建筑工程數字化施工技術研究與探索

房霆宸 龔 劍

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

近年來，數字化已成為時代發展的熱點，深刻影響和改變著各行各業，極大地促進了數字化施工技術的發展。美國、德國、法國和英國等發達國家高度重視數字化發展，已將其放在了國家戰略層面。其間，數字化地球、數字化城市、數字化制造、數字化建造等概念不斷提出，內涵不斷完善。

我國作為全球制造大國和建造大國，也高度關注和重視數字化戰略發展，從《中國制造2025》到習近平總書記提出的數字化中國，再到2020年頒布的“新基建”，都透露著黨和國家對于數字化創新發展的重視。尤其是2020年以來，面對突如其來的新冠肺炎疫情，加快新型基礎設施建設，大力發展數字建造產業，不僅是響應黨和國家的數字化發展戰略號召，也是應對疫情不利影響、推動經濟平穩運行的重要手段。聚焦“新基建”，著力提升技術創新動力、培育經濟發展新動能，對于建筑行業數字化創新發展具有重要的意義[1]。

關于數字化施工，暫時還沒有統一的概念。作者經過研究認為，數字化施工主要是通過人與信息終端交互進行，數字化表達、分析、計算、模擬、監測、控制工程建設過程，同時構建全過程的連續信息流，輔助工程建造[1]。數字化施工的本質在于以數字化技術為基礎，驅使工程組織形式和建造過程的演變，最終實現工程建造過程和產品的變革。

從外延上講，數字化施工是以數字信息為代表的新技術與信息驅動下的工程建設方式的轉移，包括組織形式、管理模式、建造過程等全方位的變遷[1-5]。

1 基于數字化技術的施工準備

施工準備階段，可以通過參數化建模模擬施工場地規劃，直觀再現整體情況，主要是基于BIM對施工塔吊、施工電梯、大型機械、混凝土泵等進行規劃、布置和協調。

1.1 施工塔吊的規劃

可以利用BIM進行塔吊的參數化建模，并引入現場的模型進行分析，以3D視角來觀察塔吊狀態，便捷地調整姿勢以判斷臨界狀態，確保塔吊安全運行。同時，通過修改參數，分別將模型調整至塔吊的臨界狀態，參考模型指導塔吊的安全運行。

1.2 施工電梯的規劃

可以利用BIM模型直觀地判斷出施工電梯位置與建筑物結構的連接關系，以及今后場地布置中與人流、物流疏散通道的關系。在既有建筑物BIM模型的基礎上，模擬施工電梯的安裝、升節、拆除，施工總體布置及總包管理等相關內容，生成施工電梯使用手冊，指導施工電梯的裝拆及使用、總包管理?，F場施工時，根據主要材料統計數量、運輸情況以及運輸完成需要的總天數建立基礎數據庫，并基于BIM動態模擬分析各類材料運輸路徑和耗能量，分析、制定和優化施工電梯使用方案，確保施工電梯高效安全運行和綜合能耗最優。

1.3 大型機械的規劃

根據現場施工進度的調整，可以利用BIM技術同步調整大型設備進出場時間節點，優化大型設備進出場時間控制精度，明顯提高調配效率，節約成本和工期。

1.4 混凝土泵的規劃

可以采用虛擬仿真技術，建立完善的混凝土泵模型，計算統計混凝土需求量，估算每次澆筑混凝土的總量；結合仿真計算，科學合理地制定混凝土泵規劃方案，優化和確定混凝土泵送管徑選型、輸送壓力設置、泵管布置、泵管固定和連接方式、混凝土澆筑流程和方案。

1.5 一體化深化設計和施工出圖

可以采用BIM技術進行施工組織設計模擬，通過細化、檢查、糾正和優化方案，確定最優的施工作業方式；采用BIM技術進行鋼結構深化設計，通過細化、檢查、糾正和優化鋼構件、節點的構造方式，可以很好地提升施工質量、降低施工難度；采用BIM技術進行機電深化設計，整合建筑、結構、機電等專業模型，進行設備、管線的碰撞檢查和布設，實現綜合最優；采用BIM技術進行幕墻深化設計，完善幕墻、節點、擦窗機模型，可以很好地優化方案、細化表達，進而實現精益建造安裝。比如，在上海中心大廈工程結構深化設計中，通過采用BIM技術，打破了鋼結構深化、土建結構深化、幕墻深化、機電深化等各專業之間的技術壁壘，不僅能檢查出結構復雜節點和構造深化過程中的碰撞問題，還能檢查出與其他專業界面搭接之間的碰撞問題，將問題解決在圖紙深化設計階段，顯著提高了工程質量和效率，有效降低了成本。

