智能建造推動建筑工程高效建設的探究

楊立斌

（寧夏第五建筑有限公司，寧夏 銀川 750021）

0 引言

基于當前建筑行業的快速發展，應用于建筑工程建設中的施工技術水平不斷提升。智能化技術、數字化技術、物聯網等先進技術的發展應用，也為推動建筑工程的建設發展提供了技術方面的有效支持。基于這些先進技術提出的智能建造理念，是新時期推動建筑行業朝著智能化應用、信息化管理以及建造方式創新方向發展的重要指導。基于實際案例對智能建造推動建筑工程高效建設的情況進行分析，對促進建筑工程建設發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北京西路114 號，寧夏廣電文化產業園東側，框架剪力墻結構。總建筑面積共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，場地狹小，機電管線安裝難度大，整體為中式建筑風格，醫院項目系統復雜，項目中標后公司研究決定利用BIM 技術數字化轉型覆蓋項目全過程管理施工。該項目的建設對于進一步提升寧夏中醫藥醫療服務水平、改善人民群眾就醫環境、推動全區中醫藥傳承創新和中醫藥事業高質量發展發揮積極、重要作用。

2 智能建造發展概況

智能建造是新時期基于先進技術發展趨勢和情況，提出的一種能夠將物聯網、大數據、BIM、云計算等信息化技術與建筑工程建設結合起來，構建形成一體化管理體系，用于建筑工程施工管理的體系。在該管理體系的運行中，伴隨各個施工階段和施工技術應用產生的數據信息，能夠作為項目整個生命周期規劃設計與變更調整的重要參考依據[1]。

在建筑行業的發展中，智能建造主要能夠通過BIM 技術、物聯網技術、數字孿生技術、大數據技術、云計算技術來發揮作用，以技術集成和構建一體化管理系統的方式，實現對建筑工程建設情況的實時監控與管理控制。其中，BIM 技術主要發揮構建模擬建筑模型的作用，依靠建筑模型來支持施工模擬，驗證各類施工技術的可行性，同時也支持信息共享，能夠降低工程安全風險；物聯網技術能夠基于布設在工程現場的傳感器設備獲取信息，與云計算技術相互配合，可以達到對工程現場作業情況進行實時監控和管理的目的；數字孿生技術主要基于建筑全生命周期理論，對建筑工程建設中數據信息之間聯系進行深入挖掘和處理；大數據技術強調對工程施工中涉及的海量數據文件進行高效處理，提升工程建設的效率效果；云計算技術是實現建筑工程智能建造的重要基礎，能夠為其他信息化技術的應用提供科學的數據信息分析支持[2]。

3 基于實例的建筑工程智能建造應用效果

智能建造本身是一種新型工程建造方式，將其應用于建筑工程建設中，主要圍繞智能規劃與設計、智能設備與施工、智慧運維三個基本的模塊進行管理控制[3]。為進一步探討智能建造在建筑工程施工建設中的應用效果，結合本文選擇的案例工程，重點探討案例工程中應用的智能建造管理體系與具體技術內容，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發展的作用。

3.1 智能規劃與設計

在智能規劃與設計方面，基于高效建造的主要目標，案例工程在結合工程整體建設要求的前提下，主要采取智能建筑+產業工人的模式，應用地面整平機器人，地面抹平機器人、噴漿機器人、抹灰機器人、掃地機器人、焊接機器人、綠碳管家、BIM 等智能裝備及系統，體現建筑工程的智能化特點和應用要求。

（1）在外墻鋁板和石材幕墻施工時使用智能放樣機器人，它具有自動放樣與激光指示功能，更加適用于高空作業，遠程操作，可以避免人員反復爬高，激光指示可快速獲取頂板放樣位置，將高空作業風險降到最低。外業測量數據可直接導入BIM 模型中，數據準確、對比清晰，并且可以自動導出放樣誤差報告[4]。放樣機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的（x.y.z）坐標、反射率、（R.G.B）顏色等數據信息，為快速復建出1：1 直彩色一維點云模型提供的一種全新技術手段。

（2）噴漿機器人和抹灰機器人擁有高度的靈活性和準確性，能夠適應不同的墻面形狀和材料，并在短時間內完成大面積的抹灰工作，降低了施工過程中的安全風險，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節省勞動力超200 人次，質量合格率高達98.5%。

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

3.2 智能設備與施工

在智能設備與施工階段，主要考慮選擇更能夠體現智能化特點的設備和技術類型。在項目前期的現場勘察與信息采集分析階段，主要應用經緯M300RTK 工程測繪無人機這一三維信息采集設備。該設備測繪范圍單次可覆蓋2km2，測繪距離可達到450m，高程精度達5cm，平面精度達10cm，同時實時生成點云，1：1 呈現精確施工坐標，復雜地形地理信息表達明確，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中，也通過多種智能裝備機設備的應用，實現數字技術與建造融合，推動傳統建筑管理精細化、施工精準化、效益高效化、建筑工業化，創新驅動引領發展。具體而言，在工程建設中，主要通過鋼結構、樓承板、幕墻、復合夾芯板、金屬屋面板、綜合支架、裝配式機房等七大類型工業化構件的應用，提高施工質量和生產效率，節能環保[5]。在此基礎上，也以創新應用全自動風管加工生產線的方式，將工廠搬入現場，在安裝風管智能加工車間中，項目根據實際需求，設置了一套全自動風管生產線，將外加工轉為自給自足，使風管加工更靈活，更大的節約了運輸成本。通過物聯網平臺，對加工廠的人、材、機均得到有效管控，實現建筑工程工業化。

