智能建造技術在建筑工程中的應用探討

【關鍵詞】智能建造技術；建筑工程；應用

引言

智能建造技術是融合建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機器人等多種前沿技術的集成化建造模式。其打破傳統(tǒng)建造技術相對孤立、分散的應用局面，將不同技術有機整合，形成協(xié)同高效的技術體系，貫穿建筑工程全流程。在設計階段，各技術協(xié)同完成數(shù)字化設計；施工階段實現(xiàn)智能化生產(chǎn)；運維階段達成智慧化管理，各環(huán)節(jié)緊密銜接，實現(xiàn)信息共享與交互[1]。

智能建造技術強調(diào)“數(shù)字化設計—智能化生產(chǎn)—智慧化運維”的全生命周期管理理念。數(shù)字化設計通過計算機輔助設計軟件和參數(shù)化建模技術，將建筑設計理念轉化為精確的數(shù)字化模型，實現(xiàn)設計方案的可視化、參數(shù)化和協(xié)同化；智能化生產(chǎn)利用自動化設備和智能制造技術，對建筑構配件進行精準加工和裝配，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量；智慧化運維借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術，實時監(jiān)測建筑設施設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)故障預警、能源優(yōu)化和空間管理等功能。這種全生命周期管理模式改變了傳統(tǒng)建造各階段相互割裂的狀態(tài)，從整體層面提升建筑工程的管理水平和綜合效益，使建筑工程從規(guī)劃到廢棄的全過程都能實現(xiàn)高效、精準、可持續(xù)發(fā)展[2]。

一、智能建造技術的核心體系

（一）BIM技術

BIM技術是智能建造技術的核心支撐之一，具有三維建模、碰撞檢測、協(xié)同設計等關鍵功能。在三維建模中，BIM技術可以將建筑工程的幾何信息、材料信息、構造信息等進行整合，構建包含建筑全生命周期信息的三維數(shù)字化模型。該模型不僅直觀呈現(xiàn)建筑外觀和內(nèi)部結構，還能詳細記錄各構件的屬性參數(shù)，為后續(xù)設計、施工和運維提供準確的數(shù)據(jù)基礎。碰撞檢測功能是BIM技術的重要應用之一。在建筑工程中，建筑、結構、機電等專業(yè)的設計在二維圖紙上難以全面發(fā)現(xiàn)潛在沖突。BIM技術通過對不同專業(yè)模型進行整合與分析，能夠自動檢測出管線碰撞、結構構件沖突等問題，并生成碰撞報告。設計師可根據(jù)報告及時調(diào)整設計方案，避免施工階段因設計沖突導致的返工和變更，降低施工成本和工期延誤風險。協(xié)同設計是BIM技術的顯著優(yōu)勢[3]。

（二）物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)在智能建造技術中承擔著設備聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)采集的重要任務。通過在施工設備、建筑設施和施工現(xiàn)場環(huán)境中部署大量傳感器和通信模塊，實現(xiàn)設備與設備、設備與人、人與環(huán)境之間的互聯(lián)互通。在設備聯(lián)網(wǎng)中，施工機械和車輛等設備在安裝傳感器之后，可以對設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集，同時將其及時上傳到管理平臺。管理人員可以通過平臺對設備進行遠程運行情況監(jiān)控，對設備實施調(diào)度和維護，提升設備的使用效率。在環(huán)境監(jiān)測中，物聯(lián)網(wǎng)傳感器可實時監(jiān)測施工現(xiàn)場的溫濕度、風速、粉塵濃度、有害氣體含量等環(huán)境參數(shù)。當環(huán)境指標超出安全范圍時，系統(tǒng)自動報警并啟動相應的防護措施，如開啟降塵設備、通風設備等，確保施工人員身體健康和施工安全[4]。

