智能建造在土木工程施工中的應用綜述*

劉占省，孫嘯濤，史國梁

(1.北京工業大學城市建設學部，北京 100124； 2.北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124)

0 引言

建筑業是我國國民經濟的支柱產業，在國家建設中發揮了重要作用[1]。近年來，建筑業持續快速發展，為我國的基礎設施建設做出了重大貢獻。“十三五”期間，建筑業對社會經濟的發展起到了積極作用。隨著土木工程建設項目的增加，我國的基礎設施得到了進一步完善，城市和農村的面貌得到了極大改善，城鎮化快速推進，人們的居住和出行質量得到提高。同時，一批重大工程項目如港珠澳大橋、京張高速鐵路、北京大興國際機場等相繼建成。這些建設條件復雜、設計施工難度大的工程項目的建造，促進了我國土木工程技術的突破，使我國的工程建造水平大幅提升，在部分領域已達到國際先進水平[2]。

然而建筑業在高速發展的同時也存在著一些問題。長期以來，土木工程行業主要依靠資源要素投入、大規模投資來拉動發展[3]。建筑業信息化、工業化水平較低，生產方式較為粗放，勞動生產率不高，資源消耗大等問題較為突出[3]。工程建設組織方式較為落后，建造過程中機械化程度不高，精細化、標準化、信息化、專業化程度較低。建筑工人素質偏低，工人年齡偏高[2]。建筑行業與先進制造技術、信息技術等先進技術的結合程度較低。隨著我國經濟形勢的變化，傳統的建造方式受到了較大沖擊，粗放式的生產方式難以為繼。

隨著全球經濟形勢和我國經濟環境的巨大變化，新常態下的中國人口紅利逐漸消失，勞動成本不斷升高，經濟結構矛盾不斷顯露[4]。我國正在進行產業的新舊動能轉換[4]。根據十九大報告，我國經濟已進入高質量發展階段。“十四五”時期，隨著國內外經濟形勢的變化，經濟增速的減緩不可逆轉，建筑業原有的粗放發展模式將受到巨大挑戰。

新的經濟形勢下，土木建筑行業實現高質量發展的必然要求是信息化和智能化[3]。智能建造技術的應用有利于建筑業實現轉型升級，實現建筑業的高質量發展。本文論述了智能建造的定義和特征，梳理了近年來國家和地方關于智能建造的部分重要政策，并論述了部分在土木工程施工中應用較多的智能建造技術在施工中的應用點，以求為土木工程施工中的智能建造技術應用提供參考。

1 智能建造特征

智能建造是信息化、智能化與工程建設相結合的新型建造方式。目前對于智能建造沒有一個統一的定義。部分學者提出的關于智能建造的定義如表1所示。

表1 部分智能建造定義

對以上智能建造定義進行總結，本文對智能建造定義如下：智能建造技術覆蓋建筑工程的設計、施工、運維等建筑物全生命周期的各階段，以土木工程建造技術為基礎，以現代信息技術和智能技術為支撐，以項目管理理論為指導，以智能化管理信息系統為表現形式，通過構建現實世界與虛擬世界的孿生模型和雙向映射，對建造過程和建筑物進行感知、分析和控制，實現建造過程的精細化、高品質、高效率的一種土木工程建設模式。智能建造涉及規劃、設計、施工、運維等階段實現建筑物全生命期的智能化。智能建造融合了BIM，GIS，IoT、互聯網、云計算、大數據、人工智能等信息技術，它們互相獨立又互相聯系，共同構成了智能建造的技術體系，是智能建造的技術基礎[15]，如圖1所示。智能建造涉及工程建造理論、項目管理理論等，將工程建造相關理論與新一代信息技術相結合，指導新一代信息技術為土木工程建設服務。智能建造通常表現為智能化管理系統，通過智能化管理系統實現與工程技術人員的交互，將感知、分析得到的工程相關信息展示給工程技術人員，輔助技術人員進行工程相關決策和對工程項目的控制。智能建造利用先進的信息技術，發展新的建造和管理技術，使建造過程從數字化向智能化發展，提高建造效率，實現項目信息的集成化、智能化、系統化管理，達到精細、優質、高效建造的目標。

