某房屋建筑工程智能建造技術應用研究

楊博

(山西建筑工程集團有限公司，山西 太原 030000)

智能建造是信息化、智能化與工程建造過程，高度融合的創新建造方式。智能建造技術中涉及BIM技術、物聯網技術、3D打印技術等很多先進技術。智能建造實質是，在物理信息技術基礎上實現智能工地，結合管理、設計等，實現動態化配置的一種產生形式，實現對傳統施工方式的完善、升級、優化。智能建造技術的推廣與應用，為不同技術之間的相互融合奠定基礎，將其應用在建筑行業設計環節、生產環節、施工環節與管理環節，可以實現智能化、信息化，智能建造技術正在引領新一輪建造業革命。智能建造通常體現在設計過程建模、仿真智能化中；施工期間通過對人工智能技術的應用，實現對傳統施工方式的替代；管理是應用物聯網技術，提升管理水平，實現管理智能化；應用云計算技術、大數據技術，創新服務模式。房屋建筑工程施工中，施工人員要正確認識智能建造技術的重要作用，實現該項技術的合理應用，從而提升施工質量，保障施工安全，為施工企業創造更多效益。

1 智能建造技術分析

智能建造技術主要涉及四個模塊，分別是智能規劃與設計模塊、智能裝備與施工模塊、智能設施與防災模塊、智能運維與服務模塊。包括BIM技術、物聯網技術、3D打印技術、人工智能技術、云計算技術、大數據技術。不同技術間相互聯系、彼此獨立，能夠創建整體性智能建造技術體系。

2 國內外智能建造技術應用發展現狀

2.1 BIM技術

美國的國家BIM標準針對BIM給出的概念是“BIM屬于是設施物理、功能特性的數字表達；BIM屬于共享的知識資源，是分享有關這個設施的信息，為該設施從概念開始到拆除的全生命周期內的決策提供重要參考依據的過程；工程項目的各個階段，利益相關方利用BIM實現信息插入、信息提取、信息更新、信息修改，實現各自職責協同工作的支持、反映”。BIM技術在建筑全生命周期內發揮著重要作用，為建筑工作人員提供便利。

當前有很多國家已經明確強制工程項目應用BIM技術，比如，美國在2007年規定，全部重要工程項目都要借助BIM技術進行空間規劃；英國在2016年規定，要實現3D-BIM技術的全面協同，全部文件采取信息化管理方式；韓國在2016年規定，公共設施建設項目都要使用BIM技術；新加坡在2015年規定，建筑面積超過5000m2的工程項目，都必須提交BIM模型；北歐在2007年強制要求建筑設計部分需借助BIM技術。由此可以看出，美國、北歐使用BIM技術的時間較早，早于其他國家十幾年強制要求使用BIM技術。英國、韓國、新加坡等，實現部分應用BIM技術，或者全部應用BIM技術[1]。日本等國家雖然未強制要求使用BIM技術，但也出臺相應的BIM標準，成立相關聯盟。

我國的BIM技術起步晚，交叉學科領域研究相對較少，往往將施工階段作為重點，但BIM技術在我國發展迅速，各個企業都逐漸意識到BIM技術的重要作用，并將其應用在工程建設各個階段。設計企業發展中，BIM技術主要應用在擴初設計、施工圖設計、工作重心前移設計中，保證初期方案合理性、有效性，實現對各專業人員的協調，促使設計人員可以將精力轉移到創造性勞動中；施工企業BIM技術，通常應用在施工方案模擬、錯漏碰缺檢查、構件三維模型等環節中，解決構件碰撞問題、完善施工方案。利用BIM技術，縮短施工周期，通過創建三維模型，將項目具體情況更加直觀展現在工作人員面前，為整體施工質量、施工效率的提升奠定良好基礎。運維階段的BIM技術，主要應用在空間管理、隱蔽工程管理、設備設施管理環節，為后期運營維護，提供更為有效、直觀的查找方式，減少設施管理成本。借助三維模型，能夠對隱蔽工程中的安全隱患有著準確把握，從而制定預防措施、解決措施，盡量避免安全事故。

