東莞某中學擴建工程的BIM智能化建造技術應用探索

饒逸鴻，陳春鳴，黃永樂，龔鎮(zhèn)濤，陳俊安，徐土法

（1、東莞城市學院 廣東 東莞 523419；2、品茗科技股份有限公司 杭州 310012）

0 引言

隨著信息技術和工業(yè)化的發(fā)展，智能建造技術作為一種新型建造方式正逐漸興起［1］。該技術通過數據集成和自動化實現對傳統(tǒng)建筑領域的設計、施工、運營等各個方面的智能化升級。其中，BIM（Building Information Modeling）技術是智能建造中最為重要的技術之一，其在建筑物設計、施工過程控制、工程信息管理等方面都有廣泛的應用［2-4］。機器人技術也是智能建造的另一個關鍵技術，具有替代勞動力、提高生產效率、減少質量問題等優(yōu)點，并已廣泛應用于混凝土施工、搬運和安裝、維護和檢修等領域［5-6］。此外，物聯網技術和人工智能技術也為智能建造提供了支持，它們可以實現設備監(jiān)測、傳感器采集、數據分析等功能，從而提高建筑設備的效率和質量，同時也可以應用于生命安全、環(huán)境監(jiān)測等方面，實現更加智能化、可持續(xù)化的建筑［7-9］。

智能建造技術應用已經成為未來建筑領域的趨勢［10-11］。這些新興技術將使設計、施工、運營等各個領域變得更加智能化、自動化和高效化。本研究以東莞某中學擴建工程為案例，分析了BIM 智能化建造技術在該項目中的應用，同時還對施工機器人進行了配置和研究，可為相關行業(yè)從業(yè)者提供有益的參考和借鑒。

1 工程概況

東莞某中學擴建工程是根據東莞市發(fā)展需要，為了滿足當地教育事業(yè)的發(fā)展需求，對現有該中學進行擴建而計劃的一項工程。該工程總面積約為15 000 m2，主要包括新建教學樓、實驗樓和圖書館等。其中，教學樓將提供更多教室和辦公空間，實驗樓將配備更先進的實驗設備和實驗室，圖書館將增加更多的藏書和數字化資源。

該工程的目標是通過智能化建造技術和管理，提高施工效率和質量，并為當地師生創(chuàng)造更好的教育環(huán)境和服務。同時，該工程還將注重可持續(xù)發(fā)展，采用綠色建筑理念，降低能耗和排放，打造更加環(huán)保、節(jié)能、智能的校園建筑。

2 智能建造管理規(guī)劃方案

2.1 項目需求

為提高學校擴建工程效率和質量，采用BIM 技術、慧眼AI技術進行數字化設計、勘測和施工，并充分利用智能建造技術實現數字化建模、機器人自動化施工等操作。此外，項目還使用智能建造技術進行數據分析、遠程監(jiān)控等操作，以提升安全管理水平，降低安全風險；同時，建立共同的信息平臺和專業(yè)的建造團隊，利用文件共享、在線協(xié)作平臺、云端存儲等技術輔助協(xié)同合作，減少成本、文檔重復，提高整體效益。

2.2 核心問題分析

為確保擴建工程的質量、效率和安全達標，需要整合并分析不同來源的數據，如勘測、設計、學生上下學和地基數據。此外，為了正確應用技術，需要對BIM技術、慧眼AI 技術和Tybot Rebar Tying Robot（以下簡稱Tybot 機器人）進行培訓和指導，提高人員的專業(yè)技能和操作水平。同時，需要選擇適當的Tybot 機器人，并加強設備管理和維護。最后，為防止數據泄露和安全問題，需要加強數據加密和存儲，建立完善的數據安全管理制度，并提高人員的安全意識和技能。

2.3 場景化施工方案

本項目采用的品茗科技軟件在場景化施工方案編制中擁有多種領先的技術與智能化措施，能夠提高施工質量、效率和安全性，滿足客戶和市場的需求，實現良好的施工效果。該項目智能建造模型如圖1所示。

圖1 本項目智能建造模型Fig.1 Intelligent Construction Model of the Project

⑴智能建造技術應用方面，可以通過采用BIM技術進行設計和建模來協(xié)調各階段的設計和施工過程，減少工作重復率，并提高信息共享。無人機技術可以用于勘測和監(jiān)測，快速準確地收集數據生成三維模型和地形圖，同時觀察學生靠近情況以減少安全事故。智能燈具和溫度傳感器可以被用來降低用電成本、提高能源利用效率。臨邊防護網實時監(jiān)測系統(tǒng)可以被使用來預防意外事故。鋼筋困扎機器人可以用來降低施工成本，提高施工效率、精度、安全性和靈活性，而且受天氣、時間等限制的影響較小。

