數(shù)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(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；

3. 上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心 上海 200080

近年來(lái)，我國(guó)工程建設(shè)行業(yè)得到快速發(fā)展，許多技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，雖然是工程建造大國(guó)，但總體粗放式發(fā)展的現(xiàn)狀尚未得到根本轉(zhuǎn)變。工程建設(shè)領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，智能化升級(jí)改造，可以顯著提升行業(yè)整體建造技術(shù)水平，助力我國(guó)建造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1-6]。

十八大以來(lái)，黨中央高度重視數(shù)字化發(fā)展戰(zhàn)略，其間習(xí)近平總書(shū)記提出“實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略加快建設(shè)數(shù)字中國(guó)”。2016年，丁烈云院士率先提出數(shù)字化建造概念，組織了大量業(yè)內(nèi)專家從工程建設(shè)全過(guò)程系統(tǒng)闡述了工程項(xiàng)目數(shù)字建造模式，其中龔劍、房霆宸在《數(shù)字化施工》著作中，系統(tǒng)性地闡明了數(shù)字化施工概念及其理論基礎(chǔ)和應(yīng)用模式。2020年4月，國(guó)家發(fā)改委首次明確新型基礎(chǔ)設(shè)施范圍，涵蓋5G、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等七大領(lǐng)域。2020年7月，住建部、發(fā)改委、科技部等13部門(mén)印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》。自此，數(shù)字化、智能化已成為工程建設(shè)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵詞和研究熱點(diǎn)，深刻影響和改變著工程建設(shè)模式，給工程建設(shè)行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇和驚喜[2-6]。

1 數(shù)字化施工研究實(shí)踐

數(shù)字化施工主要通過(guò)人與信息終端交互進(jìn)行，數(shù)字化表達(dá)、分析、計(jì)算、模擬、監(jiān)測(cè)、控制工程建設(shè)過(guò)程，同時(shí)構(gòu)建全過(guò)程的連續(xù)信息流，輔助工程建造。數(shù)字化施工主要包括數(shù)字化虛擬仿真施工、數(shù)字化施工控制、數(shù)字化協(xié)同管理等內(nèi)容，數(shù)字化施工技術(shù)的應(yīng)用可以改變傳統(tǒng)施工模式，大幅提升工程施工水平[2]。

1.1數(shù)字化虛擬仿真施工

數(shù)字化虛擬仿真施工是一門(mén)新興學(xué)科，主要是在計(jì)算機(jī)上采用幾何空間模型和力學(xué)性能分析等軟件對(duì)工藝流程和受力性能等進(jìn)行虛擬仿真分析。開(kāi)展數(shù)字化虛擬仿真施工技術(shù)研究的重點(diǎn)：一是進(jìn)行空間幾何模型分析，主要是基于數(shù)字信息，采用建模軟件或圖像識(shí)別設(shè)備建模系統(tǒng)，建立建筑、結(jié)構(gòu)、構(gòu)配件等物理模型，模擬工程建造和部件組裝過(guò)程；基于模型加關(guān)鍵維度數(shù)字分析方法，綜合考慮時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等附加維度屬性，實(shí)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)空間設(shè)計(jì)、功能提升增值、成本控制等方面的虛擬仿真模擬。二是進(jìn)行力學(xué)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(jì)算軟件，建立力學(xué)模型，分析和計(jì)算建筑相關(guān)問(wèn)題等方面的力學(xué)性能和物理狀態(tài)。通過(guò)采用數(shù)字化虛擬仿真施工技術(shù)，在施工之前模擬和評(píng)估施工全過(guò)程，有針對(duì)性地提前優(yōu)化和解決工程建造過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，可以為施工方案的確定和調(diào)整提供依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)施工建造的綜合效益最優(yōu)，為高品質(zhì)工程建造提供支撐。

1.2數(shù)字化施工控制

數(shù)字化施工控制是指采用仿真分析技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等信息化技術(shù)，控制工程施工的過(guò)程。開(kāi)展數(shù)字化施工控制技術(shù)研究的重點(diǎn)：一是進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)空間環(huán)境的數(shù)字化控制，做好現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)施的數(shù)字化施工管控、施工現(xiàn)場(chǎng)材料及設(shè)備數(shù)字化物流管控、綠色施工的環(huán)境因素（聲、光、塵）數(shù)字化管控等關(guān)鍵要素的控制。二是進(jìn)行安全要素的數(shù)字化管控，做好施工現(xiàn)場(chǎng)人員安全狀態(tài)、施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械和裝備安全狀態(tài)、施工緊鄰建（構(gòu)）筑物等環(huán)境安全狀態(tài)等關(guān)鍵要素的監(jiān)測(cè)及控制。三是進(jìn)行工程本體關(guān)鍵環(huán)節(jié)施工的數(shù)字化控制，做好構(gòu)件加工、基坑工程、混凝土工程、鋼結(jié)構(gòu)工程、機(jī)電工程、裝飾工程等專項(xiàng)工程的施工監(jiān)測(cè)與控制。通過(guò)采用數(shù)字化施工控制技術(shù)，對(duì)工程實(shí)體以及施工現(xiàn)場(chǎng)人員、機(jī)械設(shè)備和周邊環(huán)境等狀態(tài)的全方位立體化監(jiān)測(cè)、評(píng)估和控制，有利于實(shí)現(xiàn)工程建造過(guò)程的精益化管控。

