基于工程應用場景智能建造推進模式應用研究

賴家彬

(1.中建遠南集團有限公司 福建泉州 362200;2.泉州信息工程學院 福建泉州 362200)

0 引言

智能建造，是新一代信息技術與工程建造融合形成的工程建造創新模式：即利用以“三化”(數字化、網絡化和智能化)和“三算”(算據、算力、算法)為特征的新一代信息技術，在實現工程建造要素資源數字化基礎上，通過規范化建模、網絡化交互、可視化認知、高性能計算以及智能化決策支持，實現數字鏈驅動下的工程立項策劃、規劃設計、施(加)工生產、運維服務一體化集成與高效率協同，不斷拓展工程建造價值鏈、改造產業結構形態，向用戶交付以人為本、綠色可持續智能化工程產品與服務。智能建造不僅僅是工程建造技術的變革創新，更將從產品形態、建造方式、經營理念、市場形態以及行業管理等方面重塑建筑業[1]。

應用場景是用戶思維下融合了產品、服務、體驗、空間的綜合創新生態，表現為主體多元、技術交叉、配套綜合、供給與需求雙向交融等特征。應用場景契合智能建造服務導向的經營模式和跨界融合創新的需求。應用場景是試驗空間、市場需求、彈性政策的復合載體。應用場景建設能夠通過提供新型技術創新基礎設施、真實的技術試驗驗證環境、廣闊的產品應用新市場，為創新創業企業成長提供活躍生態，孕育更多成長性高的科技型企業；應用場景能夠帶動跨界合作及上下游產業鏈相關企業的衍生與匯聚，促進新技術新產品新模式跨界融合創新。建設應用場景需要足夠開放，可通過公開招募、企業對接、開放合作等方式保持領先性和吸引力。開放的應用場景建設模式更有利于發現創新型企業，有利于創新產品和科技型企業宣傳推廣。營造推廣應用場景的良好環境，政策制定要兼顧監管要求和促進發展，創造對科技創新相對包容的環境。對于經過市場考驗、發展前景好的應用場景的創新，要通過政府采購、試點示范、相關牌照優先發放等多種形式，加強推廣支持。

以工程應用場景需求為導向，以“兩化融合”(數字化、智能化)為基礎，采取基于質量高、推廣性強的工程應用場景正向設計智能建造的推進模式，以工程應用場景和工程規律為主線，每個應用場景都有相對應采用智能技術解決方案，從而加快推進智能建造創新迭代的探索。

智能建造是中國智造在工程領域一個大應用場景，其中可分為行業(交通、市政、建筑、水利、民航等)、設計、構部件生產、施工、監管、檢測、維護等不同應用場景及其中又可細分為不同、相對具體的更小的應用場景(例設計分行業、專業、工業化建筑體系、功能用途等)。

1 智能建造的應用場景

1.1 設計

數字設計是智能建造的基礎。智能建造最終的工程產品不僅局限于實物工程產品，重要還應有數字化(智能化)工程產品。借助“數字孿生”技術，實物產品與數字產品有機融合，形成“實物+數字”復合產品。勘察設計企業作為工程建設領域扮演智能建造“龍頭”角色的企業，應推進數字化設計體系建設、BIM技術一體化集成的設計應用；在設計不同應用場景推行設計標準化、一體化集成、協同設計等技術，提交數字化設計產品；促進設計企業分類、分層化、專業化、科技型的發展。

1.1.1 推行標準化設計

標準化設計是把不同用途的建筑物，分別按照統一的建筑模數、建筑標準、設計規范、技術規定等進行設計，并經實踐鑒定具有足夠科學性的建筑物形式、平面布置、空間參數、結構方案，以及建筑構件和配件的形狀、尺寸等，在全國或一定地區范圍內統一定型、編制目錄，并作為法定標準，在較長時期內統一重復使用。設計標準化形式：簡化、統一化、系列化、通用化、組合化、模塊化。標準化設計對使用者，能夠獲得系統的服務，施工、產品上的標準化，能更好保證質量，保證后期的安全性和穩定性。標準化是生產社會化和管理現代化的重要技術基礎。標準化設計可從以下3個層面進行:①樓棟單元標準化;②功能模塊標準化;③部品部件標準化。構件設計可以采用信息化手段進行分類和組合，建立構件系統庫。構件分類系統庫能夠使建筑設計和建造流程變得更加標準化、理性化、科學化。部品的標準化是在部件、構件標準化上的集成；功能模塊的標準化是在部品部件標準化上的進一步集成[2]。