圖1 智能建造技術體系

智能建造具有全面感知、真實分析、實時控制、持續優化的特點[12]。①全面感知 即對建造過程、建造物的狀態等進行全面的感知，通過各種傳感器、智能設備、智能終端等收集有關建造物和建造過程的各種信息和數據，通過物聯網、互聯網等將信息和數據進行傳輸，并對建造數據進行存儲。智能建造技術將建造物、建造活動、建造過程需要的設備、工程管理人員、相關服務等進行在線連接，使工程管理人員和工程管理系統可以實時獲取建造物和建造過程的相關數據。②真實分析 即利用人工智能、大數據分析等信息技術對采集到的建造過程和建造物相關的數據進行分析和處理，利用有限元計算、虛擬仿真技術等對工程狀態進行仿真分析等，給出自動控制所需的結果或可以輔助管理人員進行決策的信息。③實時控制 即通過智能設備、智能軟件、智能終端等，依據分析得到的結果和相關規則如標準規范等，對建造過程、建造工藝、建造流程等進行控制，確保實現設計所預定的目標，包括通過自動控制技術對施工設備、建筑機械等進行智能化控制、通過相關人員對施工工藝、施工方法等進行控制以及對人員的控制，最終達到對整個施工過程的全面控制。④持續優化 即通過前3個方面的工作，在建造過程中不斷積累經驗，對智能建造系統本身進行不斷優化，使系統效率不斷提高。

2 國家相關政策

國家十分重視土木工程行業的發展，國家和地方都發布了建筑業信息化相關政策，旨在推動和促進土木工程行業的信息化、智能化發展。

早在2003年，我國發布了第一個建筑業信息化發展綱要，提出了在2003—2008年的發展規劃。之后在2011年和2016年分別發布了兩個建筑業信息化發展綱要，相應地提出了2011—2015和2016—2020年的信息化發展要求[16]。3個建筑業信息化發展綱要的主要內容如圖2所示。

圖2 建筑業信息化發展綱要

2003年和2011年提出的兩個建筑業信息化發展綱要都將信息化作為更新技術手段的工具。在2011年提出的信息化發展綱要中將信息化與管理相結合，同時重點提出了企業的信息化建設任務。由于信息技術發展的限制，兩個信息化發展綱要中均集中于專項信息技術的應用。2016年提出的信息化發展綱要則重視建筑工程中全過程、全方位的信息化應用，同時集成多種信息技術進行綜合應用[17]，相比前兩個建筑業信息化發展綱要，更加強調信息化與建筑企業管理的結合，強調信息技術的集成應用。

近年來，隨著計算機技術的快速進步，新一代信息技術給各行各業帶來了深刻的影響，極大地提高了信息化水平。這些技術改變了土木工程項目設計、施工、運維各階段的運行模式。國家十分重視新一代信息技術在建筑業的應用，發布了大量關于推動新一代信息技術在建筑業進行應用的政策。

2020年7月，《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》提出了推動智能建造與建筑工業化協同發展的原則、目標、重點任務和保障措施，并從7個方面提出了具體的工作任務。同時提出了到2025年、2035年的發展目標[18]。這一政策發布后，國家在半年內密集發布多項與智能建造技術應用相關的政策(見表2)。同時，國家還發布了一系列配套政策，涉及新時代建筑產業工人隊伍的培育、智能建造技術典型應用案例的征集、智能建造試點工作的開展等，以配套政策進一步推動智能建造技術的發展。

表2 智能建造部分國家政策

2020年7月住房和城鄉建設部《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》發布后，各地區很快進行了跟進，發布了一系列關于促進智能建造發展的政策。一些地區以“實施方案”“實施意見”的形式對推動智能建造和建筑工業化協同發展的目標和行動方案進行了細化。各地區對照住房和城鄉建設部制定的全國性目標提出了更加細化的本地區發展目標和相應的時間節點，多以2025年、2035年為節點，也有部分地區以2023年、2030年為節點。各地方政府制定的發展目標較國家制定的目標更加具體，部分地區還制定了定量指標。地方通常以推進BIM、物聯網、人工智能等新一代信息技術在建筑工程中的應用為推動智能建造技術發展的手段，一些地區將“智慧工地”建設作為推進智能建造應用的手段之一。同時，一些地區還提出了相關的激勵政策，如提前預售、優先推薦評優、將智能建造應用情況納入考核體系等，以優惠政策和評獎評優來激勵和引導企業采用智能建造技術。部分地區采用了帶有一定強制性的做法，如在一定規模或指定類型的建筑工程項目中必須使用BIM技術等條文，倒逼企業在建設工程中采用智能建造技術。此外，多地區采取了多部門聯合發布相關政策的方式，可見在國家大力推行智能建造技術的影響下，各地區也增加了推動智能建造發展的力度。部分省級政策如表3所示。

