智能建造的理論框架與核心邏輯

于程水

中鐵建發展集團有限公司

1 智能建造的背景

我國的建筑施工行業長期以來基本處于停滯不前的尷尬處境，勞動密集型的組織機制給我國的建筑行業帶來了許多問題，例如在施工方面，這種管理機制會造成嚴重的資源浪費、施工效率低下、安全事故發生率較高、工程質量參差不齊等一系列問題，因此我國的建筑施工行業的管理模式急需轉型。

1.1 信息技術對建造的影響

信息技術為第四次工業革命（工業4.0）時代的核心技術，該項技術正在滲透到社會生活、工作、學習中的各個領域中，伴隨著計算機技術的發展，信息技術可以幫助我們對大量信息進行分析與判斷，問題也可以簡化為對不確定信息進行確定，而建筑建造所包含的海量信息也可借助計算機與信息技術等簡化目前臃腫繁雜的流程，使得建造脈絡變得清晰，信息流動變得通暢。其建造行業的發展的影響主要體現在以下幾個方面。

（1）建筑行業的競爭力有所提升。建筑產品正在逐步進入精細化施工管理階段，精細化施工不僅是一種施工方式，也是一種理念和一種文化，建筑行業施工方面的精細化是現代社會對建筑施工的必然要求，建立在常規的施工方式基礎上，并將常規的施工方式引向更為深入的精細化施工模式，是一種以最大限度的減少對常規施工的后續維護修繕時間和資源，降低后續維護成本的施工方式。精細化施工雖然提升了建筑產品的精度，但并不能以無限長增加施工時作為代價，因此精細化施工這一技術需要足夠的信息技術來支撐。

（2）增加了設計、施工、管理的便捷性。信息技術的使用和研發大多數基于互聯網平臺，而且許多地產公司都會利用可視化技術對施工方進行指導和管理，通過可視化平臺，不用親臨施工現場便能直觀的進行設計、校對、審核，這種可視化技術大大減少了時間成本。例如中石化SEI公司推行的工程設計集成化系統，設計過程中的三維模型集成了整個設計過程中的所有工程信息，該系統建立了標準的工作流程，保證了在項目進行中的標準化、規范化、系統化。與項目施工有關的各個專業在該系統中協同工作，實現了各個專業的施工信息統計，避免了各專業之間輸入重復數據，提高了施工中的效率。

1.2 國內發展方向

近年來，我國越來越重視智能建造和信息技術的發展，用于建造過程的可視化監控與仿真模擬。工程建造過程中產生的大量數據，例如工程設計數據、建造過程監控數據以及施工企業信息系統的業務數據，構成了施工企業級的大數據資源，面向建筑施工領域的人工智能算法將通過對大數據挖掘分析，為項目管理知識發現及建造過程趨勢預測提供決策支持。

隨著工業4.0時代的到來，我國的智能建造技術正在飛速的發展并且取得的顯著的成效，但在基礎理論和技術體系方面，相對于國外來說，我國基礎研究能力略顯薄弱，雖然積極引進國外的先進技術，但是對于新技術的消化能力不足，并且缺乏自主創新能力。國外發展智能建造技術略早于我國，控制核心軟件和技術，在重點前沿領域有較為成熟的發展。

在智能建造裝備配備方面，國外基本已經掌握了關于智能建造的先進自主研發技術，我國對國外進口的智能建造先進設備依賴程度較高，智能建造的裝置裝備進口率高達50%。

在軟件和硬件方面，我國較為重視硬件的發展，較為輕視軟件的研發，缺少高端的軟件產品，引用國外軟件程序較多，而對于國外來說，軟件和硬件一同發展是主要戰略。

最后，在人才儲備方面，我國缺少高端專業型人才，高校成立智能建造專業較晚，而國外起步較早，有較多的關于智能建造的復合型研究人才。

2 智能建造

2.1 概念解釋

目前智能建造代表了一種智能科學技術下的新型建造模式，包括了從設計到施工以及后期管理的全周期的生產組織方式，使建造系統趨于簡潔，達到優化建造過程、提高建筑品質的目的。智能建造并不指某一項技術，而是集合多種手段，形成一種不同于以往的高效的建造系統。