（三）人工智能

人工智能在智能建造技術中主要應用于施工安全預警和質(zhì)量缺陷識別等領域。在安全預警中，通過計算機視覺技術和深度學習算法，對施工現(xiàn)場的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析。系統(tǒng)能夠對施工人員未佩戴安全帽、違規(guī)操作、高空墜落等危險行為和安全隱患進行識別，并及時發(fā)出預警信息，提醒現(xiàn)場管理人員采取措施進行處理，預防安全事故發(fā)生。在質(zhì)量缺陷識別中，人工智能技術可以對施工監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像實時分析，自動識別混凝土表面裂縫、鋼筋間距不達標、墻體平整度偏差等質(zhì)量問題。

（四）機器人與自動化設備

機器人與自動化設備在智能建造中發(fā)揮著提高施工效率、降低勞動強度、保證施工質(zhì)量的重要作用。3D打印技術作為先進的自動化建造方式，可根據(jù)數(shù)字化模型直接打印建筑構件甚至整棟建筑。通過逐層打印的方式，3D打印能夠實現(xiàn)復雜建筑造型的精準建造，減少模板使用和人工勞動，提高建造效率，同時降低建筑材料浪費。在鋼結構施工中焊接機器人的應用較為普遍，其自身特點主要體現(xiàn)在高精度以及高速度和穩(wěn)定性強等方面，可以根據(jù)預設程度對鋼結構焊接工作完成，確保焊接質(zhì)量的統(tǒng)一性，防止人工焊接因疲勞、技術水平差異等因素導致的焊接缺陷。同時，在建筑工程測量放線中測量機器人應用較多，其自身具有自動識別、定位和測量功能，能夠快速、準確地完成建筑物的坐標測量、高程測量和變形監(jiān)測等任務，提高測量精度和工作效率，為施工過程的精準控制提供保障。

（五）大數(shù)據(jù)與云計算

大數(shù)據(jù)與云計算為智能建造技術提供強大的數(shù)據(jù)存儲、分析與決策支持能力。在建筑工程全生命周期中，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)如設計圖紙、施工記錄、設備運行數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等，需要高效的數(shù)據(jù)存儲和管理方式。云計算技術可以采用分布式存儲和計算資源進行數(shù)據(jù)集中儲存和擴展，以此降低數(shù)據(jù)的存儲成本，提升數(shù)據(jù)訪問速度和安全性。大數(shù)據(jù)分析技術能夠對這些海量數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和潛在價值。比如，對施工進度數(shù)據(jù)進行分析，預測施工進度趨勢，從而及時發(fā)現(xiàn)影響工期的因素，并采取相應的應對措施；通過對建筑能耗數(shù)據(jù)的分析，優(yōu)化能源使用策略，降低能源消耗。

二、智能建造技術在建筑工程各階段的應用

（一）設計階段

1.協(xié)同設計

通過BIM技術實現(xiàn)建筑、結構、機電等多專業(yè)的協(xié)同設計，是智能建造技術在設計階段的重要應用。在傳統(tǒng)設計模式下，設計人員基于二維圖紙設計，往往存在信息交流不暢，很容易產(chǎn)生設計沖突和錯誤。BIM技術搭建的協(xié)同設計平臺，打破專業(yè)間的信息壁壘。各專業(yè)設計人員在同一三維模型上開展設計工作，能夠實時查看其他專業(yè)的設計進展和信息，對設計中存在的問題及時發(fā)現(xiàn)并處理。例如，在機電管線設計過程中，設計師可直接參考建筑和結構模型，合理規(guī)劃管線走向，避免與結構構件發(fā)生碰撞[5]。

2.方案優(yōu)化

通過虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）和增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術對設計方案進行可視化展示和模擬分析，為設計方案優(yōu)化提供直觀、有效的手段。VR技術讓設計師和客戶沉浸在虛擬的建筑環(huán)境中，從第一視角感受建筑空間尺度、光影效果、流線組織等。設計師可在虛擬環(huán)境中對方案進行實時調(diào)整，如改變空間布局、調(diào)整建筑外觀材質(zhì)等，及時查看調(diào)整后的效果，提高方案優(yōu)化的效率和準確性。AR技術將虛擬的建筑模型與現(xiàn)實場景相結合，設計師可通過移動設備在實際場地中查看建筑模型的虛擬投影，直觀評估建筑與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性，以及建筑在實際場景中的視覺效果。

