裝配式建筑智慧建造及其發(fā)展趨勢

陳禮棋

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)， 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

現(xiàn)如今，我國已在建筑行業(yè)中大力提倡可持續(xù)發(fā)展理念，裝配式建筑也逐漸受到社會關(guān)注。該建筑類型可以有效削弱生態(tài)環(huán)境污染程度，還可提高建筑建造效率和質(zhì)量。在科技不斷革新、研發(fā)環(huán)境下，已在裝配式建筑建造過程中融入BIM、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等多種新型科技，以此來推動裝配式建筑實現(xiàn)智慧建造。從其現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢角度來看，智慧化發(fā)展是裝配式建筑的核心趨勢之一，但由于智慧建筑概念在我國的提出時間較晚，使其在現(xiàn)實運行過程中還受經(jīng)濟、技術(shù)水平等因素影響。基于此，必須采取有效措施轉(zhuǎn)變裝配式建筑智慧發(fā)展現(xiàn)狀，推動國內(nèi)智慧建造可持續(xù)發(fā)展。

1 裝配式建筑智慧建造中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)是裝配式建筑智慧建造中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，其最鮮明的優(yōu)勢就在于能高效傳輸信息資源，可構(gòu)建全生命周期模型。在裝配式建筑建造過程中會涉及多個專業(yè)和階段，不同階段、專業(yè)間均可構(gòu)建模型輔助工程建設(shè)，為其提供施工所需的所有信息。對于智慧建筑而言信息建模是重要環(huán)節(jié)，此時便可發(fā)揮BIM技術(shù)作用[1]。裝配式建筑是對預(yù)制構(gòu)件實施裝配形成完整建筑體，所有預(yù)制構(gòu)件都會經(jīng)歷設(shè)計、加工、運輸?shù)入A段，BIM技術(shù)則在各個階段都有所作用。通過數(shù)據(jù)模型可對預(yù)制構(gòu)件多個環(huán)節(jié)進行調(diào)整、控制，構(gòu)建專業(yè)數(shù)據(jù)庫對所有預(yù)制構(gòu)件不同階段信息予以儲存、修改及查閱，是避免出現(xiàn)“信息孤島”的有力舉措。當(dāng)前，BIM技術(shù)已在裝配式建筑的三維模型構(gòu)建、協(xié)同設(shè)計、動畫展示等方面發(fā)揮積極影響。從三維模型中可以明確裝配式建筑幾何特征，根據(jù)需要將其生成與建筑對應(yīng)的剖面圖或立體圖。與傳統(tǒng)二維設(shè)計圖相比，利用BIM技術(shù)創(chuàng)建的三維設(shè)計圖更加立體，能準確傳達工程信息。協(xié)同設(shè)計作為裝配式建筑建造的重要輔助，是實現(xiàn)智慧化發(fā)展的前提，可利用BIM技術(shù)構(gòu)建交互式機制，便于查詢不同專業(yè)設(shè)計結(jié)果，幫助相關(guān)人員及時知曉建筑工程設(shè)計進度。另外，BIM技術(shù)軟件還能制作和展示動態(tài)圖，將建模軟件和渲染軟件結(jié)合后生成動態(tài)效果圖，從而把原本的平面圖轉(zhuǎn)化為立體圖，真實還原建筑項目面貌。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崟r接收和儲存相關(guān)信息，在裝配式建筑中加以應(yīng)用，則可以對各預(yù)制構(gòu)件實時信息予以傳輸、共享。該技術(shù)主要以感知作為核心目的，能通過與相關(guān)物體相連接收和采集物體信息。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作用發(fā)揮需得到互聯(lián)網(wǎng)支撐，將互聯(lián)網(wǎng)視為信息共享媒介，能夠?qū)ξ矬w進行動態(tài)跟蹤、識別、監(jiān)測，且不僅能實現(xiàn)物體間的互通，還實現(xiàn)了人類和物體間的交互。條形碼、RFID等均屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。近年來，隨著科技融合深度不斷加深，建筑行業(yè)已將條形碼技術(shù)用于定位和跟蹤建材去向，大大增強了建材管理便捷。RFID技術(shù)利用傳感器實現(xiàn)實時監(jiān)測，當(dāng)裝配式建筑建造環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時，也可通過讀寫器快速定位，促使工作人員及時采取解決措施，避免異常蔓延。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)了智能化、大規(guī)模生產(chǎn)，將有限資源作用發(fā)揮至最大化，強化資源配置成效，促進生產(chǎn)環(huán)節(jié)穩(wěn)定、高效實施[2]。整個建造環(huán)節(jié)都會安裝傳感器對實時數(shù)據(jù)進行采集，再通過無線通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸送，對整個建造過程展開全程監(jiān)督。在對裝配式建筑建造所需的構(gòu)件進行生產(chǎn)加工時實現(xiàn)了精準定制，當(dāng)數(shù)據(jù)達到數(shù)量級后便可對大數(shù)據(jù)予以采用。在挖掘大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可以準確預(yù)測、匹配及管理，甚至為后續(xù)的輸送、裝配帶來極大優(yōu)勢，構(gòu)建一體化供應(yīng)鏈。現(xiàn)階段，我國一些大型建筑企業(yè)已經(jīng)建立了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和信息中心，但因為缺乏統(tǒng)一規(guī)劃與管理，再加之系統(tǒng)開發(fā)時間較長，在具體應(yīng)用上還存在弊端。