⑵在現場管理計劃方面，采用BIM 技術實現項目全過程數字化管理可以提升施工質量和效率。使用無人機巡查現場及施工情況可以及時解決安全隱患和建設工程進度問題。實施智能監(jiān)控系統(tǒng)可以對施工過程進行24 h 監(jiān)控并觸發(fā)警報，防止危險情況的發(fā)生。另外，開展專業(yè)培訓可以確保智能建造技術得到正確應用。

⑶材料管理計劃方面，可以通過實施物聯網技術追蹤和管理材料的存儲、運輸和使用情況。使用RFID標簽可以識別材料信息，避免混淆和丟失。建立材料庫存管理系統(tǒng)可以提高材料利用率并減少浪費。

⑷在安全管理計劃方面，實施智能安全監(jiān)管可以使用高支模和臨邊防護網實時監(jiān)測系統(tǒng)來對施工現場進行安全監(jiān)測和預警。加強培訓可以確保工人掌握必要的安全意識和操作技能，并針對學生制定相關規(guī)劃和告示牌。建立安全評估機制可以收集施工數據并評估和改進存在的安全隱患，以確保安全施工。

⑸質量管理計劃方面，可以通過實施智能巡檢，使用無人機設備收集數據并生成三維模型進行質量檢查，確保施工達到設計要求和標準。加強驗收管理可以嚴格質量標準和流程，并對每個RFID 標簽進行識別以確保材料質量符合要求。實施數據分析可以通過數字化建模技術分析施工工藝和質量，優(yōu)化施工方式提升施工質量并降低錯誤率。

⑹在監(jiān)督與評估方面，使用信息平臺和數據庫可以由東莞市厚街鎮(zhèn)工程建設中心和住房城鄉(xiāng)建設局進行監(jiān)督和評估，開展電子監(jiān)督檢查，共享數據和實現風險預警。提高監(jiān)督和評估工作的質量和效率可以及時發(fā)現問題并進行改進。

⑺風險評估方面，可以考慮工程規(guī)模和復雜性可能導致工期拖延，使用BIM 技術和無人機技術可以進行工程模擬以減少返工和整改。材料質量和施工質量不合格可能導致質量風險，實施智能巡查、加強驗收管理和數據分析可以降低質量問題。人流量大易造成施工事故，與學校合作可以規(guī)劃施工范圍并嚴格要求學生不經過。

3 人機協(xié)同作業(yè)可行性分析

3.1 應用價值介紹

本項目采用的Tybot 機器人是一種自主完成鋼筋綁扎任務的機器人，它采用了先進的視覺識別技術和運動控制技術，可以實現自主綁扎，并且不需要人工干預，從而提高了工作效率。

與傳統(tǒng)的鋼筋綁扎工具相比，Tybot 機器人優(yōu)勢顯著：①自主性能強，通過自主的視覺識別和運動控制技術完成鋼筋綁扎任務，提高工作效率；②操作簡便，采用智能化的操作系統(tǒng)，只需要簡單的指令輸入即可完成操作，無需復雜設置和調試；③安全性高，采用多重安全保護措施，如避障傳感器和緊急停止按鈕等，確保作業(yè)安全，避免意外事故的發(fā)生；④靈活性強，具有靈活的移動能力，適應不同工地的需求，并可根據實際情況進行鋼筋綁扎的角度和位置調整；⑤精度高，采用高精度的視覺識別技術和精準的運動控制系統(tǒng)，實現精度高、穩(wěn)定性好的鋼筋綁扎操作，提高施工質量。Tybot機器人現場應用情況如圖2所示。

Tybot 機器人的應用具有顯著的經濟效益，包括提高鋼筋綁扎效率、質量和精度、降低施工成本和鋼筋損耗，并減少機器故障和維修成本。同時，該機器人還帶來了重要的社會價值，包括提高施工安全、增強建筑結構的安全性和耐久性、縮短工期、減少對交通和環(huán)境的影響。此外，Tybot 機器人還具有環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展特點，例如節(jié)約資源、減少能源消耗和噪音污染、提高建筑品質并符合可持續(xù)發(fā)展理念。這些優(yōu)勢使得Tybot 機器人在建筑工程領域具有重大的社會、經濟和環(huán)境價值。

