智能建造創(chuàng)新技術協(xié)同構建智慧工地★

蘇 瑾 瑾

(廣州華商職業(yè)學院 智能工程學院，廣東 廣州 511300)

1 概述

智能建造是建筑行業(yè)的信息集成技術變革的智慧成果，是建筑行業(yè)謀求高質量發(fā)展的必經階段。世界經濟論壇重新定位了建筑行業(yè)的發(fā)展模式，旨在借助科技力量助推建筑行業(yè)從傳統(tǒng)模式轉化為智能建造模式[1]。2020年3月，全國“兩會”召開，主要議題有加快5G網絡、信息化工程等涉及國計民生基建設施的建設進度[2]。2020年7月，住建部等13部委發(fā)文《關于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》指出，以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級為動力，創(chuàng)新突破核心技術，加大智能建造在工程建設各環(huán)節(jié)應用，形成涵蓋科研、設計、生產加工、施工裝配、運營等全產業(yè)鏈融合一體的智能建造產業(yè)體系[3]設立“中國建造”國際品牌，成為“智能建造”世界強國。而智能建造具體應用的最基礎單元是每一個工地項目，因此智慧工地建設的情況直接反映和檢驗著智能建造的成果轉化程度。在查閱眾多國內外文獻之后，發(fā)現(xiàn)智能建造的理論研究已經相當豐富，而和工地施工生產的結合與應用的研究并不多。本文以人民群眾迫切需要的“智慧安居工程”為切入口，就智能建造創(chuàng)新技術對于智慧工地的構建和應用進行深入研究，旨在推行智能建造新技術更廣泛、更深入地應用于施工領域。

2 建立智能建造與建筑工業(yè)化系協(xié)同管理機制

2.1 智能建造與建筑工業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀

“智能建造”在英文中的概念定義為Intelligent Construction，Smart Construction，或Wisdom Construction[4]是數(shù)字化、智能化創(chuàng)新技術的集成，被定義為第四次科技工業(yè)革命。建筑工業(yè)化的管理范疇起源于二戰(zhàn)后，發(fā)起者是德國著名建筑師瓦爾特.格羅皮烏斯(WalterGropius)，20世紀50年代引入中國，經歷了近半個世紀的摸索與發(fā)展，已經形成了自主創(chuàng)新與特色研發(fā)相結合的建筑工業(yè)化體系。隨著新一輪科技革命的到來，并在國家和黨中央資金投入與政策保障下，建筑工業(yè)體系化呈現(xiàn)高質量、高速度、高水平穩(wěn)定增長發(fā)展的局面。

2.2 智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同管理框架

智能建造的內涵凸顯綜合性、智慧性，具有的主要的特點是建造目標多重性，屬性多樣性建造工藝綜合性。而建筑工業(yè)化是以構件批量預制和節(jié)能裝配式施工為生產模式，以設計模數(shù)化和標準化、構件部品化、生產流水化為特征，打造設計、生產、施工、運維全壽命周期的新型建筑產業(yè)鏈條，從而實現(xiàn)建筑產品節(jié)能、環(huán)保、綠色，使建筑產品價值發(fā)揮到最大化，人類的居住體驗達到最優(yōu)化[5]。智能建造與建筑工業(yè)化在融合過程中受到了建筑工業(yè)化程度發(fā)展不均等，建筑行業(yè)周期長、施工內容復雜多樣、本土化施工水平參差不齊等諸多因素影響，主要的原因是缺乏統(tǒng)一的、明晰的、邏輯關系嚴密的建設框架體系。通過查閱國內外文獻，結合國內施工行業(yè)現(xiàn)狀，建立智能建造與建筑工業(yè)協(xié)同管理機制(見圖1)。

2.3 智能建造業(yè)務的協(xié)同管理鏈條

智能建造的業(yè)務協(xié)同邏輯貫穿智能建設項目的全壽命周期階段。但是每個階段只能實現(xiàn)內部的單點信息技術，缺少解決整個建筑行業(yè)工作鏈條的方案[6]。只有打通各環(huán)節(jié)的技術壁壘，實現(xiàn)各階段數(shù)據的無縫對接，形成新的業(yè)務管理鏈條，才能實現(xiàn)智能建造(見圖2)。

BIM技術可為項目的全壽命周期管理提供可能，過程中需要大量的數(shù)據交互傳輸，一方面要求數(shù)據類型的標準化，另一方面需要對構件位置參數(shù)、屬性參數(shù)等信息做統(tǒng)一規(guī)定。因此，智能建造的新業(yè)務邏輯以大數(shù)據為基礎，以BIM建模為核心手段，形成BIM1.0～BIM5.0核心數(shù)據模型[7]，為全壽命周期管理奠定堅實基礎。