（二）施工階段

1.施工進度管理

智能建造技術在施工進度的應用中，通過項目管理軟件和BIM技術實現(xiàn)對施工進度的實時監(jiān)控及動態(tài)調(diào)整。將施工進度計劃和BIM模型相關聯(lián)，建立四維施工進度模擬系統(tǒng)。在施工過程中，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器和定位技術采集施工進度數(shù)據(jù)，并與計劃進度進行對比。當出現(xiàn)進度偏差時，系統(tǒng)自動發(fā)出預警信息，并通過進度模擬功能分析偏差原因，為施工管理人員提供調(diào)整建議。例如，當某施工區(qū)域進度滯后時，系統(tǒng)能夠模擬不同的趕工方案，分析各方案對工期、成本和資源的影響，幫助管理人員選擇最優(yōu)的進度調(diào)整策略，確保施工項目按期完成[6]。

2.質(zhì)量管理

通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器和人工智能技術可以對施工進度實施實時監(jiān)測分析，從而進行施工質(zhì)量智能化管理。在混凝土施工中，在混凝土構件中進行傳感器的預埋，對混凝土濕溫度和強度等參數(shù)進行監(jiān)測，按照預設的質(zhì)量標準做好數(shù)據(jù)分析，以此判斷混凝土的澆筑和養(yǎng)護是否符合要求。若檢測到混凝土強度增長異常，系統(tǒng)自動發(fā)出預警，提醒施工人員采取措施進行處理。在鋼筋工程質(zhì)量檢測中，利用機器視覺技術對鋼筋間距、綁扎質(zhì)量等進行自動檢測。通過圖像識別算法對拍攝的鋼筋施工圖像進行分析，與設計圖紙和質(zhì)量標準進行比較，快速識別出鋼筋間距不達標、綁扎不牢固等質(zhì)量問題，并生成質(zhì)量檢測報告。此外，人工智能技術可對歷史質(zhì)量數(shù)據(jù)進行學習和分析，預測質(zhì)量問題的發(fā)生概率，提前采取預防措施，提升施工質(zhì)量控制水平。

3.安全管理

通過視頻監(jiān)控、人員定位和安全預警系統(tǒng)對施工現(xiàn)場的安全狀況進行實時監(jiān)控，確保施工人員的生命安全。在建筑施工現(xiàn)場安裝高清攝像頭和人員定位裝置，通過計算機視覺技術和定位技術對施工情況進行監(jiān)測。系統(tǒng)可識別施工人員未佩戴安全帽、違規(guī)進入危險區(qū)域、高空作業(yè)未系安全帶等危險行為，并自動發(fā)出語音警告和短信通知。同時，針對施工現(xiàn)場塔吊以及施工電梯等設備安裝傳感器和監(jiān)測裝置，能夠對其運行狀態(tài)和安全參數(shù)進行實時監(jiān)測。若是設備出現(xiàn)超載、超速、限位失靈等安全隱患時，系統(tǒng)立即發(fā)出警報，并自動采取停機等應急措施，防止安全事故發(fā)生[7]。

4.施工設備管理

在設備管理中，通過物聯(lián)網(wǎng)技術可以提升設備的利用率以及可靠性。在設備中安裝傳感器和通信模塊，對設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時采集，比如工作狀態(tài)、故障信息、維護記錄等，并將數(shù)據(jù)上傳至設備管理平臺。管理人員通過平臺可遠程監(jiān)控設備的運行情況，進行設備調(diào)度和維護管理。例如，根據(jù)設備的工作時長和運行狀態(tài)，合理安排設備的使用和維護計劃，避免設備過度使用導致的故障和損壞。

5.建筑機器人應用

在砌墻、抹灰、噴涂等重復性、高強度的工作中引入建筑機器人，能有效提高施工效率和質(zhì)量，減少人工勞動強度。砌墻機器人可以根據(jù)設計圖紙和施工要求，自動完成磚塊的抓取、運輸和砌筑工作，其具有高精度定位和自動校準功能，可保證墻體的垂直度、平整度和灰縫寬度符合質(zhì)量標準，避免人工砌筑因疲勞和技術差異導致的質(zhì)量問題。抹灰機器人和噴涂機器人則通過自動化操作，實現(xiàn)墻面抹灰和涂料噴涂的均勻性和一致性，提高施工效率和裝飾質(zhì)量。

