智能建造技術(shù)建筑全生命周期應(yīng)用研究

摘要：智能建造技術(shù)推動下，建筑工業(yè)化發(fā)展面臨前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。通過引入智能技術(shù)，建筑項目的效率、質(zhì)量與可持續(xù)性將得到顯著提升，因此，探討智能建造技術(shù)在設(shè)計、施工、運維等建筑全生命周期中的應(yīng)用意義重大。研究發(fā)現(xiàn)，智能建造技術(shù)不僅能優(yōu)化資源管理，減少資源浪費，還能通過模擬與分析預(yù)測建筑結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，提前防范潛在風(fēng)險。然而，智能建造技術(shù)在實施過程中也面臨技術(shù)成本高、人才短缺、數(shù)據(jù)集成等挑戰(zhàn)。因此，建筑行業(yè)需要協(xié)作培養(yǎng)專業(yè)人才，開發(fā)更經(jīng)濟高效的技術(shù)解決方案，以推動智能建造技術(shù)的普及和建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

關(guān)鍵詞：智能建造；建筑工業(yè)化；全生命周期

0 引言

我國建筑業(yè)通過幾十年的發(fā)展，在規(guī)模和重難點工程攻堅方面都取得了長足進步，綠色和環(huán)保等新要求為建筑工業(yè)化發(fā)展迎來新的機遇和挑戰(zhàn)。隨著勞動力結(jié)構(gòu)的變化，我國建筑工人的數(shù)量逐年減少，50歲以上建筑工人的比例逐年增多。這一趨勢不僅導(dǎo)致了建筑行業(yè)的勞動力短缺，而且由于工人年齡增長，工傷發(fā)生概率相應(yīng)提高。因此，建筑業(yè)發(fā)展迫切需要一種新的解決方案。

人工智能與建筑行業(yè)的深度融合，推進建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級，對智能建筑機器人的需求也急劇增加。2020年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》[1]明確提出，要圍繞建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展總體目標(biāo)，以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級為動力，創(chuàng)新突破相關(guān)核心技術(shù)，加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用。在此背景下，建筑機器人在工地的應(yīng)用將成為解決途徑之一。

然而，智能建造技術(shù)在應(yīng)用過程中仍面臨諸多問題與挑戰(zhàn)，如技術(shù)成熟度不高、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同不足、標(biāo)準(zhǔn)化程度不高等。因此，研究智能建造技術(shù)在建筑全生命周期的應(yīng)用對于推動我國建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

1 智能建造技術(shù)解決的問題

智能建造是一種融合了先進的信息技術(shù)、自動化技術(shù)、機器人技術(shù)、人工智能技術(shù)及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的現(xiàn)代高新技術(shù)建造方式[2]。其在傳統(tǒng)建造方式的基礎(chǔ)上，通過智能化手段實現(xiàn)工程建設(shè)的自動化、信息化、智能化和綠色化，在施工階段主要以建筑機器人為主，通過集成先進技術(shù)和設(shè)備，提高施工的效率、質(zhì)量和安全，同時減少成本和環(huán)境影響，是建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

1.1 智能設(shè)計

智能設(shè)計不局限于某一特定技術(shù)，而是多種現(xiàn)代技術(shù)的集成應(yīng)用，涉及參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)、設(shè)計方案智能優(yōu)化、數(shù)字設(shè)計輔助審查、設(shè)計與生產(chǎn)的數(shù)據(jù)集成共享、基于BIM的協(xié)同設(shè)計等多個方面。

1.2 智能生產(chǎn)

通過引入先進的制造技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)建筑構(gòu)件和部品的自動化、智能化生產(chǎn)。智能生產(chǎn)的目標(biāo)是提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量，減少環(huán)境影響。

（1）自動化生產(chǎn)線。通過使用建筑機器人、自動化設(shè)備和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑構(gòu)件的快速、精確生產(chǎn)，減少人工操作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

（2）3D打印技術(shù)。該技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，可以直接將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為實體構(gòu)件，實現(xiàn)定制化生產(chǎn)，減少浪費，提高生產(chǎn)效率。

（3）預(yù)制建筑。其是指將建筑構(gòu)件在工廠預(yù)先制造，再現(xiàn)場組裝，可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，減少現(xiàn)場施工對環(huán)境的影響。

