智能化建造技術的研究與探索

房霆宸

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 同濟大學土木工程學院 上海 200092；3. 上海超高層建筑智能建造工程技術研究中心 上海 200080

經過100年的發展，我國建筑業從早期的傳統建造模式逐步發展為現在的數字化建造模式，并逐步往智能化建造方向發展。從各大高校相繼設立智能建造專業，到各大企事業單位和研究機構相繼成立智能建造研究所；從點上的智能建造技術研究與應用，到面上的智能建造技術體系的構建，大數據、5G、人工智能、建筑機器人、3D打印、工業互聯網平臺、智慧工地、智慧運維等智能化元素已不同程度地在各類工程中得到應用，尤其是2020年7月，中華人民共和國住房和城鄉建設部等13個國家相關部委聯合頒發的《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》中，明確提出智能建造與建筑工業化協同發展的智能建造產業體系，為我國的智能化建造研究、應用與未來發展指明了方向。智能建造已成為建筑行業時代發展的熱點和重點，也是我國建筑業轉型發展的關鍵和必然趨勢[1-4]。

1 基于大數據和智能算力算法的建造技術

智能化建造的關鍵是建立大數據庫，其核心技術是形成智能化算力算法。通過對不同建造過程應用場景所產生的大數據進行采集、處理和應用，基于大數據和業務邏輯形成智能算力算法和訓練數據，以應用場景為載體，將大數據、智能化算力算法與建造技術、裝備進行融合，賦予相關建造技術與裝備智能化屬性，進而實現智能化建造。如針對鋼結構構件焊接質量檢測問題，可通過開發基于圖像識別技術的訓練程序，研究深度學習訓練模型庫的構架與組成，建立鋼結構構件焊接質量訓練數據庫，確定鋼結構構件質量破壞算法公式和區間值，當檢測的鋼結構構件處于破壞區間時，系統會自動認為其不合格，可以快速檢測出不合格的預制鋼結構構件，提高成品檢測效率。

2 基于圖像識別和智能感知的建造技術

圖像識別和智能感知是一門新興的綜合性學科，該技術在建造領域的應用就好比給建造過程的應用場景裝上了“眼睛”和“知覺”，將極大地提高建造技術與裝備的智能化水平。圖像識別和智能感知是工程建造領域研究和應用的重點。首先，針對不同功能需求，基于計算機視覺方法和人工智能等技術，構建基于計算機視覺技術的深度學習模型，做好模型數據智能化降維與特征提取、模型輕量化、模型間智能關聯、智能感知賦能等專項技術研究，進行不同應用場景圖像識別和智能感知的算法設計和模型開發；其次，針對工程需要的不同應用場景，基于圖像識別和智能感知的算法設計和模型，開展臨邊洞口安全檢查、施工過程遮擋問題、構件質量檢測、混凝土裂縫識別、人員心理和生理健康、施工機械設備、施工進度分析等專項場景的研究與應用。如在中山大學深圳校區工程中，可通過采用無人機傾斜攝影技術，進行大體量土方量的精確計算，為土方的快速開挖和運輸提供支撐。

3 基于工業互聯的智能控制技術

工程建造是一個系統工程，涉及的學科門類繁多，要實現智能建造，其控制系統的建立是關鍵。要發展智能建造，可以通過借鑒工業制造領域的先進技術和理念，結合工程建造過程中的專項場景應用，對工程建造所涉及的關鍵環節在互聯網上進行控制和管理，可以顯著提升工程建造的智能化水平。如針對基坑微變形控制，可開發基坑微變形主動控制監控系統，以土體位移、傾斜等變形量最優為調控目標，設立軸力主動補償閾值，融入智能算法，當軸力達到臨界值時，系統會主動進行支撐軸力的閉環動態調整，解決了傳統支撐軸力單純以軸力理論值為調控目標導致土體變形過大的問題；如針對主體結構豎向變形監測與主動控制技術難題，可通過總結和明確結構變形規律及其變形補償算法，將實時監測值與理論預估值進行對比，自動生成優化方案，主動提醒施工及管理人員進行結構變形補償，提高施工精度；如在施工質量與安全管理工業互聯網平臺上，可對關鍵監控部位進行算法控制，當系統數據超過臨界值時，系統會主動采取相關措施進行預警和質量安全管理工作，第一時間解決安全風險，減少損失。

4 基于機器智能的建造技術

機器智能是制造業發展的高級階段，是建造領域智能化發展的關鍵技術之一。機器智能在建造領域的應用很多，但礙于技術現狀、建造成本和標準規范等綜合因素，目前機器智能在建造領域以點上應用為多，面上和成體系的應用較少。從實際應用結果來看，其在作業人員不方便到達的區域、作業環境惡劣區域、危險工況區域等場景中的應用較成功。如上海中心大廈工程中，在300 m高空應用了焊接機器人技術，在逾300 m2地下冷凍機房機電運維中應用了智能巡檢機器人，為超高空焊接和作業環境惡劣區域的施工提供了新方法；在國家會展中心場館功能提升工程中，應用了智能遙控機器人安裝車，微調精度達到±0.5 mm。

5 三維打印建造技術

3D打印建筑是今年新興的一項建造技術，其打印系統主要由混凝土輸料系統、混凝土布料系統和打印路徑控制系統組成，打印建造時通過計算機程序驅動機器打印建造。3D打印技術對于建造領域的發展是一項變革性的技術，3D打印建造技術的應用對于結構復雜、造型特異、個性定制要求高的建筑具有獨特優勢。如上海迪士尼度假區工程，在各類復雜飾面工程、裝飾部品等施工和制作過程中，應用3D打印技術，很好地解決了復雜預制構件和裝飾部品快速高質施工的難題；在廣東河源龍川縣2層高3D打印精裝別墅工程中，實現了墻體與室內裝飾一體化打印，通過1 d打印、3 d安裝，實現了快速高效建造；在迪拜“未來博物館”的3D打印辦公指揮總部工程中，探索了3D打印綠色環保建造方式。3D打印技術的應用對提高建造效率具有顯著優勢，但該技術在建造成本、工程質量方面還存在很多問題，其主要原因是打印設備和打印成本較高、建筑材料達不到高品質建造的要求、標準規范依據不足等[5-6]。

6 結語

智能建造是一門綜合性學科，對制造技術和信息化控制技術要求比較高，不僅需要開展專項技術和裝備研發，也需要信息化控制技術與大數據、智能化算力算法的融合，打造智能建造的大腦，賦予建造技術與裝備智能化屬性。為實現智能建造長期的持續發展，須加強頂層設計、加快標準規范和相關政策的制定，從具體場景的研究和應用入手，在解決實際工程問題中實現工程建造技術的智能化升級。