智能建造在土木工程施工中的應用

任方正

（信陽職業技術學院，河南 信陽 464007）

1 引言

我國目前正處在社會主義現代化建設階段，社會和經濟都在向高質量發展邁進，為了滿足國家戰略目標的發展需求，各種產業都要進行自主創新、產業升級，實現高質量發展。土木工程是社會基礎設施建設、工業建筑等發展的基礎，促進其高質量發展是必然要求。智能建造是多種科學技術結合在一起的綜合體，其中包括BIM、GIS、物聯網、人工智能、3D 掃描等先進技術，如果能將智能建造有效地運用到土木工程中，將會促進其產業升級、推動社會基礎設施發展、提高工程效率和質量，并為其帶來新的發展機遇。

2 土木工程與智能建造發展現狀

2.1 土木工程發展現狀

土木工程是諸多建造類技術的總稱。它包括所使用的材料、設備和運用的地形勘測、建造設計、項目施工、建筑保養、設施維修等技術。土木工程的建設對象是為人類生活、生產服務的各種工程設施，如住房、交通、工廠、航空、軍工等，可見，土木工程與生活密切相關，對社會的發展至關重要。隨著我國建設現代化工業強國和社會經濟向高質量轉型的步伐加快，傳統土木工程顯露出了諸多問題。

2.1.1 資源消耗大土木工程大多涉及大型工程項目，對資源的需求量極大，隨著全球能源危機的逐步逼近，這個問題也越來越突出。另外，我國實行可持續發展理念，迫使土木工程進行產業升級、技術創新，尋找新的技術和發展機遇。

2.1.2 勘測技術落后

以往的傳統勘測技術需要人力進行實地考察，設備比較沉重。如果是對復雜地形的勘測，則需要消耗勘測人員大量的時間和精力，而且勘測起來十分困難，必須經過多次勘測校準。另外，以往的勘測技術數據收集和數據分析通常是分開進行的，數據收集是在勘測所在地進行，而數據分析則是在實驗室中進行，這也會在一定程度上耗費大量的時間和人力資源。因此，尋求勘測技術的新突破非常重要。

2.1.3 工程規劃難以適應新時期需要

以往的工程規劃往往只注重最終結果，很多工程為了追求經濟效益而忽視生態環境，而現在我國實行了“綠水青山就是金山銀山”“寧要綠水青山，不要金山銀山”的綠色環保的可持續發展戰略，要求工程規劃的施工過程和工程規劃結果同等重要。因此，工程規劃必須在不破壞原有生態環境的前提下進行。

2.1.4 工程設計方式需要創新

土木工程設計工作量非常大，傳統的工程設計僅依靠人工完成，難免會出現紕漏，如果能夠利用先進的科技手段輔助校準，就可以大大節約設計人員的時間和精力，提高設計的精度和準確性。

2.1.5 工程效率低、周期長

隨著社會經濟水平的提高和我國工業現代化的發展，土木工程的施工規模日益龐大，施工類型越來越復雜。如果一直堅持采用傳統的施工方法，則會導致施工效率低下，而且項目竣工所需要的時間也很長，很難與社會快速發展的需要相適應。

2.2 智能建造發展現狀

智能建造是面向國家的戰略需求和建筑業的升級轉型，能夠掌握與計算機相關的開發語言，又能利用現代化手段進行智能測繪、智能設計、智能施工、智能運維管理等的新型技術。目前，智能建造這一類專業技術正在迅速發展之中，這將成為土木工程行業歷史性變革的新技術革命，為土木工程提供全新的發展機遇。隨著BIM、GIS、物聯網、人工智能、3D 掃描等先進技術在土木工程中的應用，一個全新的智能化建造時代將對城市建設產生深遠影響。另外，我國對于智能建造技術的發展非常重視，出臺了很多相關規定予以大力支持。

3 智能建造的特點

智能建造可運用在土木工程的范圍很廣，它貫穿整個項目從設計到建筑最終使用壽命的全過程。它是在土木工程建造的基礎之上，加以現代化科學技術支撐，其技術涵蓋了BIM、GIS、物聯網、人工智能、3D 掃描等，通過智能化管理模式對整個工程項目進行實時監測、分析、控制，從而實現土木工程產業的智能化、自動化和系統化以及高效率、高質量完成。

3.1 對工程項目全方位監測

全方位監測就是利用各種傳感器、監測設備收集工程項目所涉及的建設材料、建設進度、危害因素等信息和數據，再利用先進的數據分析設備進行分析。智能建造對工程項目的全方位監測能使項目管理人員和技術人員實時獲取相關建造信息，從而實現對建造過程每一環節的精準監測。

3.2 實時分析控制

實時分析控制就是利用對工程項目全方位監測所收集到的信息、數據進行實時分析，并實施或提供控制方案。將分析結果與AI 技術相結合，自動識別行業建造標準和規范，從而實現對工程項目的控制，可以節省管理人員和技術人員大量的時間和精力。

3.3 智能化自動優化

智能化自動優化使智能建造具備類似人的“學習”能力。通過提取自身過去的“經驗”，即對以往儲存數據信息的提取，將其作為參照，與現階段收集的數據信息進行對比，對存在的問題進行優化并儲存，在工程項目的改進方面大大解放了技術人員。

4 智能建造的應用

智能建造技術種類很多，本文主要介紹BIM技術、GIS 技術、物聯網技術、人工智能技術和3D 掃描技術在土木工程中的應用。

4.1 BIM 技術應用

BIM 技術應用即建筑信息模型，是將現實中的工程項目及設施建設轉化成數字化的表現形式，其通過三維模型的形式呈現整個工程項目和設施，使技術人員能以宏觀的視角對工程進行觀測。另外，BIM 技術在將工程項目數字化并以三維模式呈現的同時，還會建立起有關整個工程項目的數據庫，技術人員可通過此技術查看項目施工過中的任一環節，幫助技術人員了解、預測可能出現的問題。它是智能建造技術的一個重要組成部分。

