建筑工程數字化建造及控制平臺技術研究與探索

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

數字化建造及控制是以數字化方式作為技術手段，通過數字化技術輔助工程建造，驅動工程建設管理方式和建造過程的數字化轉型，實現工程建設過程的精益建造。數字化主要表現在表達、分析、計算、模擬、監測、控制及其全過程連續數據的構建，數字化技術可有效驅動工程建造方式和管控模式的數字轉型。數字化技術是實體經濟轉型升級的引擎，是我國在世界上實現彎道超車的機遇。改革開放以來，我國建筑工程建造實踐成績卓著，重大工程建設處于國際領先水平，但數字化技術及其理論體系尚滯后于工程實踐，不斷提高工程建造理論基礎，全面系統地運用數字化建造技術方法，驅動工程建造技術體系創新，改變傳統工程建造模式，已成為建筑工程發展的必然趨勢[1-3]。

數字化與工程建設的融合發展，深刻影響和改變著建筑領域，給建筑業的發展帶來了較大的效益，使規劃設計、工程施工、運營管理乃至整個工程的質量和管理效率得到了顯著提高。以工程實體為載體發展和應用數字化建造控制技術，在數字化建造平臺上納入各相關供應方，可有效提高工程質量，保證公共安全，降低工程建造成本。以建筑企業為載體，在房產開發、設計咨詢、建筑施工、建材工業、運營維護等工程建設全產業鏈發展和應用數字化建造及控制平臺技術，在數字化建造平臺上納入上下游合作商，不僅可以加快建筑企業數字化轉型，也可帶動交通、材料、化工、物流、金融、通信、能源、環保等相關產業企業的數字化轉型。建立建筑業數字化建造及控制技術體系，實現對傳統建造技術的數字化升級改造，有利于提高建筑業及相關產業的整體行業水平，對于筑牢實體經濟和數字經濟發展基礎具有重要意義[4]。

1 實現路線

針對目前我國建筑工程行業智能化水平較低、協同性較差、安全管控能力不足等問題，可基于物聯網技術、數字孿生技術、大數據技術、人工智能技術等新興工業互聯網技術，重點圍繞建筑工程全生命周期虛擬仿真技術、建筑工程結構安全智能化控制技術、建筑工程人—機—環耦合風險智能化控制技術、建筑工程全生命周期智能化建造及控制平臺、建筑工程全生命周期智能化建造及控制服務應用開發等關鍵技術及平臺開展科技攻關，推動建筑工程智能化建造及控制平臺研究和全產業鏈協同技術研究，并以示范工程形式積極推動科研成果的工程化應用，實現科研成果與工程應用的有機結合，帶動智能化建造及管控技術在整個建筑工程行業內的全面發展，實現建筑工程行業快速轉型升級。

針對現有數字化建造及控制技術應用基礎薄弱等問題，可從邊緣層工程應用出發，研究面向重大建筑工程項目的全生命周期虛擬仿真、結構安全數字化控制、多維度耦合風險數字化控制等技術及平臺，為數字化建造及控制技術在建筑工程中的具體應用提供可靠的解決方案。在此基礎上，立足于建筑工程全行業高度，從邊緣層工程應用中進行海量數據匯聚及智能建造功能集成，并結合IaaS層云計算技術和PaaS層基礎服務資源，研制行業級的建筑工程數字化建造及控制工業互聯網大平臺，可為建筑工程行業提供高可擴展性、高定制化的中間層智能服務平臺。以上述工業互聯網基礎大平臺作為支撐，面向不同的行業數字化建造及控制需求，開發面向建筑工程全壽命周期及全產業鏈的服務應用等軟件產品，為建筑工程數字化建造及控制提供支撐。

