數(shù)字技術助力建筑施工路徑探索

摘要：數(shù)字技術對建筑行業(yè)產(chǎn)生的影響愈加深遠，當前在建筑施工領域中的數(shù)字技術應用，已經(jīng)從計算機輔助繪圖發(fā)展到計算機輔助設計及分析階段。多年以來，伴隨著建筑信息模型及建筑工程生命周期管理的概念提出，我國建筑行業(yè)面臨著技術轉型。數(shù)字技術對于建筑施工的應用，從方案設計到施工圖紙設計，再到設計施工貫穿到建筑建成的整個過程?；诖?，本文從行業(yè)發(fā)展歷程出發(fā)，對當前所應用程度進行分析、總結，希望能夠為未來建筑行業(yè)的發(fā)展提供助力。

關鍵詞：數(shù)字技術；建筑施工

自20世紀60年代開始，數(shù)字技術逐漸滲透到建筑施工領域當中，為當今建筑行業(yè)帶來意想不到的能量。不論是設計理念還是審美表達，都在數(shù)字技術的革新下走入轉型軌道當中。然而部分西方傳統(tǒng)理論者對于數(shù)字技術助推建筑施工的意識程度還不夠高，并對數(shù)字技術介入到建筑施工中抱著悲觀的態(tài)度，其認為非物質(zhì)性的數(shù)字技術與物質(zhì)性的建筑之間存在著明顯的對立關系。但是時至今日，我們能夠看到數(shù)字與建筑并非真正對立，而是彼此相融，數(shù)字時代下建筑施工的特征已經(jīng)逐漸形成，并且持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

一、數(shù)字技術助力建筑行業(yè)歷程

數(shù)字技術助力建筑行業(yè)，在最早期是以計算機作為輔助的，其中牽涉較廣，包含計算機科學、建筑科學、人工智能等多個領域。建筑行業(yè)的發(fā)展伴隨著計算機技術的持續(xù)進步，同時也助推著數(shù)字技術的多個分支在建筑行業(yè)中的應用。

20世紀中葉，人類史上第一臺計算機問世，標志著數(shù)字技術時代開始。在1958年，有人初次裝置一臺電子計算機并將其用于建筑設計之中，這也是數(shù)字技術助力建筑行業(yè)的開端。

20世紀60年代，是數(shù)字技術在建筑行業(yè)應用的起步階段，是人們逐漸探索的過程。1963年，美國一位博士生發(fā)表的學術論文，首次采用計算機的圖形終端，實現(xiàn)用光筆繪制、修改圖形并控制圖形的縮放，此項工作的完成被認為是計算機在圖形學方面的開創(chuàng)性路程，為后續(xù)數(shù)字技術輔助各行各業(yè)的發(fā)展奠定理論基礎。與此同時，還出現(xiàn)CCAD系統(tǒng)，是以刷新式顯示器為基礎的輔助繪圖系統(tǒng)，其中包含的數(shù)據(jù)庫及軟件，還相對比較原始，功能較為有限。

20世紀70年代，CCAD技術已經(jīng)得到跨越式發(fā)展，此時系統(tǒng)已經(jīng)較為專業(yè)，但還是以二維為主，采用傳統(tǒng)的平面圖、立面圖、剖面圖來傳達建筑設計，并以圖紙為依據(jù)進行技術交流。在1978年，美國一位教授出版的《計算機輔助建筑設計》中，系統(tǒng)的總結CCAD的發(fā)展成果，并較為全面的介紹CCAD技術理論、研究內(nèi)容及開發(fā)理論等，為數(shù)字技術助力建筑行業(yè)奠定基礎。

二、數(shù)字技術助力建筑施工的特性

（一）自動化施工監(jiān)管

數(shù)字技術時代的建筑施工已經(jīng)不再是工人手持圖紙及對講機進行監(jiān)測的時代，而是通過數(shù)字模型來掌控施工現(xiàn)場，其中包含數(shù)字化系統(tǒng)的應用，目前使用范圍較廣的是CATIA系統(tǒng)以及BIM系統(tǒng)。