2.2 物聯網技術

在新一代信息技術中，物聯網技術是重要組成部分，也是如今信息化時代發展的重要階段，物聯網是指物物相連的互聯網。物聯網技術發展的核心是，將其應用到建筑行業等不同領域中，借助物聯網技術，實現對管理人員環境的優化，這是物聯網發展的關鍵。物聯網技術是由美國率先提出，美國在2009年出臺的相關關鍵技術報告中，已經將物聯網技術列為六種關鍵技術之一；歐盟在2009年將物聯網技術應用在汽車、醫藥、航空航天等多個領域中，同時在2014—2017年，在物聯網技術探究、創新中投入1.92億歐元，重點發展智慧農業領域、智慧城市領域、智能電網領域等。

我國從2012年開始，將物聯網技術應用在建筑行業，能夠實現建筑物與部品構件信息交互、人與物信息交互、物與物信息交互[2]。物聯網技術的應用，可以為建筑企業創造更多效益，例如，借助RFID技術進行材料編碼，實現預制構件智能化管理。在物聯網基礎上創建施工管理系統，及時發現施工中存在的問題，并制定針對性調整措施，減少經濟損失。

2.3 3D打印技術

3D打印技術利用所需物品原材料，比如，金屬、水泥等，開展逐層、快速生產工作。一部分學者認為，3D打印技術是第三次工業革命，應用在建筑設計、施工、管理等不同環節，具備自動化優勢、高效率優勢等，為施工提供便利的同時，實現對傳統土木工程建造技術的顛覆。

國外的3D打印技術發展相對較早，發達國家采取不同措施，推動3D打印技術的優化、完善。美國、英國、德國等發達國家，首先在制造業上應用3D打印技術。美國在2013年投入8500萬美元用于3D打印技術研究；德國在3D打印技術研究中投入數千萬歐元；英國在2007—2016年間，投入9500萬英鎊用于3D打印技術研究；歐盟在2004—2013年間，投入1.6億歐元用于3D打印技術研究。3D打印技術的應用，將建筑物形狀單一這一問題解決，建造出形狀各異的建筑物[3]。設計師在建筑設計過程中，可以將設計的建筑物模型打印出來，接著進行分析、優化，將不同建筑類型可行性顯示出來，這對于建筑施工能夠起到正確引導作用。過去二十年里，我國在3D打印技術中取得良好成果，將3D打印技術應用在打造各類建筑中，比如，蘇州工業園區。

2.4 人工智能技術

計算機學科的一個重要分支就是人工智能，涉及到很多不同內容，比如，知識表示、自動推理與搜索方法、知識處理系統、自然語言理解等。美國、英國在人工智能研究、發展中，走在世界前沿，政府出臺相關政策，加大資金投入力度，人工智能技術的發展，開啟第四次工業革命。2017年，全球范圍內的人工智能核心產業規模已經突破370億美元，我國人工智能核心產業規模在總體占比中超過15%。隨著可收集數據數量的增加，以及數據質量的提升，人工智能開始加大技術革新，優化商業運營模式。2020年全球人工智能核心產業規模能夠達到1300億美元，我國在人工智能核心產業中的投入超過220億美元。在當前建筑行業發展中，人工智能技術得到廣泛應用。建筑規劃中，通過對運籌學、邏輯數學的應用，提升施工現場管理水平；人工網絡神經應用在建筑結構健康檢測中；施工中，借助人工智能機械手臂完成結構安裝；利用人工智能系統，實現建筑工程項目的全周期管理。

2.5 云計算技術與大數據技術

云計算技術是一種可以為用戶提供共享軟件、服務器、網絡等不同資源的一種先進技術，各類資源存儲在云端服務器內，通過極少的交互、管理，提供給用戶[4]。結合用戶需求，實現資源的動態部署、分配、監控。云計算服務市場規模，在2009—2017年達到前所未有的高度，整體呈現高速發展趨勢，從原本的586億美元增長至2602億美元。2017年同比增長18.5%，這也說明傳統IT服務轉化為云服務。2016年我國私有云計算規模為344.8億元，增長率是25.1%，2020年私有云計算規模達到976.8億元。

大數據技術是一種數據整合方式，能夠實現大規模數據的采集、處理、分析與管理，大數據技術能力超過傳統數據庫軟件，具備數據規模大、數據快速流轉、數據多樣類型、數據價值密度低等特點[5]。大數據技術在國內外都得到重視、關注，也因此，在大數據技術中加大資金投入力度，大數據技術也因此得到快速發展。

建筑行業中，通常會融合云計算技術與大數據技術，借助云計算技術創建項目云服務平臺。利用傳感器監測方式、物聯網搭建項目管理系統方式、大數據分析方式等，在工程項目施工現場進行人臉識別、移動考勤、設備設施管理、施工人員管理等。