2 體系構建

建筑工程數字化建造及控制平臺框架體系主要分為工程項目級、企業公司級、行業級這三個層次，同時需要兼顧應用服務，其體系構建的關鍵如下：

1）在工程項目層面，需針對工程建造所涉及的人員、機械、環境、材料、方法，以示范工程形式加大推進項目相關數字化建造技術與平臺成果的工程應用，以點帶面逐步實現規模化應用，帶動建筑工程智能化建造及管控技術水平的提升，實現傳統建造技術工藝與管理方式的升級與革新。其主要內容包括：一是在建筑工程全生命周期推廣應用數字化虛擬仿真建造技術，在應用中研究面向建筑工程設計、施工、運維等全生命周期的新型虛擬仿真技術，開發形成建筑工程全生命周期虛擬仿真公共在線功能模塊；二是在建筑工程本體所涉及的深大基坑支護工程、混凝土結構工程、鋼結構工程等關鍵建造環節全面推廣應用施工風險數字化控制技術，在應用中研究基于物聯網的結構信息智能采集與遠距離數據無線傳輸、深大基坑遠程智能監測與微變形主動控制、主體結構遠程智能監測和豎向預變形主動控制技術等專項技術，開發形成建筑工程結構安全智能化控制公共在線功能模塊；三是在建筑工程本體以外的人員、機械設備、施工環境等風險源控制方面全面應用數字化控制技術，在應用中研制出基于物聯網的施工人員智能定位跟蹤裝置、爬升模架設備安全狀態監測預警及主動控制技術、施工現場周邊環境及土體變形智能控制技術與裝置，開發形成建筑工程人—機—環耦合風險智能化控制公共在線功能模塊。

2）在企業層面，做好應用推廣數字化建造專項協同管理平臺工作，在應用中開發出集虛擬現實映射、智能化主動控制、風險智能預測、大數據分析、人工智能技術應用等功能于一體的建筑工程全壽命周期及全產業鏈的工業互聯網基礎大平臺及軟件產品，加大對工程項目的管理，實現多層次的工程項目協同管理，為建筑工程智能化建造及控制應用層技術的實現提供高效的中間層支撐，全面提升企業工程項目管理能級。

3）在建筑行業發展層面，需開展行業級建筑工程智能化建造相關的基礎理論研究，構建建筑工程智能化建造的基礎理論框架，建立建筑工程智能化建造相關的技術指南與導則，為建筑行業內的智能化建造相關技術及平臺的開發、推廣及應用提供參考，提高建筑工程智能化建造及控制水平，服務和支撐建筑企業數字化、智能化轉型發展。

4）在應用服務上，建筑工程數字化建造及控制平臺體系的構建需要考慮發揮全產業鏈的優勢，基于數字孿生技術構建一體化連續數字流，集成推廣應用數字化建造技術、專項平臺、協同管控平臺，要在應用中研究開發面向建筑工程全生命周期智能化建造及控制服務應用軟件，通過全產業鏈聯動、網絡化協同，全面提升應用服務功效。

3 案例分析

圖1為某行業級建筑工程數字化建造及控制平臺框架體系，開發了集虛擬現實映射、智能化主動控制、風險智能預測、大數據分析、人工智能技術應用等功能于一體的建筑工程智能化建造及控制工業互聯網平臺，該體系通過工程項目級的專項工程協同聯動應用與研發、企業級的工程協同管理與產業鏈聯動、行業級的服務體系構建與產業化推廣應用，全方位、多層次地推進技術的創新應用深度與維度，有力地促進了建筑創新轉型發展。

圖1 某建筑工程數字化建造及控制平臺框架體系

4 結語

1）工程項目級、企業公司級、行業級均需系統性應用數字化建造技術、專項平臺及協同管控平臺，并統籌考慮個性化需求和共性需求，同時兼顧一體化聯動服務模式。

2）建筑工程數字化建造及控制平臺技術的關鍵，面向建筑工程設計、施工、生產、運維等全生命周期，通過數據、信息、資源共享實現網絡化協同、服務化延伸及個性化定制等附加能力，以達到精益建造的目的。

3）數字化建造及控制平臺技術是一個體系問題，也是一個體制機制問題。不僅需要決策層的重視，加強頂層設計、統一服務內容、統一質量標準、統一工作流程，也需要從解決具體問題做起，從打通關鍵環節著手，構建數字化建造及控制平臺技術體系，否則只能是紙上談兵。