2 基坑工程數字化施工技術

2.1 超深地下連續墻施工數字化模擬技術

進行地下連續墻成槽施工前，可以按實體土層情況建立三維實體模型，土層材料參數按地勘資料取值，模擬地下連續墻槽段開挖出泥施工；施工時實測槽段側向變形平均值控制在10 mm以內。成槽結束后，對槽壁情況進行超聲波檢測，以確定每幅槽段的成槽質量和槽壁穩定情況，為施工工藝優化和施工質量保證提供條件。同時，還可以基于Abaqus等有限元軟件進行數值模擬分析，模擬驗算鋼筋籠整體穩定性，確定主要受力部件及連接點的受力和變形情況，確保鋼筋籠吊裝安全高效進行。

2.2 基坑工程數字化施工技術

針對承壓水減壓降水環境影響模擬技術，可以采用Abaqus等有限元軟件，建立關于多層松散含水層組地下水的三維滲流有限元數值模型和三維滲流與土體變形全耦合地面沉降有限元數值模型，仿真模擬分析承壓水減壓降水對周邊環境的影響，預測預報基坑降水的環境效應，優化深基坑工程的降水設計和降水方案。進行承壓減壓降水控制時，可以采用承壓水減壓降水實時監測技術，通過現場監測數據的自動采集、儲存、傳輸，實時獲取地下水位的動態變化規律，指導降水運行；同時采用基坑降水自動化監控系統，通過數據管理與分析，實現安全評估和預警反饋。

針對深基坑變形環境影響模擬與支護技術，可以通過建立三維流固耦合有限元模型分析基坑變形，系統模擬基坑開挖過程對環境的影響，對于指導基坑設計具有很好的作用。針對基坑變形控制，采用了基坑變形可視化監控與預警平臺系統，主要是基于物聯網技術，建立了基坑變形監控與預警平臺系統，通過集成圖紙互動管理、監測與控制、專家決策分析、超前預警與安全評估等功能，可以實現工程施工遠程監測預警，動態掌握施工過程中深基坑圍護結構變形及其災變演化的實時數據和變形狀況，并實施災變預警，以便確?；庸こ痰陌踩ㄔ?。

3 主體結構數字化施工技術

這里主要從大體積混凝土裂縫控制、超高泵送混凝土、鋼結構安裝、機電管線安裝、裝飾構件拼裝等幾個方面進行介紹。

3.1 大體積混凝土裂縫控制模擬和監測技術

在大體積混凝土施工時，可以采用混凝土數字化裂縫控制技術，通過基于混凝土彈性模量、溫差變化規律、澆筑體長度和厚度、水平基底阻力系數等進行大體積混凝土澆筑裂縫控制的有限元模擬分析，同時對混凝土澆筑施工時的溫度場及溫度應力影響進行模擬分析，基于模擬結果對比分析確定混凝土澆筑方案。澆筑施工時，可采用大體積混凝土無線溫度監控系統，通過綜合運用設備遠程控制、溫度實時采集、數據無線傳輸、云端數據實時處理及顯示等物聯網技術和無線傳輸技術，實現大體積混凝土動態監測，防止溫度裂縫的產生。

3.2 超高泵送混凝土模擬技術

在混凝土超高輸送施工前，可以采用混凝土超高泵送虛擬仿真技術，基于建立的超高泵送混凝土的流變力學模型和幾何模型，通過CFD軟件進行混凝土超高泵送全過程的仿真模擬，以指導泵管的選型和施工作業。如在上海中心大廈工程中，通過采用CFD軟件模擬顯示，泵送壓力損失隨著混凝土流速增大而增大，呈線性變化規律，該規律很好地指導了實際泵送過程中混凝土流量選擇；模擬中同時發現，對于塑性黏度較大的混凝土，增大泵管管徑，泵送壓力損失降低幅度更大，經過對比分析，表明150 mm管徑的泵管更有利于降低高性能混凝土的泵送壓力損失，為泵管的選型提供了很好的參考作用。

