中國人民大學通州校區學部樓項目智能建造技術

王俊鵬，劉俊杰，張 裕，劉占省，羅安家，衛紅然

(1.中鐵建工集團有限公司，北京 100160； 2.北京工業大學，北京 100124)

0 引言

目前建筑行業信息化程度較低，生產方式較落后，資源利用率較低，機械設備利用率不高，建筑工人文化素養偏低、年齡偏高、專業化程度較低，建筑產業與信息化、智能化制造技術融合水平較低[1]，在智能建造領域發展較慢。

土木建筑行業應用智能化與數字化技術是實現更高質量發展的必然要求。智能建造技術結合新興技術能有效提高建筑行業的智能化程度，推動建筑行業升級轉型，進入高質量發展模式[2]。劉占省等[3]對國內外智能建造技術做相應總結，同時歸納國內相關政策法規對智能建造發展的支持，為我國智能建造發展方向提供正確指引。蔣小銳等[4]實現了智能建造技術在大跨地下車站中的應用，搭建基于BIM的信息一體化統一平臺，可實現三維集成設計，同時在項目智能施工、智能監測等方面做相應探討和研究總結。王可飛等[5]結合當前時代背景與信息技術，總結智能建造的相應技術，并提出以BIM為中心的智能化技術在鐵路工程項目建設全生命周期中的應用。本文結合各位專家學者的研究成果，以中國人民大學通州校區學部樓為例，結合BIM+智能化技術，助力整個項目施工階段的智能化升級[6]。

1 工程概況

中國人民大學通州校區學部樓項目位于北京城市副中心0902街區6011地塊，包含學部樓基礎工程、結構工程、給排水工程及相應裝飾裝修工程(見圖1)?？偨ㄖ娣e30 540m2，其中地上建筑面積15 540m2，地下建筑面積15 000m2，項目總計劃工期628d。

圖1 項目效果

2 項目重難點

1)本工程建筑面積92 030m2，有效工期僅1.5年，存在工期緊、施工質量與安全文明施工要求高、可用于施工的場地非常有限、立體交叉作業多、管理協調難度大、分部分項工程較多等難題。且因疫情影響，多次配合政府停工進行現場封控，在工期緊張的情況下加大工程進度壓力。

2)基坑西側、南側鄰近綜合管廊，開挖深度達12.03m，屬深基坑工程，地質環境復雜，深基坑開挖難度大，安全要求高。且施工場地狹小，現場部分區域無施工道路，通行受限，存在較多交叉施工工序，多個工序無法同時進行，部分施工區域不具備施工條件，影響施工進度，易延誤工期。同時，開挖深基坑時，會影響周圍土體，引起不均勻沉降。

3)本項目結構復雜，地上主體為鋼框架結構，地下采用鋼筋混凝土框架結構。地上部分包含5棟單體，地下3層為整體地下室。鋼結構構件包括焊接箱形鋼柱、焊接H型鋼梁等，存在鋼結構節點施工復雜、外墻集水坑鋼筋密集、安裝效率低、安裝精度不高等問題，且實施方案選擇不準確，無法給后期施工提供準確依據。

4)地下2層除停車庫外，還有配電室、機房等設備專用房，機電管線量大，其中大多處于走廊位置，走廊未安裝吊頂，寬度最小處僅1.7m，管線布置復雜，空間凈高壓力大。

5)該校區地處北京城市副中心，為響應北京市副中心“十四五規劃”和“2035遠景目標”綱要中關于打造數字孿生城市的要求，需推廣智能建造技術，提高建設智能化程度。

3 智能建造技術內涵

3.1 智能建造技術概述

智能建造技術是信息數字化技術結合項目建造形成的新型建造模式，基于項目要素資源的信息化與數字化內容，采用標準化建立模型、可視化交互認知、精確化計算分析及智能化決策，在數字化鏈條驅動中進行立項規劃、施工建造、運維服務于一體的整合與高度協同集成[7]，同時實現綠色環保。因此，智能建造施工通過對建筑項目整個過程進行標準化建模，在數字鏈驅動過程中完成建筑工程全生命周期的建造與服務模式，以提升建造過程和資源利用效率，交出高性價比的工程產品，實現建筑工程項目全生命周期集成和可持續建造。

3.2 智能建造技術特點

在節能減排大背景下，從可持續發展角度來看，工程建造產品要融入生態環境保護中。通過智能建造模式，一定程度上提高項目規劃設計、施工管理及智慧運維運用中的資源利用率，同時提高工作效率，該全生命周期管理模式使工程資源價值得到充分利用與實現，最大程度減少對環境的危害。智能建造利用BIM技術，實現工程建造全過程、各要素間及各主體間的信息集合，實現數字化管理模式[8]。

4 BIM+在施工中的應用

4.1 BIM+AR技術

該工程開發了以AR技術為基礎的可視化平臺。BIM模型建成后，導入UNITY 3D中進行加工、處理，流程如圖2所示。利用AR軟件對關鍵部位進行可視化交底，將三維模型以虛擬現實狀態呈現給技術與施工人員，進行沉浸式施工交底。利用虛擬現實技術對施工人員進行場景體驗檢查和安全培訓。每個施工人員可通過手機AR程序進行及時傳達，并可看到組裝物件的虛擬正確位置，保證施工質量。

