建筑施工智能化現狀與展望

林涌標

（廣東省建筑工程監理有限公司，廣東 廣州 510000）

在全新時代背景下，傳統的建筑建造模式暴露出作業效率低下、質量可控性差、勞動力需求量大等多項問題，限制了工程建設質量與施工水準的提升。對此，國內外建筑業提出智慧施工的全新概念，運用到人工智能、物聯網等多項高新技術來輔助、替代建筑施工活動的開展，被業界一致視為我國建筑業的必然發展趨勢，并得到住建部、科學技術部等政府職能部門的大力支持。

1 建筑施工智能化的重要現實意義

1.1 降低人力成本，提高作業精度

現階段，我國建筑業處于高速發展時期，建筑工程數量持續增多，工程建設規模也有所擴大。隨之面臨著缺乏足夠高素質產業工人的問題，部分施工人員并未接受過系統性的專業學習，僅在崗前進行短期培訓，專業素養有待提升，在施工期間時常出現違規操作、錯誤操作行為，施工作業精度缺乏保障。同時，隨著建設規模的擴大，對施工人員、管理人員數量提出新的要求，建筑企業因此承擔高昂的人力成本。

相比之下，對智能施工模式的推廣實施，既可以大幅降低人力成本，還可以顯著提升作業精度。其中，在人力成本方面，通過配置焊接機器人等建筑機器人，替代人工完成一些基礎性工作，有利于精簡施工團隊規模、降低人力成本。而在作業精度方面，依托智能控制系統，自動操控機械設備開展操作，對操作誤差進行測量糾偏，不易產生過大作業誤差，或是誤差持續積累。以智能測量機器人為例，運用大自動尋徑技術，搭配攝像頭等裝置來感知所處環境，對比機器人空間坐標、行走速度等參數的輸出值、輸入值，根據對比結果進行糾偏調整。

1.2 提高施工效率

在傳統施工模式中，施工人員需要身體力行的開展模板支拆、鋼筋綁扎、混凝土現澆等工序作業，實際工作量較大，對施工人員的體力也有著嚴格要求，無法持續性開展施工作業，作業效率有待提升。在智能施工模式下，施工人員無需直接上手操作，而是控制建筑機器人等智能設備開展操作，工作內容發生明顯變化，以調整設備狀態、輸入并調節操作參數、檢查施工質量達標與否為主要內容，可同時操作多臺設備開展作業，極大減輕了工作負擔，擺脫了自身體力對作業效率造成的限制。同時，智能設備具備長時間連續作業的條件，提前在設備界面設定操作參數或是導入控制方案，設備將在無人工干預條件下自動執行控制指令、開展作業，實際施工時間因此得到延長。

1.3 保障施工安全

在建筑施工過程中，涉及到大量的高危作業，如鋼筋焊接、材料轉運、高空作業等，存在一定的風險隱患，在出現不規范操作行為、惡劣氣候條件時，容易引發安全事故出現，嚴重時造成經濟損失與人員傷亡。例如，在焊接作業中，會持續形成電焊煙塵、有毒氣體與電弧光輻射，焊接人員盡管佩戴焊接護目鏡等安全防護設備，仍舊會對焊接人員的身體健康造成一定程度的影響。在建筑智能施工模式下，既可以通過現場安全智能巡查、施工模擬試驗、危險源辨別與評價等手段來提前發現安全隱患并加以處理，預防安全事故出現。同時，對焊接機器人、高空作業機器人等智能設備的配置，替代人工完成高危作業，盡管出現高處墜落等安全事故，也不容易產生人員傷亡。