標準化設計從建筑全系統看，主要包括平面、立面、構件和部品4個方面的標準化設計。其中，平面標準化是實現其他標準化的基礎和前提條件。以平面及立面標準化帶動部品部件標準化及設計、生產、施工、使用和運行維護標準化技術體系發展路徑。

(1)建筑平面標準化

建筑平面標準化的組合實現各種功能的戶型。平面設計標準化是通過平面劃分，形成若干標準化模塊單元(簡稱標準模塊)，然后將標準模塊組合成各種各樣的建筑平面，以滿足建筑使用需求；最后通過多樣化的模塊組合，將若干標準平面組合成建筑樓棟，以滿足規劃和城市設計要求。

(2)建筑立面標準化

建筑立面標準化通過組合實現立面多樣化。裝配式建筑立面設計中，材料與構件特性往往成為設計的出發點，也是建筑形式表達的重要手段。裝配式建筑立面設計，可以選擇幾種不同尺寸預制外墻標準構件，選擇裝飾混凝土、清水混凝土、涂料、面磚或石材反打等不同工藝，進行排列組合，就能夠形成千變萬化的效果。由于部品部件、構件以及部品在工廠預制，一些個性化要求高或現場難以實現的構件，在工廠制作難度低、質量高，很容易滿足建筑個性化要求，打破裝配式建筑“千篇一律”的刻板印象，滿足城市對建筑形式的多樣化和個性化需求[3]。

1.1.2 系統集成、協同設計

建筑系統包括結構系統、外圍護系統、內裝系統、設備與管線系統等4個部分。系統集成應根據材料特點、制造工法、運輸能力、吊裝能力的要求等內容進行統籌考慮，提高集成度、施工精度及施工效率，降低現場吊裝難度。協同設計是指在項目各個設計階段，應充分考慮裝配式建筑設計流程特點及項目技術經濟條件，對建筑、結構、機電設備及室內裝修進行統一考慮，利用信息化技術手段實現各專業間的協同配合，保證室內裝修設計、建筑結構、機電設備及管線、生產、施工形成有機結合的完整系統，實現裝配式建筑的各項技術要求。

設計單位提交基于BIM一體化集成技術完整、可用于生產、施工、維護等階段數字化的設計成果；綜合、科技型的頭部設計企業持續突破和優化有自主產權的建造設計軟件、預制裝配式建筑分析設計軟件、BIM使用軟件等的基礎軟件，在相應的設計應用場景有較好的智能設計的應用與推廣的設計路徑。

1.2 構、部件生產

用數字信息驅動機器手代替人工作業。數字信息驅動機器參與建造是智能建造的典型特征。通過工廠生產線設備智能化，工序卡控智能化，生產管理精細化，提升預制構、部件的品質及功效，實現現場生產向工業化生產轉型，推動建材產品化、構件化及智能化，提升工廠制造比率，從而促進行業技術水平及裝備水平提升，提高國家的競爭力。相對構、部件工廠生產應用場景，更容易實現生產設備智能化，也取得較好的進展和成果。例如：港珠澳大橋跨海集群工程的鋼殼智能制造、鋼箱梁智能制造、鋼殼混凝土智能澆筑、智慧梁場、智慧安裝；中鐵智能梁片工廠。現階段宜重點推進工廠生產環節機器人和智能工廠裝備、裝配式智慧工廠管理平臺的推廣應用。要探索具備人機協調、自然交互、自主學習功能的建筑機器人批量應用[4]。

(1)以智能技術推動構、部件生產的標準化、集成化、模塊化、智能化。建立以標準部品為基礎專業化、規模化、信息化的生產體系。

(2)加大構、部件生產產能支持力度和工廠合理布局，合理降低采購成本和工程造價。

(3)推廣和使用生產工廠智能成套裝備、生產工藝流程數字化、裝配式智能工廠管理平臺等技術。

1.3 施工

預制裝配化是轉變工程生產發展方式的重要途徑。產業轉型方向是規模化定制生產方式。以構、部件制造取代傳統現場施工，以裝配化作業取代手工砌筑作業，能大幅減少施工失誤和人為錯誤，有效解決工程系統性質量通病，降低工程產品后期維護費用，延長工程產品使用壽命。施工應用場景建設是智能建造推進的難點和重點。目前由于施工企業信息、智能技術、裝備水平和應用能力低，建造技術水平不高、科技含量較低、單純拼勞動力成本和生產規模的競爭模式，難以切實有效地推進智能建造施工應用場景的規劃與建設，因此，施工企業應以項目需求和企業管理為導向，以科技投入，與科技、裝備、科研單位合作為支撐，以提質增效為中心，堅持順勢而為，大力推行項目與企業管理工程應用場景策劃、建設與智能建造體系建設。以點帶面，實現項目施工和企業智能建造的精準突破、建造方式的工業化。

