裝配式建筑智能建造探討

曹 希（上海綠地建設（集團）有限公司，上海 200083）

“十三五”以來裝配式建筑的發展得到了國家的大力支持，住建部制定了《“十三五”裝配式建筑行動方案》《裝配式建筑示范城市管理辦法》等若干政策文件，全力促進裝配式建筑的全面發展。我國裝配式建筑得以持續快速發展，新開工裝配式建筑面積占比逐年增長，建造水平和建筑質量顯著提升。伴隨建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM）、物聯網、大數據、云計算、人工智能等新技術的不斷發展與融合，裝配式建造逐漸呈現智能化趨勢。2020 年，住建部、國家發展改革委和科技部等十三部門聯合印發了《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，明確推進建筑工業化、數字化、智能化升級，大力發展裝配式建筑、推動智能建造。

本文簡要介紹了裝配式建筑、智能建造的相關概念和二者之間的關系，結合具體項目實例對當前裝配式建筑智能建造的優缺點進行分析，探討了裝配式建筑智能建造的發展趨勢。

1 裝配式建筑發展概況

1.1 裝配式建筑的概念

裝配式建筑是指建筑的部分或全部構件在工廠預制，構件運輸到施工現場后，通過可靠的連接方式組建而成的建筑。裝配式建筑按照結構體系，包括裝配式混凝土結構、鋼結構和木結構等，目前較為常見的為前兩種形式。

1.2 裝配式建筑的發展

我國裝配式建筑于 20 世紀 50 年代開始推行，60—80年代持續發展，后由于當時的裝配式建筑在抗震能力及滲漏、隔音、保溫等方面的缺陷，從 80 年代末起，裝配式建筑的發展進入低潮期。2016 年中共中央、國務院印發《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，明確大力推廣裝配式建筑，并提出力爭用 10 a 左右時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到 30%。

得益于國家及各地方鼓勵政策的推動，近年來裝配式建筑的發展顯著加快。2021 年 3月 11 日，住房和城鄉建設部標準定額司發布了《關于2020年度全國裝配式建筑發展情況的通報》。文中指出，2020 年，全國 31 個省、自治區、直轄市和新疆生產建設兵團新開工裝配式建筑共計6.3 億 m2，較2019年增長 50%，占新建建筑面積的比例約為 20.5%，完成了《“十三五”裝配式建筑行動方案》確定的到 2020 年達到 15%以 上的工作目標。數據顯示，從結構形式看，新開工裝配式混凝土結構建筑 4.3 億 m2，較 2019年增長 59.3%，占新開工裝配式建筑的比例為 68.3%；裝配式鋼結構建筑 1.9 億 m2，較 2019 年增長 46%，占新開工裝配式建筑的比例為 30.2%。其中，新開工裝配式鋼結構住宅1206 萬 m2，較 2019 年增長 33%。裝配式鋼結構集成模塊建筑得到快速推廣，為新冠肺炎疫情防控發揮了重要作用。

2 智能建造的含義

2.1 智能建造概念

目前，對于智能建造尚未形成統一的概念。普遍意義而言，智能建造是工程建造領域與多領域協同發展，信息化與工業化充分深度融合后，自然形成的一種新型建造模式。有別于傳統建造模式，智能建造模式中科技創新成果轉化率高，利用 BIM 技術和物聯網、大數據、云計算、人工智能等信息科技[1]，在工程建造全周期活動的各個環節進行優化，提升勘察、規劃、設計、生產、施工、運營能效，提高建筑工程質量安全、效益和品質，從而實現建筑產業高質量、可持續的健康發展。

2.2 智能建造關鍵技術

2.2.1 BIM

BIM是在計算機輔助設計（CAD）等基礎上發展起來的多維建筑模型信息集成管理技術，是傳統的二維向三維轉變的革命性技術。BIM 的技術核心是一個共享的信息數據庫，其中包含項目的物理和功能特性，在項目的全生命周期中可用于開發、設計、建造、運維等管理行為的應用。各參與方在項目的不同階段均可在BIM中插入、提取、更新和修改信息，實現項目信息化集成管理，項目決策更加簡便、高效，顯著提高效率和項目質量，降低項目風險，增加項目收益。