1.3 人工智能技術(shù)

人工智能在推動智慧建筑發(fā)展中占據(jù)重要地位，已在裝配式建筑規(guī)劃、安全控制等眾多環(huán)節(jié)廣泛使用。從裝配式建筑規(guī)劃環(huán)節(jié)來看，傳統(tǒng)規(guī)劃主要依靠人工記錄流程及設(shè)計圖紙，這種方式不僅費時費力，若設(shè)計結(jié)果不符合工程所需必須經(jīng)過反復(fù)修改，難免造成人工勞動力浪費，也會耽誤建筑正常施工進度。在引入人工智能技術(shù)后，運籌學(xué)、邏輯學(xué)等多種學(xué)科推動著傳統(tǒng)建筑規(guī)劃改革。比如，C/S管理應(yīng)用系統(tǒng)中包含了裝配式建筑多項內(nèi)容，系統(tǒng)主要分為員工管理、合同管理、資產(chǎn)管理、財務(wù)管理等多個模塊，在該系統(tǒng)內(nèi)可展開綜合全面化管理。裝配式建筑施工會受工藝、自然、技術(shù)等多種因素影響，為有力確保工程項目高效管理，就需利用人工智能技術(shù)進行安全診斷和故障識別。人工智能擁有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)，能模擬人類思維方式，具備強大的學(xué)習(xí)功能。可構(gòu)建動力特性模型，對任何動力荷載下的建筑反映加以預(yù)測，提前制定安全防范策略，雖對人類行為進行模仿，但從某種意義來看又是一種超越。

1.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種能夠根據(jù)實時反饋裝置實現(xiàn)三維建模、仿真的計算機技術(shù)，具有極強的交互功能，可仿真出真實環(huán)境，在裝配式建筑智能化發(fā)展過程中同樣起到推動性作用。在裝配式建筑建造時所有程序環(huán)節(jié)都應(yīng)高質(zhì)量完成，且各環(huán)節(jié)間緊密相連，其中任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能直接影響整體建筑質(zhì)量。所以，為了避免該情況發(fā)生，在正式展開建造前都會進行模擬建造，虛擬現(xiàn)實技術(shù)則帶來了硬件支撐。在裝配式建筑前期設(shè)計階段會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，通過該技術(shù)可以將所有數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)生成整體方案，設(shè)計人員可對方案進行在線預(yù)覽，從中還可以了解該建造方案所需成本，為施工報價提供有力依據(jù)。