2 建筑施工智能化前沿技術及應用現狀

2.1 物聯網技術

物聯網是由射頻識別、信息傳感等外圍技術組成的一種信息互聯、物品互聯的網絡，同時具備智能識別、跟蹤定位、監管、遠程控制等多項使用功能，擺脫時間、空間對信息交流造成的限制，工作人員可以遠程觀察物聯網中接入設備、物品的實時狀態，以及遠程下達控制指令。在建筑施工活動中，物聯網技術主要用于施工質量檢測、設備材料跟蹤定位、現場監測場景當中。第一，在施工質量檢測場景，在現場布置若干種類的傳感器，由傳感器持續采集、上傳監測信號，由物聯網把監測信號轉換為數字量，對比數字量和對應工藝指標的額定值，根據對比結果判斷施工質量是否達標，可用于檢測基坑開挖深度、現澆混凝土結構規格尺寸、基礎底面標高與平整度、構件起吊晃動幅度等項目。第二，在設備材料跟蹤定位場景，在材料包裝袋與預制構件內部放置RFID標簽，在入場環節，工作人員手持閱讀器掃描標簽，讀取標簽存儲信息，如材料生產日期、材料規格種類、預制構件規格尺寸、構件編號等，以此來統計現場材料庫存數量和掌握構件運送情況。第三，在現場監測場景，在現場安裝若干攝像頭，攝像頭對準施工作業區域，持續拍攝并上傳視頻圖像，經由物聯網發送至系統后臺，管理人員在監控室內全面掌握現場各區域的作業情況，轉動攝像頭和調整焦距來切換監控場景、放大畫面，從中發現安全違章行為、不規范操作行為，及時將問題反饋至現場班組成員加以改進。

2.2 BIM技術

BIM技術術語一種數據化工具，被用于建筑設計、施工、管理等多個領域，以可視化數據、3D模型的形式呈現建筑工程自立項至竣工運營期間產生的信息，在施工期間主要被應用在構件加工、場地規劃、技術交底、施工模擬、模擬施工與工程驗收等場景當中。例如，在技術交底場景，在BIM軟件中導入設計圖紙與施工技術方案，構建3D模型，在模型中標注全部的工藝參數與相關信息，并以動畫演示形式來展現施工過程，把3D模型與動畫視頻作為交底憑證，幫助施工人員更為直觀的了解施工過程、施工意圖，掌握施工操作要點與正確工藝做法。此外，在技術交底場景中，BIM技術往往與VR虛擬現實技術搭配使用，構建與施工現場環境基本一致的虛擬現實場景，借助VR眼鏡等設備，將施工人員沉浸至虛擬現實場景當中，身臨其境般觀察施工成果的造型與內部結構，并開展實操作業，由此來積累施工經驗，快速熟悉施工方式。同時，VR技術也可用于安全教育培訓場景，在虛擬場景中設置人員觸電、高處墜落、基坑塌陷等項目，使施工人員真切感受到安全事故的危害性，幫助其樹立安全施工的正確觀念，并鍛煉施工人員應急逃生、自我保護的能力。

2.3 3D打印

3D打印技術采取分層堆積原理，在3D打印機內分層打印粉末狀金屬層或是塑料層，由多層材料共同組成立體實物。在建筑領域中，3D打印技術主要用于制作一些非標準化的小型構件或是特殊尺寸材料配件，滿足施工需要。同時，在部分競賽與建筑工程中，3D打印技術也被用于獨立制造整棟建筑物或是半成品建筑框架，徹底改變了建筑建造方式。例如，在2014年度Europan居住區概念競賽上，荷蘭建筑師Janjaap Ruijssenaars在3D打印機中倒入無機粘合劑作為原材料，由3D打印機獨立制造6mx9m規格的建筑框架，在框架內部填充纖維混凝土材料，待混凝土凝結固化后形成建筑物。

