智能建造模式下裝配式建筑全過程管理研究

施秀鳳SHI Xiu-feng

（廣州城建職業學院，廣州 510925）

0 引言

隨著社會對高質量建造需求的不斷提升，裝配式建筑正迎來蓬勃發展的高潮。然而，在我國當前的裝配式建筑探索時期，在實施的過程中也遇到了一些問題。首先，裝配式構件生產種類尚不夠精細，導致無法滿足各類建筑需求。其次，缺乏專業性生產商，且施工效率、質量難以保證。同時，信息化程度低，設計集成度相對較低，各專業模型之間的協同不足，限制了裝配式建筑的整體優勢的發揮。另外，與傳統現澆式建筑相比，裝配式建筑的整體成本相對較高，這主要受制于生產、運輸和裝配等環節的費用。如何解決該些問題，已成為裝配式建筑業發展的重難點。

21 世紀后，我國建筑業迎來了信息化發展的全新階段，智能建造模式應運而生。智能建造作為一種創新的建筑方法，融合了數字化、自動化、物聯網等先進技術，為建筑領域帶來了深刻的變革和革命性的機遇。智能建造模式在建筑設計、施工、運維等各個環節都發揮著重要作用。在設計階段，智能建造借助BIM 技術（建筑信息模型），實現了虛擬設計、協同設計，提升了設計質量和效率。在施工階段，智能建造通過機器人、無人機、激光掃描等技術，實現了智能施工、自動化施工，大幅提高了施工速度和安全性。在運維階段，智能建造通過物聯網技術，實現了智能監測、預測性維護，延長了建筑的使用壽命。智能建造模式和裝配式建筑相結合，通過綜合應用各項信息技術，亦可有效提高裝配式建筑全過程的管理水平和效率。

現階段，已有一些學者針對智能建造模式下裝配式建筑全過程管理的模式進行研究，如孫玉芳，吳霞[1]分析了BIM 技術和物聯網技術在裝配式建筑全過程質量管理過程的要點，并結合實例論述了BIM 技術和物聯網技術的質量管控效果。王潔凝，劉美霞[2]在論證裝配式建筑全過程管理流程優化需求的基礎上，提出了應用信息化手段加強裝配式全過程管理。徐鵬飛，李晉[3]論證了BIM 技術在裝配式預制構件生產可實現精細化管理，結合Revit 軟件的建模，可對施工過程進行實時跟蹤，大幅度提高施工效率。綜上，學者雖提出了將BIM 技術、物聯網技術及相關信息化技術運用于裝配式建筑全過程的管理過程中，但研究的重點仍局限于點，如運用要點的分析、運用建議的提出，未從全局角度論證智能建造模式下裝配式建筑的全過程管理模式及應用效果評價。基于此，文章通過論證智能建造模式下裝配式建筑全過程管理模式和全過程管理效果評價模型，以期可提高裝配式的全過程管理水平，為裝配式建筑高質量發展提供思路與參考。

1 概念界定

1.1 裝配式建筑

所謂裝配式建筑是指采用標準化設計，將樓梯、板與墻體等建筑構件在生產車間加工完成運抵施工現場，在施工現場將裝配式構件進行拼接、組裝形成建筑實體。裝配式建筑倡導預制、安裝與裝修一體化建設，具有施工速度快、現場濕作業少以及綠色環保等特點；另外，裝配式建筑與傳統建造方式不同，裝配式建筑在設計、施工、裝修及管理等方面具有協同化、一體化、精細化等特點[4]。

1.2 智能建造模式

通過梳理研究文獻可知，目前對于智能建造定義并不統一，針對已有研究文獻對智能建造的理解，智能建造是指將建筑業與現代信息技術相結合，輔助建筑全生命周期中的智能化應用，包括建筑業全參與方及全要素，提升建筑數字化、網絡化、智能化水平，從而提高建筑產品質量，最終實現以人為本、智能化的綠色可持續工程產品與服務。

1.3 裝配式建筑智能建造全過程管理

裝配式建筑智能化全過程管理是將現代信息化技術應用到裝配式構件的設計、生產、運輸、吊裝等環節，充分利用信息化手段降低或消除施工中的深化設計、長距離運輸以及二次搬運造成的效率低下問題，從而科學管控項目施工安全、質量、進度與成本。通過對裝配式建筑全過程管理和控制，使整個施工過程的智能化建設和管理目標得以實現[5]。

2 構建研究框架

對于智能建造模式下裝配式建筑全過程管理，文章將解決四個關鍵問題：①設計智能建造模式下裝配式建筑全過程管理模式；②構建裝配式建筑全過程管理評價模型；③實例驗證；④提出裝配式建筑全過程管理模式推進策略。基于該四個關鍵問題的解決，文章構建如圖1 研究框架。