4.2 GIS 技術應用

GIS 是地理信息系統的縮寫。GIS 技術以地理的空間結構為基礎，利用地理模型分析的方法，可提供工程項目環境中的地形、線路、其他建筑物等地理信息，其工作是實時的，動態的，并通過空間分析等手段對空間地理數據進行處理。其應用范圍，如可將GIS 技術與BIM 技術所建立的工程項目數據庫相結合，通過對三維模型展現的地理空間信息進行分析，幫助BIM 更好地完成三維模型，為工程管理人員和技術人員提供更優質的施工地點方案。另外，GIS 技術對于可能發生自然災害的施工環境、存在危險因素的地下工程項目有著重要作用，可進行災害預警預報、災情動態監測、災害誘發因素分析、災害調查監測、災害評估等。

4.3 物聯網技術應用

物聯網技術借助信息傳感設備將物體與網絡相連接進行信息交換和通信，可實現智能化識別、定位、監管等功能。

（1）在人員管理方面，將工作人員的穿戴設備注冊聯網進入項目管理系統，對員工的身份進行識別管理，并對危險情況進行預警等。（2）在施工設備方面，對設備的運行狀態進行實時監控，并可以遠程操控，對可能出現的問題及時發出預警。（3）在施工環境管理方面，可以起到風險預測作用，對存在的職業病危害因素、環保等進行實時監測，及時預警，降低危害。（4）在施工質量調控方面，物聯網技術可以通過實時監測，如鋼材強度、混凝土調配比例密度等，將其與國標參數進行對比，實現實時監控，控制質量。

4.4 人工智能技術應用

人工智能技術利用智能化的數據計算分析，通過信息技術人員設定好的算法，對工程項目進行智能監控、優化，及時發現存在的問題并提供解決方案。人工智能技術可與BIM、GIS 等技術相結合，在工程管理人員和技術人員設計好項目建設計劃后，將其轉化為數字信息，通過BIM 三維模型展現對項目進行模擬；人工智能技術在BIM 存儲數據和GIS 分析數據上進行模擬分析，并對施工環節以及項目的可行性進行檢測，提供相關建議、方案，從而優化項目設計，節省工作人員的大量時間和精力，避免資源浪費和工程出現問題。在質量管理方面，物聯網技術相似，人工智能技術在其對設備的實時監測基礎上，通過各種數據分析、參數對比控制質量，并自動化、智能化地針對問題進行改進、操作，在一定程度上代替人的工作。在工程預算方面，人工智能技術可以通過對項目施工的模擬，計算出所要消耗的資源量，結合施工成本人工費用，為項目竣工的總價提供參考。

4.5 3D 掃描技術應用

3D 掃描技術可利用儀器、軟件對物體結構進行全方位掃描，并將其數字化轉變，以三維模型的形式展示社會生活中諸多方面物體。3D 掃描技術具有非接觸性、精度高、測量速度快、能夠對物體內部進行勘探等特點。3D 掃描技術可用于土木工程中的質量檢測、工程設計、進度監控等方面，可大大提高工程的施工效率。

在工程設計方面，3D 掃描技術可對之前通過BIM 技術建立的數據庫三維模型進行進一步修正，在此基礎上，對建造物體的精細結構進行深化設計，使模擬數據更加準確，減少誤差。通過3D 掃描技術，可使技術人員對環境和建造物的內部情況更加了解，從而使設計更加科學、完善。3D 掃描技術可實時監測結構性工程設計，及時發現安全隱患，幫助設計人員修改工程設計。例如，在隧道工程建設中，通過3D 掃描技術可對土層、巖層和地下水系進行實時監測，及時發現土層、巖層的變形情況，以便及時對施工設計進行調整；對于地下水系水位的及時監測可避免在施工過程中與地下水系聯通，造成施工中斷。

在工程質量檢測方面，通過對施工現場進行3D 掃描，將所得到的數據模型與工程設計時的BIM 模型進行對比，從而檢測出實際施工與設計擬定施工結果的誤差，對誤差及時作出調整，提高工程質量。3D 掃描技術可以對工程進行瑕疵檢測，如建筑內部的氣泡、裂痕，外部的保護層脫落情況，根據物質密度準確分析出存在的問題，方便工作人員及時更新維護。

另外，3D 掃描技術還可以對工程進度進行監控，實時查看工程進展情況，讓施工人員從宏觀角度來審視整個施工項目，有助于工作人員控制施工進度。3D 掃描技術獲取建筑數字化模型數據和建模速度非常快，能夠時時刻刻對施工現場相關數據進行記錄、模擬呈現，可與BIM、GIS 技術模型對比，使工作人員能夠借此分析施工情況以及下一施工環節的實施；3D 掃描技術也可與BIM 技術、人工智能技術相結，將工程分成多個詳細的施工步驟，并計算所需資源用量，為工作人員提供施工參考和思路，可以節省大量的人力、物力和時間。

5 結語

隨著人類科學技術的進步，未來將會面對許多重大工程，智能建造技術將會在土木工程中得到全面應用。如今，智能化社會的發展建設正在加快，從智能建造的發展現狀和應用優勢中不難發現，智能建造技術的應用可使土木工程取得技術性的進步、創新更多的建設方式，在保證工程高質量、高效率完成的前提下，為土木工程的發展提供無限可能。