3.3 智慧運維

在智慧運維方面，則主要基于提升建筑資源利用效率，提升建筑運維管理水平，保障工程經濟效益和社會效益的目標要求，以設計應用智慧工地系統的方式，實現對案例工程的規劃設計和管理控制。具體而言，在設計智慧工地系統的過程中，主要基于先進的物聯網技術，以構建信息采集層、網絡接入層、網絡傳輸層、信息存儲與處理層的系統拓撲架構方式，將移動執法終端、塔式起重機作業產生的動態情況、工地周圍的視頻數據及時上傳給綜合管理平臺。系統具體包括業務子系統、工地現場安全監督管理子系統、管理決策子系統、外網子系統、監督檢測子系統5 個主要的部分，由綜合管理平臺對各子系統進行融合，進行報警聯動等處理。各級管理部門可以及時準確了解工地現場的狀況，將有效提高項目管理和現場管理的效率。

在智能建造目標的要求下，基于構建的智能建造協同管理子系統，設定組織行為協同要素R1，技術應用融合要素R2，過程智能關聯要素R3，信息數據統一要素R4，資源動態集成要素R5，目標全局最優要素R6。通過專家訪談的方式確定6 個要素間的影響關系，進行矩陣運算，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 的基礎上，對可達矩陣進行計算。然后再對各個要素的具體等級進行劃分，從而得到針對建筑工程智能建造協同管理子系統的模型層級關系，如圖1 所示。

圖1 協同管理子系統模型層級關系

結合這一層級關系結構，在第Ⅰ層級需要通過目標全局最優與資源動態集成來設定項目各個階段和主要目標，從而在項目前期掌握工程的實際建設情況。由于目標協同管理本身是一個動態的過程，需要通過計算全局最優解的方式來提升協同管理的實際效果；在第Ⅱ層級，明確組織行為協同、過程智能關聯以及技術應用融合三者之間的關系，注重發揮整體協同管理的最大化作用價值；在第Ⅲ層級，主要依靠信息數據的統一來確保智能建造協同管理的實際效果。以保障建筑工程智能建造業務流程中涉及的各項數據信息的互聯共通、無損傳輸以及統一存儲為主要目的，強調通過信息收集與整理來實現對各項信息數據的統一管理，從而保證系統協同管理的有序性和實際效果。

為實現對建筑工程現場施工情況的有效監控和管理，考慮采用混合網絡硬盤錄像機，兼容模擬攝像機和IP 攝像機，可采集串口信號、開關量信號，支持其他子系統的可靠接入，對環境監測、安全防范、門禁、消防等子系統進行集成。

系統集成改變了各系統獨立運行的局面，滿足了系統用戶“減員增效”的需求。該技術不單是對各獨立系統功能的簡單疊加，而是對各功能進行了整合優化，并進行了智能關聯。用戶可以根據需要對各功能進行關聯，滿足規則后可以觸發相應功能。同時，在系統設計中，也通過構建大型網絡系統的J2EE 平臺架構的方式，采用微核心＋插件技術、支持從PC、服務器到小型機的遷移，支持操作系統移植，支持服務器負載均衡技術，可以隨著系統的規模不斷擴大，通過簡單的調整服務器的部署可以輕松實現從前端－市級監控中心－省級監控中心一直到全國范圍的多層次的縱向延伸和多區域聯網的橫向擴展，而無須更換版本和產品升級。

3.4 數字化應用體現

智能建造在建筑工程施工建設中的體現，具體從勞務監控系統、視頻監控系統、塔吊安全管理系統、環境檢測系統、傳輸網絡以及協同管理平臺等方面入手。在考慮案例工程實際建設要求的前提下，主要基于以下情況來發揮數字化技術的功能作用。

在建筑工程協同管理平臺的建設方面，以裝配式建筑工程項目的協同管理為例，在結合案例工程建設要求和特點的前提下，為確保達到智慧建管建設標準，認真積極總結經驗，不斷提升建筑管理科學化、規范化水平。建筑智能建造協同管理平臺架構如圖2 所示。努力完成智慧工地“6+X”物聯網設備模塊接入模式，實現數據互聯互通。項目設備安裝對接完成后，實現了施工作業人員智能化綜合管理、各類人員培訓教育考核線上一體化，同步實現施工現場遠程監控和視頻巡邏、環境監測設備與現場降塵設施智能聯動，有效預防施工安全事故的發生，實現預警信息和實時信息與監管系統互聯互通。

圖2 建筑智能建造協同管理平臺架構

綜合運用BIM、物聯網、大數據、移動通信等技術手段，通過本項目高清攝像頭監控信息與BIM 協同管理平臺進行聯動，方便管理人員及時了解建筑工地現場施工實時情況，及時消除隱患。

4 結語

綜上所述，智能建造在推動建筑工程高效建設發展方面發揮著重要的作用。在實際的工程建設中，應能夠基于工程建設的要求和現場情況，以智能建造理念作為工程建設的指導思想，強調智能技術、數字化技術等在工程建設與管理規劃中的應用，以新興技術集成的方式來有效提升工程建設質量和效率，進而將其作為推動建筑業高質量發展的有效動力。