裝配式智能建造平臺構建與應用

文｜中國建筑科學研究院北京構力科技有限公司 劉苗苗 楊國威 劉曉穎 趙瑞陽 夏緒勇 王良平 李書陽

近二十年，我國建筑業發展迅速，產業規模不斷擴大，但其每年的科技研發投入占比卻處于各領域的末端，建筑行業整體信息化、智能化水平偏低，存在較大成長空間。建筑工業化本身涵蓋了設計標準化、構件預制化、施工裝配化等要求，相對于傳統建筑方式，更加需要信息化的輔助和推動。高承勇認為建筑的信息化和工業化相互促進、支撐，可以有力的推動建筑設計、施工和運維技術的發展。2020年7月3日，住房和城鄉建設部、國家發改委、科技部、工信部等13 部門聯合印發《關于推進智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》（以下簡稱《指導意見》）提出“以大力發展建筑工業化為載體，以數字化、智能化升級為動力，創新突破相關核心技術，加大智能建造在工程建設個環節應用，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建造產業體系。”《指導意見》的核心是智能建造和建筑工業化的協同發展，涵蓋裝配式產業鏈上各參與方的智能建造平臺建設正是響應協同發展的一種解決方案和有效實踐。

1 平臺創建的原因

目前國內逐步重視BIM 技術的應用，但是并沒有改變國內基本的建筑行業狀況，業主、設計院和施工方的信息傳遞均以傳統方式為主。建筑行業內主要以圖紙為媒介進行信息交流傳遞，而BIM 則依托信息模型和信息應用技術平臺進行信息傳遞。在此背景下，裝配式建筑全產業鏈智能建造平臺（以下簡稱平臺）通過建立統一標準、統一平臺和統一管理，依托BIM技術和信息技術，打通裝配式項目設計、生產、運輸、施工、運維、監管全過程，實現裝配式產業“標準化、產業化、集成化、智能化”目標（圖1）。平臺建設過程中設立了統一的應用規范和標準為產業鏈各方順利使用鋪平了道路。

圖1 省市級裝配式建筑全產業鏈智能建造平臺

2 設計賦能

2.1 標準化設計

標準化、模數化是實現建筑工業化大幅度降低成本的核心手段之一，國內專家學者對裝配式建筑標準化做了一定的研究。王昌興提出應大力支持部品零部件的批量化發展，而部品零件的批量化首先得是標準化。張守峰提出在建筑工業化中，標準化是前提，可以提升工程建設效率和經濟效益。葉浩文等認為標準化設計不等于標準設計，需要將一系列標準的基本單位通過模數協調、模塊組合等方式形成多樣化的建筑產品。

圖2 標準部品部件庫首頁

圖3 裝配式建筑設計系統

圖4 圖審系統

平臺標準化體系的建立是通過統一的數據標準和標準部品部件庫打通裝配式建筑設計、生產、施工、運維、監管各個環節，實現資源的合理配置。通過制訂適用于裝配式建筑全過程的BIM 數據交付標準和構件分類編碼標準，規范裝配式建筑全生命周期的BIM模型創建、交付和分類存儲，指導裝配式建筑各相關方在設計、報建、生產、施工等各環節的標準化和通用化，滿足數據交換過程中的完備性和準確性。

平臺基于云服務建立開放的參數化預制部品部件BIM 模型數據庫和數據庫管理系統，形成產業鏈上下游的數據信息通道，滿足大型裝配式建筑預制構件BIM 模型的互聯網采集、存儲和智能檢索，使標準預制構件成為標準化設計、生產、運輸、安裝的基礎單元，實現基于統一系統上的跨專業、多用戶互操作及數據集成更新。

圖5 效率對比

2.2 智能化設計系統

平臺企業側提供專業的裝配式建筑設計系統，該系統基于BIM 技術涵蓋全專業全流程，實現裝配式設計智能化構件拆分、裝配率計算、全專業協同設計、構件深化與詳圖設計、碰撞檢查、材料統計等功能，如圖3所示。同時可以調用標準化部品部件庫，設計數據直接接力到生產加工設備，有效提高設計效率，降低成本。