圖1 智能建造模式下裝配式建筑全過程管理研究框架

3 智能建造模式下裝配式建筑全過程管理模式設計

3.1 構建整體框架

智能建造模式下裝配式建筑全過程管理涉及組織管理、設計管理、裝配式構件生產管理、裝配式構件運輸管理及裝配式構件安裝管理。在管理過程中，綜合應用BIM、CAM、北斗監測、物聯網、大數據等信息化技術，不斷促進裝配式建筑的精益建造與精細化管理，實現可持續發展[6]。（圖2）

圖2 智能建造模式下裝配式建筑管理模式整體框架

3.2 組織管理模式

當智能建造模式應用于裝配式建筑中時，合理的組織架構可以有助于實現項目的順利進行和成功交付，圖3 為關于文章構建的一個組織架構示例，可供參考。管理組織架構包括高層領導團隊、項目管理團隊、設計與工程團隊、生產與制造團隊、施工與裝配團隊、質量與安全團隊及技術支持與培訓團隊。

圖3 智能建造模式下裝配式建筑管理組織架構

3.3 設計管理模式

裝配式建筑作為一種綜合性的建筑方式，需要在多個系統之間進行有效的協調和集成。而智能建造模式中BIM（Building Information Modeling）作為一個數字化工具，可以在裝配式建筑的設計、施工和運維過程中發揮重要作用，提升效率、減少錯誤，實現一體化的設計管理。（圖4）

圖4 智能建造模式下裝配式建筑設計管理模式

3.3.1 方案設計

方案設計階段，使用BIM 創建建筑的三維模型，可視化不同方案的外觀和空間布局，幫助設計團隊和利益相關者更好地理解設計意圖，創建不同的裝配體系方案，模擬不同裝配體系的效果，評估其空間利用率、施工效率和可行性，在BIM 模型中演示不同方案，幫助設計團隊和決策者更好地理解和比較不同的裝配體系[7]。

3.3.2 協同設計

設計團隊可以通過共享BIM 模型，實現多學科的協同工作。建筑師、結構工程師、機電工程師等可以同時在同一個模型上協同設計，減少沖突和錯誤。此外，也可使用利用BIM 平臺的自動碰撞檢查工具，對各專業模型進行碰撞檢測。這些工具可以自動識別模型中的沖突，如構件重疊、交叉等。檢查結果會在模型中標注沖突區域，同時生成沖突報告，列出具體的問題和沖突類型。

3.3.3 施工圖設計

設計團隊基于BIM 模型可自動生成施工圖，包括建筑平面圖、立面圖、剖面圖等。可以將復雜的裝配式構件智能化拆分為更小的制造單元，標記裝配式構件的制造地點、材料、數量等信息。基于這些信息，BIM 可以自動計算預制率，即整個建筑中預制構件所占的比例[8]。

3.3.4 深化設計

BIM 模型可以在更深層次上對裝配式建筑的構件進行詳細設計，自動生成全套構件的加工詳圖，包括各個構件的尺寸、連接方式、加工要求等，分析預制構件的制造工藝，優化加工順序、工藝流程等，提高生產效率，模擬構件的制造過程，預測可能的問題并進行改進。

3.4 裝配式構件生產管理模式

在裝配式構件生產管理模式中，采用CAM 技術可以與BIM 技術結合。計算機輔助制造（Computer-Aided Manufacturing，CAM）是一種利用計算機技術輔助實現工業制造過程的方法。CAM 技術可以與BIM 技術結合，實現裝配式建筑的智能化加工，提高生產效率和質量[9]。

3.4.1 高度精準的構件加工

BIM 模型中包含了詳細的構件幾何和設計信息，CAM技術可以根據這些信息生成精確的數控機床程序，確保構件加工的精度和一致性。此外，CAM 技術消除了手動編程的需求，減少了人為錯誤的可能性。自動生成的加工路徑和工藝避免了由于人為疏忽而引起的制造問題。

3.4.2 生產材料利用率的優化

結合BIM 的材料信息，CAM 可以優化切削路徑和工藝，可以更精準地預測每個構件所需的材料數量，避免材料浪費和過剩，可以生成最優的切削路徑，減少材料的切削損耗，提高材料利用率。

3.4.3 生產加工過程的監控和調整

CAM 系統可以實時監控加工過程，及時發現加工異常或誤差，并進行調整，確保構件質量。當監控系統檢測到加工異常時，CAM 系統可以自動調整加工參數，如切削速度、進給速度等，以糾正問題并保證加工質量。

3.5 裝配式構件運輸管理模式

在裝配式構件運輸管理模式中，采用物聯網（IoT）和北斗導航系統相結合。基于物聯網（IoT）和北斗導航系統的構件運輸管理可以在裝配式建筑項目中提高物流效率、降低運輸成本，并確保構件按時到達施工現場。以下是實現這種管理系統的關鍵要點。