2.2.2 物聯網

物聯網（Internet of Things）從最初的傳感網發展而來，其定義和范圍一直處于一種動態、且不斷拓展的狀態。簡單地說，物聯網通過信息傳感設備，把所有物品與互聯網連接，同時進行信息交換，以實現智能化識別和管理。物聯網架構由感知層、網絡層、應用層組成。感知層實現對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制，網絡層依托網絡（公眾電信、互聯網、行業專用通信網絡等）實現信息的傳遞、路由和控制，應用層應用基礎設施、中間件和各種物聯網應用。5G 技術的出現，為物聯網的發展加速，萬物互聯的場景指日可待。

2.2.3 云計算云計算（Cloud Computing）是分布式計算的一種，通過互聯網訪問、可定制的IT資源共享池，并且采用按使用量付費的定價方式。廣義而言，云計算是指服務的交付和使用模式，即通過網絡以按需、易擴展的方式獲取所需的資源，這種服務可以是 IT 的基礎設施（硬件、軟件、平臺），也可以是其他服務。其核心理念是按需服務，例如數據備份、災難恢復、電子郵件、虛擬桌面、軟件開發和測試、大數據分析以及面向客戶的 Web 應用程序等等，而無需購買、擁有和維護物理數據中心及服務器。三種主要類型包括基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）。每種類型的云計算都提供不同級別的控制、靈活性和管理。

2.2.4 大數據

大數據（big data），巨量數據集合。如今常說的大數據，通常指因信息交換、信息存儲和信息處理三方面能力大幅增長而產生的數據。麥肯錫全球研究所給出的定義為，一種規模大到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統數據庫軟件工具能力范圍的數據集合，具有海量的數據規模、快速的數據流轉、多樣的數據類型和價值密度低四大特征。大數據的數據特點為，規模大、類別復雜、處理速度快、真實性高且蘊藏價值。通過大數據的抓取、分析、處理，以及以此為基礎的數據挖掘和智能決策，獲得具有預測性的、可能被忽視的規律，從而針對性地做出各種決策。

2.2.5 人工智能

人工智能（Artificial Intelligence）是計算機科學的一個分支，是一種使計算機、計算機控制的機器人或軟件智能地思考的方式，其方式與人類的智能思維方式類似。人工智能通過研究人類大腦如何思考以及人類在嘗試解決問題時如何學習、決定和工作，將研究結果用于開發智能軟件和系統的基礎。人工智能企圖了解智能的實質，研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等，是發展迅速、涉獵相當廣泛的一門新邊沿學科。其屬于自然科學、社會科學和技術科學三向交叉學科，涉及計算機科學、哲學、數學、神經生理學、心理學、仿生學、信息論、控制論等等眾多學科。

在智能建造關鍵技術中，BIM 技術貫穿于項目建造的整個生命周期，可謂是智能建造的基礎。同時，各種技術之間互相穿插、滲透與融合，例如大數據的處理和挖掘與云計算有著相當密切的關系，而大數據本身也被稱為人工智能的基石。隨著科技發展的加速發展，智能建造所涉及的技術必定更加多樣，融合愈加緊密。

3 裝配式建筑與智能建造

3.1 裝配式建筑工業化趨勢

科技的高度發展和經濟的快速增長，使得人類社會已從工業社會邁入信息社會，信息化技術全面滲透至各個行業。科技信息化的不斷推廣與應用，對傳統模式有著極大的沖擊。在我國，建筑業作為傳統的國民經濟支柱產業，其生產方式仍較為落后，傳統模式已不能滿足高質量的發展要求。

相較于傳統現澆施工方式，裝配式建筑的構件在工廠制作，現場工作量較少。具有先天優勢，更易于工業化、數字化、智能化升級，轉變傳統建造方式，融合各領域各行業的先進成果，以實現科技含量水平高、經濟效益好、高效節能、綠色環保的新型建筑工業化。對于裝配式建筑而言，工廠化預制技術是現場智能施工的前提和基礎[2]，目前我國的預制構件尚未形成標準化、規模化，仍存在很大的上升空間。

3.2 裝配式建筑項目實例

3.2.1 某高層辦公樓

某高層辦公樓項目位于市中心，緊鄰居民區、周邊高層建筑及城市高架橋，距離周邊建筑最近處僅 15 m，距離高架橋最近處僅 23 m。辦公樓 -2 F，地上 18 F；地下埋深約10 m，建筑高度約 80 m。該項目采用裝配式混凝土框架—核心筒結構，構件最大重量近 9 t，構件共計 2000 余塊。施工仿真模擬示意圖如圖 1 所示。