表3 智能建造部分地方政策

對于智能建造技術相關的各種新一代信息技術，國家和一些地方城市出臺了相關的專項政策。劉占省等梳理了近年來關于BIM、物聯網、3D打印、人工智能、大數據、云計算等技術的重要國家級政策，表明國家對相關技術的發展十分重視，對智能建造和新一代信息技術的扶持力度不斷加大[15]。

3 智能建造技術在土木工程施工中的應用

智能建造的技術體系包括BIM，GIS、物聯網、人工智能、虛擬現實、大數據、云計算、5G、三維掃描、區塊鏈、數字孿生等新一代信息技術。智能建造技術體系中各種技術相輔相成，共同完成智能化的工程項目管理過程。

本文選取土木工程施工過程中應用較多的BIM，GIS、物聯網、人工智能、虛擬現實、三維掃描、智能裝備與建筑機器人等技術，對施工中的技術應用點進行綜述。

3.1 BIM技術應用

建筑信息模型(building information modeling，BIM)，是對建設工程及其相關設施的物理和功能特征的數字化表述[19]。BIM以三維模型的形式表達建筑設施，可將建筑設計信息可視化。BIM模型是內部存儲著關于建筑工程全部信息的一個數據庫。這些隱藏在三維模型背后的信息使BIM模型不僅僅是一個三維可視化的工具，而是可在建筑工程全生命期內提供關于建筑的各種信息的數據源。BIM三維可視化的特性在施工中的很多場景下都得到了應用。同時BIM作為建筑信息數據庫，與其他智能建造技術相結合提供數據基礎，在智能建造體系中有不可或缺的地位。在現有的各種BIM軟件中可進行BIM的基本應用，但更多擴展應用通常通過對BIM信息模型或BIM軟件進行二次開發，或者通過另行開發的BIM應用平臺，與其他技術相結合的方式來完成。本節僅論述BIM技術可獨立完成的應用點，如圖3所示。

圖3 BIM技術應用

深化設計方面，BIM三維可視化的特性解決了二維圖紙在結構空間關系表達上的困難，因此廣泛用于復雜構造、復雜節點等的深化設計，如鋼結構、鋼骨混凝土節點等[20]。在裝配式結構中BIM技術用于PC構件或鋼構件的拆分工作，生成的深化設計成果還可與工廠設備對接進行數字化加工。二次結構施工中可應用BIM進行排磚優化、洞口預留、用量統計等[21]。BIM還提供碰撞檢測功能，用于在施工之前消滅各種建筑結構構件間的沖突問題，避免因沖突而發生變更和返工。

質量控制方面，可在BIM模型中以“按圖釘”的方式標記質量檢查信息，將質量檢查信息化[22]。馬智亮等依據國家施工驗收標準，將施工質量驗收屬性關聯到三維實體元素上，利用算法在BIM中自動生成驗收任務[23-24]。

安全管理方面，也可以“按圖釘”方式標記安全風險信息。BIM可作為建筑信息三維可視化的平臺，結合物聯網、人工智能等技術對人員、設備、環境進行監控，實現對安全風險的分析、判斷和預警。通過安全設施模型的建立，可指導現場安全設施如臨邊防護欄桿等的設置。施工中的安全風險可通過施工模擬進行預判，輔助安全措施的制定。BIM還可在三維空間中模擬各工序的空間占用，結合人工智能模型對并行作業中的空間沖突進行預測[25]。

4D-BIM的第四維度為時間維度，可用于表示工程項目隨時間的變化情況。將進度計劃導入BIM數據庫中，將進度計劃落實到每個構件上，可進行施工進度模擬，對整個工程的進度安排進行展示。還可以三維可視化的方式查看施工形象進度，分析項目計劃進度和實際進度的偏差[26]。

5D-BIM的第五維度為成本維度。BIM模型可進行工程量計算，得到構件明細表、工程量明細表等報表，也可算出人工、材料、機械的用量，進而算出成本。將進度與成本相結合，可得到人工、材料、機械、資金等的消耗隨時間的變化[27]，輔助采購和預算計劃的制定，也可通過掙值分析研究項目的進度和成本情況[28]。BIM數據庫中存儲的工期、價格、成本等信息可作為工程結算的參考[29]。

