數字化施工到智能化施工的研究與探索

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，我國工程建設行業得到快速發展，許多技術達到國際領先水平，雖然是工程建造大國，但總體粗放式發展的現狀尚未得到根本轉變。工程建設領域的數字化轉型，智能化升級改造，可以顯著提升行業整體建造技術水平，助力我國建造強國戰略目標的實現[1-6]。

十八大以來，黨中央高度重視數字化發展戰略，其間習近平總書記提出“實施國家大數據戰略加快建設數字中國”。2016年，丁烈云院士率先提出數字化建造概念，組織了大量業內專家從工程建設全過程系統闡述了工程項目數字建造模式，其中龔劍、房霆宸在《數字化施工》著作中，系統性地闡明了數字化施工概念及其理論基礎和應用模式。2020年4月，國家發改委首次明確新型基礎設施范圍，涵蓋5G、大數據中心、人工智能、工業互聯網等七大領域。2020年7月，住建部、發改委、科技部等13部門印發《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》。自此，數字化、智能化已成為工程建設行業發展的關鍵詞和研究熱點，深刻影響和改變著工程建設模式，給工程建設行業的轉型發展帶來了機遇和驚喜[2-6]。

1 數字化施工研究實踐

數字化施工主要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。數字化施工主要包括數字化虛擬仿真施工、數字化施工控制、數字化協同管理等內容，數字化施工技術的應用可以改變傳統施工模式，大幅提升工程施工水平[2]。

1.1數字化虛擬仿真施工

數字化虛擬仿真施工是一門新興學科，主要是在計算機上采用幾何空間模型和力學性能分析等軟件對工藝流程和受力性能等進行虛擬仿真分析。開展數字化虛擬仿真施工技術研究的重點：一是進行空間幾何模型分析，主要是基于數字信息，采用建模軟件或圖像識別設備建模系統，建立建筑、結構、構配件等物理模型，模擬工程建造和部件組裝過程；基于模型加關鍵維度數字分析方法，綜合考慮時間、經濟、環境等附加維度屬性，實現從結構空間設計、功能提升增值、成本控制等方面的虛擬仿真模擬。二是進行力學性能分析，主要是采用有限元法、離散元法等分析方法，利用計算軟件，建立力學模型，分析和計算建筑相關問題等方面的力學性能和物理狀態。通過采用數字化虛擬仿真施工技術，在施工之前模擬和評估施工全過程，有針對性地提前優化和解決工程建造過程中可能存在的問題，可以為施工方案的確定和調整提供依據，進而實現施工建造的綜合效益最優，為高品質工程建造提供支撐。

1.2數字化施工控制

數字化施工控制是指采用仿真分析技術、物聯網技術、互聯網技術等信息化技術，控制工程施工的過程。開展數字化施工控制技術研究的重點：一是進行施工現場空間環境的數字化控制，做好現場臨時設施的數字化施工管控、施工現場材料及設備數字化物流管控、綠色施工的環境因素（聲、光、塵）數字化管控等關鍵要素的控制。二是進行安全要素的數字化管控，做好施工現場人員安全狀態、施工現場機械和裝備安全狀態、施工緊鄰建（構）筑物等環境安全狀態等關鍵要素的監測及控制。三是進行工程本體關鍵環節施工的數字化控制，做好構件加工、基坑工程、混凝土工程、鋼結構工程、機電工程、裝飾工程等專項工程的施工監測與控制。通過采用數字化施工控制技術，對工程實體以及施工現場人員、機械設備和周邊環境等狀態的全方位立體化監測、評估和控制，有利于實現工程建造過程的精益化管控。

1.3數字化協同管理

工程項目建設涉及的合作單位、分部分項工程多，對工程管理團隊的協同作業能力要求高。構建統一施工協同管理平臺的關鍵，一是將工程項目中的施工模擬、溝通協調、方案審批、進度管控、質量監控等施工過程的關鍵要素通過平臺系統等方式放在互聯網平臺上進行統一協作管理，提高工程建造效率、工作協同度和工程管理水平；二是發展工業互聯網，圍繞工程虛擬仿真建造、結構安全數字化控制技術、人—機—環耦合工程風險要素數字化控制、工程項目協同管理平臺開發等關鍵技術及平臺，構建工程項目數字化建造及控制工業互聯網平臺，在集成平臺上進行工程項目全過程的數字化管控，形成整合的閉環數據流。通過采用數字化協同管理，實現數字化技術的應用和數據流的聯動，可以從整體上提高施工效率、工程管控水平和工程質量。

2 智能化施工探索

數字化施工技術的應用會產生大數據，基于數字化施工和工程物聯網產生的大數據，綜合應用大數據、數字孿生、人工智能、智能感知、工業互聯網等技術，在數字化施工各個環節融入智能化算力算法，賦予相關技術、裝備和設備設施智能化屬性進行工程建造的過程被稱為智能化施工。數字化施工是智能化施工的基礎，智能化施工是數字化施工發展的必然趨勢，二者緊密相連，密不可分。發展智能化施工的關鍵是以建筑工業化為載體，以數字化、智能化升級為動力，突破技術瓶頸，加大智能化技術在工程建設各環節的應用，形成涵蓋科研、設計、生產加工、施工裝配、運營等全產業鏈融合一體的智能施工產業體系。開展智能化施工技術研究的關鍵是借助數字化、物聯網和互聯網絡積累的大數據，基于算力和算法融入可以深度學習的人工智能技術，賦予工程建造的智能屬性。其具體實施重點：一是開發針對工程實體及其建造過程中所涉及的人員、機械、環境、材料、方法等關鍵要素的專項智能化技術和裝備；二是開發建筑工程開發、設計、施工、生產、運維等全生命周期智能化建造及控制工業互聯網專項平臺和集成平臺；三是從項目級、企業級、行業級多個層面研究面向網絡化協同、個性化定制、智能化生產等不同場景的智能化施工模式。通過發展和應用智能化施工，將從根本上變革工程建造模式，實現工程項目的功能與價值的有效增值。

3 結語

數字化施工是工程建設行業轉型發展的關鍵，智能化施工是數字化施工發展的高級階段，也是未來工程建設技術發展的必然趨勢。工程實踐表明，開展數字化施工、智能化施工研究與應用，從“點”上來說，有利于改變傳統的工程建設模式，實現工程項目的降本賦能和精益建造，提高工程施工效率和質量；從“面”上來說，可以加強企業對工程項目的管控能力，提升企業所交付工程產品的科技含量和價值功能，促進工程建設企業的創新轉型發展；從行業發展上來說，數字化、智能化是一個系統工程，開展數字化施工、智能化施工研究與應用工作，可以帶動產業鏈上下游及關聯企業的協同聯動發展，對助力我國科技強國發展戰略實施具有重要意義。