1.3.1 現場施工減量化

從實體工程量和措施工程量兩方面著手:①減少實體工程現場施工量，提高預制比率；②推廣工程措施的標準化、模塊化、配件化。如鋁模板、新型建筑模板及碗扣式支撐體系、移動式模板體系等。

1.3.2 提高預制裝配比例

建筑工業化、自動化和信息化是智能建造的前提和基礎，裝配式建造方式是實現建筑工業化的重要抓手。有關研究數據表明，裝配式混凝土建設項目在施工過程中相比傳統方式可減少建筑垃圾排放70%，節約木材60%，節約水泥砂漿55%，減少水資源消耗25%。更重要的是，裝配式建筑能從根本上改變施工現場“臟亂差”局面，有效降低建造過程大氣污染和建筑垃圾排放，最大程度減少揚塵和噪聲等環境污染，助力城市環境改善和生態文明建設。隨著施工技術的發展,分階段逐步地提高工程的預制裝配比例。

1.3.3 施工機械化

推廣和優化通用施工機械、架橋機、造樓機等智能化施工裝備的使用。隨著傳統現澆建筑向裝配式建筑的逐步轉變，結合裝配式建筑單元化的特點，形成具有裝配式建造專業功能的建造機器人是解決建筑業諸多問題的未來走向。適度投入施工機器人相關研究。2018年，四川鐵路投資集團、徐工集團、清華大學三方簽訂戰略協議，深化產、學、研、用合作，全面進軍道路無人施工領域，共同開展適用于道路施工場景的無人技術研發。攀大高速瀝青路面施工完全采用無人機群技術。

1.3.4 施工管理智能化

以PM、BIM和DM的緊密結合，相互支撐實現工地現場的智能化管理。5G智能工地管理系統，可匯集二十多項智慧功能應用，滿足對“人、機、物、法、環”五大管理目標的智能管理，以施工現場管理為核心，通過物聯網、移動通訊技術實時手機數據，結合項目管理流程自動進行預警、數據分析后將結果反饋至控制中心，實現項目的全面信息化、智能化管理。

1.3.5 工業化建造體系探索

探索和建立企業、區域和行業特色的工業化建造體系。目前主要為疊合樓板、預制內隔墻板、預制保溫一體化外墻板、高精地坪、無線照明系統、自流平工藝及全干法裝修、管線與設備預裝配化與模塊化、預制疊合綜合管廊、預制拼裝梁段、梁片、大型構部件(品)智能工廠等工業化的建造技術。

1.4 產業鏈

智能建造產業鏈涉及的環節眾多，只有整個產業鏈生態都良性發展，智能建造的綠色、效率和成本優勢才能真正實現有效釋放。智能建造可在工程建設各環節應用，借助物聯網、大數據、BIM等先進信息技術，實現科研、設計、生產加工、施工裝配、運營等全產業鏈融合一體的產業體系，實現全產業鏈數據集成，為全生命周期管理提供支持。智能建造的業務特征是數字鏈驅動的工程建造全壽命周期一體化協同與智能決策。在產業鏈工程應用場景，在產業層面，以“平臺化、品牌化、集群化、全價值鏈”為牽引，全面整合產業與智能技術在硬件、軟件、裝備、制造等諸多環節的資源和能力，并以一個平臺實現對不同行業、不同規模和數字化需求的系統解決方案;在業務層面,以“能力層、應用層、商業層、產業層”的多層架構體系，將EPT平臺資源深度整合，為企業進行提供分層化的打通和協同數字化的系統化布局和個性化智能建造解決方案；以數字化連接研發、設計、生產加工、施工裝配、運營等全價值鏈的各個環節，打通企業與用戶連接點，實現全價值鏈下供給側與需求側一體化協同，賦能產業鏈上下游企業深耕核心業務，持續釋放潛在業務價值，重構新競爭力；通過智能化運營，提供數字化產品，實現產業以服務為導向的經營模式。