在施工方案編制過程中，對施工方案相關部位和施工設備建立高精度的BIM模型，可以視頻或動畫的形式展示施工方案。將模擬成果用于三維可視化交底，提高交底效率和準確度。建立建筑物、施工機具、臨時設施等的施工現場BIM模型，通過場景漫游、碰撞檢查等方式，確定現場臨時設施的布局并可視化地進行調整，可提高施工場地利用效率[27]。

3.2 GIS技術應用

BIM技術主要反映建筑物本身的各種信息，但通常不能反映建筑物周邊環境的信息。地理信息系統(GIS)作為地理信息數據庫，能以直觀的地理圖形方式獲取、存儲、管理、分析、顯示與地理位置相關的各種數據，可反映真實的地理環境信息[30]，但不能反映建筑物單體的信息。因此，GIS技術和BIM技術常結合使用。在BIM與GIS結合使用的過程中，BIM模型提供工程結構的相關信息，從微觀角度反映工程結構單體信息，GIS提供地理環境信息，從宏觀角度反映建筑周邊環境、地形、地質等地理信息，二者互為補充，可同時顯示宏觀與微觀的信息，同時提供了從空間地理數據處理的角度進行分析的途徑[31-32]。BIM和GIS進行集成的方法有3種：以BIM為平臺將GIS數據加載到BIM軟件中，在BIM平臺中進行各種應用；以GIS為平臺將BIM數據加載到GIS平臺中；通過另行開發的專用平臺，載入BIM數據和GIS數據，并實現對BIM和GIS數據的各種應用[33]。由于BIM技術以IFC文件為基礎，GIS以CityGML文件為基礎，二者數據標準不同，存在BIM和GIS數據的互通和互操作問題，需要開發專用軟件來完成二者之間數據的融合，以避免BIM與GIS集成應用時數據丟失等問題[31]。GIS技術在施工中的應用包括BIM+GIS聯合應用以及對GIS特有的地理信息數據及空間分析等功能的應用，如圖4所示。

圖4 GIS技術應用

BIM+GIS在工程項目中可用于質量、進度、安全、成本等方面的管理，如施工模擬、進度追蹤、安全風險管理、人員管理、設備管理、環境監測等[33-34]。但與單純應用BIM技術有所不同的是，在進行這些工作的時候考慮了GIS提供的地理空間信息，特別是對于與周邊地理環境緊密相關的線性工程、水利水電工程、地下空間工程等工程類型。施工方案模擬方面，有基于BIM+GIS的隧道施工組織精細化模擬，結合GIS城市數據、地質數據和BIM地下空間數據進行現場施工模擬等[31,35]。進度管理方面，結合BIM與GIS可進行項目本身及項目周圍環境的可視化的表達，通過GIS模型顏色顯示進度信息[30]。安全風險管理方面，GIS技術已應用于地鐵盾構施工安全風險管理系統、大壩可視化安全監測平臺、高填方工程監測等[37-39]。BIM與GIS的集成與融合應用十分適合線性工程的統一管理，如通過將BIM模型、遙感影像、數字高程模型等多源異構數據進行融合，實現了鐵路工程建設的統一管理，從宏觀、中觀、微觀尺度進行鐵路工程從線路周邊地形地貌到結構構件的統一管理[40]。

GIS可提供工程周圍地形、管線、道路、既有建筑物等空間地理數據，并通過空間分析等手段對空間地理數據進行處理。具體應用包括：通過GIS平臺查看BIM模型和施工現場影像[41]，展示地形地貌、拆遷范圍[42]、周邊環境；通過對平整度、地貌地質等分析輔助選擇適合施工的區域輔助場地踏勘[43]；輔助選擇施工臨時設施的位置[44]；通過集成BIM和GIS技術整合施工所需材料和材料供應商信息以可視化監控供應鏈的狀態[45-46]；結合GPS和GIS追蹤大壩工程現場施工人員位置和移動情況用于人工消耗量的統計[47]；通過地理信息系統查看工程周圍已有管道等設施，檢查新建工程與既有管線之間的沖突情況，為管線改移等提供參考，減小工程對城市的影響[48]。

GIS的另一個重要應用是地質信息的管理和應用。在地下空間工程、隧道工程、水利工程等工程中，地質情況是影響工程設計施工的重要因素[31]。利用GIS中的地質模型信息，可進行施工中邊坡安全風險評估[49]、隧道定位、病害查詢、地質預報[33]、地質監測[38]、地質剖面的獲取和應用[50]等。