1.3 建筑機器人

建筑機器人的應(yīng)用范圍非常廣泛，可以囊括建筑施工的各個階段和領(lǐng)域。例如，在混凝土施工中，建筑機器人可以完成澆筑、振搗、抹平等任務(wù)；在鋼結(jié)構(gòu)施工中，可以完成焊接、切割、鉆孔等任務(wù)；在安裝施工中，可以完成管道、電氣、幕墻等安裝任務(wù)；在裝修施工中，可以完成墻面涂刷、地面鋪裝、家具安裝等任務(wù)。總之，建筑機器人可以替代人工完成各種建筑施工任務(wù)，提高施工效率和質(zhì)量，降低施工成本和環(huán)境污染；也可以減少人工操作和勞動力需求，提高建筑施工現(xiàn)場的安全性和可持續(xù)性。

1.4 智能運維

智能運維是指利用信息技術(shù)和自動化技術(shù)對建筑設(shè)施實施監(jiān)控、管理和維護，以提高建筑設(shè)施的運行效率、安全性、舒適性和可持續(xù)性[3]。

（1）智能化空間管理。利用信息技術(shù)和自動化技術(shù)對建筑空間進行管理和優(yōu)化，以提高空間利用率、舒適性和安全性。可進行空間監(jiān)測和管理、空間使用計劃和管理、空間使用預(yù)測和優(yōu)化、空間安全和應(yīng)急響應(yīng)管理。

（2）智能化安防管理。針對防盜、防劫、防入侵、防破壞等方面開展管理工作，保護人身財產(chǎn)安全，創(chuàng)造安全、舒適的居住環(huán)境。智能化安防管理通過應(yīng)用智能化系統(tǒng)，對傳統(tǒng)的安防工作進行提升，當(dāng)出現(xiàn)異?；蛭ｋU狀況時，能夠自動識別，通知管理人員，必要時進行報警；可嚴(yán)格控制人員出入；高效開展對巡檢人員的管理工作，確保巡檢人員能夠按時、按路線完成巡檢工作。

（3）智能化設(shè)備管理。通過應(yīng)用人工智能等現(xiàn)代技術(shù)手段，實現(xiàn)對建筑施工設(shè)備高效、智能、安全的管理?？商岣咴O(shè)備管理效率、降低設(shè)備管理成本、加強設(shè)備使用安全性、延長設(shè)備使用壽命、實現(xiàn)設(shè)備高效協(xié)同和智能化管理。

1.5 建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

依托對建筑行業(yè)大數(shù)據(jù)的全面采集、實時傳輸、快速處理和高級分析，推動供應(yīng)鏈管理、協(xié)同設(shè)計、智能制造、智能施工和智能運維的革新。這一變革與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合，促成了一個全產(chǎn)業(yè)鏈一體化、智能化的建造產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用生態(tài)。

建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可分劃分為五大關(guān)鍵平臺類型：面向企業(yè)級的智能化協(xié)同設(shè)計平臺、工程造價全周期智能化管理平臺、智能化供應(yīng)采購平臺、建造全過程智能化管理平臺、面向監(jiān)管層智能化行業(yè)監(jiān)管服務(wù)平臺。通過這些平臺的協(xié)同作用，建筑行業(yè)將變得更加高效、透明和智能，為參與者帶來更豐富的價值。

2 智能建造技術(shù)在建筑全生命周期中的應(yīng)用

2.1 設(shè)計階段

在設(shè)計階段，智能建造技術(shù)可以通過建筑信息模型（BIM）實現(xiàn)對建筑項目的虛擬仿真和數(shù)字化建模。設(shè)計師可以利用BIM技術(shù)進行建筑結(jié)構(gòu)、機電系統(tǒng)、裝飾裝修等方面的設(shè)計，實現(xiàn)各專業(yè)之間的協(xié)同工作和信息共享。通過BIM技術(shù)，設(shè)計師可以更加直觀地展示建筑項目的效果，預(yù)測項目施工過程中可能出現(xiàn)的問題，提前進行調(diào)整和優(yōu)化。設(shè)計階段的應(yīng)用主要體現(xiàn)在建筑信息模型（BIM）、參數(shù)化設(shè)計、性能模擬、協(xié)同設(shè)計、設(shè)計優(yōu)化、可視化等方面。