3 某房屋建筑工程智能建造技術應用

3.1 工程概況

某房屋建筑工程項目中，建筑總面積大約是15.95萬m2，該工程項目主要包括九棟高層住宅、三棟配電房、一層大型地下車庫。住宅樓全部采取框架剪力墻結構，樓層的建筑層高為3m，設計的建筑物相對標高±0.000標高，相較于絕對標高33.850m。主樓段基底標高、單建地下室段基底標高，分別是-6.85m～7.15m、-6.35。主樓基礎采取的是筏板基礎，筏板厚度在1.2m～1.4m之間，單層地下室地板結構型式，主要采取的是柱下獨立基礎+350mm構造防水板，柱下獨立基礎下，設置長度為9m的抗浮錨桿。外墻施工、頂板施工、地下室底板施工，全部使用防水混凝土，混凝土的抗滲等級是P6。

3.2 BIM技術在房屋建筑工程中的應用

3.2.1 效果圖展示

隨著房屋建筑行業的發展，BIM技術得到很大進步，該技術不單純是畫圖工具，更是一種設計理念。房屋建筑設計中，BIM技術優勢體現在建筑結構設計可視化環節，通過創建三維模型，將真實建筑情況展現出來[6]。與此同時，實現建筑系統數據庫的更新。該工程項目中，應用BIM軟件的建模功能、渲染功能以及動畫技術，實現對二維模型的具體描述，還能增強三維模型的直觀體驗。模型創建中，對于圖紙不詳細、不合理位置進行出圖，幫助工作人員了解圖紙中存在的問題，科學調整圖紙，防止施工圖不合理影響后續施工進度與施工質量。在提出設計變更時，應用BIM技術，能夠實現圖紙的自動更新，保證施工圖紙可操作性、合理性，為后續施工提供便利。實現各個建設環節的協調，將施工中可能存在的碰撞問題、沖突問題解決。BIM技術的應用，提出設計變更，減少設計時間的同時，還能盡可能避免設計錯誤、設計漏洞。

3.2.2 提前創建模型

BIM技術構建的是三維模型，與傳統CAD設計的二維模型存在不同。常規CAD狀態下設計的房屋建筑，繪制的墻體、柱體等，不具備構件屬性，單純由點線面形成的封閉圖形。應用BIM技術繪制的構件本身有著自身的屬性，不同構件在空間中，都能夠通過X、Y、Z坐標展現出自身的獨立屬性。設計師在設計時，能夠將自身的構想通過電腦屏幕三維立體圖形展現出來[7]。在該工程項目中，設計方提供的CAD圖紙，并未明確標注預留洞口位置、大小，影響后續施工的順利實施。因此，借助BIM技術使用Revit提前建模，準確標注預留洞口位置、大小等。保證施工過程中，預留洞口不發生遺漏情況，確保實際施工與施工圖紙的一致性。

3.2.3 施工整體規劃

該工程項目周圍存在很多住宅區，還有學校、醫院、客運站等，施工存在一定復雜性。應用BIM技術能夠實現虛擬施工，集中處理場地布置信息、施工資源信息等。創建4D施工信息模型，可視化模擬施工實際情況，將各個施工區域分工情況直觀展現在工作人員面前，從而實現對各個施工區域的協調、分配。工程各參與方實現信息共享，借助網絡進行圖檔、文檔等內容的提交、審核、審批，這對于各環節施工協調、施工順利實施，提升施工質量，保障施工安全而言具有重要意義。此外，發揮BIM技術優勢，施工現場的科學規劃，避免施工對周圍居民、交通運行產生影響。

3.2.4 強化溝通

BIM技術的應用，能夠生成三維實體模型，參建技術人員結合模型，可以對不同建筑信息作出準確理解、快速回應，為施工的順利實施提供便利。該工程項目規模較大，針對結構復雜部分，可以利用BIM技術進行施工模擬，分析施工中可能會出現的問題，工作人員之間能夠進行有效溝通，針對問題制定預防措施、解決措施[8]。通過三維可視化進行技術交底，實現對傳統二維圖形文本技術交底方式進行替代，幫助施工人員確定施工重點、施工要點、施工難點，促使各環節施工質量滿足規定。