3.3 物聯網技術應用

物聯網技術作為“連接物品的網絡”，承擔著從現實世界收集信息和控制現實世界的各種物品的工作[51]。物聯網技術可對施工過程中產生的大量信息進行實時感知和動態采集，并將采集到的數據和信息進行實時傳輸，實現現場施工過程中產生的各種信息和數據的實時獲取和匯總；對施工過程中的各種控制指令進行下達，實現自動化施工設備的實時控制。現實世界信息的采集一般通過二維碼、RFID、定位標簽、視頻攝像機、各種傳感器等自動化采集技術，或以人工錄入的形式進行。數據的傳輸通過電纜、LoRa、窄帶物聯網、WiFi、藍牙、4G/5G等有線或無線通信技術進行。物聯網是智能建造系統中的“神經系統”，實現智能建造體系中的前端感知和終端執行[52]。物聯網技術在施工中通常用于對施工現場人員、機械、材料、施工方法、施工環境等要素的在線實時監測和控制，如圖5所示。

圖5 物聯網技術應用

人員管理方面，通過具有RFID芯片的安全帽等可穿戴設備，可實現施工人員身份管理、定位追蹤、安全預警等功能[53-54]。機械管理方面，可實現對機械狀態的監控，如追蹤機械設備的分布狀況和運動軌跡、對塔式起重機結構和作業狀態的監控、盾構油液狀態的在線監測等[54-57]。物聯網系統也可用于遠程控制自動化的施工設備。材料管理方面，通過二維碼、RFID、無線網絡等技術，在預制構件進場、堆放、出堆、吊裝等環節實現構件的追蹤和管理[58]。通過物聯網技術還可實現對施工材料的定位和管理，簡化材料的收發和庫內盤點。施工方法管理方面，可實現施工風險因素的實時監測如高支模架體穩定性、邊坡穩定性、受施工影響既有結構健康監測、工地非法入侵檢測、個人防護裝備使用情況等[59-63]。施工質量監測如混凝土施工質量監測、混凝土強度監測、混凝土振搗質量監測、大體積混凝土澆筑溫度信息采集等[64-67]。施工過程控制如預制構件吊裝控制、施工數據采集等[68-71]。環境監測方面，通過各種傳感器和有線或無線傳輸技術進行噪聲、揚塵等環保監控、遠程視頻采集、基坑變形監測等[72]。

3.4 人工智能技術應用

人工智能技術的應用是智能建造中“智能”的體現之一，在智能建造中起到“大腦”的作用。人工智能技術以智能算法為載體，對施工現場的多源多維數據進行分析，總結數據中隱含的規律，進而實現對施工過程的智能監測、預測、優化和控制。人工智能技術在施工中有以下應用，如圖6所示。

圖6 人工智能技術應用

進度管理方面，可利用人工智能技術進行施工進度的自動生成、優化和預測，如利用基于人工智能的推理模型來預測項目的生產力、利用進化模糊支持向量機預測變更引起的生產力損失、利用神經網絡—長短時記憶模型估計工程竣工進度、基于圖像識別的施工進度的自動識別等[73-76]。

質量管理方面，人工智能技術可進行施工過程控制和施工質量智能檢測。對施工過程進行控制以保證質量，如預應力拉索的智能張拉、預測滲透注漿中水泥漿的結漿性能、預測大體積混凝土澆筑時的溫度和溫度應力變化、混凝土智能養護等[77-81]。利用人工智能方法對施工質量進行檢查，如混凝土表面裂縫檢測、混凝土振動質量實時監測等[82,66]。

安全管理方面，人工智能技術的應用集中于安全風險的識別和安全措施的檢查方面，如施工機械操作員的疲勞作業檢測、施工中不安全行為預警、安全帽佩戴檢測、安全風險評估等[83-88]。

成本管理方面包括施工成本的預測和控制，如工程造價估算、機械數量的合理安排、輔助制定進度計劃和資源配置方案等[89-91]。

人工智能技術可用輔助現場施工，如塔式起重機的自動化規劃、施工過程中變形情況的監測和預測、隧道圍巖的自動分級、施工機械位置和姿態的確定、機械工作參數的預測等[92-97]。