軟件操作簡單，運行速度較快，計算結果準確。提升設計質量，無縫對接線上圖審系統（圖4），審查報告一鍵生成，問題檢查情況反饋信息一目了然。比如某單體建筑經過線上網審系統生成審查報告，實現自動檢驗，發現5 處不滿足規范要求，16 處存在一般性錯誤。

一體化設計，避免二次深化設計帶來的錯漏碰缺。PKPM-BIM 深化設計數據直接生成BOM 生產數據，用于構件加工生產，設計、生產數據一體化。利用智能設計軟件為設計企業賦能，設計效率大幅提升，設計圖紙一鍵生成，有效降低設計周期。深化設計投入人員數量比傳統減少50%以上，施工圖設計周期縮減60%以上。

3 生產賦能

在生產階段提供裝配式智慧工廠管理平臺，數字化生產是建筑工業化體系的重要一環。通過統一的BIM 協同平臺，加強構件廠與裝配式設計和裝配式施工現場之間的協同管理，實現多項目、多工廠之間協同生產，從而達到降低成本、優化庫存、提高效率和應變能力、減少人為操作失誤和提高產品質量的目標。

圖6 裝配式智慧工廠管理平臺

圖7 指導生產

基于PKPM-PC 設計軟件一鍵出圖后，項目可直接將BIM 模型、深化圖紙等設計成果直接導入企業側生產系統，自動生成構件清單、物料清單等生產BOM數據，無需人工統計和錄入，并極大程度的保證了數據的準確率。同時，通過系統可直接顯示全樓BIM 模型、預制構件模型和生產加工圖紙等設計信息，直接精準指導生產。

圖8 構件信息采集錄入

根據生產計劃，每一塊構件在生產前都會生成一張專屬的構件二維碼標簽，生產管理人員在隱蔽檢查、澆筑、成品檢驗等各個階段，可直接通過PDA、手機等移動設備掃碼后完成生產數據的實時采集。智慧工廠系統實時更新各階段生產數據，并與政府側平臺實時對接，實現構件生產全過程監管透明化和構件信息可追溯化。系統集成傳感器、射頻識別（RFID）、二維碼識別等物聯網技術，實現系統與模臺、蒸養窯、攪拌機、布料機等工廠各類設備的對接，實現數據自動傳輸、設備自動控制，推進工廠構件生產智能化。

生產系統可實時統計構件生產狀態，每一塊構件具體處于待產中、生產中還是已入庫、已出庫等狀態，在系統中一目了然。同時，生產系統對項目生產完成進度和工廠每日生產信息進行實時統計，并通過BIM模型進行可視化展示。工廠管理人員能直觀、動態的了解到項目整體生產進度和工廠產能情況。

圖9 生產狀態實時查看

生產系統從各類原材料采購和半成品生產加工的管控入手，嚴格把控材料入庫和材料出庫的審批，實行集中采購、限額領料。倉庫管理人員可通過系統實時掌握生產材料的庫存和使用情況，有效避免錯領、多領、缺貨等情況導致的生產成本增加與浪費，實現成本管理的精細化。

智慧工廠管理平臺以工廠生產管理為重點，向上下游整合裝配式建筑設計、材料、生產、施工等環節，通過“建筑+互聯網”的形式助推產業鏈條內資源的優化配置，為建筑業技術、經濟和市場的結合提供了公共平臺。

4 施工賦能

裝配式混凝土建筑現場施工經常面臨許多問題。其中有些問題影響結構質量，例如構件拼縫不平齊、水平度和垂直度調整不到位等；有些問題導致工期拖延，例如堆場安排不合理、施工組織不當等；有些問題導致成本增加，例如起重機型號選擇過大等。通過BIM 系統、構件模型數據和施工現場的智慧工地相關技術，可以有效解決這些問題，實現裝配式建筑施工過程中堆場優化、吊裝模擬和管理、構件可視化預拼裝及安裝流程模擬、進度協同和管控、基于物聯網的質量監管（圖10）等。