2.4 建筑機器人

建筑機器人是一種采取遙控、自動控制或是半自動控制方式的機械設備，由施工人員提前在系統中導入控制方案，采取步進、時序等方式下達控制指令、操作機械臂與其他執行機構開展動作，或是由工作人員實時下達控制指令進行操作。目前來看，建筑機器人技術體系得到極大完善，陸續推出全新品種，作業范圍涵蓋鋪設混凝土預制板、鋼筋焊接、涂料噴涂、砌體砌磚、砂漿抹平、物料搬運等多個領域。例如，在2021年底，碧桂園旗下廣東博智林公司推出 “BIM+FMS+WMS+建筑機器人”的多機施工系統，由多款運料機器人、施工機器人組成。此外，出于成本因素著想，對于配置大量老舊型號機械設備、技術儲備不足與資金有限的建筑企業，除專業建筑機器人外，還可以運用到自動控制、信息傳感等技術手段，對現有的挖掘機、渣土車等機械設備進行改造，使這類機械設備具備一定的自動化、智能化程度，滿足當前施工需要。

2.5 智能控制

在部分早期建筑工程中，雖然物聯網、3D打印等技術得到廣泛應用，呈現出施工智能化的發展趨勢，但本質上仍舊處于人工智能技術的初級發展階段，以主要發揮環境感知和替代能力，幫助管理人員感知現場環境、替代施工人員完成部分簡單或風險系數較高的工作。而隨著智能控制技術的問世，應用到模糊邏輯推理、BP神經網絡等多項智能算法，模擬人類思維方式進行決策分析，在真正意義上做到智慧施工，在建筑施工活動中起到輔助決策、查缺補漏的重要作用。例如，在施工安全方面，由智能控制系統控制傳感器、攝像頭等終端設備，從視頻畫面、現場監測信號中提取特征參數，根據特征參數分析結果判斷是否存在安全隱患，如果發現施工人員未正確穿戴安全帽、運輸車輛搭載施工人員等安全違章行為，系統自動發送預警信號，幫助管理人員快速解決問題。在機械設備控制方面，由智能控制系統持續采集電壓、電流、轉速等運行參數，分析實時數據和歷史數據，判斷設備是否處于正常工況、預測設備未來一段時間的運行狀態，在發現問題時提交報警信號，引導設備檢修、故障診斷工作的開展，提前處理潛在故障，避免因設備故障而形成安全隱患、影響施工質量與作業精度。

3 建筑施工智能化的未來發展趨勢

3.1 建設智慧工地

現階段，雖然智能施工模式在部分建筑工程中得到推廣實施，但物聯網、智能控制等技術處于分散應用狀態，缺乏技術集成應用的載體和平臺，實際施工效果未達到預期要求，技術功能效用沒有得到充分發揮。對此，建筑企業應把建設智慧工地作為現階段工作重點，以智慧工地作為技術集成應用的載體，搭建智慧工地管理系統，在系統中應用到人工智能、虛擬現實、信息傳感、遠程控制等多項技術，由系統平臺完成數據采集分析、信息交換、現場機械設備遙控、現場監測等多項管理任務，為建筑施工活動的開展提供幫助。例如，在機械設備管理場景中，組合應用信息傳感、遠程控制、故障自診斷技術，信息傳感技術負責實時上傳監測信號來掌握機械設備運行工況，遠程控制負責把管理人員與操作人員的控制指令傳達至設備并執行對應動作，故障自診斷技術負責定期檢查機械設備是否存在隱性故障，診斷故障類型與成因，把診斷報告提交至管理人員和在操作屏幕上顯示故障碼。

3.2 裝備智能工廠

根據實際施工情況來看，受到建筑企業技術儲備、現場環境條件、成本等因素限制，部分施工智能技術缺乏應用場景，大多技術的實際應用效果并不理想，施工質量、作業效率的提升幅度低于預期，這也使得一部分建筑企業對智能施工模式存在顧慮，認為前期投入與實際產出不合理。對此，需要在全國范圍內建設若干智能工廠，把一部分施工現場作業轉移到工廠車間內進行，在工廠內大規模應用到射頻識別、智能控制等高新技術手段，工廠按照建筑企業所提要求生產部件部品與加工建材，再把產品運輸至工程現場投入使用。例如，在智能工廠中應用到鋼筋自動化下料、機械化噴涂與機器人焊接等技術，在車間內完成建筑構件制作、鋼筋接長裁剪、鋼筋焊接、砂漿拌制等作業。如此，建筑企業無需在現場大批量配置焊接機器人等硬件設備，直接從智能工廠中預定相應的部件、建材即可，由此節省了大量的設備采購成本、維護保養成本，也不會因現場復雜環境條件而影響設備作業精度。