圖2 BIM+AR技術流程

4.2 BIM+MR技術

在項目中融合BIM與MR技術，采用HoloLens設備，通過智能手機、平板等展示三維模型，可輔助設計人員討論復雜節點與精確構件的深化細節，提高模擬真實性。將建筑項目相關信息整合到虛擬模型場景中，實現模型多種維度下的信息聯合，可同時進行可視化交底指導。施工前，將整個施工過程輸入計算機軟件中，進行三維數字化模擬，便于施工人員了解現場施工環境及流程，同時規避相應風險。

4.3 BIM+3D打印技術

結合BIM與3D打印技術，如圖3所示，可實現建筑構件或節點的打印模擬演示。在BIM建模軟件中，Revit軟件可實現任意構件的三維演示，需重點分析鋼結構梁柱構件及連接的復雜節點，以及根據BIM模型施工的節點拼裝焊接，通過三維動畫圖，便于后期施工交底。拆分BIM模型得到相應節點及構件參數信息后，利用3D打印機打印等比例構件，結合BIM模型節點設計處理構件，組合完成鋼結構節點要求。本項目利用2項技術打印出相應構件模型，如圖4所示，能有效降低施工難度，提升建筑物結構合理性，施工人員也可了解施工流程，有效降低安全風險。

圖3 BIM與3D打印融合機理

圖4 3D打印模型

5 智能技術應用

5.1 航拍點云掃描技術應用

利用無人機搭載的點云掃描技術在地形地貌勘測中具有高精度、可視化等特點，可同時獲得較大的數據量，更加完整地掃描一塊地形。本項目使用無人機對場地表面進行尋跡航拍后，將航拍數據進行三維處理，得到三維地形表皮模型，并導入Civil 3D及GIS軟件中分析高程坐標，形成DEM高程模型文件，以提供更準確的場地情況，同時將場地模型文件結合BIM技術，合理布置施工場地，實現更加精準的施工材料運輸路徑規劃。項目管理人員也可定期掌握整個施工場地現場情況，提高施工效率。

5.2 施工質量檢測智能機器人應用

1)結構腐蝕檢測

本項目采用空中飛行智能機器人檢測鋼結構腐蝕情況，機器人通過掃描混凝土或鋼結構外觀進行檢測，因此，利用智能機器人可取代質量檢查員檢測鋼結構腐蝕情況，為智能檢測提供硬件基礎，在檢測作業中，利用該設備可實現遠程檢測，并智能化識別缺陷位置、種類，有效降低人工質量檢測存在的誤差，降低安全隱患，提高檢測全面性、準確性，降低檢測人工成本，提高作業效率及檢測智能化程度。同時基于云計算，提高數據訪問能力，并整合數據，避免重復計算[9]。

2)放樣定位

施工人員通過放樣機器人結合建筑物BIM模型，采集、整理現場定位點數據，通過操作平臺選取BIM模型中所需的放樣點，進而指揮機器人發射紅外激光自動照準實現精準點位，將現場實體對應BIM虛擬模型。在樁基點和地腳螺栓定位時進行控制點定位并測量相應地形，同時校核鋼結構安裝質量。在機電管道安裝施工中，放樣機器人可協助設備支架安裝定位，提高安裝精度。

3)空間尺寸校核

本項目采用實測實量機器人測量室內建筑墻體平整度、垂直度，全墻數據無死角，一鍵式生成數據表格，可實現實測實量、快速上墻的目的，自動匯總數據信息，一鍵統計墻體垂直度和平整度的合格率，為控制工程質量做好基礎。

5.3 基于數字孿生的綠色施工管理

在雙碳戰略背景下，建筑業引入綠色施工，利用基于數字孿生的綠色施工管理技術，從環境保護、資源節約利用、節能角度介紹智能技術的應用[10]。

5.3.1綠色智慧管理平臺

基于數字孿生的綠色智慧管理平臺，通過現場環境監測設備及BIM智慧管理平臺，可精確監控溫濕度、PM2.5、PM10、噪聲、揚塵等環境指標，一旦指標超過規定監測范圍，平臺將自動提醒。同時與智能噴淋聯動，進行噴淋工作，實現綠色文明施工。

5.3.2資源節約利用

在項目材料管理中，利用數字孿生技術控制成本與進度的同時，利用BIM合理規劃、統計工程量，避免材料浪費，實現節材與材料資源利用。根據工程進度規劃，可合理安排材料進場，降低存貨。對復雜節點構造進行模擬，可避免由于返工造成的浪費，如圖5所示。根據現場臨時用水量，可合理制定管徑、管路，同時，利用BIM模型模擬管線走向，進行合理排布。通過智能物聯網水表管控現場用水量，實現智能工地雨水回收及屋面噴水降溫控制。

圖5 節材與資源利用

5.3.3節能與能源利用

基于數字孿生技術分析水能循環、風能流動、自然光能照射等性能，模擬建筑物光照情況、風環境等，可合理布局場地及建筑。同時，利用智能化監測電表實時監測現場用電量。監控能源消耗，自動分析能源使用情況并生成報告，對建筑進行合理設計、規劃，實現節能減排。

6 結語

我國智能建造技術發展速度較緩慢，且起步較晚，目前處于探索和萌芽階段，與發達國家存在一定差距。本項目依據相應工程經驗，對BIM+技術、三維掃描技術、機器人技術等應用進行介紹，分析技術優點，總結相應技術的應用模式與方法。但智能建造技術的應用種類還有所欠缺，如數字孿生技術的應用也相對較少，區塊鏈技術應用也不成熟，未來要更好地整合智能建造技術，助力建筑業智能化升級。