智能建造技術建筑全生命周期應用研究

摘要：智能建造技術推動下，建筑工業化發展面臨前所未有的機遇與挑戰。通過引入智能技術，建筑項目的效率、質量與可持續性將得到顯著提升，因此，探討智能建造技術在設計、施工、運維等建筑全生命周期中的應用意義重大。研究發現，智能建造技術不僅能優化資源管理，減少資源浪費，還能通過模擬與分析預測建筑結構的健康狀態，提前防范潛在風險。然而，智能建造技術在實施過程中也面臨技術成本高、人才短缺、數據集成等挑戰。因此，建筑行業需要協作培養專業人才，開發更經濟高效的技術解決方案，以推動智能建造技術的普及和建筑行業的轉型升級。

關鍵詞：智能建造；建筑工業化；全生命周期

0 引言

我國建筑業通過幾十年的發展，在規模和重難點工程攻堅方面都取得了長足進步，綠色和環保等新要求為建筑工業化發展迎來新的機遇和挑戰。隨著勞動力結構的變化，我國建筑工人的數量逐年減少，50歲以上建筑工人的比例逐年增多。這一趨勢不僅導致了建筑行業的勞動力短缺，而且由于工人年齡增長，工傷發生概率相應提高。因此，建筑業發展迫切需要一種新的解決方案。

人工智能與建筑行業的深度融合，推進建筑工業化轉型升級，對智能建筑機器人的需求也急劇增加。2020年，住房和城鄉建設部發布的《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》[1]明確提出，要圍繞建筑業高質量發展總體目標，以大力發展建筑工業化為載體，以數字化、智能化升級為動力，創新突破相關核心技術，加大智能建造在工程建設各環節的應用。在此背景下，建筑機器人在工地的應用將成為解決途徑之一。

然而，智能建造技術在應用過程中仍面臨諸多問題與挑戰，如技術成熟度不高、產業鏈協同不足、標準化程度不高等。因此，研究智能建造技術在建筑全生命周期的應用對于推動我國建筑行業轉型升級具有重要意義。

1 智能建造技術解決的問題

智能建造是一種融合了先進的信息技術、自動化技術、機器人技術、人工智能技術及大數據分析技術的現代高新技術建造方式[2]。其在傳統建造方式的基礎上，通過智能化手段實現工程建設的自動化、信息化、智能化和綠色化，在施工階段主要以建筑機器人為主，通過集成先進技術和設備，提高施工的效率、質量和安全，同時減少成本和環境影響，是建筑行業發展的必然趨勢。

1.1 智能設計

智能設計不局限于某一特定技術，而是多種現代技術的集成應用，涉及參數化設計系統、設計方案智能優化、數字設計輔助審查、設計與生產的數據集成共享、基于BIM的協同設計等多個方面。

1.2 智能生產

通過引入先進的制造技術和設備，實現建筑構件和部品的自動化、智能化生產。智能生產的目標是提高生產效率、降低生產成本、提升產品質量，減少環境影響。

（1）自動化生產線。通過使用建筑機器人、自動化設備和控制系統，實現建筑構件的快速、精確生產，減少人工操作，降低生產成本，提高生產效率。

（2）3D打印技術。該技術在建筑領域的應用越來越廣泛，可以直接將數字模型轉換為實體構件，實現定制化生產，減少浪費，提高生產效率。

（3）預制建筑。其是指將建筑構件在工廠預先制造，再現場組裝，可以提高生產效率，降低生產成本，減少現場施工對環境的影響。

1.3 建筑機器人

建筑機器人的應用范圍非常廣泛，可以囊括建筑施工的各個階段和領域。例如，在混凝土施工中，建筑機器人可以完成澆筑、振搗、抹平等任務；在鋼結構施工中，可以完成焊接、切割、鉆孔等任務；在安裝施工中，可以完成管道、電氣、幕墻等安裝任務；在裝修施工中，可以完成墻面涂刷、地面鋪裝、家具安裝等任務。總之，建筑機器人可以替代人工完成各種建筑施工任務，提高施工效率和質量，降低施工成本和環境污染；也可以減少人工操作和勞動力需求，提高建筑施工現場的安全性和可持續性。