近年來，以建筑信息模型（Building Information Modeling）、物聯網、大數據以及云計算為代表的新一代信息技術于人工智能技術正在逐步應用到建筑施工行業。

2.2 相關理論

目前，我國的智能建造基本包括機器人技術、工業大數據和區塊鏈、建筑構配件智造、建機智造四大部分。

（1）人機協作。在建筑學領域，數字化的生產工具不斷融入建筑建造的生產過程之中。建筑生產由高度依賴工匠本身的建造經驗與對材料的理解的生產方式，到文藝復興時阿爾伯蒂將建筑作為一門學科理論化和抽象化，通過制圖來表達設計者的思考和意圖，再由建造者依照圖紙進行實施形成的建筑師與工匠含義的分離、設計與建造的分離，這導致了建筑師對建造的細節難以把控。而目前數字化技術的引入則打斷了建筑行業高度分化與各專業逐步被分割隔離的進程，設計和建造之間的流通更加直接順暢。以算法為核心的數字化平臺可以從設計目標出發，依照特定的邏輯逐步推演出整個設計建造流程。建筑師根據模擬得出的建筑性能表現，借助多種人工智能方法如遺傳算法、神經網絡、多代理系統等，改進設計中表現不足的性能，完成設計的優化。

（2）工業大數據和區塊鏈。機器人通過工業大數據和區塊鏈兩個核心技術，不斷推動建筑行業的數字化、智能化、透明化發展。建筑的生產工藝和流程可以通過工業大數據進行一系列的優化，這種方式大大提高了建筑行業的生產效率，在簽訂建筑合同、施工設備租賃、施工資金結算等方面，可以通過應用區塊鏈技術，通過手機等智能設備快速完成，簡化了繁瑣的步驟。

（3）建筑構配件智造。建筑構配件智能制造為鋼結構的生產提供了更快捷方便的生產形勢，這種方法可以滿足鋼結構精度更高、標準更高的要求，鋼結構智能生產線基于機器人技術和BIM（建筑信息模型）進行研發，且我國具有46項自主技術研發的知識產權的智能生產線，該生產線的研發實現了從鋼板到鋼結構件的全數字化生產。

（4）建機智造。建機智造主要為建筑塔機片式標準節焊接自動化方案，該方案主要為批量運用機器人對片式標準節進行焊接處理，其中運用的專用反變形技術可以有效防治焊接變形，不僅減輕了工人的勞動強度而且提高了生產的產量和質量，起到了事半功倍的效果，增加了社會效益和經濟效益。

2.3 基礎與核心

智能建造相比于傳統建造的優勢在于其智能化的組織形式,以建筑機器人為核心工具，以人工智能為感知基礎，通過信息融合與實際建造施工的信息反饋與動態調整,實現虛擬與現實的深度集成、實時反饋、決策優化與精準控制的智能體系，以應對建造過程中信息繁多、更新緩慢、協調配合不暢、資源浪費等問題。

3 智能建造關鍵技術

3.1 信息處理及可視化

數字時代的建造，需要進行分析處理的對象由物質變為了信息。面對復雜的建造系統以及大量數據，建筑師需要在不同層次上對其進行處理分析，在這個過程中信息的可視化就成了虛擬數字與設計物質化的橋梁。達到這一目的可采用的技術有高水平的增強現實（AR）和虛擬現實(VR)技術。虛擬現實指通過計算機創建一種可體驗的虛擬仿真環境，是一種多源信息的融合，是交互式的三維動態視景和實體行為仿真；增強現實指的是把虛擬世界的信息與現實世界的信息集成在一起，并被使用者所感知，從而達到超越現實的感官體驗。這些技術在復雜空間定位、人機協同工作等多種智能建造場景中有著巨大的潛力。