3.5.1 北斗導航系統

利用北斗導航系統追蹤運輸車輛的精確位置，實時監控構件的運輸進程。北斗系統提供準確的導航和定位，有助于優化運輸路徑和避免迷路。

3.5.2 實時數據監控

物聯網傳感器和北斗系統共同提供實時的構件位置、狀態和運輸信息。這些數據可以在中心系統中進行監控和分析，確保構件的安全和準時運輸。

3.5.3 路徑規劃和優化

基于北斗系統的導航數據，結合交通和路況信息，可以優化構件的運輸路徑，選擇最佳路線，減少運輸時間和成本[10]。

3.6 裝配式構件安裝管理模式

在裝配式構件安裝管理模式中，綜合運用BIM、互聯網、云計算、物聯網等技術，實現施工過程的可視化、數字化以及精細化管理。

3.6.1 三維可視化模擬

借助BIM 技術的可視化特點，將不同施工工序逐步加入三維模型中，模擬整個施工過程的流程和時間線。可以從基礎的地基施工開始，逐步添加構件、設備和細節，直至項目完成。

3.6.2 施工進度管理

施工進度管理是裝配式建筑施工階段的關鍵環節，通過綜合運用BIM、云計算、移動應用等技術，可以實現施工進度的實時監控、調整和管理。

3.6.3 質量管理與驗收

在裝配式建筑的現場施工階段，質量管理與驗收是確保項目質量的重要環節。通過綜合運用BIM、移動應用、數字化工具等技術，可以實現質量管理的數字化、智能化和精細化。

4 智能建造模式下裝配式建筑全過程管理評價模型構建及應用

4.1 全過程管理評價流程

智能建造模式下裝配式建筑全過程管理評價過程主要包括，選擇評價指標，確定評價指標權重及綜合評價。其中，評價指標權重文章采用熵權法，綜合評價選擇物元可拓評價法。

熵權法是一種基于信息熵理論的方法，旨在通過計算每個屬性的信息熵，從而確定屬性權重。物元可拓評價法，也稱為“物元理論”或“可拓理論”，核心思想是將屬性值進行分類，并引入“物元”的概念。在這個方法中，每個屬性都被看作一個“物元”，而不是一個單一的屬性值。每個物元可以包含多個屬性值，這些值分別對應于不同的情境或條件，是一種定量化較高的評價方法[11]。

4.2 選擇評價指標

基于前文的分析，文章基于組織管理、設計、裝配式構件生產、裝配式構件運輸及安裝五個維度構建了全過程管理評價指標。（表1）

表1 全過程管理評價指標

4.3 確定評價指標權重

本文以某房建項目（以下簡稱A 項目）作為研究對象，評價A 項目在智能建造模式下裝配式的全過程管理工作。該項目為5 棟高層住宅，采用的裝配式構件包括疊合樓板、預制樓梯、AAC 內墻與CF 外墻，裝配率50%。

4.3.1 建立評價指標矩陣

假設存在m 個評價對象與n 個風險評價指標，其中矩陣元素rij表示第i 個評價對象在第j 個評價指標下指標值，評價指標矩陣B=（rij）m*n。

4.3.2 矩陣標準化處理

裝配式項目風險評價指標體系中衡量各評價指標的量綱并不完全相同，因此，需進行標準化處理。對于評價指標而言，存在成本型指標與效益型指標兩種情況。成本型指標可依據，2，3…n 進行轉換，效益型指標可依據，2，3…n 進行轉換，經過標準化處理后的評價矩陣R=（aij）m*n。

4.3.3 計算熵值

4.3.4 計算指標差異系數與指標權重

文章在對A 項目進行指標權重確定時，邀請5 位參與該項目的專家采用10 分制打分方式對各指標進行打分，通過計算各層次指標的信息熵確定指標權重，最終確定的評級指標權重如表2 所示。

表2 全過程管理評價指標權重確定

4.4 全過程管理綜合評價

4.4.1 確定評價等級集

針對A 項目，文章采用評價五等級，即全過程過程管理質量很高、高、一般、低與很低，評語集可表示為V=（V1，V2，V3，V4，V5），其中V1表示質量很高、V2表示質量高、V3表示質量一般、V4表示質量低、V5表示質量很低。

4.4.2 確定經典域、節域

依據確定的等級V1、V2、V3、V4與V5，分別確定其對應的經典域R1、R2、R3、R4與R5，R1表示風險很高物元經典域、R5表示風險很低物元經典域，以此類推。令，其中i=1，2，…n，j=1，2，3，4，5，其中Nj表示五個等級，ci表示評價指標，vji表示風險評價指標的經典域[12]。

