智能建造推動建筑工程高效建設(shè)的探究

楊立斌

（寧夏第五建筑有限公司，寧夏 銀川 750021）

0 引言

基于當(dāng)前建筑行業(yè)的快速發(fā)展，應(yīng)用于建筑工程建設(shè)中的施工技術(shù)水平不斷提升。智能化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，也為推動建筑工程的建設(shè)發(fā)展提供了技術(shù)方面的有效支持?；谶@些先進(jìn)技術(shù)提出的智能建造理念，是新時期推動建筑行業(yè)朝著智能化應(yīng)用、信息化管理以及建造方式創(chuàng)新方向發(fā)展的重要指導(dǎo)。基于實際案例對智能建造推動建筑工程高效建設(shè)的情況進(jìn)行分析，對促進(jìn)建筑工程建設(shè)發(fā)展水平的提升具有積極的意義。

1 工程概況

項目位于銀川市西夏區(qū)北京西路114 號，寧夏廣電文化產(chǎn)業(yè)園東側(cè)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)?？偨ㄖ娣e共32500m2，總造價1.769 億元，地下一層（帶人防工程），地上13 層，局部14 層。位于城市鬧市區(qū)，場地狹小，機(jī)電管線安裝難度大，整體為中式建筑風(fēng)格，醫(yī)院項目系統(tǒng)復(fù)雜，項目中標(biāo)后公司研究決定利用BIM 技術(shù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型覆蓋項目全過程管理施工。該項目的建設(shè)對于進(jìn)一步提升寧夏中醫(yī)藥醫(yī)療服務(wù)水平、改善人民群眾就醫(yī)環(huán)境、推動全區(qū)中醫(yī)藥傳承創(chuàng)新和中醫(yī)藥事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮積極、重要作用。

2 智能建造發(fā)展概況

智能建造是新時期基于先進(jìn)技術(shù)發(fā)展趨勢和情況，提出的一種能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、BIM、云計算等信息化技術(shù)與建筑工程建設(shè)結(jié)合起來，構(gòu)建形成一體化管理體系，用于建筑工程施工管理的體系。在該管理體系的運(yùn)行中，伴隨各個施工階段和施工技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，能夠作為項目整個生命周期規(guī)劃設(shè)計與變更調(diào)整的重要參考依據(jù)[1]。

在建筑行業(yè)的發(fā)展中，智能建造主要能夠通過BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)來發(fā)揮作用，以技術(shù)集成和構(gòu)建一體化管理系統(tǒng)的方式，實現(xiàn)對建筑工程建設(shè)情況的實時監(jiān)控與管理控制。其中，BIM 技術(shù)主要發(fā)揮構(gòu)建模擬建筑模型的作用，依靠建筑模型來支持施工模擬，驗證各類施工技術(shù)的可行性，同時也支持信息共享，能夠降低工程安全風(fēng)險；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠基于布設(shè)在工程現(xiàn)場的傳感器設(shè)備獲取信息，與云計算技術(shù)相互配合，可以達(dá)到對工程現(xiàn)場作業(yè)情況進(jìn)行實時監(jiān)控和管理的目的；數(shù)字孿生技術(shù)主要基于建筑全生命周期理論，對建筑工程建設(shè)中數(shù)據(jù)信息之間聯(lián)系進(jìn)行深入挖掘和處理；大數(shù)據(jù)技術(shù)強(qiáng)調(diào)對工程施工中涉及的海量數(shù)據(jù)文件進(jìn)行高效處理，提升工程建設(shè)的效率效果；云計算技術(shù)是實現(xiàn)建筑工程智能建造的重要基礎(chǔ)，能夠為其他信息化技術(shù)的應(yīng)用提供科學(xué)的數(shù)據(jù)信息分析支持[2]。

3 基于實例的建筑工程智能建造應(yīng)用效果

智能建造本身是一種新型工程建造方式，將其應(yīng)用于建筑工程建設(shè)中，主要圍繞智能規(guī)劃與設(shè)計、智能設(shè)備與施工、智慧運(yùn)維三個基本的模塊進(jìn)行管理控制[3]。為進(jìn)一步探討智能建造在建筑工程施工建設(shè)中的應(yīng)用效果，結(jié)合本文選擇的案例工程，重點(diǎn)探討案例工程中應(yīng)用的智能建造管理體系與具體技術(shù)內(nèi)容，從以下4個方面來驗證智能建造對推動建筑工程高效建設(shè)發(fā)展的作用。