3.2 智能機器人

機器人技術主要為機械臂的各項應用，通過自主研發的機械臂控制系統進行各項操作，工作人員可以自由組合機器人的外部軸、機械手、工具、移動平臺。這種通用的、開放的、多適應的特點使得它能承擔多種多樣的工作。這種多功能性可以使得它們被定制，通過計算機編程來完成不同的任務。目前在采用機械臂對各種材料進行加工成型、數字化建造、機械臂自適應空間的人機協作與交互式設計、3d打印等方面都有著廣泛的研究。這些自動或智能的建造過程大大減少了人力的消耗，且在現在的數字時代，利用算法生形、參數化設計等對于復雜形體建造的精確度與施工效率是人力所不能及的。

3.3 3d打印的發展

3d打印技術最初被應用于產品制作，如打印珠寶首飾、工業產品、人體義肢等較小的部件；當其一體成型及制作方便的優點被建筑學所關注時，它就作為了一種新型建造方式拓展了建筑的發展。3d打印的材料可以采用建筑材料如混凝土、陶土、金屬、木屑等；各種曲面等非線性形體也可以方便快捷地被建造出來。目前建筑的3d打印已有多個成功案例，清華大學建筑學院徐衛國教授團隊于2020年，利用機械臂技術進行混凝土澆筑，建成了非洲低收入住宅的樣板房，這項技術運用了“機器人3D打印混凝土移動平臺”及“混凝土房屋快速建造體系”，均為徐衛國教授團隊自主研發，建成了真正意義上的3D打印混凝土建筑。

3.4 人工智能

人工智能正在滲透到各行各業中，一些簡單的指令與判斷可以通過機器來完成，在一些方面人工智能甚至可以做得比人更優秀。依靠深度學習、大數據、數據可視化等技術，一些耗費人力的設計工作如小區規劃、城市規劃的前期分析、小區住宅樓的排布等都可以由人工智能來高效完成。依靠計算機處理數據的優秀能力，可以將建筑師從重復勞動中解放出來。在未來，隨著人工智能的進一步發展，各種風格的建筑形式都可以依靠計算機自主學習來進行設計，通過對數據的分析，依靠學習的經驗，給出合理的方案。在施工、管理、維護階段人工智能也能發揮巨大的作用。

4 智能建造的未來展望

在5G、大數據、人工智能等信息技術的推動下，智能建造已經成為了建筑業發展的必然趨勢。我國建筑業持續快速發展，規模也越來越大，但長期以來建筑業與先進的制造技術與信息手段結合不緊密，對時代發展的反應遲緩，工業化、信息化程度較低，智能化的施工裝備也未能廣泛應用，建造方式與管理模式急需升級。建筑業應借鑒高鐵、航母等工業系統的工程管理組織模式，改革工程建設招標的體制，打造有利于智能建造產業發展的積極市場；應積極引入高新技術，加大對建筑科研的投入，加大對智能機器人、工業大數據和區塊鏈、建筑構配件智造、建機智造等技術的研究力度，突破智能建造的關鍵技術；重視多學科交流，積極引入其他專業人才與技術，形成不同專業的融合，促進智能建造體系的整體功能的進步。

5 結語

信息時代正在越來越多地影響各行各業，建筑產業也急需變革升級。智能建造的發展將是一個復雜的過程，這不僅僅是各項技術的發展和應用，從生產組織形式、學科研究模式、人員管理方式、市場經營理念、行業管理和規則等各個方面都需要進行相應改革。當前還面臨著許多認知的誤區和組織模式上的障礙，這需要從行業的各項人員共同開放思想、積極實踐，才能持續推動智能建造的蓬勃發展，推動建筑建造行業高質量發展。