智能建造技術在大型機場航站樓項目中的應用

摘 要：隨著建筑行業的信息化轉型發展，信息技術與建筑行業的發展深度融合，涌現出一批應用智能建造方式的超大型項目。作為廣東省交通體系中的重要節點，廣州白云國際機場三期擴建項目T3航站樓工程處于禁飛區內，施工環境復雜，分包單位眾多，在建設和運營過程中存在進度、安全、質量難以把控等問題，需要智能建造技術的賦能。通過BIM技術實現軟件信息上的互通，通過5G通信耦合北斗定位系統進行硬件上的互通互聯，輔以智慧工地系統、3D掃描技術、建筑機器人、數字化鋼筋加工和傾斜攝影等智能建造技術的深度應用，發揮智能建造技術在信息采集、施工調度、質量驗審等方面的優勢，從而輔助工程精細化施工和管理，提升建造質量和效率，減少無效工期，推動項目按時保質完成履約。

關鍵詞：航站樓；智能建造；進度管理；安全質量管理；信息技術

中圖分類號：TU17 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0179-06

Abstract： With the information transformation and development of the construction industry and the deep integration of information technology and the construction industry， a number of super-large projects with the application of intelligent construction have emerged. As an important node in the transportation system of Guangdong Province， Terminal T3 of Guangzhou Baiyun International Airport Phase III extension project is located in the no-fly zone. The construction environment is complex and there are many subcontracting units. In the process of construction and operation， there are some problems， such as schedule， safety and quality， which are difficult to control. Intelligent construction technology is needed to enable the exchange of software information through BIM technology. The hardware interconnection is carried out through the 5G communication coupling Beidou positioning system， supplemented by the in-depth application of intelligent construction technologies such as intelligent construction system， 3D scanning technology， construction robot， numerical control of steel bar processing， tilt photography and so on. give full play to the advantages of intelligent construction technology in information collection， construction scheduling， quality inspection， etc.， so as to assist the fine construction and management of the project， improve the quality and efficiency of construction， reduce the invalid construction period and promote the project to complete the performance on time and quality.

Keywords： terminal; intelligent construction; schedule management; safety and quality management; information technology

建筑業作為我國經濟發展的支柱產業之一，在2022年持續保持增長，總產值高達31.2萬億，在全球新冠疫情的影響下，仍保持著6.42%的增長率，為社會經濟的發展起到了重要作用。然而，目前我國建筑業的傳統施工工藝主要依賴人工勞動，存在環境污染、資源浪費、勞動密集、工人素質低、質量問題和低效率等挑戰[1]。

建筑業亟需升級轉型，向信息化、工業化、綠色化靠攏，智能建造是一個極佳切入點。智能建造是一種面向工程產品全生命周期，以實現泛在感知條件下的建造生產水平提升和現場作業賦能的高級階段的建造方式。它將現代信息技術與土木工程相結合[2]，是實現人工智能和施工要求深度融合的重要途徑。

智能建造技術的應用對于現代建筑施工具有重要意義，它可以減少環境污染和資源浪費，通過優化施工流程和材料利用提高工程效率，同時降低勞動密集度，減少對人工勞動的依賴，解決用工荒問題。此外，智能建造技術還能提升建筑工程質量，減少施工中的常見問題，在提高建筑質量的同時提高施工安全性和施工效率，降低成本，提高經濟效益[3]。

1 工程概況

廣州白云國際機場T3航站樓工程采用集中式主樓+指廊式構型，由1個主樓、6個分區指廊組成。其中，東南、西南指廊為國內指廊，東北、西北指廊為國際指廊，同時設置國內、國際可轉換機位。共布置近機位55個，國內近機位23個、國際近機位23個、可轉換機位9個；航站樓在±0.00、+6.00 m層連接綜合交通中心；航站樓總建筑面積為49.86萬 m2（不含單列項目）。

該項目位于廣州白云國際機場T1和T2航站樓側禁飛區內，在機場臨近區開展大型航站樓建設過程中，面臨著分包單位眾多、場地占用面積大、場地規劃復雜、網電水供應困難、塔吊限高和施工環境要求高等情況，進一步帶來安全管理、進度管理、質量管理等一系列問題，需要引入數字化、智能化、工業化和信息化的智能建造手段來推動項目精細化施工和管理。白云機場建成效果如圖1所示。

圖1 白云機場建成效果圖

2 智能建造

2.1 智能建造定義

智能建造是建筑行業未來升級發展的最終道路[4]。但目前，智能建造還處于產品生命周期的導入階段，業內只是模糊地將一切與自動化、數字化相關的建筑施工過程統稱為智能建造，對于智能建造的定義缺乏統一的界定[5]。