3 協(xié)同模式下的智能建筑安居工程

3.1 裝配式總體發(fā)展情況

制造業(yè)轉型升級大背景下，國務院、住建部等持續(xù)出臺相關政策推進裝配式建筑。2016年2月，國務院辦公廳《關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》中提出：力爭用10年的時間將裝配式項目的市場占比達到30%；2016年9月，國務院辦公廳發(fā)布《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》中提出，要因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結構、鋼結構和現(xiàn)代木結構等裝配式建筑，這標志著中國裝配式建筑的發(fā)展上升到國家戰(zhàn)略層面，裝配式技術將步入快速發(fā)展的階段。

以廣東為例，從2018年至2020年，各地區(qū)住建局發(fā)布多項關于裝配式建筑文件，要求到2020年，實現(xiàn)裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到15%以上，其中政府投資工程裝配式建筑面積占比達到50%以上；到2025年前，裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到35%以上，其中政府投資工程裝配式建筑面積占比達到70%以上。綜合國家政策及地區(qū)政策可見裝配式政策利好，從國家到地區(qū)支持力度大、建設目標明確、建設標準日趨完善(見圖3)。

3.2 鋼結構總體發(fā)展情況

鋼結構被賦予了智慧裝備制造工業(yè)化的先進基因，具有“輕、快、好、省、噪聲小、無揚塵、少垃圾”的特性，突顯了智能建筑的特征，被國際智能建造強國廣泛使用。并且，建筑業(yè)與鋼鐵行業(yè)是“此漲彼漲”同向正比例發(fā)展行業(yè)，既消化了鋼鐵產能過剩，又培養(yǎng)了掌握“四新”技術的建筑產業(yè)技術技能型工人隊伍。

3.3 發(fā)展裝配式鋼結構建筑

裝配式鋼結構建筑是全過程數(shù)字化管理、智慧運維的融合，最終目的是解放生產力，推動產業(yè)快速發(fā)展，提升國家經濟效益。以采用鋼結構裝配式建造技術的武漢“火神山”醫(yī)院為例，10 d之內建成并投入使用，創(chuàng)造了智能建造技術為生命爭取時間的奇跡，刷新了“創(chuàng)新科技”締造的“中國速度”。

4 BIM+智慧工地集成技術落地

4.1 構建智慧工地協(xié)同實施方案

運用BIM云技術構建智慧工地整體實施架構(見圖4)。通過構建統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)項目各管理部門可視化，可協(xié)同，可共享，可管理，打破傳統(tǒng)的各業(yè)務部門數(shù)據不通，溝通效率低等問題。

1)技術部應用：方案交底，方案交底跟蹤，三維可視化；

2)安質部應用：PDCA質量安全閉環(huán)可視化管理，質量安全評優(yōu)，安全定點巡視；

3)工程部應用：跟蹤構件和原材料加工，分析圖紙碰撞數(shù)據，二次方案優(yōu)化，采集進度信息，根據實際工期和計劃工期數(shù)據，分析進度超前或滯后的原因；

4)物資部應用：實施原材進出場管控，周轉材料、消耗材料的合理性的統(tǒng)計分析，核算分包節(jié)超；

5)計合部應用：創(chuàng)建核算模型，可按月度、季度分析和考核節(jié)超情況。

4.2 智慧工地協(xié)同管理與監(jiān)測

4.2.1 智能設計

1)臨建設施及場地布設。包括施工紅線、圍墻、道路、臨時房屋、材料堆放、加工場地、施工設備等實際設置情況，同時包含場地內水電布設的直觀展示(見圖5)。

2)可視化建模。BIM技術提供三維可視化影像，可以幫助設計單位快速抉擇出合理的工程方案，實現(xiàn)復雜結構的自動出圖以及全模型的自動聯(lián)動更新，徹底解決設計人員專業(yè)協(xié)同問題，使得工程結構的仿真數(shù)值模擬工作量大大降低，設計人員繪圖時間縮短，增加工程設計占比，提升設計水平和核心競爭力。同時，作為全壽命周期建設項目管理的首要環(huán)節(jié)，設計單位可通過BIM為業(yè)主及施工方提供項目管理技術服務，實現(xiàn)跨界資源整合，創(chuàng)造新的業(yè)務增長點和業(yè)務領域。