3.5 虛擬現實技術應用

虛擬現實(VR)是一種計算機仿真系統，可在其中創建和瀏覽虛擬世界。虛擬現實技術可以實現通過屏幕查看所不能達到的沉浸式體驗，使信息的表達更加直觀，有利于非專業人員快速理解設計意圖。在土木工程中應用虛擬現實技術時，通常以BIM模型等為基礎，導入到專用的虛擬現實軟件中并制作成動畫等形式，體驗者通過虛擬現實眼鏡等專用設備進行體驗。但虛擬現實技術對計算機的配置要求較高，且需要專用軟件和專用設備，限制了虛擬現實在土木工程施工中的應用。虛擬現實技術的應用主要在于應用其沉浸式體驗的特點，其具體應用點如圖7所示。

圖7 虛擬現實技術應用

施工安全方面，通過建立虛擬現實安全體驗館，基于BIM模型呈現逼真的虛擬現實環境，在其中模擬安全事故的情景，并展示安全事故中錯誤和正確的操作，使施工人員身臨其境地感受安全事故的危害，幫助施工人員規避安全風險，提高安全生產和自我保護的意識[98]。

技術指導方面，通過虛擬現實技術可以更直觀地對施工操作過程進行展示，可使非專業人員更快地掌握操作要領，提高技術指導的效率。目前虛擬現實已應用于施工技術交底、大型機械操作培訓、建筑設備安裝指導等方面[99-102]。

虛擬展示方面，結合BIM技術，可身臨其境地查看設計成果、工藝工法等，使體驗者獲得更加直觀的感受。利用施工工藝的精細化BIM模型可創建虛擬現實工藝樣板，具有不受場地限制、節省施工用地、節省樣板費用、可重復利用等特點[103]。虛擬樣板間通過建立工程完工后的高精度模型，在模型中進行虛擬漫游，提前體驗工程完工后的效果[99]。虛擬現實技術還可用于查看設計成果，在虛擬現實軟件中查看BIM模型[104]。

協同決策方面，虛擬現實技術可實現更加直觀的成果展示，并可多人同時進行查看，便于進行協同工作。虛擬現實可用于施工場地布局規劃工作，可進行碰撞檢測、施工現場布局場景評估等[105]。通過虛擬現實提供的交互式沉浸環境，項目相關人員可與三維模型進行交互，進行協同深化設計[65]。

虛擬現實技術還可用于施工監控，在虛擬環境中查看不同時間和不同空間中工程的施工進度情況。在虛擬現實環境中查看進度模擬成果和實際施工進度，可直觀展示項目形象進度[99]。也可對某一重點施工過程的施工情況進行查看[106]。

3.6 三維掃描技術應用

三維掃描技術以激光測距的原理為基礎，快速獲取物體表面大量而密集的點的坐標等信息，相當于一個高速測量的全站儀，其成果表現為點云數據。三維掃描具有非接觸、高速測量、高精確度、高密度、穿透性、全自動等特點[107]。三維掃描可用于建筑物等的逆向工程，通過掃描工程實體獲得的點云數據建立三維模型，與由模型通過加工制造得到工程實體的過程相反[108]。與全站儀相比，三維掃描儀可自動化地快速測量海量點的坐標，在常規方法需要較多控制點的異形結構測量中，可大大提高測量的效率。同時，與理想化的設計模型不同，點云模型真實反映了掃描對象的狀態，包含了制造誤差、施工誤差、結構變形等信息。三維掃描技術的應用，主要是對獲得的點云數據和點云模型的應用。三維掃描技術在施工中的具體應用點如圖8所示。

圖8 三維掃描技術應用

深化設計方面，以先期施工的土建等部分的點云模型為依據得到修正的BIM模型，進行機電、幕墻等的深化設計，可減少因施工誤差引起的碰撞[108-109]。預制鋼構件的點云模型可用于逆向建立構件三維模型，可在虛擬預拼裝時考慮加工誤差[110]。

變形監測方面，通過定期連續的掃描工作可獲得被監測結構在不同時間的幾何信息，進而獲取被監測結構的變形情況。基坑工程中，三維掃描技術已應用于基坑本身的變形和基坑周邊建筑沉降等的監測[111-112]。主體結構施工中，可用于施工過程中結構變形的監測，如鋼結構建筑的變形監測、公路擋土墻位移監測等[113-115]。在隧道工程中，可通過點云數據監測隧道斷面變化的情況，進而進行圍巖變形的監測[110]。