3.1 智能規(guī)劃與設(shè)計

在智能規(guī)劃與設(shè)計方面，基于高效建造的主要目標(biāo)，案例工程在結(jié)合工程整體建設(shè)要求的前提下，主要采取智能建筑+產(chǎn)業(yè)工人的模式，應(yīng)用地面整平機(jī)器人，地面抹平機(jī)器人、噴漿機(jī)器人、抹灰機(jī)器人、掃地機(jī)器人、焊接機(jī)器人、綠碳管家、BIM 等智能裝備及系統(tǒng)，體現(xiàn)建筑工程的智能化特點(diǎn)和應(yīng)用要求。

（1）在外墻鋁板和石材幕墻施工時使用智能放樣機(jī)器人，它具有自動放樣與激光指示功能，更加適用于高空作業(yè)，遠(yuǎn)程操作，可以避免人員反復(fù)爬高，激光指示可快速獲取頂板放樣位置，將高空作業(yè)風(fēng)險降到最低。外業(yè)測量數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入BIM 模型中，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、對比清晰，并且可以自動導(dǎo)出放樣誤差報告[4]。放樣機(jī)器人搭配三維激光掃描儀，利用高速激光掃描測量的方法，可大面積、高分辨率、快速地獲取物體表面各個點(diǎn)的（x.y.z）坐標(biāo)、反射率、（R.G.B）顏色等數(shù)據(jù)信息，為快速復(fù)建出1：1 直彩色一維點(diǎn)云模型提供的一種全新技術(shù)手段。

（2）噴漿機(jī)器人和抹灰機(jī)器人擁有高度的靈活性和準(zhǔn)確性，能夠適應(yīng)不同的墻面形狀和材料，并在短時間內(nèi)完成大面積的抹灰工作，降低了施工過程中的安全風(fēng)險，顯著提高了施工效率，單套每天噴涂抹灰超過120m2，效率是普通人工的4 倍。為項目綜合辦公樓地下室抹灰作業(yè)節(jié)省勞動力超200 人次，質(zhì)量合格率高達(dá)98.5%。

（3）在室內(nèi)地面作業(yè)部分，由于地面作業(yè)范圍較大，地坪施工精度要求高，主要應(yīng)用激光整平機(jī)器人，履帶式抹平機(jī)器人及四盤抹平機(jī)器人等，達(dá)到減小施工誤差的目的。地坪表面平整度合格率達(dá)99%，人工節(jié)省超30%。形似蜘蛛外形的爬幕墻機(jī)器人，是一種專門用于幕墻玻璃檢測的機(jī)器人設(shè)備，具有多項智能技術(shù)和功能，可在垂直墻面上爬行，并執(zhí)行各種維修和檢查任務(wù)。

3.2 智能設(shè)備與施工

在智能設(shè)備與施工階段，主要考慮選擇更能夠體現(xiàn)智能化特點(diǎn)的設(shè)備和技術(shù)類型。在項目前期的現(xiàn)場勘察與信息采集分析階段，主要應(yīng)用經(jīng)緯M300RTK 工程測繪無人機(jī)這一三維信息采集設(shè)備。該設(shè)備測繪范圍單次可覆蓋2km2，測繪距離可達(dá)到450m，高程精度達(dá)5cm，平面精度達(dá)10cm，同時實時生成點(diǎn)云，1：1 呈現(xiàn)精確施工坐標(biāo)，復(fù)雜地形地理信息表達(dá)明確，能夠為工程決策提供有力支撐。