3.3 鋼結構安裝虛擬仿真安裝技術

傳統鋼結構工廠實物預拼裝需要占用大量的人力、物力，對時間和場地要求高，工廠預拼裝也無法滿足工程施工進度的要求。針對這一難題，可以采用基于BIM的三維可視化控制技術，對鋼結構安裝實施三維可視化預演和現場實時監控，根據信息化模型模擬鋼結構安裝流程、臨時支撐安裝與拆除順序、伸臂桁架層終固等過程，形成最優安裝流程；同時根據信息化模型，采用虛擬拼裝代替傳統的實物預拼裝，實現加工與安裝的數據化聯動。如在上海中心大廈鋼結構施工中，針對有整體特性的大型鋼結構構件，通過整體模型信息化預拼裝，將每一個接口相關的實測數據提取出來進行對比，檢驗接口部位的實際間隙是否符合規范要求。當數據超出規范要求時，對超差部位進行整改，可以很好地達到實體預拼裝的效果。

3.4 鋼結構安裝監測控制技術

可以采用預變形模擬安裝方法，對鋼結構垂直高度壓縮變形、收縮徐變標高補償進行計算預測，并結合實時監測的綜合變形差異及時調整控制鋼結構安裝方案。采用基于施工過程控制、運營維護全壽命期的健康監測控制系統，可以很好地實現施工控制、運營維護一體化數據共享和無縫銜接，通過標高補償和差異變形協同控制技術使鋼結構的施工狀態與設計狀態一致，提升鋼結構安裝精度。

3.5 機電安裝工程數字化建造技術

3.5.1 基于BIM的綜合管線優化布設

在機電管線安裝之前，基于BIM技術采用數字化模型協調機電安裝各專業之間的矛盾以及與土建的矛盾，對機電管線安裝空間以及設備安裝位置進行標高分析及空間優化，實現綜合管線布留、支吊架布局等最優的設計目標，提高機電深化設計、加工及安裝的質量與效率，解決預留洞與暖通管高度不一致、管線綜合高度不合理、重復開孔、凈空高度不足等問題。

3.5.2 機電設備數字化現場虛擬拼裝模擬

可以采用Navisworks模擬功能和三維動畫展示功能，通過Navisworks軟件對整個施工機電設備進行虛擬拼裝模擬，能很好地幫助現場管理人員對部分施工節點的預演及虛擬拼裝進行有效控制；可以利用三維動畫對計劃方案進行模擬拼裝，更好地理解、改進、優化進度計劃方案。

比如在鋼結構吊裝、大型設備吊裝、機電管線安裝等過程中，通過虛擬拼裝向該項目管理人和專家討論組提供分專業、總體、專項等特色化演示服務，使感受更直觀，有利于優化施工方案，為工程的順利竣工提供保障。

3.5.3 機電設備現場安裝數字化控制技術

在機電設備現場安裝時，可以采用基于二維碼的現場安裝控制技術，通過二維碼掃描獲取管配件安裝具體位置、性能、物理、廠商參數等信息，同時采用二維碼安裝控制技術便于施工以及檢查，對于提高工作效率和安裝精度具有很好的輔助作用。

3.6 裝飾構件數字化加工及安裝技術

3.6.1 裝飾構件的數字化加工及安裝

室內裝飾可以利用BIM技術進行模塊化設計與加工制作，有利于減少現場作業量，快速實現三維定位，解決藝術構件加工困難及現場裝配化精準度問題，保證施工的準確性，提高室內裝修的質量與效率。比如對復雜裝飾構件進行BIM建模，并將模型轉換成3D打印機或者雕刻機可接受的格式進行打印或雕刻，有利于克服人工無法作業完成的施工難題，在提高作業精準度的同時大大縮短作業時間。

3.6.2 基于BIM的玻璃幕墻工程深化設計與設計協同

可采用基于BIM技術的一體化深化設計工作模式，生成深化圖紙，有助于彌補設計深度不足的缺陷，解決節點、系統細部深化設計難題。通過BIM技術生成細部深化設計圖紙，驅動所有板塊的模型自動生成，可有效降低深化設計過程中的出錯概率以及加工圖、加工模型建模的工作量。