2.2 施工階段

在施工階段，智能建造技術(shù)可以通過人工智能、數(shù)字化等技術(shù)實現(xiàn)智慧工地管理。施工方可以對施工現(xiàn)場的物資、人員、設(shè)備等實時跟蹤和調(diào)度，提高施工效率和質(zhì)量。此外，智能建造技術(shù)還可以通過自動化施工設(shè)備實現(xiàn)部分施工任務(wù)，降低施工風(fēng)險和成本。

（1）智能搬運及配送。移動機器人能夠在工地上運送材料，如磚塊、水泥和其他建筑材料等，減輕工人的負(fù)擔(dān)并提高效率。例如，由加拿大公司Clearpath Robotics開發(fā)的Husky機器人被廣泛應(yīng)用于建筑工地執(zhí)行物流運輸任務(wù)。它能夠攜帶重型建筑材料和設(shè)備，通過自主導(dǎo)航系統(tǒng)按照預(yù)定路徑運輸材料，全程無需人工干預(yù)[4]。

（2）智能巡檢。機器人可在工地上執(zhí)行定期安全巡檢，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和工作環(huán)境，確保建筑現(xiàn)場的安全。例如，波士頓動力的四足機器人Spot常常被用于建筑工地的安全巡檢和監(jiān)測工作，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，以促進施工流程和安全管理。此外，安防巡檢機器人可以24小時不間斷在指定區(qū)域進行巡邏執(zhí)法，機器人配備了可見光攝像機、紅外攝像機、氣體傳感器等檢測設(shè)備，在提供穩(wěn)定視頻監(jiān)控畫面的同時，基于圖像識別技術(shù)集成模式識別算法進行智能分析，實現(xiàn)人臉識別、安全帽佩戴識別、反光衣穿戴檢測、工服檢測、危險區(qū)域檢測識別、車輛識別、入侵檢測等，發(fā)現(xiàn)異常情況及時預(yù)警。

（3）智能測量。運用傳感器和地圖技術(shù)，移動機器人能夠掃描土地表面并繪制地圖，為后續(xù)施工提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。我國自主研發(fā)的自動行走建筑智能測量機器人能夠基于BIM模型實現(xiàn)自動尋徑，并將BIM模型與現(xiàn)場坐標(biāo)系進行智能匹配，選擇最佳坐標(biāo)對房間信息進行全方位測量[5]。

（4）輔助施工。移動機器人還可用于輔助施工，如提供組裝輔助和簡單施工任務(wù)執(zhí)行。例如，碧桂園集團全資子公司博智林機器人公司已有21款建筑機器人投入商業(yè)化應(yīng)用[6]，包括混凝土天花打磨機器人、地面整平機器人、測量機器人、噴涂機器人等多種不同類型的機器人，極大地提高了施工效率。

2.3 運維階段

在運維階段，BIM和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）[7]等智能建造技術(shù)實現(xiàn)對建筑項目的自動化運維和智能化管理。運維人員可以利用這些技術(shù)實時監(jiān)測建筑項目的運行狀態(tài)，預(yù)測和診斷潛在問題并進行及時處理。此外，智能建造技術(shù)還可以為建筑項目提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)，提高運維效率和質(zhì)量。

3 案例分析

3.1 項目基本情況

該項目位于吉林省長春市寬城區(qū)吉林建筑科技學(xué)院，為教學(xué)樓項目，用地面積 57 106m2，總建筑面積 18 797.21m2。地上5層，主要功能為教室、會議室、實驗室。智能建造團隊將項目定位與設(shè)計理念相結(jié)合，構(gòu)建了全過程全專業(yè)數(shù)智化建筑信息模型，以實現(xiàn)設(shè)計、施工、生產(chǎn)、運維各個階段信息數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用，達到縮短工期、提高質(zhì)量、減少成本的作用。教學(xué)樓三維渲染圖和教學(xué)樓內(nèi)部裝修圖如圖1和圖2所示。