在案例工程的實際施工建設(shè)中，也通過多種智能裝備機(jī)設(shè)備的應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)字技術(shù)與建造融合，推動傳統(tǒng)建筑管理精細(xì)化、施工精準(zhǔn)化、效益高效化、建筑工業(yè)化，創(chuàng)新驅(qū)動引領(lǐng)發(fā)展。具體而言，在工程建設(shè)中，主要通過鋼結(jié)構(gòu)、樓承板、幕墻、復(fù)合夾芯板、金屬屋面板、綜合支架、裝配式機(jī)房等七大類型工業(yè)化構(gòu)件的應(yīng)用，提高施工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，節(jié)能環(huán)保[5]。在此基礎(chǔ)上，也以創(chuàng)新應(yīng)用全自動風(fēng)管加工生產(chǎn)線的方式，將工廠搬入現(xiàn)場，在安裝風(fēng)管智能加工車間中，項目根據(jù)實際需求，設(shè)置了一套全自動風(fēng)管生產(chǎn)線，將外加工轉(zhuǎn)為自給自足，使風(fēng)管加工更靈活，更大的節(jié)約了運(yùn)輸成本。通過物聯(lián)網(wǎng)平臺，對加工廠的人、材、機(jī)均得到有效管控，實現(xiàn)建筑工程工業(yè)化。

3.3 智慧運(yùn)維

在智慧運(yùn)維方面，則主要基于提升建筑資源利用效率，提升建筑運(yùn)維管理水平，保障工程經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的目標(biāo)要求，以設(shè)計應(yīng)用智慧工地系統(tǒng)的方式，實現(xiàn)對案例工程的規(guī)劃設(shè)計和管理控制。具體而言，在設(shè)計智慧工地系統(tǒng)的過程中，主要基于先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以構(gòu)建信息采集層、網(wǎng)絡(luò)接入層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、信息存儲與處理層的系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)方式，將移動執(zhí)法終端、塔式起重機(jī)作業(yè)產(chǎn)生的動態(tài)情況、工地周圍的視頻數(shù)據(jù)及時上傳給綜合管理平臺。系統(tǒng)具體包括業(yè)務(wù)子系統(tǒng)、工地現(xiàn)場安全監(jiān)督管理子系統(tǒng)、管理決策子系統(tǒng)、外網(wǎng)子系統(tǒng)、監(jiān)督檢測子系統(tǒng)5 個主要的部分，由綜合管理平臺對各子系統(tǒng)進(jìn)行融合，進(jìn)行報警聯(lián)動等處理。各級管理部門可以及時準(zhǔn)確了解工地現(xiàn)場的狀況，將有效提高項目管理和現(xiàn)場管理的效率。

在智能建造目標(biāo)的要求下，基于構(gòu)建的智能建造協(xié)同管理子系統(tǒng)，設(shè)定組織行為協(xié)同要素R1，技術(shù)應(yīng)用融合要素R2，過程智能關(guān)聯(lián)要素R3，信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一要素R4，資源動態(tài)集成要素R5，目標(biāo)全局最優(yōu)要素R6。通過專家訪談的方式確定6 個要素間的影響關(guān)系，進(jìn)行矩陣運(yùn)算，劃分要素間層次。首先基于鄰接矩陣直接表示各要素間的關(guān)系，如表1 所示。

表1 鄰接矩陣

基于獲得的鄰接矩陣A，可以在加上單位矩陣I 的基礎(chǔ)上，對可達(dá)矩陣進(jìn)行計算。然后再對各個要素的具體等級進(jìn)行劃分，從而得到針對建筑工程智能建造協(xié)同管理子系統(tǒng)的模型層級關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 協(xié)同管理子系統(tǒng)模型層級關(guān)系

結(jié)合這一層級關(guān)系結(jié)構(gòu)，在第Ⅰ層級需要通過目標(biāo)全局最優(yōu)與資源動態(tài)集成來設(shè)定項目各個階段和主要目標(biāo)，從而在項目前期掌握工程的實際建設(shè)情況。由于目標(biāo)協(xié)同管理本身是一個動態(tài)的過程，需要通過計算全局最優(yōu)解的方式來提升協(xié)同管理的實際效果；在第Ⅱ?qū)蛹?，明確組織行為協(xié)同、過程智能關(guān)聯(lián)以及技術(shù)應(yīng)用融合三者之間的關(guān)系，注重發(fā)揮整體協(xié)同管理的最大化作用價值；在第Ⅲ層級，主要依靠信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一來確保智能建造協(xié)同管理的實際效果。以保障建筑工程智能建造業(yè)務(wù)流程中涉及的各項數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)共通、無損傳輸以及統(tǒng)一存儲為主要目的，強(qiáng)調(diào)通過信息收集與整理來實現(xiàn)對各項信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，從而保證系統(tǒng)協(xié)同管理的有序性和實際效果。