房霆宸和龔劍研究得出，智能建造指的是通過人與信息終端交互的方式，對工程建設過程進行數字化表達、分析、計算、模擬、監測及控制，同時在建筑工程全生命周期進行數字信息化管理，提升工程質量和施工效率。

重慶大學毛超和彭窯胭認為，智能建造實質是建筑全產業鏈的生產要素、生產方式、生產關系的重構，是技術和管理上的復合轉型，在這個過程中融合了管理學、建筑學、結構力學、軟件工程、電子控制、機械自動化及電氣學等多種學科的交叉。

結合文獻資料和工程實況，本文認為智能建造是集成施工技術、生產管理、進度管理、安全質量管理和成本管理等的高級建造管理模式。智能建造的核心在于建立統一的適用其管理領域的信息系統，關鍵在于深度應用施工管理過程的智能建造技術的開發，實質是將物理實體轉化為數字信息進行表達。

2.2 智能建造原理

智能建造指的是一種由機器主導計算，由管理員進行決策的施工管理系統，涉及數據的輸入、處理、輸出3個環節，主要包括工程數據采集與傳輸、智能建造監控平臺、智能建造管理3個模塊。

工程數據采集與傳輸指的是通過高效協同、實時交互的信息集成系統進行建造過程中的數據采集和傳輸分析。該系統集成了數據傳感、信息交互、實時計算等信息技術，其框架包含4個層次，即數據感知、數據傳輸、數據分析和數據應用。

智能建造監控平臺指的是通過軟硬件結合來達到對建造過程跟蹤監控的目的。其框架包含設備層、數據層、業務層和表現層[6]。

智能建造管理指的是通過工程數據采集傳輸和平臺監控后，各個參建方單位對于所得到的海量信息進行歸總處理，從而達到對整個智能建造過程進行成果輸出的目的。

2.3 智能建造應用場景

在大型機場航站樓設施建設中，智能建造技術在施工前置過程中的施工場地布局、物料運輸路線模擬、大型機械進出場路線設計、設計施工圖紙深化設計，在實施過程中的基礎工程及土方開挖回填工程、鋼構工程、主體結構工程、地下管廊工程、花冠柱工程中，在驗收過程中的質量檢驗、數據統計中都有深度的應用。

3 智能建造具體應用

3.1 智慧工地萬物互聯

智能建造技術需要有一個統一的體系才能極大程度的協調運用，從而賦能項目高質高效建造。體系的搭建有賴于互聯技術的實現。目前的互聯技術主要有局域網互聯、藍牙互聯及5G網絡互聯3種技術方案。同局域網和藍牙互聯相比，5G網絡具有速度快、兼容性強、多端接入性好的優點，更重要的是，對于施工現場傳感器和多個設備端采集的海量異構數據處理能力強，延遲更低，能完全滿足北斗定位耦合的通信需求。基于5G基站和北斗定位技術的耦合，從而實現智能設備之間的數據傳輸，實現現場施工設施的萬物互聯。

互聯技術的原理為：在航站樓內部署5G基站及edgeUPF+MEC邊緣云平臺，設備終端通過5G卡配置專用DNN，連接5G基站流向本地UPF，分流到施工現場內網，實現施工階段現場5G網絡全覆蓋，并通過傳輸光纜和無線設備互聯，在防火墻和核心交換機之間布放光纖，打通5G專網和施工現場內網，并結合北斗定位技術，準確定位現場道路、各工區分布、各部位建造設施等。

依托5G耦合北斗定位技術的萬物互聯（圖2），實現了高速、安全、實時和多路并發的移動互聯，是搭建智能建造平臺智慧服務的基礎。

圖2 5G通信耦合北斗定位互聯示意圖

3.2 智慧工地系統應用

為了實現對機場項目建造的全方位監測及實時分析控制，實現施工現場智能化、信息化管理，搭建了智慧工地系統。系統組成分為三級架構，分別以攝像頭、傳感器為主的前端感知層；以計算、傳輸、控制為主的中間層；以平臺軟件、數據儲存、計算分析和大屏顯示為主的控制中心[7]。

整個系統功能模塊覆蓋包括：高清視頻監控系統、人員實名制通道管理系統、車輛進出管理系統、物料地磅管理系統（圖3）、公共廣播系統、起重機械安全監測系統和作業環境及安全監測管理系統等覆蓋工地生活，以及建設的人、車、物、機的全方位監測及管理。

圖3 智慧工地系統拓撲

通過智慧工地管理系統（圖4），施工單位可以進一步落實對工地的高質量安全監管，實現對工程現場的有效遠程管理，加強施工單位對涉及項目現場安全生產的人、車、物料和工程機械等生產要素的全域態勢感知、實時監管。按照提前感知、及時預警、有效排除的管理機制，及時發現排除安全隱患，可做到安全生產有效治理，確保項目施工安全高效實施。