4.4.3 物元評價

應用物元可拓理論對A 項目全過程管理過程進行綜合評價主要是通過計算指標關聯度。假設存在一區間X0=（a，b）與區間內的任意一點M，則區間X0與點M 的簡單關聯函數可表示為，顯然當x=M 時，取最大值1，特殊情況當M=（a+b）/2 時，k（x）=，因此，簡單關聯函數實質上是數軸上點到點的距離。在此基礎上，關聯函數表示任意點到某一區間的距離，即點與區間的位置關系，具體含義如下：假設存在任一區間X0=（a，b）與點x，則點x 與區間的距離可表示為。據此可確定各等級與評價指標的關聯度函數值表達式，即Kj（vi）=，通過計算待評物元的關聯度值以確定待評物元所處的管理等級。

通過邀請10 位全過程參與A 項目的管理人員采用9分制打分法確定評價模型經典域、節域進行打分，如表3所示。

表3 A 項目物元經典域、節域及指標平均得分

依據指標關聯度公式計算指標關聯度值，如表4 所示。

表4 A 項目評價指標關聯度值

依據評價指標權重與關聯度，分別計算指標評價向量，則二級指標評價向量：

則最終A 項目全過程管理評價向量（-0.374，-0.193，-0.107，-0.279，-0.466），依據最大隸屬度原則可判定A 項目全過程管理水平等級一般，另外，組織管理、設計管理、裝配式構件生產、運輸與安裝管理水平等級分別為一般、高、一般、很低、高，因此，A 項目作為典型的裝配式項目在智能建造模式全過程管理中整體存在較大改進空間。

5 智能建造模式和裝配式建筑全過程管理模式結合推進策略

基于智能建造模式下裝配式建筑全過程管理評價結果，為促進全過程管理模式的推進，文章提出了如下推進策略。

5.1 政策支持

近些年，國家出臺了相關政策推進裝配式建筑和智能建造技術的發展，但由于發展時間較短，且發展經驗不足，裝配式建筑和智能建造技術的結合的規范標準尚處于空白階段。因此，國家需要出臺相關政策予以支持裝配式建筑和智能建造技術的發展。如，提供裝配式建筑和智能建造領域的財政補貼、獎勵資金，鼓勵企業投入研發和創新。設立基金支持創新項目和示范工程，推動新技術、新材料的應用。減免稅收，降低裝配式建筑和智能建造企業的稅負。

5.2 人才支持

培養裝配式建筑和智能建造技術的高端人才是推動這兩個領域發展的關鍵舉措之一。為了滿足行業的需求，可以采取以下策略。開設相關專業課程和學位項目，在高校和職業教育機構開設裝配式建筑和智能建造相關的本科、碩士、博士專業，培養各級別的高端人才。制定專業培養計劃，設計針對裝配式建筑和智能建造領域的專業培養計劃，包括理論教學、實踐項目和實習經驗。實踐教學和項目實訓，與行業合作，將實際項目引入教學，為學生提供真實的裝配式建筑和智能建造實踐機會。產學研合作：建立學校、企業和研究機構的合作關系，開展聯合研究項目和實際工程合作，提供學生實踐鍛煉機會。引進國際專家和資源：邀請國內外的專家學者、行業領袖等為學生提供講座、指導，引入國際先進經驗和知識。

5.3 管理機制創新

加強裝配式建筑和智能建造技術管理機制創新，是確保技術的有效應用和發展的關鍵。以下是一些創新策略和機制，可以幫助推動這兩個領域的管理機制創新：建立跨部門協作機制，設立跨部門的裝配式建筑和智能建造技術管理機構，促進政府部門、行業協會、研究機構和企業的協同合作。創新項目評估和審批流程，設計快速、高效的項目評估和審批流程，鼓勵裝配式建筑和智能建造項目的快速落地，減少冗長的審批時間。引入第三方審核和認證，建立獨立的第三方審核和認證機構，對裝配式建筑和智能建造技術進行評估，提高技術的可信度和市場認可度。數據標準化與共享：制定統一的數據標準，推動裝配式建筑和智能建造技術的數據共享，促進信息流通和協同。

6 結語

基于我國裝配式建筑發展的研究及實施過程中出現的問題，文章提出了將智能建造模式和裝配式建筑相結合，并構建了智能建造模式下裝配式建筑全過程管理模式，包括組織管理模式、設計管理模式、裝配式構件生產管理模式、裝配式構件運輸管理模式及裝配式構件安裝管理模式，且以某房建裝配式項目為例，運用熵權法和物元可拓評價法相結合，對該項目的全過程管理過程進行了綜合評價，提出了智能建造模式和裝配式建筑全過程管理模式結合推進策略，以期可促進我國裝配式建筑的發展。