3.2 三維數(shù)字設(shè)計與管理

針對該項目，吉林建筑科技學(xué)院作出協(xié)同設(shè)計決策，應(yīng)用Revit及配套智能建模、智能算量、智能計價軟件進行全專業(yè)數(shù)字化設(shè)計及工程量提取。全專業(yè)協(xié)同設(shè)計是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，約70%的信息數(shù)據(jù)從協(xié)同設(shè)計中產(chǎn)生，工程項目管理及運維過程中的數(shù)據(jù)也來源于此?；谌珜I(yè)協(xié)同設(shè)計是一個復(fù)雜的環(huán)節(jié)，需要高效的設(shè)計工具，該項目選擇使用晨曦智能建模工具及智能算量工具。另外，該項目還使用晨曦全過程咨詢管控平臺，包括數(shù)字化項目管理、合同管理、進度管理、資源管理、圖樣變更管理、監(jiān)理模塊、智慧工地、輕量化合模等。晨曦全過程咨詢管控平臺數(shù)據(jù)總控圖如圖3所示。

將各專業(yè)模型數(shù)據(jù)對接到過程算量、資源采購、生產(chǎn)施工等環(huán)節(jié)，以工程進度為核心、以工程造價為主線，整合全專業(yè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)字平臺及各參與方在線協(xié)同工作方式，實現(xiàn)項目數(shù)據(jù)聯(lián)動。晨曦全過程咨詢管控平臺設(shè)計咨詢圖如圖4所示。

3.3 建筑機器人的應(yīng)用

在施工過程中，該項目采用智能建造噴涂機器人、砌筑機器人、鋼筋綁扎機器人、地磚鋪貼機器人等智能施工設(shè)備和虛擬現(xiàn)實（VR），以及大語言編程系統(tǒng)等人工智能平臺代替人工作業(yè)。通過不同工種的智能建造機器人及相應(yīng)的智能建造施工方案，提升建筑施工效率，為施工人員提供安全保障。根據(jù)晨曦實際數(shù)據(jù)，使用噴涂機器人可以節(jié)約1/3的材料，效率是人工的6倍。

4 結(jié)語

隨著建筑工業(yè)化的推進，智能建造技術(shù)在工程項目中的應(yīng)用日益廣泛。未來，建筑業(yè)的持續(xù)發(fā)展將取決于多種形式的智能建造技術(shù)的應(yīng)用。從數(shù)據(jù)收集和分析到現(xiàn)場實地施工，再到后期安全維護，移動機器人的角色將變得愈加關(guān)鍵，不僅是簡單的施工工具，更是建筑領(lǐng)域智能協(xié)作的先鋒。隨著科技的飛速發(fā)展和機器人技術(shù)的日益成熟，智能建造技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用將迎來更為廣泛和深入的拓展，以人工智能為核心的智能建造技術(shù)在協(xié)同作業(yè)、智能決策等方面的作用將更加顯著。

參考文獻

[1]王睿妍.智能建造國內(nèi)外政策及未來發(fā)展方向[J].施工企業(yè)管理，2022（11）：76-77.

[2]馬智亮.智能建造應(yīng)用熱點及發(fā)展趨勢[J].建筑技術(shù)，2022，53（9）：1250-1254.

[3]王紅衛(wèi)，鐘波濤，李永奎，等.大型復(fù)雜工程智能建造與運維的管理理論和方法[J].管理科學(xué)，2022，35（1）：55-59.

[4]張皓涵.建筑施工機器人技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].廣東建材，2021，37（8）：74-78.

[5]徐偉，夏燕飛.施工環(huán)節(jié)建筑機器人技術(shù)推廣應(yīng)用研究——以測量建筑機器人為例[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2023（9）：91-97.

[6]詹達夫，鄭智珂，施雨恬，等.建筑機器人技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展綜述[J].建筑施工，2022，44（10）：2474-2477.

[7]李健強，劉振奎，王張軍.基于Fuzor BIMVR在地鐵項目的應(yīng)用探究[J].智能建筑與智慧城市，2019（8）：74-76.

收稿日期：2024-02-27

作者簡介：

呂哲琦（1995—），男，助教，院長助理，研究方向：智能建造。

溫董瑤（通信作者）（1996—），女，助教，研究方向：裝配式建筑、工程管理。

*基金項目：吉林建筑科技學(xué)院2023校級教育教學(xué)改革研究課題“新工科產(chǎn)教融合，校企合作機制模式探索與實踐”（JY2023C021Z）。