（三）運維階段

1.設施設備管理

建立設施設備管理系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術進行故障預測和預防性維護，延長設備的使用壽命。在建筑設施設備上安裝各類傳感器，如溫度傳感器、振動傳感器、電流傳感器等，實時采集設備的運行參數(shù)。設備管理系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，通過機器學習算法建立設備故障預測模型，預測設備可能出現(xiàn)的故障類型和時間。當系統(tǒng)檢測到設備運行參數(shù)異常時，自動發(fā)出預警信息，并提供故障診斷和維修建議。管理人員根據(jù)預警信息和維修建議，提前安排設備維修和更換工作，避免設備突發(fā)故障影響建筑正常使用。

2.能源管理

在能源管理中，通過智能能源管理系統(tǒng)對能源的消耗實時監(jiān)測分析，對能源使用策略進行優(yōu)化，以此降低能源成本。在建筑的電力、給排水、供暖通風等系統(tǒng)中安裝智能計量裝置，實時采集能源消耗數(shù)據(jù)。能源管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，繪制能源消耗曲線，分析能源消耗規(guī)律和浪費環(huán)節(jié)。采用大數(shù)據(jù)技術和人工智能技術，對建筑能源需求進行預測，同時根據(jù)預測結果和能源價格，對能源使用策略進行優(yōu)化。比如，在電力負荷低谷時段，增加儲能設備的充電量；在電力負荷高峰時段，減少非必要設備的用電，實現(xiàn)能源的合理調(diào)配和節(jié)約使用。

3.空間管理

在建筑空間管理中，通過BIM技術和室內(nèi)定位系統(tǒng)對其實施智能化管理，能夠實現(xiàn)空間的合理分配和有效應用。基于BIM模型，建立建筑空間信息數(shù)據(jù)庫，詳細記錄空間的位置、面積、功能、使用情況等信息。通過室內(nèi)定位系統(tǒng)，實時獲取人員和物品在建筑空間內(nèi)的位置信息。空間管理系統(tǒng)可以根據(jù)人員以及物品的位置信息、空間使用需求和功能布局，對空間分配方案進行自動優(yōu)化。例如，當某區(qū)域的使用頻率較高時，系統(tǒng)可自動調(diào)整周邊空間的功能，增加該區(qū)域的使用面積；當某會議室閑置時，系統(tǒng)可將其信息發(fā)布到共享平臺，供其他部門預約使用。

結語

智能建造技術憑借多技術集成與全生命周期管理優(yōu)勢，在建筑工程設計、施工、運維階段展現(xiàn)顯著成效，有效提升了工程效率、質(zhì)量與管理水平，推動建筑行業(yè)向智能化、精細化邁進。然而，技術融合壁壘、數(shù)據(jù)安全風險、專業(yè)人才匱乏及成本高昂等問題，制約著智能建造技術的廣泛應用。隨著技術創(chuàng)新突破、標準體系完善與人才培養(yǎng)體系優(yōu)化，智能建造技術將不斷克服挑戰(zhàn)，加速在建筑行業(yè)的普及應用，為實現(xiàn)建筑行業(yè)綠色化、智能化發(fā)展目標，構建高效、可持續(xù)的現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)體系注入強勁動力。

參考文獻：

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[4] 孫志民，鐘劍，林貴鋒，等.智能建造技術在建筑工程中的綜合應用研究[J].中國建筑裝飾裝修，2024（12）：7173.

[5] 郭凱穎，董正清.智能建造與BIM技術在建筑工程管理中的應用研究[J].住宅與房地產(chǎn)，2024（05）：106108.

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[7] 李桐.當代建筑工程中的智能建造技術及其應用研究[J].智慧中國，2023（12）：2425.