智慧施工管理系統可將項目整體施工流程及裝配化施工工序通過3D 模擬施工的方式進行演示，現場管理人員和施工人員在系統中可隨時查看施工模擬動畫和施工專項方案，清晰直觀的了解關鍵工序和關鍵節點的控制要點，并及時對施工方案進行優化調整，有效避免了傳統施工中在實際操作時才能發現問題的弊端，對提高施工質量、減少安全風險、降低返工率有較大幫助。

在進度監測方面，通過掃描構件二維碼標識，施工現場管理人員可將構件從進場直至施工完成的各階段數據進行實時采集，并同步反饋至施工系統進行動態更新。另一方面，施工系統將進度信息與BIM 模型進行關聯，可視化展示項目進度與完成狀態。同時，系統還可將實際進度與計劃進度進行動態對比，使項目管理人員能更直觀的了解項目進度偏差，并及時發布進度預警。

圖10 裝配式建筑智能施工管理系統

圖11 3D 模擬施工

通過聯動現場監控、機械設備安全監測、環境監測及重大危險源監測等設備，將現場信息實時采集傳輸到施工系統中，企業管理人員可遠程實時掌握現場情況，監管現場安全文明施工，對及時發現安全隱患，排查重大危險源、降低安全事故發生率有較大幫助。

5 政府管理賦能

政府側平臺依托于裝配式建筑標準化體系的建立，省市內裝配式企業按照統一的數據交付要求，將企業側平臺與政府側平臺無縫對接，實現政府側對裝配式項目設計、生產、施工、運維、監管各環節的管理監督。

政府側平臺的建設為裝配式產業的監督和發展提供了創新型服務。首先，政府側平臺縱向實現了省、市、縣三級住建部門的監管應用，橫向與發改、工信、科技、財政等省級有關部門數據共享，成功搭建全省裝配式產業網格化監管體系。其次，政府側平臺與省智慧住建平臺融合，在不改變其他系統業務辦理的情況下，抓取關鍵數據，加強政府數據的資源整合和標準化管理。

第三，裝配式產業大數據和公共服務平臺可以將項目建造全流程的關鍵數據提取和傳送到政府公共平臺，形成裝配式產業大數據。這些數據可以用于全方位分析全省裝配式項目、企業、體系和產能的動態情況，實現資源的合理配置和效益最大化，助力產業發展的科學決策。

第四，裝配式項目質量監管和追溯平臺全方位、便捷高效地對裝配式建筑全生命周期質量管控點進行跟蹤，可以追溯到質量問題發生的源頭，對相關責任單位或人員追責，減少乃至杜絕項目質量問題的發生。

裝配式建筑全過程質量追溯和監管系統可以將項目核心質量信息實時上傳到政府側平臺，形成項目質量監管和追溯數據，有利于業主維權，同時將質量監管信息和供應商、承包商的信用體系關聯，可以增強行業自律性，提高業主滿意度。

結語

裝配式建筑全產業鏈智能建造平臺為參與各方提供了強大的賦能體系。對設計方，智能化標準化快速方案設計、一鍵出圖使效率大幅提升。同時可以直接對接政府審查平臺，一鍵交付審查。對生產方，直接對接設計信息快速安排生產，獲取施工進度信息，合理排布生產計劃，避免堆場壓力，同時實現數據驅動生產，實現無人或少人工廠生產。對施工方，可以實時了解工廠生產進度，智能優化構件堆場，動態更新施工進度。對政府，可以實現全過程信息實時監管，過程留痕可追溯，同時提供大數據分析，動態報警的能力。

圖12 裝配式建筑全過程質量追溯和監管系統

圖13 裝配式產業大數據和公共服務平臺

圖14 裝配式質量監管和追溯平臺