為實現(xiàn)對建筑工程現(xiàn)場施工情況的有效監(jiān)控和管理，考慮采用混合網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)，兼容模擬攝像機(jī)和IP 攝像機(jī)，可采集串口信號、開關(guān)量信號，支持其他子系統(tǒng)的可靠接入，對環(huán)境監(jiān)測、安全防范、門禁、消防等子系統(tǒng)進(jìn)行集成。

系統(tǒng)集成改變了各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的局面，滿足了系統(tǒng)用戶“減員增效”的需求。該技術(shù)不單是對各獨(dú)立系統(tǒng)功能的簡單疊加，而是對各功能進(jìn)行了整合優(yōu)化，并進(jìn)行了智能關(guān)聯(lián)。用戶可以根據(jù)需要對各功能進(jìn)行關(guān)聯(lián)，滿足規(guī)則后可以觸發(fā)相應(yīng)功能。同時，在系統(tǒng)設(shè)計中，也通過構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的J2EE 平臺架構(gòu)的方式，采用微核心＋插件技術(shù)、支持從PC、服務(wù)器到小型機(jī)的遷移，支持操作系統(tǒng)移植，支持服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)，可以隨著系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，通過簡單的調(diào)整服務(wù)器的部署可以輕松實現(xiàn)從前端－市級監(jiān)控中心－省級監(jiān)控中心一直到全國范圍的多層次的縱向延伸和多區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的橫向擴(kuò)展，而無須更換版本和產(chǎn)品升級。

3.4 數(shù)字化應(yīng)用體現(xiàn)

智能建造在建筑工程施工建設(shè)中的體現(xiàn)，具體從勞務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、塔吊安全管理系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)以及協(xié)同管理平臺等方面入手。在考慮案例工程實際建設(shè)要求的前提下，主要基于以下情況來發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的功能作用。

在建筑工程協(xié)同管理平臺的建設(shè)方面，以裝配式建筑工程項目的協(xié)同管理為例，在結(jié)合案例工程建設(shè)要求和特點(diǎn)的前提下，為確保達(dá)到智慧建管建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)真積極總結(jié)經(jīng)驗，不斷提升建筑管理科學(xué)化、規(guī)范化水平。建筑智能建造協(xié)同管理平臺架構(gòu)如圖2 所示。努力完成智慧工地“6+X”物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備模塊接入模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。項目設(shè)備安裝對接完成后，實現(xiàn)了施工作業(yè)人員智能化綜合管理、各類人員培訓(xùn)教育考核線上一體化，同步實現(xiàn)施工現(xiàn)場遠(yuǎn)程監(jiān)控和視頻巡邏、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備與現(xiàn)場降塵設(shè)施智能聯(lián)動，有效預(yù)防施工安全事故的發(fā)生，實現(xiàn)預(yù)警信息和實時信息與監(jiān)管系統(tǒng)互聯(lián)互通。

圖2 建筑智能建造協(xié)同管理平臺架構(gòu)

綜合運(yùn)用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動通信等技術(shù)手段，通過本項目高清攝像頭監(jiān)控信息與BIM 協(xié)同管理平臺進(jìn)行聯(lián)動，方便管理人員及時了解建筑工地現(xiàn)場施工實時情況，及時消除隱患。

4 結(jié)語

綜上所述，智能建造在推動建筑工程高效建設(shè)發(fā)展方面發(fā)揮著重要的作用。在實際的工程建設(shè)中，應(yīng)能夠基于工程建設(shè)的要求和現(xiàn)場情況，以智能建造理念作為工程建設(shè)的指導(dǎo)思想，強(qiáng)調(diào)智能技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等在工程建設(shè)與管理規(guī)劃中的應(yīng)用，以新興技術(shù)集成的方式來有效提升工程建設(shè)質(zhì)量和效率，進(jìn)而將其作為推動建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的有效動力。