1.4 智能運維

智能運維是指利用信息技術和自動化技術對建筑設施實施監控、管理和維護，以提高建筑設施的運行效率、安全性、舒適性和可持續性[3]。

（1）智能化空間管理。利用信息技術和自動化技術對建筑空間進行管理和優化，以提高空間利用率、舒適性和安全性。可進行空間監測和管理、空間使用計劃和管理、空間使用預測和優化、空間安全和應急響應管理。

（2）智能化安防管理。針對防盜、防劫、防入侵、防破壞等方面開展管理工作，保護人身財產安全，創造安全、舒適的居住環境。智能化安防管理通過應用智能化系統，對傳統的安防工作進行提升，當出現異常或危險狀況時，能夠自動識別，通知管理人員，必要時進行報警；可嚴格控制人員出入；高效開展對巡檢人員的管理工作，確保巡檢人員能夠按時、按路線完成巡檢工作。

（3）智能化設備管理。通過應用人工智能等現代技術手段，實現對建筑施工設備高效、智能、安全的管理。可提高設備管理效率、降低設備管理成本、加強設備使用安全性、延長設備使用壽命、實現設備高效協同和智能化管理。

1.5 建筑產業互聯網

依托對建筑行業大數據的全面采集、實時傳輸、快速處理和高級分析，推動供應鏈管理、協同設計、智能制造、智能施工和智能運維的革新。這一變革與工業互聯網融合，促成了一個全產業鏈一體化、智能化的建造產業和應用生態。

建筑產業互聯網可分劃分為五大關鍵平臺類型：面向企業級的智能化協同設計平臺、工程造價全周期智能化管理平臺、智能化供應采購平臺、建造全過程智能化管理平臺、面向監管層智能化行業監管服務平臺。通過這些平臺的協同作用，建筑行業將變得更加高效、透明和智能，為參與者帶來更豐富的價值。

2 智能建造技術在建筑全生命周期中的應用

2.1 設計階段

在設計階段，智能建造技術可以通過建筑信息模型（BIM）實現對建筑項目的虛擬仿真和數字化建模。設計師可以利用BIM技術進行建筑結構、機電系統、裝飾裝修等方面的設計，實現各專業之間的協同工作和信息共享。通過BIM技術，設計師可以更加直觀地展示建筑項目的效果，預測項目施工過程中可能出現的問題，提前進行調整和優化。設計階段的應用主要體現在建筑信息模型（BIM）、參數化設計、性能模擬、協同設計、設計優化、可視化等方面。

2.2 施工階段

在施工階段，智能建造技術可以通過人工智能、數字化等技術實現智慧工地管理。施工方可以對施工現場的物資、人員、設備等實時跟蹤和調度，提高施工效率和質量。此外，智能建造技術還可以通過自動化施工設備實現部分施工任務，降低施工風險和成本。

（1）智能搬運及配送。移動機器人能夠在工地上運送材料，如磚塊、水泥和其他建筑材料等，減輕工人的負擔并提高效率。例如，由加拿大公司Clearpath Robotics開發的Husky機器人被廣泛應用于建筑工地執行物流運輸任務。它能夠攜帶重型建筑材料和設備，通過自主導航系統按照預定路徑運輸材料，全程無需人工干預[4]。