2 裝配式建筑智慧建造現(xiàn)狀

2.1 成本投入較高

在裝配式建筑實現(xiàn)智慧化發(fā)展時會受到成本因素制約。裝配式建筑中涉及到的預(yù)制構(gòu)件數(shù)量較多，隨著裝配式建筑不斷增加，必須加快構(gòu)件生產(chǎn)速度才能滿足市場需求，該過程會涉及人工、設(shè)備、材料等成本投入。裝配式建筑中的部分機械設(shè)備需從國外引入，運輸成本和購買成本均較高，若自主研發(fā)也需投入大量人力、物力。由于我國裝配式建筑智慧建造尚處于初期，和國外發(fā)達國家相比技術(shù)差距較鮮明。在此情況下，我國需加強專業(yè)人才培養(yǎng)，整個過程也會涉及多方成本投入。以BIM技術(shù)為例，雖然該技術(shù)可以降低建筑能耗、節(jié)約時間，但只能在大型裝配式建筑中應(yīng)用才能達到節(jié)約成本目的[3]。房屋業(yè)主和投資方更關(guān)注成本和工程進度，并不愿意將資金投入至技術(shù)應(yīng)用上，如果技術(shù)研發(fā)不具備雄厚的經(jīng)濟支撐，便無法推動智慧建筑發(fā)展。

2.2 缺乏高質(zhì)量管理

由于智慧建筑在我國的實踐時間并不長，使其在管理方面還存在不足，尤其是相關(guān)標(biāo)準有所缺失。裝配式建筑中運用到的相關(guān)預(yù)制構(gòu)件需系統(tǒng)合理設(shè)計、生產(chǎn)，必須和裝配式建筑實際相符，嚴格將偏差控制在允許范圍內(nèi)。在進行施工現(xiàn)場裝配時，還需和土建、機電安裝、裝修等工作密切配合。從整體來看，模數(shù)化標(biāo)準是裝配式工程設(shè)計必要基礎(chǔ)，有時正是由于模數(shù)化標(biāo)準未及時執(zhí)行使得各專業(yè)無法協(xié)同運行。從目前智慧建造現(xiàn)狀來看，雖然運用多種技術(shù)展開設(shè)計，但在對構(gòu)件進行拆分或裝配時缺乏有力標(biāo)準支撐、參照，這便無法為建筑施工提供保障。

2.3 缺少信息化人才

現(xiàn)階段，我國還未完全普及智慧建筑人才培養(yǎng)，這對于智慧建筑發(fā)展而言無疑是一大阻礙。就以裝配式建筑設(shè)計環(huán)節(jié)而言，只有少部分設(shè)計人員能夠有效發(fā)揮科技作用輔助設(shè)計過程，能夠?qū)夹g(shù)資源進行挖掘的人員更是少之又少。傳統(tǒng)經(jīng)驗較豐富的工作者學(xué)習(xí)智慧建造理念、技術(shù)需消耗大量時間，如果工作者無法熟練且系統(tǒng)應(yīng)用科學(xué)技術(shù)便無法推動國內(nèi)智慧建筑進步。我國各大高校雖然都已設(shè)立建筑專業(yè)，然而進入行業(yè)后真正具備協(xié)同能力的人才不多。高校是培養(yǎng)信息化人才的重要機構(gòu)，可充分與高校合作建立校企合作模式，共同構(gòu)建專業(yè)實訓(xùn)基地，以此來提高信息化建筑人才質(zhì)量。