質量檢查方面，通過點云模型與設計BIM模型的對比，可在軟件中測量出實際結構和圖紙間的誤差。應用于預制構件的幾何質量檢測，施工過程中安裝精度的檢查[107]，施工誤差如平整度和垂直度、預埋件安裝位置、幕墻板塊安裝等的測量[107,117-121]。高精度的三維掃描還可用于缺陷的檢查，如外保溫系統空鼓、脫落缺陷，混凝土表面剝落缺陷的檢測等[122-124]。在質量檢查的同時，還可利用逆向建模的方法建立與實際結構一致的模型，進行有限元分析以考察結構的受力變化[125-126]。

進度檢查方面，三維掃描技術以其快速逆向建模的特點為快速數量統計提供了有效途徑，如施工現場土方量等工程量的統計，還可與BIM結合確定各個施工階段的工作量[127-128]。通過低精度的3D掃描設備可快速建立4D竣工BIM模型，通過連續的定期掃描檢查施工進度[129]。

進行既有結構的改造修復等工作時，三維掃描技術可在設計圖紙缺失的情況下對建筑結構進行復原，通過逆向工程的方法得到既有結構的BIM模型[130-131]。竣工測量中，在復雜結構的快速逆向建模中也有應用三維掃描技術[132]。

3.7 智能裝備及建筑機器人

建筑施工的無人化、少人化意味著在施工過程中采用自動化的施工設備和技術。智能裝備和建筑機器人可自動執行建筑施工工作，可以按計算機程序或人類的指令工作，代替或協助人完成施工任務[133]。在智能建造體系中，建筑機器人用于控制指令的執行。

在預制工廠中，預制構件生產具有制造業工廠生產的特點，生產環境較為簡單，為智能制造技術的應用提供了便利，智能裝備和智能機器人已廣泛應用于預制構件生產工廠等場景，實現了預制生產的自動化。然而在現場施工中，建筑機器人通常面臨現場計量不完善、公差較大、工件不確定性較大等問題，這與制造機器人十分不同[134]。與制造業另外一點不同在于建筑業施工現場采用產品不動、設備移動的生產方式，而施工現場較為惡劣的環境為智能設備和建筑機器人的移動制造了困難。對于傳統的施工過程，建筑機器人的研發需要理解施工步驟背后的物理原理，且不同工序之間施工環境、施工方法、質量要求等存在很大差異，一般需要對不同施工過程研發專用機器人。這些問題對施工現場智能設備和機器人的應用帶來了挑戰，因此目前智能裝備和建筑機器人在施工現場的應用不多，大部分施工過程仍以人工作業為主[135]。建筑機器人和智能裝備在施工中的應用如圖9所示。

圖9 智能裝備和建筑機器人

在工廠加工階段，建筑部品部件生產的自動化、智能化程度已大大提高。自動化火焰切割設備、焊接機器人、智能化鋼筋加工設備、混凝土澆筑機器人、PC構件加工流水線等自動化設備實現了鋼構件、預制混凝土構件等預制部品部件的自動化生產，將部分現場施工的工序轉移到了工廠中[136-138]。

對現有的施工機械進行智能化改造是實現土木工程施工自動化的途徑之一。目前已有對推土機、挖掘機、裝載機、壓路機等設備進行智能化改造，增加自動控制模塊，結合BIM、物聯網、人工智能等技術，實現機械的自動控制，工人無需操作或僅進行簡單的操作即可完成相應的施工過程。例如公路工程中使用的路面無人智能化集群施工技術，使用智能化的攤鋪機、壓路機等協同進行路面鋪設；盾構施工中可實現混凝土自動布料、澆筑情況監控、自動化振搗等功能的智能化襯砌臺車；在鐵路工程中使用的智能化整平機、智能化鋪軌機等[139-141]。

已有部分施工工序通過開發專用設備的方式實現機器自動或人機協作的施工方式。在工地測量和測設中，自動化的測量機器人已經較為成熟，可依據移動設備的指令或BIM模型，自動指向放樣方位或追蹤并指導棱鏡移動直至到達放樣點，已用于地下管線、高層建筑、鋼結構工程、水電工程等的放樣定位工作[142-145]。在隧道工程中，盾構施工也向著自動化智能化方向發展，如換刀工序中換刀機器人的使用實現了全自動換刀，完全代替人工換刀，避免了盾構換刀過程中工人的安全風險[146]。房建工程中，根據施工工藝的不同，在混凝土布料、地面抹平、砌磚、鉆孔、地面研磨等工序已有相應類型的智能機器人投入現場使用[147-148]。