圖 1 施工仿真模擬示意圖

該項目是上海市首個裝配式高層綜合辦公樓，被住建部列入年度科學技術項目計劃中的裝配式建筑科技示范項目。在項目前期就啟用 BIM 技術，在項目全過程中采用 BIM 技術，運用了構件深化設計、構件生產計劃、施工模擬、施工復核、施工指導等功能，串聯起了構件的設計、生產、安裝和現場施工進度、成本控制等各個環節，使各相關方聯系更為緊密，溝通更為高效。

該項目的梁、柱節點預制構件預留鋼筋較多，預制構件預留洞、預埋件也較為繁多，還有斜交梁等復雜的梁、柱節點，鋼筋密集。對于復雜節點，建立復雜節點模型，通過BIM、云計算等對可能發生的各種問題進行了演算，真實模擬構件就位可能出現的各種工況，優化設計和施工，解決了諸多問題。而由于事先模擬，優化施工，還避免了可能會造成的碰撞問題和設計缺漏等問題。在施工過程中，縮短了工期，節約了人工。

運用 BIM 技術進行全方位管理、全過程管控，保證了工程質量和施工安全，實現了施工管理的精細化；使得整個工程不同于傳統的建筑施工，還具有信息化、現代化的特點。該項目積極探索實踐，采用新技術新方法，并對其進行完善、形成多項技術成果。但由于該項目裝配式構件規格較為特殊，并非量產標準件，項目實際成本降低有限，總造價相對較高，并沒有達到裝配式建筑有效控制成本的預期目標。

3.2.2 某大型商業體

某大型商業體位于市區大型保障房項目一側，是保障房重要的配套商業項目。該商業項目用地呈不規則四邊形布置，施工場地狹小，周圍建筑林立。該項目為一棟集辦公、商業、餐飲、娛樂綜合用途的多層建筑，采用框架結構，地下 2 F，地上 9 F，其中裙房 5 F（總高度約 27 m），三棟塔樓各 4 F（總高度約 45 m）。該項目的兩棟塔樓和其所在的裙房水平投影位置，采用裝配式混凝土框架結構。該項目是上海市首個裝配式商業綜合體項目，被住建部列入年度科學技術項目計劃中的裝配式建筑科技示范項目。

該商業體裙房跨度較大，各節點預留鋼筋較多，在其中還存在一處整體保護建筑，施工具一定的難度。構件多、場地小，現場堆放難度很大。針對這些問題，該項目從規劃設計階段就已運用 BIM 技術建模，對構件設計、制作、運輸和施工全過程進行了計劃、模擬及復核，并對原有建筑實施隔離保護，確保其在施工過程中相對獨立、絕對安全。復雜節點動態碰撞檢查靜態示意圖如圖 2 所示。

圖2 復雜節點動態碰撞檢查靜態示意圖

經過優化處理，該項目鋼筋碰撞問題得到解決，裝配式構件多為標準件，構件供應周期較短。構件裝車運輸、現場堆放和吊裝順序合理有序，縮減了項目周期。比對傳統施工，成本控制和文明施工等方面均取得了相當的成果，經濟、社會效益可觀。

以上所例舉的兩個裝配式建筑實例，屬于較早嘗試智能建造的項目，基于 BIM 技術、結合云計算等信息化手段，較好的解決了復雜工況施工難題，并在一定程度上降低了項目經濟成本、增加了收益。科技水平的不斷發展，促使裝配式建筑智能建造的科技含量呈逐年上升趨勢。對于裝配式建筑而言，智能建造介入越早，涉及越廣，越能推動項目朝精簡、標準、高效、節約的方向發展。

4 結 語

現代科技進步異常迅速，將推陳出新、不斷發展的新科技與裝配式建筑結合，不僅能充分提升建筑品質，滿足社會發展需要；還能提高生產效率，縮短工期降低成本增加收益，推動建筑業轉型與健康發展。裝配式建筑的智能建造，目前尚處于初期階段，需要看到的是，與計算機、金融、汽車等信息化水平較高的行業相比，由于新科技在建筑業的應用尚淺，智能建造于裝配式建筑多數還停留在控制成本、數字設計、指導施工等層面。如何打破建筑業和新科技間的壁壘，將 BIM、物聯網、云計算、大數據、人工智能等科技充分融合，實現裝配式建筑標準化、模塊化、規模化，是推進裝配式建筑智能建造的關鍵所在，存在巨大的發展潛力有待挖掘。