3 裝配式建筑智慧建造發(fā)展趨勢

3.1 智能化

所謂智慧建造便是利用科技手段取代傳統(tǒng)人工勞動力，這不僅體現(xiàn)在智能設(shè)計、監(jiān)管方面，還體現(xiàn)在智能決策、輔助等諸多環(huán)節(jié)，因此從這一角度來看，裝配式建筑的智慧建造需全面實現(xiàn)智能化發(fā)展。到目前為止，我國智慧建造僅在部分環(huán)節(jié)利用科技取代人工，智能化水平擁有較多上升空間。在實現(xiàn)智能化發(fā)展過程中，裝配式建筑建設(shè)涉及到的數(shù)據(jù)主要為管理數(shù)據(jù)或BIM數(shù)據(jù)[4]。模擬人工作業(yè)現(xiàn)場，融入物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等多種先進技術(shù)手段，將傳統(tǒng)施工現(xiàn)場的人力轉(zhuǎn)換為機器人，以此來減少人工成本，在裝配式建筑建造質(zhì)量上也能得到優(yōu)化。機器人設(shè)備并不需要擁有較強的信息儲存與計算功能，在相關(guān)程序、設(shè)備連接情況下進行工作，滿足建筑智慧建造所需。比如，機器人在將周圍環(huán)境識別后發(fā)送至服務(wù)端檢索出同類型圖片，對機器人的行動路線進行預(yù)測和計算，從而幫助機器人成功避開阻礙。在信息儲存后所有機器人都能對相同信息進行檢索，在機器人中形成共享數(shù)據(jù)鏈，完善自我學(xué)習(xí)功能。

3.2 集成化

以目前國內(nèi)裝配式建筑智慧建設(shè)現(xiàn)狀來看，在集成化方面還有待完善。集成化發(fā)展主要是指應(yīng)用系統(tǒng)和生產(chǎn)過程。在目前已有的管理應(yīng)用系統(tǒng)中，雖然可以實現(xiàn)全面化管理，但在單點登錄、多應(yīng)用共享、協(xié)同工作等方面還需得以優(yōu)化。實現(xiàn)生產(chǎn)過程集成化主要是指將設(shè)計、加工、裝配、運輸?shù)攘鞒碳右跃C合，引入EPC等模式展開高質(zhì)量管理。例如，未來移動智慧終端會成為智慧建造得力工具。智慧終端與互聯(lián)網(wǎng)相連，具備多種操作系統(tǒng)，可以根據(jù)裝配式建筑時需定制功能。在裝配式建筑智慧發(fā)展中的作用主要體現(xiàn)在查閱設(shè)計圖紙與裝配方案、展示模型、安全質(zhì)量管理等方面。與裝配式建筑管理系統(tǒng)配合對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)規(guī)范、裝配標(biāo)準與具體方案等進行快速查閱。將裝配前已設(shè)計完成的模型進行呈現(xiàn)，快速完成設(shè)計交底工作。對裝配過程中存在的任何問題或突發(fā)情況實時檢查，對問題進行總結(jié)和分析，輔助建筑高效完工。

3.3 精細化

精細化理念已在眾多領(lǐng)域有所應(yīng)用，對于裝配式建筑來說，要想推動智慧化進程就必須朝精細化方向轉(zhuǎn)變。裝配式建筑中的預(yù)制構(gòu)件需得到精細化設(shè)計和加工，待構(gòu)件運輸至裝配現(xiàn)場后，施工人員需嚴格根據(jù)材料表實施裝配。從智慧建造初期設(shè)計一直到后期管理都需密切貫徹精細化理念，確保各流程按照預(yù)期進行。針對建造中存在的顯性與隱性安全隱患需提前加以預(yù)測，對建造計劃進行動態(tài)調(diào)整，以此來應(yīng)對突發(fā)情況帶來的不穩(wěn)定因素。

4 裝配式建筑智慧建造發(fā)展建議

4.1 完善相關(guān)標(biāo)準

從建筑智慧建造綜合水平與成效中可以間接反映我國建筑行業(yè)標(biāo)準是否健全，但由于受到實踐時間、技術(shù)、經(jīng)濟等因素制約，使得相關(guān)標(biāo)準還有待完善。針對該現(xiàn)狀，我國相關(guān)領(lǐng)域必須加強標(biāo)準制定，可邀請專業(yè)研究所成員、企業(yè)專家、學(xué)者等加入標(biāo)準制定行列中，對裝配式建筑智慧建造標(biāo)準進行革新。標(biāo)準制定應(yīng)具備全面性，可涉及BIM、物聯(lián)網(wǎng)等科學(xué)技術(shù)，提倡和引導(dǎo)智慧建造與科技結(jié)合，這是推動智慧建造穩(wěn)定進步的基礎(chǔ)。此外，可制定國家標(biāo)準和地方標(biāo)準融合管理體系，對智慧建造法律體系予以完善，使裝配式建筑智慧化發(fā)展有法可依，不斷推動智慧建造依法、合法運行。