圖4 智慧工地系統展示

3.3 基于BIM的3D掃描

目前很多大型項目都深度應用了BIM技術。BIM技術具有數字化、協調化、可視化的特點，讓設計變得更直觀，同時BIM作為現階段成熟的技術，在智能建造數據接口尚未打通前，BIM模型可以作為各種智能建造技術共同的信息載體進行流轉。

但實際現場施工與設計模型往往存在偏差。為了達到實模一致的效果，同時對施工質量進行控制，在施工現場采用了3D掃描。

3D掃描技術的基礎原理是通過3D掃描設備進行激光測距，這種數據采集方式可以在短時間內獲得建筑構件表面大量且密集的點坐標信息，輸出成果為點云數據[8]。與通過BIM技術建立模型再施工相反，3D掃描通過掃描建筑構件實體進行建模，因此可以與BIM模型進行對比分析，實現實模一致，通過色譜圖（圖5）得出現場的施工誤差，并生成詳細的分析報告 （圖6）。

圖5 3D掃描色譜圖

圖6 3D掃描對比分析報告

3.4 基于BIM的建筑機器人應用

建筑施工未來的方向必定是自動化、無人化。將BIM技術應用于智能裝備和建筑機器人之中，通過計算機程序的設定，可以實現智能裝備和建筑機器人自動進行建筑施工作業的目的[9]。

建筑機器人的機械設計通常由電氣系統、電器設備、電氣傳動控制裝置和末端系統執行機構等組成，集成傳感、視覺、導航、作業控制系統和算法等技術來實現自主作業。目前成熟地應用于機場航站樓工程的主要有智能測量機器人、智能墻面抹灰機器人、智能焊接機器人和智能砌筑機器人等。

3.4.1 智能測量機器人

智能測量機器人的作用主要是生成現場實際點云模型，為其他施工機器人提供現場實測完整信息，從而提高施工數字化和精細化程度。其作業流程為：先實測現場點云數據，對數據進行配準拼接，然后將整體點云構件分割為天花板、地面、墻面、門窗和梁等細分構件，再提取構件的拓撲、幾何信息，重新建立參數化模型，并輸出成結構化的信息庫。

3.4.2 智能墻面抹灰機器人

智能墻面抹灰機器人（圖7）可以基于BIM模型和智能測量機器人生成的點云模型自主規劃路徑、自主導航，智能檢測狀態和位置、自動位姿調整、高精定位，減少腳手架搭拆和人工高處作業，質量一致性好。其作業流程為：先進行基面處理，再定基準面，最后進行抹灰作業和后續作業。

與傳統人工抹灰相比，智能墻面抹灰機器人在定基準面階段依靠視覺識別激光線，無須灰餅沖筋，在對低層、中層、罩面和陰陽角進行抹灰時，綜合功效可以達到300 m2/d，為人工抹灰效率的5～8倍，但空鼓程度僅為人工抹灰的3%，垂平度合格率大于95%。

3.4.3 智能焊接機器人

集成了先進幾何算法、視覺算法、機器人控制算法的智能焊接機器人（圖8），可快速讀取BIM模型或點云模型，實現平、立、橫切面3種位置的焊接，同時具有對坡口的參數檢測功能。在識別到要作業的坡口參數后可以自行生成焊接規范，一鍵完成自動化焊接。

圖7 智能墻面抹灰機器人

圖8 智能焊接機器人

3.4.4 智能砌筑機器人

智能砌筑機器人由機身本體和隨帶的上磚皮帶輸送機2部分組成（圖9）。控制系統由專用運動板卡、示教器、上位砌筑控制軟件組成。智能砌筑機器人電氣系統由專用運動控制器、基本I/O模塊、上位工業控制器、伺服驅動單元和液壓及皮帶上料機分系統組成，各單元之間通過網卡采用EtherCat總線通信。

圖9 智能砌筑機器人

通過在上位機進行砌筑參數的設置，隨后對對應墻體配置效果進行調整，可以實現智能砌筑機器人的自主定位、自動抓磚、自動擺磚的自動化砌筑。墻體平整度偏差僅為1.3 mm和2.4 mm。

3.4.5 智能運輸機器人

為了改變傳統建設工程施工階段砌體材料由斗車、翻斗車、半自動拖車和叉車運輸導致效率低下、運輸成本高、安全性不夠的現狀，自主研發了智能運輸機器人。該機器人同工地地圖系統進行鏈接，同時可以與其他建筑智能裝備，如智能無人值守電梯進行協同工作，實現自動行駛、自動卸料的工作任務。