1.3數(shù)字化協(xié)同管理

工程項(xiàng)目建設(shè)涉及的合作單位、分部分項(xiàng)工程多，對(duì)工程管理團(tuán)隊(duì)的協(xié)同作業(yè)能力要求高。構(gòu)建統(tǒng)一施工協(xié)同管理平臺(tái)的關(guān)鍵，一是將工程項(xiàng)目中的施工模擬、溝通協(xié)調(diào)、方案審批、進(jìn)度管控、質(zhì)量監(jiān)控等施工過(guò)程的關(guān)鍵要素通過(guò)平臺(tái)系統(tǒng)等方式放在互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)作管理，提高工程建造效率、工作協(xié)同度和工程管理水平；二是發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，圍繞工程虛擬仿真建造、結(jié)構(gòu)安全數(shù)字化控制技術(shù)、人—機(jī)—環(huán)耦合工程風(fēng)險(xiǎn)要素?cái)?shù)字化控制、工程項(xiàng)目協(xié)同管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)及平臺(tái)，構(gòu)建工程項(xiàng)目數(shù)字化建造及控制工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，在集成平臺(tái)上進(jìn)行工程項(xiàng)目全過(guò)程的數(shù)字化管控，形成整合的閉環(huán)數(shù)據(jù)流。通過(guò)采用數(shù)字化協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)流的聯(lián)動(dòng)，可以從整體上提高施工效率、工程管控水平和工程質(zhì)量。

2 智能化施工探索

數(shù)字化施工技術(shù)的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，基于數(shù)字化施工和工程物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，綜合應(yīng)用大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、人工智能、智能感知、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，在數(shù)字化施工各個(gè)環(huán)節(jié)融入智能化算力算法，賦予相關(guān)技術(shù)、裝備和設(shè)備設(shè)施智能化屬性進(jìn)行工程建造的過(guò)程被稱為智能化施工。數(shù)字化施工是智能化施工的基礎(chǔ)，智能化施工是數(shù)字化施工發(fā)展的必然趨勢(shì)，二者緊密相連，密不可分。發(fā)展智能化施工的關(guān)鍵是以建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級(jí)為動(dòng)力，突破技術(shù)瓶頸，加大智能化技術(shù)在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用，形成涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營(yíng)等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能施工產(chǎn)業(yè)體系。開(kāi)展智能化施工技術(shù)研究的關(guān)鍵是借助數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)積累的大數(shù)據(jù)，基于算力和算法融入可以深度學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)，賦予工程建造的智能屬性。其具體實(shí)施重點(diǎn)：一是開(kāi)發(fā)針對(duì)工程實(shí)體及其建造過(guò)程中所涉及的人員、機(jī)械、環(huán)境、材料、方法等關(guān)鍵要素的專項(xiàng)智能化技術(shù)和裝備；二是開(kāi)發(fā)建筑工程開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)、運(yùn)維等全生命周期智能化建造及控制工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專項(xiàng)平臺(tái)和集成平臺(tái)；三是從項(xiàng)目級(jí)、企業(yè)級(jí)、行業(yè)級(jí)多個(gè)層面研究面向網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制、智能化生產(chǎn)等不同場(chǎng)景的智能化施工模式。通過(guò)發(fā)展和應(yīng)用智能化施工，將從根本上變革工程建造模式，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的功能與價(jià)值的有效增值。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化施工是工程建設(shè)行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵，智能化施工是數(shù)字化施工發(fā)展的高級(jí)階段，也是未來(lái)工程建設(shè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。工程實(shí)踐表明，開(kāi)展數(shù)字化施工、智能化施工研究與應(yīng)用，從“點(diǎn)”上來(lái)說(shuō)，有利于改變傳統(tǒng)的工程建設(shè)模式，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的降本賦能和精益建造，提高工程施工效率和質(zhì)量；從“面”上來(lái)說(shuō)，可以加強(qiáng)企業(yè)對(duì)工程項(xiàng)目的管控能力，提升企業(yè)所交付工程產(chǎn)品的科技含量和價(jià)值功能，促進(jìn)工程建設(shè)企業(yè)的創(chuàng)新轉(zhuǎn)型發(fā)展；從行業(yè)發(fā)展上來(lái)說(shuō)，數(shù)字化、智能化是一個(gè)系統(tǒng)工程，開(kāi)展數(shù)字化施工、智能化施工研究與應(yīng)用工作，可以帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游及關(guān)聯(lián)企業(yè)的協(xié)同聯(lián)動(dòng)發(fā)展，對(duì)助力我國(guó)科技強(qiáng)國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施具有重要意義。