3.6.3 基于BIM的玻璃幕墻虛擬仿真分析

可以采用BIM技術分別建立鋼結構、玻璃幕墻模型，之后進行合模，分析、判斷和解決鋼結構與幕墻軟、硬碰撞的問題，以及工藝尺寸的問題。比如在上海中心大廈工程中，通過采用Inventor對單元板塊拼裝流程進行仿真分析，最終將整個外幕墻單元板塊拼裝流程從121步優化為78步，大幅簡化了施工流程，提高了施工效率。虛擬仿真技術的應用，確保了上海中心大廈2萬余塊大小不一的曲面玻璃幕墻的精確安裝。

4 模架裝備數字化設計與制造技術

整體鋼平臺模架裝備是超高層建造的關鍵裝備。該裝備在空中施工的控制難題極大。針對這一難題，可采用虛擬仿真技術對模架裝備各系統進行參數化建模、標準模塊化設計、虛擬仿真拼裝、裝備與結構合模的可視化仿真建造，進而實現數字化的虛擬仿真設計、制造和施工。針對整體鋼平臺模架復雜結構層施工，可通過建立建筑物及施工輔助設施的完整模型，分析建筑施工全過程中整體模架體系與建筑物及其他施工輔助設施的相對位置關系，協調施工過程中相互之間可能產生的矛盾。針對鋼平臺施工過程中的協同管控難題，可采用整體模架裝備施工監控系統，對整體鋼平臺模架施工作業全過程進行實時監測及可視化控制，提高模架裝備的風險防范性能。

5 數字化施工過程管理

5.1 施工進度的編制、審核和對比

可以利用BIM模型的4D、5D功能，對施工方案、物資供應、勞動力調配等施工進度的關鍵要素進行模擬，為施工方案的優化、施工現場的管理以及相關決策提供指導和幫助。通過利用BIM模型4D、5D功能的統計與模擬能力，有利于改變以往粗放的、經驗估算的管理模式，實現精細化管理和施工進度編排的最優。施工過程中可以動態地進行工程橫道圖計劃BIM預演、各道工序審核、計劃進度與實際進度對比，及時掌握和調整施工進度計劃，以便安排下一階段工作計劃，提高工作效率和質量。

5.2 基于三維可視化模型的施工過程控制技術

可以采用三維可視化模型演示系統，從體驗到管理對項目進行危險預判，漫游深入建筑內部任意位置了解情況，依據真實、形象的三維模型協調和控制施工過程；從體驗到管理對項目施工計劃進行分析，利用手持電子設備（iPad）隨時調用所需模型，及時動態地掌握施工質量和施工進度，指導下一階段施工。

5.3 基于項目管理的三維可視化協同管理平臺

可以采用三維可視化信息交互平臺進行工程項目管理，將溝通工作通過信息化平臺完成，將信息化技術的應用點集成到網絡平臺，在網絡服務器上共享數據信息。采用信息化平臺的好處是：在平臺上，各參建方可以在網頁上瀏覽圖紙、模型、方案、施工模擬、施工進度等信息，并可在模型上進行批注、測量、討論等操作，平臺會對所有人員的操作進行記錄和同步更新，進而使溝通實現了有據可循，有利于節省溝通成本，提高工程管理水平。

5.4 數字化材料采購管理和物流跟蹤

可以采用可視化物流智能管理系統對工程材料進行管理，主要是采用可視化的方法對施工材料物流進行管理，通過建立材料信息數據庫，包括材料的分類、編碼、數量以及材料運輸計劃等各類信息，為材料管理和分析提供基礎性數據。施工過程中采用二維碼、移動終端等技術，對材料運輸的管理申請、回執和三級倉儲等工作流程進行管理，并實時采集材料運輸過程中的各項信息。將該信息納入數據庫，通過系統平臺可隨時查詢、分析和處理相關信息，為后續的材料運輸和物流管理方案制定提供依據和指導，實現對材料運輸和現場物流的高效可視化管理。

6 結語

數字化施工是一門跨專業、跨部門的技術體系，關于數字化施工技術的研究與應用，很多工作還處于探索階段，尚處于概念形成期的初始發展階段，但數字化技術對于建筑工程領域的促進作用已經凸顯出來。工程實踐表明，通過在工程建造全過程采用數字化施工技術，數字化地分析建造各個重要環節，有利于優化工程建造過程，解決工程施工過程中的各類技術難題，改變建筑工程的施工建造模式，提高工程質量、施工管理水平和安全管控能力，實現精益建造。