(jù)，再利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析設(shè)備進(jìn)行分析。智能建造對工程項(xiàng)目的全方位監(jiān)測能使項(xiàng)目管理人員和技術(shù)人員實(shí)時(shí)獲取相關(guān)建造信息，從而實(shí)現(xiàn)對建造過程每一環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)監(jiān)測。

3.2 實(shí)時(shí)分析控制

實(shí)時(shí)分析控制就是利用對工程項(xiàng)目全方位監(jiān)測所收集到的信息、數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并實(shí)施或提供控制方案。將分析結(jié)果與AI 技術(shù)相結(jié)合，自動(dòng)識別行業(yè)建造標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，從而實(shí)現(xiàn)對工程項(xiàng)目的控制，可以節(jié)省管理人員和技術(shù)人員大量的時(shí)間和精力。

3.3 智能化自動(dòng)優(yōu)化

智能化自動(dòng)優(yōu)化使智能建造具備類似人的“學(xué)習(xí)”能力。通過提取自身過去的“經(jīng)驗(yàn)”，即對以往儲存數(shù)據(jù)信息的提取，將其作為參照，與現(xiàn)階段收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對比，對存在的問題進(jìn)行優(yōu)化并儲存，在工程項(xiàng)目的改進(jìn)方面大大解放了技術(shù)人員。

4 智能建造的應(yīng)用

智能建造技術(shù)種類很多，本文主要介紹BIM技術(shù)、GIS 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)和3D 掃描技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用。

4.1 BIM 技術(shù)應(yīng)用

BIM 技術(shù)應(yīng)用即建筑信息模型，是將現(xiàn)實(shí)中的工程項(xiàng)目及設(shè)施建設(shè)轉(zhuǎn)化成數(shù)字化的表現(xiàn)形式，其通過三維模型的形式呈現(xiàn)整個(gè)工程項(xiàng)目和設(shè)施，使技術(shù)人員能以宏觀的視角對工程進(jìn)行觀測。另外，BIM 技術(shù)在將工程項(xiàng)目數(shù)字化并以三維模式呈現(xiàn)的同時(shí)，還會建立起有關(guān)整個(gè)工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)庫，技術(shù)人員可通過此技術(shù)查看項(xiàng)目施工過中的任一環(huán)節(jié)，幫助技術(shù)人員了解、預(yù)測可能出現(xiàn)的問題。它是智能建造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。

4.2 GIS 技術(shù)應(yīng)用

GIS 是地理信息系統(tǒng)的縮寫。GIS 技術(shù)以地理的空間結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用地理模型分析的方法，可提供工程項(xiàng)目環(huán)境中的地形、線路、其他建筑物等地理信息，其工作是實(shí)時(shí)的，動(dòng)態(tài)的，并通過空間分析等手段對空間地理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其應(yīng)用范圍，如可將GIS 技術(shù)與BIM 技術(shù)所建立的工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，通過對三維模型展現(xiàn)的地理空間信息進(jìn)行分析，幫助BIM 更好地完成三維模型，為工程管理人員和技術(shù)人員提供更優(yōu)質(zhì)的施工地點(diǎn)方案。另外，GIS 技術(shù)對于可能發(fā)生自然災(zāi)害的施工環(huán)境、存在危險(xiǎn)因素的地下工程項(xiàng)目有著重要作用，可進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、災(zāi)情動(dòng)態(tài)監(jiān)測、災(zāi)害誘發(fā)因素分析、災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測、災(zāi)害評估等。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)借助信息傳感設(shè)備將物體與網(wǎng)絡(luò)相連接進(jìn)行信息交換和通信，可實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)管等功能。

（1）在人員管理方面，將工作人員的穿戴設(shè)備注冊聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入項(xiàng)目管理系統(tǒng)，對員工的身份進(jìn)行識別管理，并對危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警等。（2）在施工設(shè)備方面，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以遠(yuǎn)程操控，對可能出現(xiàn)的問題及時(shí)發(fā)出預(yù)警。（3）在施工環(huán)境管理方面，可以起到風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測作用，對存在的職業(yè)病危害因素、環(huán)保等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)預(yù)警，降低危害。（4）在施工質(zhì)量調(diào)控方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，如鋼材強(qiáng)度、混凝土調(diào)配比例密度等，將其與國標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制質(zhì)量。