4 總結與展望

隨著計算機技術的發展、智能建造理念的提出和推廣，BIM，GIS、人工智能、物聯網等新一代信息技術已大量應用于土木工程施工過程中。這些新一代信息技術極大地提升了土木工程施工的信息化水平，在一定程度上改變了施工管理的方式，使土木工程施工趨向數字化、智能化管理。信息技術的應用還擴展了施工管理人員的能力，實現了一些原本人工難以完成的工作，同時提高了施工和管理的效率。信息技術帶來的另一個改變是在一定程度上消除了信息孤島，使施工過程中產生的信息在工程參與各方之間快速流轉，使得施工各參與方能夠更快地對工程中出現的各種情況進行反應。智能建造技術可實現對工程建設的“智能感知、真實分析、實時控制”，實現了施工過程的智能化閉環管理。

然而智能建造尚處于發展的初級階段，智能建造技術仍不能滿足建筑業信息化、智能化轉型的要求。具體表現可總結如下。

1)智能建造技術仍以單點應用為主，其應用點較為零散，集成度不高。目前智能建造技術在施工中的應用多聚焦于某一施工過程或施工管理的某一方面，也有部分項目采用了具有一定集成度的智能化管理平臺，將部分施工管理流程信息化。但是目前仍少見集成度較高的智能化施工管理系統。

2)現有施工管理流程與方法存在不適應智能建造技術的方面。在推行智能建造技術的同時，也帶來了新的管理流程和管理方法，但目前建筑業仍采用傳統的管理方式對工程項目進行管理，智能建造技術有時會與現行管理規定等發生沖突，導致管理人員在采用智能建造技術的同時保留傳統的管理模式，造成了浪費和冗余，智能建造技術帶來的優勢在一定程度上被抵消。

3)智能建造技術對于施工過程的感知和分析已有較多應用，但智能化裝備和建筑機器人的應用僅限于部分施工工作，大部分施工工作仍由人工進行。同時由于不同施工工作使用的工藝不同，需對每一種工藝研發專用機器人，使得建筑機器人的應用較為緩慢。

展望智能建造技術及其工程應用的發展，可在以下幾個方面取得新的進展。

1)智能建造技術應用的高度集成化。隨著智能建造技術的發展，智能建造技術的局部應用將不斷增多。可在大量局部應用的基礎上開發集成化的智能建造管理平臺，將施工管理全過程納入平臺之中，不僅為施工管理人員提供統一入口，同時有利于進一步消除信息孤島，使信息更加流暢地在工程各參與方之間流轉，提高施工管理的效率。

2)管理模式和管理制度的變革。智能建造技術的應用將帶來管理模式等的變化，未來可通過創新管理模式，建立與智能建造技術相適應的管理流程和管理制度，使技術發展與管理變革形成合力，鼓勵更多的建筑企業采用新的技術和管理模式。同時，隨著智能建造技術進一步消除信息孤島，參建各方在工程建設中產生的數據將進一步透明化，將為工程建設管理模式帶來更加徹底的變革。

3)推動建筑機器人的研發和應用。可通過已經較為成熟的數據采集技術采集施工過程中產生的各種數據，分析施工工藝背后的規律和原理。可進一步研發適合機器人自動化施工的施工工藝，對傳統工藝進行改變，從而將更多的施工工作自動化。

4)加強多學科聯合。智能建造技術的發展不僅涉及傳統的土木工程，還涉及機械、電子、計算機、信息技術、管理等多個學科。智能建造技術的發展需要由多個學科進行合作，充分利用不同學科的優勢，促進智能建造新技術的研發。

智能建造是土木工程行業轉型升級和高質量發展的重要手段。智能建造技術將隨著信息技術的進步而獲得更大的發展。智能建造技術將整合建設工程各階段和各參與方，減少和消除信息壁壘，實現建筑物全生命期的高質量管理。

展望未來，智能建造不僅僅是一項通用技術，也將會成為信息化社會中人類建造和改造世界的方法論之一。智能建造還將成為支撐社會建設智能化和產業自動化轉型的發展范式，智能化設計、智能化施工、智能化運維等智能化建筑技術將進一步推動社會建設的智能化轉型，自動化工業、自動化農業等產業自動化、智能化技術將推動產業的自動化轉型。同時，“模型+機理”是智能建造落地的關鍵所在，構建分領域、分行業的包含機理模型、信息驅動模型、物理實體、邏輯對象的智能建造模型全景圖譜將助力智能建造技術的落地應用，真正發揮智能建造的價值。