4.2 提高自主研發(fā)水平

我國科技自主研發(fā)水平不及國外發(fā)達國家，這使裝配式建筑智慧化發(fā)展受技術(shù)、工藝制約，提高自主研發(fā)水平已迫在眉睫。現(xiàn)如今，我國有的高校已經(jīng)建立了人工智能專家系統(tǒng)對建筑不同階級損傷進行預(yù)測，如北京交通大學(xué)建立ART2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)識別建筑損傷，通過不同階級頻率來預(yù)測損傷情況。沈陽工業(yè)大學(xué)通過對建筑一至六階固有頻率變化參數(shù)來預(yù)測建筑損傷幅度，但實際應(yīng)用受各種因素制約，且與裝配式建筑建造相關(guān)的科學(xué)技術(shù)較少。要想增強裝配式建筑智慧建造延伸性與實用性，還必須加強多方聯(lián)合意識與聯(lián)合能力。針對該問題，裝配式建筑領(lǐng)域與科技研發(fā)領(lǐng)域需加強溝通力度，深度剖析當(dāng)前工作中存在的不足與原因，如數(shù)據(jù)資源安全問題、軟件匹配與二次開發(fā)問題等。以現(xiàn)已研發(fā)的科學(xué)手段為參照進行優(yōu)化、挖掘，加強智慧建造關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)所需的軟硬件強化工作。時刻關(guān)注國際信息，了解國際科技走向，借鑒他國優(yōu)秀的科研經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)智慧建造真實現(xiàn)狀、需求投入研究[5]。除此之外，國家政府可以針對技術(shù)研發(fā)制定補貼、優(yōu)惠政策。對于在技術(shù)研發(fā)工作中有突出貢獻的成員可減輕稅收壓力，給予合理扶持。如此一來，既有效減輕了科技研發(fā)負擔(dān)，又能在研發(fā)團隊中形成推力，激發(fā)各成員研發(fā)動力。

4.3 加快專業(yè)人才養(yǎng)成

人才質(zhì)量決定著我國智慧建造走向，人才作用不言而喻，基于此，我國需采取有效手段加快專業(yè)人才培養(yǎng)。比如，行業(yè)可與高校聯(lián)手打造裝配式建筑智慧實訓(xùn)基地，在基地內(nèi)引入與時俱進的科學(xué)技術(shù)，使人才提前接觸和掌握智慧建造精髓，為后續(xù)實際發(fā)展奠定扎實基礎(chǔ)。在專業(yè)基地接觸到的知識更為系統(tǒng)科學(xué)，指導(dǎo)力量也更具權(quán)威，培訓(xùn)結(jié)束后便可將人才送往建筑行業(yè)，聯(lián)合打造人才精細化培養(yǎng)模式，解決當(dāng)前智慧建造中的人才缺口。也可以利用互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變?nèi)瞬排囵B(yǎng)形式，實現(xiàn)裝配式建筑裝修與機電設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件設(shè)計與裝配技術(shù)和管理一體化。

5 結(jié)束語

綜上所述，裝配式建筑正朝著智慧化發(fā)展，在智慧建造過程中已廣泛應(yīng)用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及虛擬現(xiàn)實等新興技術(shù)，技術(shù)融入雖取得一些成效，但仍然面臨一些不足。裝配式建筑和智慧建造均涉及較高成本投入，由于實踐時間較短缺乏高質(zhì)量管理，在信息化人才方面也呈現(xiàn)出緊缺狀態(tài)。在未來發(fā)展中，智慧建造可以朝著智能化、集成化、精細化等方向發(fā)展，研發(fā)出更多細致化科技產(chǎn)品提高智慧建造水平。為達到發(fā)展目標(biāo)，需對現(xiàn)有標(biāo)準予以完善，提高國內(nèi)自主研發(fā)水平，加快專業(yè)人才養(yǎng)成。