CATIA系統(tǒng)源于自法國，起初是一個飛機公司的工程軟件。在建筑施工過程中，工人可以依據(jù) CATIA系統(tǒng)建立出三維模型，能夠對施工進行直觀調(diào)控。由于該模型的精準度遠優(yōu)于圖紙及傳統(tǒng)教學建筑模型，因此利用它來監(jiān)管施工可以提升現(xiàn)場裝配的準確度，簡化裝配過程。而BIM系統(tǒng)則是以三維數(shù)字技術為基礎，依據(jù)可視化模型對各個環(huán)節(jié)進行控制，其在施工階段能夠提供建筑質(zhì)量進度及成本信息，提高材料設備供應的透明度，幫助工人對施工材料進行合理控制。例如：利用BIM系統(tǒng)，工人可以優(yōu)化下料，減少因為材料損耗而造成的資金浪費，還能同步各方面的施工信息，避免某一環(huán)節(jié)缺失而導致的工程滯后。除此之外，業(yè)主也能夠通過系統(tǒng)隨時隨地了解工程的施工進度。這兩個系統(tǒng)雖然各有不同，但都對于監(jiān)控、工程規(guī)劃、建造成本等多個方面進行了優(yōu)化，實現(xiàn)傳統(tǒng)媒介所不能達到的施工精準化、經(jīng)濟化。

（二）自動化施工定位

在數(shù)字技術應用于建筑施工的過程中，使建筑定位逐漸遠離卷尺及標桿，能夠采用電子儀器進行精準定位。在畢爾巴鄂古根海姆博物館的施工進程中，每一部分的建筑構件都在橫截面貼有條形碼，使之能夠利用CATIA系統(tǒng)構建精準定位并進行數(shù)字化模擬，以更加快速及準確地確定每一個部件的放置位置。除此之外，GPS也被應用到建筑施工之中，用來校正各個部件之間的位置及關系，幫助解放人的肢體勞動，在一定程度上提升施工質(zhì)量，減少誤差。

（三）自動化施工操作

手工時代及工業(yè)時代的建筑施工都有物理性介入。而數(shù)字技術的應用是自動化的，其施工技術使人們終于擺脫繁雜的操作流程，使施工操作具有跨時代的特征。數(shù)字技術幫助施工操作自動化，是由各領域技術協(xié)同作用而得以實現(xiàn)的，其中一個主要代表就是施工機器人。在日本，這一工具的使用范圍已經(jīng)得到有效擴大，例如：強壯的杰克能夠用于放置較重的鋼梁等，混凝土處理者則能夠用混凝土進行現(xiàn)場澆筑。

在數(shù)字技術的推動下，建筑施工環(huán)節(jié)已經(jīng)具備實現(xiàn)全自動化施工的可能性，從監(jiān)控、定位到操作，人們逐漸擺脫具體勞動環(huán)節(jié)。而數(shù)字技術作為我們這一代人的智慧產(chǎn)物，不僅能夠延伸人的勞動能力，還能延伸人的決策及辨識能力，彰顯鮮明的時代特征。

三、傳統(tǒng)設計方式與建筑施工中的問題

長久以來，建筑設計與建筑施工的深層關系沒有能夠在前期設計中得到體現(xiàn)。設計師們普遍認為只要完成前期設計就已經(jīng)結束了，沒有實際考慮在具體施工的過程中可能會遇到的問題。而事實上，設計與施工需要緊密相連，才能保證設計圖紙能夠真正應用到施工環(huán)節(jié)中。除了設計之外，從建筑材料的選擇到企業(yè)制造加工，再到施工現(xiàn)場的裝配，都是能決定建筑最終完成質(zhì)量的基礎性工作。

從過去對于建筑行業(yè)的研究能夠看出，建筑行業(yè)的生產(chǎn)效率及質(zhì)量提升受到了一定阻礙。而造成這種阻礙的原因，其中包含很多方面：各個部門的聯(lián)系不夠緊密；設計與施工單位產(chǎn)生割裂甚至對立；各個部門負責人的專業(yè)交流混亂等。簡而言之，造成這種困境的重要因素，就是各部門之間受到傳統(tǒng)媒介的制約而缺少交流溝通，導致設計與實際施工方?jīng)]有達成一致。而數(shù)字技術能夠助力建筑施工，使之在計算機的輔助之下形成信息技術系統(tǒng)，為設計及施工方之間的溝通搭建橋梁。

四、數(shù)字技術助力建筑施工的體現(xiàn)

（一）文化遺產(chǎn)的虛擬重現(xiàn)