智能運輸機器人主要是由工作人員在現場指揮中心通過遠程控制中心進行智能運輸機器人遠程控制，通過對附帶通信和定位模塊的智能叉車和智能無人值守電梯鏈接進工地地圖系統，實現智能運輸機器人垂直和水平運輸。

智能運輸機器人主要工作流程如圖10所示。

3.5 基于BIM的鋼筋集中加工

用于廣州白云國際機場T3航站樓工程施工總承包項目的數字化鋼筋加工中心（圖11），主要結構類型為輕鋼結構，集協同式BIM翻樣、數控化加工、信息化管控為一體。

其中，協同式BIM翻樣主要是利用BIM軟件相較于傳統鋼筋翻樣軟件在復雜節點和特殊結構方面建模的優勢，通過建立三維模型可以進行最優鋼筋搭配，并輸出三維的鋼筋排布圖以配合現場施工。

數控化加工指的是PC端下料單，通過全自動智能鋼筋生產線來對鋼筋進行高效率、高質量、高標準的鋼筋加工，可以節省人力，提高加工效率，減少下料錯誤[10]。

信息化管控指的是將BIM技術、數控化加工技術、二維碼信息技術等與鋼筋管理相結合，實現工程數字化管理，從而提升鋼筋管理效率，增強現場鋼筋管控，提高鋼筋利用率。

3.6 傾斜攝影應用

廣州白云國際機場T3航站樓工程與目前白云國際機場在用的東二跑道直線距離不足1 km，屬于禁用保護區，嚴禁無人機起飛。因此需要對傳統的傾斜攝影平臺進行改良，最后的方案采用傾斜攝影光學攝影平臺、POS信息收集模塊、電源模塊和地面遙控模塊等進行集成，研發出了一種全新的塔吊傾斜攝影數據采集平臺。

圖11 數字化鋼筋加工中心

該平臺采用了賽爾102S五鏡頭傾斜攝影相機，打通網絡RTK通信鏈路，自動解算位置信息，免去像控點布控工作，實現軟硬件一體化控制。

通過塔吊本身的高度優勢將傾斜攝像頭提高到大臂高度，配合吊臂旋轉進行數據采集。進行外業采集時，以70%的照片重疊率，40 m測量高度，航向攝影基線約4.8 m，相機計入任務后以該基線定距自動拍照，旁向重疊通過吊鉤在吊臂上等距移動，以滿足旁向重疊，具體參數以實際塔吊型號進行詳細計算，保證塔吊覆蓋范圍內，照片以足夠的重疊率對被測區域進行覆蓋。如圖12所示。

使用該裝置在項目32臺塔吊上輪流進行影像和POS信息數據采集工作，采集完成后，使用PreData作業助手軟件，對采集照片進行數量核驗、覆蓋區域檢查，確認采集數據無誤后，將數據進行編號、命名、轉存和POS融合，后臺采用集群服務進行數據處理，48 h內完成20余萬張傾斜攝影照片拼接，通過該技術，可以實時查看施工進度，對施工進度進行分秒級的實時監控和把控。

該項目實景三維模型成果如圖13所示。

圖12 光學掃描數據采集平臺圖

圖13 實景三維模型成果圖

4 結束語

本文以在建的廣州白云國際機場T3航站樓項目為例，對目前深度應用于建筑項目的智能建造技術應用作了概述和分析，主要的研究內容有：

1）對國內的建筑業現狀及建筑業未來的發展趨勢和形態進行了描述。

2）對智能建造技術的定義、原理、應用場景作出了說明。

3）對智能建造技術的具體應用進行了概述，包括應用于項目管理方面的智慧工地系統技術，應用于質量驗審方面的3D掃描技術，應用于現場施工的建筑機器人，應用于材料加工方面的數字化鋼筋加工中心，應用于進度管理方面的傾斜攝影技術。

智能建造技術可以有效地解決建筑行業粗獷發展和利潤率低下的問題，但智能建造仍處于發展的初級階段。智能建造技術未來的發展空間仍然很大。目前智能建造技術的應用仍較為零散，除了部分技術可以通過BIM技術作為信息的共同載體進行流轉，大部分技術的數據接口仍未打通，缺乏高度集成的統一系統。同時，因為整個行業利潤率較低，如今只有部分大型項目深度應用了智能建造技術，普及率太低無形增加了智能建造技術的研發成本，形成了惡性循環。因此智能建造技術的應用和推廣應是一個由大項目到小項目，由局部到全局的過程。通過BIM技術實現智能建造軟件信息上的互通、通過5G通信耦合北斗定位系統實現硬件上的互聯互通，才是智能建造技術未來的基礎形態。

放眼未來，智能建造將不僅是一種建造技術，更重要的是一種在社會不斷信息化過程中建造的理念。

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