(1)培育具有智能建造系統解決方案能力的工程總承包企業和具有生態主導力的產業鏈“鏈主”的企業；以企業的EPT平臺向行業電子商務平臺轉型，實現與供應鏈上下游企業間的互聯互通，提高供應鏈的協同水平。龍頭企業可以從更高更廣的層面，了解自己生態鏈相關企業的業務，有著帶動生態鏈成員企業共同進步、盤活全局的原始動力。例如中建三局推動武漢建協智能分會與武漢市和湖北省相關協會廣泛聯系，共同整合行業資源，打造智能建筑產業聯盟，構建合作共贏的行業生態新體系；邀請業內頂尖專家每季進行會員企業技術培訓，牽頭制定行業標準，舉辦多種形式的國內外技術交流，開展多項行業評優推先活動，提升和促進會員企業整體技術服務和經營管理水平。

(2)以企業級建造生態作為出發點，向產業生態應用場景逐步、迭代轉型在平臺型企業聚攏產業資源中，使產業鏈從企業碎片化生態轉向規模聚集的產業平臺生態，大幅降低市場交易成本，改變資源配置方式，豐富工程建造的產業生態，實現工程建造產業鏈價值持續增值。

(3)以工程總承包企業為龍頭，推行EPC、全過程工程咨詢的承包模式，以全產業鏈不同規模、不同專業企業優化級配，密切協同，進而形成圍繞高品質建筑產品進行精益建造、資源優化配置的市場環境[4]。打造深度融合，用戶認可，各方合作共贏的EPC集成管理平臺。加強對中小型企業的政策支持，支持中小企業做專做精，在專業優勢精耕細作。

(4)逐步實現工程施工企業經營模式由產品導向向服務導向轉變，延長產業價值鏈。

(5)在工程應用場景，加強與高端科技、制造、裝備頭部企業、院校的合作、融合，深化產業開放合作與產業鏈協同創新，增強智能建造綜合實力，促進施工企業科技和施工裝備水平提升、創新型施工企業的壯大與發展。

1.5 行業

目前我國工程領域不同行業智能建造水平不一，交通中的鐵路、公路、橋梁、地鐵等、電力行業的電建、核電行業的核建、建筑的房地產等在大項目、大投資、大推進下，其部分項目與企業建造體現施工專業化、管理精細化、建造智能化。行業龍頭企業依托技術、規模、管理優勢快速提高智能建造的水平與技術含量，成為競爭與技術優勢可隨企業規模增長而不斷自我強化的應用創新的企業。部分行業細分頭部企業競爭和科技技術優勢在市場激烈競爭中凸顯，進一步推動行業的轉型升級和智能建造提升。智能建造催生眾多新型產業，包括全過程咨詢服務行業、部品部件生產企業、專用設備生產企業、相應的物流運輸、裝配化裝修等眾多新型產業，拉長產業鏈條，促進產業再造和增加就業，帶動行業專業化、精細化發展。面對行業不同層次的工程應用場景，加強頂層設計與總體規劃，加快打造行業的產業互聯網平臺；引進、借助與融合外部先進的信息科技和裝備企業，塑造行業的科技型、創新型與應用領先型的企業，創建行業的技術創新中心；以“平臺化、數字化、全價值鏈”加速行業的轉型升級、智能化；以項目和企業管理需求的應用場景為牽引，加大智能建造的應用創新，推廣成熟技術，打造一批可復制、能推廣的樣板工程，帶動全方位工作推進，發揮創新項目與先行企業的示范引領作用。

2 結語

加強設計、構部件生產、施工、產業鏈、行業等層面不同工程應用場景建設；工程應用場景應打造成推進行業與產業高質量發展的新孵化平臺、推動產業爆發的新生態載體、改變生產方式的新試驗空間；推廣成熟智能技術，形成集研發設計、數據訓練、中試應用、科技金融于一體智能建造的綜合應用模式；加快完善建造產業鏈的數字化成果交付、審查和存檔管理體系等；培育良性的產業鏈平臺生態和發揮龍頭企業、項目示范引領作用；推行設計標準化、生產工廠化、施工裝配化以及智能科技工程應用智能化等，探索適合我國國情的智能建造的發展路徑和模式。