3.2 人機資源配置清單

人機資源配置清單編制是根據建設設計文檔和工程施工計劃，編制涵蓋人員、機械和設備等方面內容的清單，本項目人機資源配置清單如表1所示。

表1 人機資源配置清單Tab.1 Personnel and Equipment Resource Allocation List

4 協(xié)同作業(yè)組織方案

4.1 工作安排

在建筑工程中，前期準備工作至關重要。這些工作包括確定項目范圍、完成建筑設計和施工圖紙、獲取相關建筑許可和批準、簽訂合同以及對現場進行勘查和測繪等。同時，制定詳細的時間表和進度計劃也是必要的，以確保機器人和操作人員的工作任務和時間得到充分控制。在鋼筋工程啟動時，需要準備并切割所需的鋼筋，并使用Tybot 機器人進行捆扎，以提高捆扎效率和質量。完成鋼筋工程后，還需進行質量檢查，以確保鋼筋捆扎符合設計要求。這些過程相互關聯，只有經過充分規(guī)劃和高效執(zhí)行，才能確保整個鋼筋工程的順利進行。

4.2 工作流程

在鋼筋綁扎工程中，規(guī)劃和設計階段負責確定工程進度和鋼筋綁扎計劃，以確保工作順利進行。在此期間，工程師與項目經理和團隊成員進行溝通和協(xié)商，控制人員監(jiān)督鋼筋綁扎機器的操作流程并協(xié)調操作員的配合。準備階段包括準備鋼筋材料和相關工具，并對Tybot 機器人進行測試和調整以確保機器正常運行。執(zhí)行階段需要Tybot 機器人操作員和工人進行配合完成鋼筋綁扎的工作。期間，工程師和操作員進行鋼筋綁扎工作的檢查和質量控制，而控制人員負責監(jiān)督機器的運行情況并及時處理問題和故障。完成階段需要工程師和操作員對鋼筋綁扎的質量進行最終檢查和驗收，同時由控制人員總結和評估機器的運行情況并對機器進行必要的維護和保養(yǎng)。

4.3 任務協(xié)調

在本次擴建工程中，使用Tybot 機器人需要協(xié)調三類人員：機器人操作員、鋼筋工人和維護人員。機器人操作員負責控制和操作機器人完成鋼筋捆扎任務，鋼筋工人則負責將鋼筋安裝在正確的位置，并將鋼筋送到機器人的工作區(qū)域。另外，維護人員負責對機器人進行維護和調試以及處理機器人作業(yè)時遇到的突發(fā)問題。對于機器人的工作范圍，由于教學樓的建筑跨度大且形狀不規(guī)則，因此難以使用Tybot 機器人完成鋼筋綁扎施工，故該機器人將會運用在飯?zhí)谩Ⅲw育館、宿舍樓、圖書館等共計10棟建筑的施工中。

4.4 信息交流

為了有效地管理和協(xié)調機器人工程項目，以下是建立信息交流渠道的四大步驟：①建立一個信息交流平臺，如釘釘等即時通訊和在線項目管理工具，方便工程師、機器人操作員和其他相關人員及時交流項目進展、技術問題和機器人運行情況；②需要明確每個階段的信息交流內容，包括機器人的操作規(guī)程、安全要求、維護保養(yǎng)等。對于突發(fā)事件，還應制定應急方案，并在信息交流平臺上及時發(fā)布和溝通；③成立信息交流小組，由工程師、機器人操作員和其他相關人員組成，定期召開會議，分享項目進展和技術問題，協(xié)調解決機器人操作中出現的問題；④根據項目進度和工作需要，確定信息交流頻率，例如每日交流、每周交流或每月交流，以確保信息能夠及時傳遞和溝通。通過以上建議，可以為機器人工程項目提供高效的信息交流和管理方式，保證項目順利進行。

5 總結

經過分析，Tybot 機器人在東莞某中學擴建工程中的成功應用表明：①該機器人可以大大提高鋼筋綁扎的效率和質量，從而加快工程的建設速度；②使用該機器人可以降低工人的勞動強度，減少工傷風險，提高工作安全性；③通過人機協(xié)同工作的方式，在保證工程質量的前提下，減少對人力資源的需求，從而降低勞動力成本。因此，使用Tybot 機器人可為該中學擴建工程建設帶來更高效、更安全和更經濟的解決方案。