伴隨著經(jīng)濟發(fā)展速度加快，城市現(xiàn)代化及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化建設進程也隨之加快。我國各地較為古老的大型建筑受到一定損壞，使得我國歷史文化遺產(chǎn)的生存環(huán)境形勢較為嚴峻，只能采用修復的方式對其予以保護。但在傳統(tǒng)對建筑進行修復的過程中，常采用數(shù)字近景攝影測量、三維激光掃描測量、虛擬現(xiàn)實等技術，在對于古建筑測量方面常采用標尺、標桿等，使用人工測量的方式。由于部分古建筑相對較高，只能人工上去測量，不但會影響其精準度，還會對其造成一些損壞，甚至遇到一些較為復雜的建筑如雕刻等，只能束手無策。而將數(shù)字技術應用到我國建筑修復之上，能夠利用三維激光掃描、計算機圖像處理等技術進行整合，對其進行精準分析，以制定出最完善的修復策略計劃，構建完整的古建筑保護機制，并將其付諸實踐，為古建筑的文化保護作出示范。

（二）電影中的“虛擬建筑”

電影這種藝術表現(xiàn)形式自誕生起，就被各種各樣的數(shù)字技術所武裝。每一次數(shù)字技術的革新，都能為電影藝術帶來新的生機，為其提供出更加廣闊的表現(xiàn)形式及表現(xiàn)空間，并且能夠豐富的電影語言文化，更新的發(fā)展機遇。在20世紀80年代，特別是90年代中后期，數(shù)字技術得到迅速發(fā)展，以數(shù)字技術為核心的高新科技逐漸滲透到電影藝術之中，為電影藝術帶來較大的變革，尤其是美國的數(shù)字化電影，就是在其中的代表性產(chǎn)物。當下，美國絕大多數(shù)的影視作品都依靠數(shù)字技術來完成，使電影的藝術感染力能夠達到與其他媒體匹敵的效果，創(chuàng)造人們聞所未聞，見所未見的視聽奇觀，并且吸引更多觀眾，為電影市場帶來新的繁榮。

數(shù)字化電影終歸還是電影藝術，要講故事，并且需要與一些故事情節(jié)相匹配的建筑。不論在電影中所出現(xiàn)的建筑是真實存在的，還是在影棚里構建的，都有一個不爭的事實，就是電影藝術必須定位于特定的場所，在合適的建筑空間里來講述故事，為故事搭架子。自古以來，建筑的主要任務就是劃分出適合人類所居住、生存的場所，能夠讓人類在此繁衍生息、生老病死。也正因如此，衍生出電影建筑師這一行業(yè)，為電影構造出符合其風格、能夠表達出其意境的虛擬建筑。

五、數(shù)字技術助力建筑施工路徑探索

（一）BMI技術應用

當建筑進入到施工階段，可以將BIM技術應用到遠程管理系統(tǒng)之中，并且將虛擬施工與BIM技術結合，建立協(xié)同施工監(jiān)管平臺，讓相關管理人員可以通過移動終端隨時、隨地查看各項數(shù)據(jù)，并對其進行統(tǒng)籌管理及優(yōu)化，這樣在合理運用碎片化實踐的同時，也為工程管理帶來一定便捷性，提升整體施工效率。除此之外，還可以依托BIM當前所有的建模技術，建立場地動態(tài)模擬機制，幫助建筑施工單位監(jiān)管施工工人，并在工程完工之后進行驗收。

（二）深入推進GPS技術

GPS技術在建筑施工領域具有突破性的進展，其在測量、繪制、施工、定位等階段都具有十分強大的作用，對于提升施工質(zhì)量方面有較為突出的意義。第一，在施工前的測量及定位方面，傳統(tǒng)的模式?jīng)]法進行精確采集，需要后續(xù)進行多次檢驗，將誤差降到到最小，并刪除異常數(shù)據(jù)。這對于建筑施工來說，會致使其進程減慢，降低施工企業(yè)管理效率。特別是如果某一定位出現(xiàn)偏差，就會對整個施工進程造成極大影響，可能導致停滯或者重建。而將GPS系統(tǒng)應用到建筑施工上，就能通過衛(wèi)星定位對每個標記點進行捕捉，以獲得對定位點最精準的數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡傳回基站，通過計算對其作出處理，及時刪除錯誤點或者異常點，完成對坐標的精準定位。