3.2.5 成本控制

該工程項目規模較大，資金投入多，怎樣進行成本控制成為施工難點。工程造價難以控制的主要原因是，工程材料數據太過龐大，無法實現對數據信息的科學處理。面對這一問題時，在成本管理中要合理應用BIM技術，借助5D關聯數據庫，實現對不同施工材料信息、設備信息的處理，應用BIM模型計算材料用量、設備管線用量等，在此基礎上，實現對施工成本的科學管控，減少成本浪費。施工人員根據施工方案、計算用量等，統籌規劃施工材料、機械設備的使用，提升材料利用率。

3.3 BIM技術應用要點

1)房屋建筑工程施工中，通過實地考察勘測方式、谷歌地圖方式等，實現建筑施工數據采集，創建BIM技術框架，數據接口與數據實現交互，IFC文件導入、導出，實現多重訪問系統開發，借助AutoCAD、CATIA等軟件構建BIM模型[9]。應用數據庫技術實現數據信息存儲，創建平臺層，在數據平臺層中涉及到數據集成的管理平臺、可視化4D平臺，實現數據讀取功能、數據保存、數據集成與數據驗證，創建施工進度模型、施工安全模型、施工資源模型等子信息模型。借助不同子模型信息，為模型層、應用層提供數據保障。應用層是BIM技術框架中的最后一層結構，完成項目動態管理、沖突分析。

2)BIM管理系統中包括軟件工程管理系統、項目綜合管理系統，采用的架構分別是C/S架構、B/S架構，兩者實現無縫雙相連接，借助的是數據管理、模型參數[10]。房屋建筑施工BIM系統中，將AutoCAD作為開發平臺，創建3D集合模型，完成IFC文件結構定義，構建項目組織瀏覽表。

3)創建工程進度管理系統時，利用編輯器與工序模塊，實現計劃進度與實際施工進度之間的科學對比，保證計劃進度有效性，為實際施工提供引導，通過動態3D圖將工程進度展現出來。系統資源動態管理，可以實現節點、工程量的自動計算，查詢、統計分析人力財力情況，以及機械設備情況，動態化管理工程量。在施工質量安全管理中，要做好施工方、監理單位工程質檢的安全數據存儲，顯示并打印統計的安全數據信息。

4)房屋建筑工程施工中，BIM技術的應用能夠實現施工過程模擬，進行單位周期內的正序施工模擬，或者逆序施工模擬，具有三維漫游功能、真實模型現實功能。在對建筑功能安全、沖突進行分析，不僅可以實現結構變革，還能實現機制體系的轉化[11]。施工過程中，如果結構、體系發生轉變，要及時進行動力學的分析計算，評估安全性能。針對施工中存在的進度資源沖突，可以根據計劃industry進行準確對比。施工現場發生碰撞沖突后，可以采用碰撞檢驗分析算法方式，分析、檢驗構件、設施以及結構情況。

5)通過參數、工序的模擬計算，科學規劃施工工序，合理配置人力資源，對不同工作方案進行分析對比，并從中選擇最為合理的施工方案。4D施工模擬中，可以實現工程數據信息集成、施工過程的可視化模擬。BIM技術能夠實現系統框架與功能結構的結合，為相關工作人員提供資料信息，實現軟件系統協調，高質量完成日常管理工作與深化設計工作。

6)將BIM技術應用在房屋建筑施工中還要注意，施工人員要對BIM技術有著正確認識、準確把握，根據房屋建筑施工現場實際情況，實現對BIM技術的合理應用，發揮出BIM技術價值[12]。將BIM技術應用在房屋建筑設計、施工等不同環節，引導施工的順利實施。比如，在碰撞檢查中應用BIM技術，施工人員能夠準確掌握施工中可能出現的管線碰撞情況，并對施工作出調整與優化，保證在施工中減少碰撞情況，推動各環節施工的有序落實。

4 結語

綜上所述，房屋建筑行業是我國社會發展中的重要組成部分，在創造更多國民經濟，提高人們生活品質中發揮著重要作用。房屋建筑行業要想實現自身的更好發展，要加強技術研究與應用，積極進行開發、創新，也因此，很多施工單位將智能建造技術應用在房屋建筑工程中，在提升房屋品質、建設水平中發揮著重要作用。智能建造技術中涉及到BIM技術、大數據技術、物聯網技術等，施工人員對于此類先進技術要有準確把握。比如，可以將BIM技術應用在碰撞檢查、成本控制等不同環節，引導施工的順利實施，減少質量問題、安全問題。