4.4 人工智能技術(shù)應(yīng)用

人工智能技術(shù)利用智能化的數(shù)據(jù)計(jì)算分析，通過信息技術(shù)人員設(shè)定好的算法，對工程項(xiàng)目進(jìn)行智能監(jiān)控、優(yōu)化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題并提供解決方案。人工智能技術(shù)可與BIM、GIS 等技術(shù)相結(jié)合，在工程管理人員和技術(shù)人員設(shè)計(jì)好項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃后，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，通過BIM 三維模型展現(xiàn)對項(xiàng)目進(jìn)行模擬；人工智能技術(shù)在BIM 存儲數(shù)據(jù)和GIS 分析數(shù)據(jù)上進(jìn)行模擬分析，并對施工環(huán)節(jié)以及項(xiàng)目的可行性進(jìn)行檢測，提供相關(guān)建議、方案，從而優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)，節(jié)省工作人員的大量時(shí)間和精力，避免資源浪費(fèi)和工程出現(xiàn)問題。在質(zhì)量管理方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相似，人工智能技術(shù)在其對設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測基礎(chǔ)上，通過各種數(shù)據(jù)分析、參數(shù)對比控制質(zhì)量，并自動(dòng)化、智能化地針對問題進(jìn)行改進(jìn)、操作，在一定程度上代替人的工作。在工程預(yù)算方面，人工智能技術(shù)可以通過對項(xiàng)目施工的模擬，計(jì)算出所要消耗的資源量，結(jié)合施工成本人工費(fèi)用，為項(xiàng)目竣工的總價(jià)提供參考。

4.5 3D 掃描技術(shù)應(yīng)用

3D 掃描技術(shù)可利用儀器、軟件對物體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位掃描，并將其數(shù)字化轉(zhuǎn)變，以三維模型的形式展示社會生活中諸多方面物體。3D 掃描技術(shù)具有非接觸性、精度高、測量速度快、能夠?qū)ξ矬w內(nèi)部進(jìn)行勘探等特點(diǎn)。3D 掃描技術(shù)可用于土木工程中的質(zhì)量檢測、工程設(shè)計(jì)、進(jìn)度監(jiān)控等方面，可大大提高工程的施工效率。

在工程設(shè)計(jì)方面，3D 掃描技術(shù)可對之前通過BIM 技術(shù)建立的數(shù)據(jù)庫三維模型進(jìn)行進(jìn)一步修正，在此基礎(chǔ)上，對建造物體的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，使模擬數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，減少誤差。通過3D 掃描技術(shù)，可使技術(shù)人員對環(huán)境和建造物的內(nèi)部情況更加了解，從而使設(shè)計(jì)更加科學(xué)、完善。3D 掃描技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)性工程設(shè)計(jì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，幫助設(shè)計(jì)人員修改工程設(shè)計(jì)。例如，在隧道工程建設(shè)中，通過3D 掃描技術(shù)可對土層、巖層和地下水系進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)土層、巖層的變形情況，以便及時(shí)對施工設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整；對于地下水系水位的及時(shí)監(jiān)測可避免在施工過程中與地下水系聯(lián)通，造成施工中斷。

在工程質(zhì)量檢測方面，通過對施工現(xiàn)場進(jìn)行3D 掃描，將所得到的數(shù)據(jù)模型與工程設(shè)計(jì)時(shí)的BIM 模型進(jìn)行對比，從而檢測出實(shí)際施工與設(shè)計(jì)擬定施工結(jié)果的誤差，對誤差及時(shí)作出調(diào)整，提高工程質(zhì)量。3D 掃描技術(shù)可以對工程進(jìn)行瑕疵檢測，如建筑內(nèi)部的氣泡、裂痕，外部的保護(hù)層脫落情況，根據(jù)物質(zhì)密度準(zhǔn)確分析出存在的問題，方便工作人員及時(shí)更新維護(hù)。

另外，3D 掃描技術(shù)還可以對工程進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)查看工程進(jìn)展情況，讓施工人員從宏觀角度來審視整個(gè)施工項(xiàng)目，有助于工作人員控制施工進(jìn)度。3D 掃描技術(shù)獲取建筑數(shù)字化模型數(shù)據(jù)和建模速度非?？?，能夠時(shí)時(shí)刻刻對施工現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、模擬呈現(xiàn)，可與BIM、GIS 技術(shù)模型對比，使工作人員能夠借此分析施工情況以及下一施工環(huán)節(jié)的實(shí)施；3D 掃描技術(shù)也可與BIM 技術(shù)、人工智能技術(shù)相結(jié)，將工程分成多個(gè)詳細(xì)的施工步驟，并計(jì)算所需資源用量，為工作人員提供施工參考和思路，可以節(jié)省大量的人力、物力和時(shí)間。

5 結(jié)語

隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，未來將會面對許多重大工程，智能建造技術(shù)將會在土木工程中得到全面應(yīng)用。如今，智能化社會的發(fā)展建設(shè)正在加快，從智能建造的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用優(yōu)勢中不難發(fā)現(xiàn)，智能建造技術(shù)的應(yīng)用可使土木工程取得技術(shù)性的進(jìn)步、創(chuàng)新更多的建設(shè)方式，在保證工程高質(zhì)量、高效率完成的前提下，為土木工程的發(fā)展提供無限可能。