雖然傳統(tǒng)的定位模式，能夠滿足一些較為普通的建筑施工需求，但是在大壩、跨海橋梁及地標性建筑等大型施工項目中，需要更為精準化的定位點，故傳統(tǒng)模式不能夠再適用。如果采用GPS技術，就能夠直接將數(shù)字化模型以及精準的定位點發(fā)送給施工方及投資方，再經(jīng)過前期的反復比對，對可能會出現(xiàn)問題的點予以解決，能夠提高施工的效率。

（三）建設高效監(jiān)管體系

在某一個項目工程實際施工的過程中，會受到多種外介因素或者危險因素的影響，而施工技術普遍較為復雜，對于監(jiān)管、控制要求相對較高，這就致使在建筑施工的進程中，需要構建專業(yè)化的監(jiān)管機制。因此，可以利用數(shù)字技術來進行監(jiān)管，采用遠程監(jiān)控或者多媒體傳輸?shù)南到y(tǒng)，對各個部門、各個位置點的施工進行實時監(jiān)督，一旦發(fā)現(xiàn)有任何異常情況能夠快速上報，并快速抵達現(xiàn)場與相關工人進行有效溝通，提升施工效率，有效避免因為現(xiàn)場施工面積過大，而造成管理混亂及管理的效率低下等問題。

除此之外，在建筑施工的安全方面，數(shù)字技術也能夠發(fā)揮起作用，遠程監(jiān)控或者多媒體傳輸系統(tǒng)，能夠通過鏡頭推進、拍照等多種形式，對于違反相關條例的工人進行取證，同時通知相關管理人員到達現(xiàn)場，以此保障建筑施工的嚴肅性及權威性，提升施工工人的安全意識，避免在項目上出現(xiàn)任何安全問題，造成資產(chǎn)損失及民事糾紛。

（四）系統(tǒng)管理班組人員

保障建筑施工的質(zhì)量及效率是這一工作的基礎性環(huán)節(jié)，但是由于效率與質(zhì)量本身就是一個矛盾體，效率過高可能會產(chǎn)生質(zhì)量低下，而質(zhì)量過高則可能會導致效率低下，因此對于這一方面的管理工作，在建筑施工中顯得較為困難，但是利用數(shù)字技術能夠提升管理效率。如：在前期進行工程測繪及地貌抄測的過程中，可以使用數(shù)字技術，直接與CAD、天正等軟件結合，消除地形、天氣等不良因素對建筑施工的影響，從而做到一站式出結果。其中包含定位點及高程等數(shù)據(jù)，能夠即出即讀快速構建圖三維模型，使得上層管理人員及現(xiàn)場施工人員，能夠對整個建筑施工有所把控。除此之外，上層監(jiān)管人員需要定時到現(xiàn)場對施工環(huán)節(jié)進行監(jiān)管，這也會影響施工進程，然而利用Project等專業(yè)軟件，就能在線上把現(xiàn)場施工進程與原本施工計劃進行比對，快速發(fā)現(xiàn)各個節(jié)點的偏差，并利用AHP等分析模型找出其中會影響進度的關鍵因素，對其做出拯救計劃，實現(xiàn)對建筑施工的有效監(jiān)控。與此同時，部分建筑施工會采用混凝土或者防水材料，這類特種材料對于過程監(jiān)督有較高要求，而采用GPS監(jiān)控儀器，就能夠對重點施工位置進行監(jiān)控，捕捉極為微小的形變并形成數(shù)據(jù)，并對上層監(jiān)管人員予以反饋，讓其及時對形變原因進行分析，使質(zhì)量問題在初期就能得到解決及處理，對整個項目施工進程的穩(wěn)定性有較大幫助。

六、結束語

數(shù)字技術依托其高效、精準的特性，在當代建筑施工中的作用及優(yōu)勢越發(fā)明顯，使得我國建筑工程，目前正處于一個平穩(wěn)運行且呈上升趨勢的階段。將數(shù)字技術應用到建筑施工當中，能夠對其進行有效整合并提升管理效率，對我國建筑工程的軟實力建設有良好的助推作用。但我們?nèi)砸３滞脐惓鲂碌膽B(tài)度，積極進行探索及借鑒，持續(xù)優(yōu)化，運用數(shù)字技術思維來引導建筑施工，推動我國建筑施工項目邁向一個更高的發(fā)展平臺。

作者單位：李嬈 北京北大縱橫管理咨詢有限責任公司

澳門科技大學商學院

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