3.3 培養復合型人才

在建筑智能施工模式下，舊有的施工方法、工作內容發生明顯改變，部分施工及管理人員對此缺乏深入、全面的了解，建筑企業如果直接實施智能施工模式，很難取得預期效果，還有可能因此引發設備損壞、系統癱瘓、違規施工操作等一系列問題出現，造成不必要的損失。對此，建筑企業應提前組織專項培訓工作，重點培養具備一定信息化素養的復合型人才。例如，對于管理人員，以熟悉信息系統正確操作方法、軟件工具種類、全新業務流程作為主要培訓內容，如掌握BIM三維建模方法、施工模擬試驗方法。而對于一線施工人員，則以掌握運料機器人、自動沖洗平臺、自動砌磚機器人、測繪機器人等智能機械設備的操作方法為主，并幫助施工人員熟悉BIM+VR的全新技術交底模式。此外，在施工過程中，普遍存在施工與管理人員無條件相信系統決策判斷的問題，完全按照系統分析結果開展工作，缺乏主觀能動性，且現有模糊邏輯推理、BP神經網絡等智能算法尚不成熟，偶爾出現錯誤決策的問題，對施工與現場管理工作造成影響，嚴重時形成安全質量隱患。因此，建筑企業需要開展相關方面的宣傳教育工作，改變這類施工與管理人員的思維定勢，把智能化技術與智能機械設備視作為一種輔助工具，不得形成依賴心理。

3.4 打造基于物聯網的信息服務體系

在建筑智能施工期間，智能控制、BIM、建筑機器人等各項技術的應用，都離不開信息數據的支持，如BIM技術收集實時信息來更新模型內容，智能控制技術收集信息來掌握現場施工情況、計算最優解答案，建筑機器人根據外部信息來感知現場環境、執行控制指令。然而，在部分建筑工程中，所搭建各套信息系統互不交接，形成信息孤島，進而影響到技術價值的發揮，如智能控制程序因缺乏足夠數據樣本而難以計算出最優解答案。為打破信息孤島，深挖信息價值，建筑企業需要及早打造一套基于物聯網的信息服務體系，通過物聯網，集中收集各套系統與智能機械設備在運行期間產生和采集的數據信息，對數據進行集中分析處理，再通過物聯網向現場設備傳達控制指令。例如，在施工模擬場景中，持續采集工程所在地氣象局實時發布的氣象監測數據，將氣象數據導入BIM軟件當中，在其基礎上開展施工模擬試驗，重點模擬冰雹、降雨等惡劣氣候來臨時的施工過程，判斷是否存在風險隱患或對施工質量造成影響，在試驗結果基礎上調整施工方案和施工組織計劃，如調整工序流程、組織開展室內作業，避免因無法繼續室外作業而影響工期進度。

4 結語

綜上所述，人工智能與信息化技術的完善，為我國建筑業提供了全新發展契機，智能化施工是建筑工程的重要發展方向，也是突破傳統施工模式局限性的關鍵。在這一形勢下，建筑企業必須認識到智能化施工模式的價值所在，靈活運用物聯網、BIM、智能控制等高新技術手段，在其基礎上構建新一代的建筑施工體系，并推動智能化施工朝向建設智慧工地、裝備智能工廠、培養復合型人才、打造信息服務體系的方向發展，掃清智能化施工期間遇到的內外部阻力。