通過BIM技術良好的三維呈現(xiàn)效果，施工單位從多方位剖切工程對象，全面了解工程設計意圖，縮短施工人員學習圖紙時間，有效控制施工準確度；根據工程建設場地條件進行施工模擬，有效降低因施工組織不當而增加的時間成本和管理成本，減少資源浪費，提高企業(yè)利潤；在復雜項目結構施工過程中，通過BIM技術模擬施工方法及過程，控制施工進度，降低施工風險，保證施工安全。BIM技術在施工單位中的使用，能夠極大提升施工組織水平和技術實力，增強自身的國際競爭力，增強企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力。

3)圖紙會審與碰撞分析。模擬分析鋼筋碰撞，能夠對鋼筋空間排布和綁扎進行三維技術交底。提前解決了現(xiàn)場的圖紙問題，節(jié)約工期超過30 d。

4.2.2 智能管理

1)智慧勞務考勤管理。工地門禁施行刷臉管理，進行實名認證，同時提醒工作內容，檢查安全帽佩戴及防護工具使用情況。提高勞務人員生產效率，杜絕違反規(guī)范操作行為，保障工人安全權益。

2)智慧資料協(xié)同管理。通過智慧資料協(xié)同系統(tǒng)，實現(xiàn)材料檢測、安全質量、技術、測量等各類工程資料專人跟蹤，實時跟進，資料完成進度與現(xiàn)場實物完成量匹配，并及時整理、歸檔，順利交付甲方。

3)智慧黨建協(xié)同管理。依托互聯(lián)網和智慧應用系統(tǒng)，搭建黨建管理平臺，統(tǒng)籌管理各項目部黨組織，實時傳輸與共享黨建信息，增強基層黨委的凝聚力和戰(zhàn)斗力。

4.2.3 智能監(jiān)測

1)進度監(jiān)測。a.通過任務派分，實時掌握現(xiàn)場生產進度；b.現(xiàn)場工長不僅可以及時收到施工任務而且可以獲得施工工藝的技術支持；c.現(xiàn)場進度采集后，可以實現(xiàn)各個參與方實時掌握施工進度，即使不在現(xiàn)場，也可以了解現(xiàn)場實際情況；d.勞動力實時分析，可以輔助人員管理決策。

2)物資消耗監(jiān)測。利用物聯(lián)網技術，借助互聯(lián)網手段和大數(shù)據分析模式，對各類主材進場環(huán)節(jié)和半成品出廠環(huán)節(jié)全方位管控，提升業(yè)務效率，節(jié)約管理成本，提升項目經濟效益。a.運用BIM平臺根據需要按照不同的方式進行物料統(tǒng)計，滿足各個階段的需求。b.導入模型統(tǒng)計工程的總工程量，對工程量有個總體把控，包括鋼筋、混凝土等。c.利用系統(tǒng)實時動態(tài)跟蹤物料進場情況，防止跑冒滴漏。

3)安全質量監(jiān)測。項目各層級管理人員通過使用BIM5D的PC端和WEB端，實時了解現(xiàn)場質量安全問題及整改情況，杜絕現(xiàn)場的安全質量隱患。

4)文明環(huán)境監(jiān)測。系統(tǒng)中每天更新施工當日的溫度、濕度、噪聲、風速、工地揚塵量，當超過預警值時，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)會自動啟動警報裝置和噴淋系統(tǒng)，降噪除塵，待達到合格標準之后會自動停止。

5)設備裝置限位保護監(jiān)測。對于大型的、重要的機械設備，如塔吊、龍門架等，系統(tǒng)中設定了限位保護。如遇到超載，起吊設備會自動斷電，停止工作，待載重量達標后方可繼續(xù)起吊。

5 結語

隨著國家采取發(fā)展信息技術，建立城市數(shù)據中心，普及智能基建設施等一系列惠民措施，使得智慧城市建設水平不斷提升。當前建筑業(yè)得益于第四代國際工業(yè)革命浪潮的助推，在“技術簇群”的支持下實現(xiàn)重要的技術轉型。誰先盡早掌握“智能建造”的核心技術和領先思維，誰就能在這次巨變中拔得頭籌。建筑工業(yè)化作為一種良性的、集約化的、低碳綠色的新型建筑生產方式，必然顛覆傳統(tǒng)建筑行業(yè)，促使其革新除弊攻堅轉型。以智能建造與建筑工業(yè)協(xié)同化發(fā)展為載體，運用BIM技術實施智慧工地管理，可以統(tǒng)籌施工現(xiàn)場綜合信息，減少資源浪費，降低人、財、物力的投入，加快施工進度，縮減工期，提高項目管理效率，降低管理成本。本論文以輕鋼結構裝配式作為研究模型，為節(jié)能環(huán)保綠色的建筑工程提供技術參照，為同類型智慧工地構建和應用提供借鑒和參考。