（2）智能巡檢。機器人可在工地上執行定期安全巡檢，監控設備狀態和工作環境，確保建筑現場的安全。例如，波士頓動力的四足機器人Spot常常被用于建筑工地的安全巡檢和監測工作，收集相關數據，以促進施工流程和安全管理。此外，安防巡檢機器人可以24小時不間斷在指定區域進行巡邏執法，機器人配備了可見光攝像機、紅外攝像機、氣體傳感器等檢測設備，在提供穩定視頻監控畫面的同時，基于圖像識別技術集成模式識別算法進行智能分析，實現人臉識別、安全帽佩戴識別、反光衣穿戴檢測、工服檢測、危險區域檢測識別、車輛識別、入侵檢測等，發現異常情況及時預警。

（3）智能測量。運用傳感器和地圖技術，移動機器人能夠掃描土地表面并繪制地圖，為后續施工提供精準數據。我國自主研發的自動行走建筑智能測量機器人能夠基于BIM模型實現自動尋徑，并將BIM模型與現場坐標系進行智能匹配，選擇最佳坐標對房間信息進行全方位測量[5]。

（4）輔助施工。移動機器人還可用于輔助施工，如提供組裝輔助和簡單施工任務執行。例如，碧桂園集團全資子公司博智林機器人公司已有21款建筑機器人投入商業化應用[6]，包括混凝土天花打磨機器人、地面整平機器人、測量機器人、噴涂機器人等多種不同類型的機器人，極大地提高了施工效率。

2.3 運維階段

在運維階段，BIM和物聯網（IoT）[7]等智能建造技術實現對建筑項目的自動化運維和智能化管理。運維人員可以利用這些技術實時監測建筑項目的運行狀態，預測和診斷潛在問題并進行及時處理。此外，智能建造技術還可以為建筑項目提供數據支持和決策依據，提高運維效率和質量。

3 案例分析

3.1 項目基本情況

該項目位于吉林省長春市寬城區吉林建筑科技學院，為教學樓項目，用地面積 57 106m2，總建筑面積 18 797.21m2。地上5層，主要功能為教室、會議室、實驗室。智能建造團隊將項目定位與設計理念相結合，構建了全過程全專業數智化建筑信息模型，以實現設計、施工、生產、運維各個階段信息數據的協同應用，達到縮短工期、提高質量、減少成本的作用。教學樓三維渲染圖和教學樓內部裝修圖如圖1和圖2所示。

3.2 三維數字設計與管理

針對該項目，吉林建筑科技學院作出協同設計決策，應用Revit及配套智能建模、智能算量、智能計價軟件進行全專業數字化設計及工程量提取。全專業協同設計是數字孿生的基礎，約70%的信息數據從協同設計中產生，工程項目管理及運維過程中的數據也來源于此。基于全專業協同設計是一個復雜的環節，需要高效的設計工具，該項目選擇使用晨曦智能建模工具及智能算量工具。另外，該項目還使用晨曦全過程咨詢管控平臺，包括數字化項目管理、合同管理、進度管理、資源管理、圖樣變更管理、監理模塊、智慧工地、輕量化合模等。晨曦全過程咨詢管控平臺數據總控圖如圖3所示。

將各專業模型數據對接到過程算量、資源采購、生產施工等環節，以工程進度為核心、以工程造價為主線，整合全專業數據，通過數字平臺及各參與方在線協同工作方式，實現項目數據聯動。晨曦全過程咨詢管控平臺設計咨詢圖如圖4所示。

3.3 建筑機器人的應用

在施工過程中，該項目采用智能建造噴涂機器人、砌筑機器人、鋼筋綁扎機器人、地磚鋪貼機器人等智能施工設備和虛擬現實（VR），以及大語言編程系統等人工智能平臺代替人工作業。通過不同工種的智能建造機器人及相應的智能建造施工方案，提升建筑施工效率，為施工人員提供安全保障。根據晨曦實際數據，使用噴涂機器人可以節約1/3的材料，效率是人工的6倍。

4 結語

隨著建筑工業化的推進，智能建造技術在工程項目中的應用日益廣泛。未來，建筑業的持續發展將取決于多種形式的智能建造技術的應用。從數據收集和分析到現場實地施工，再到后期安全維護，移動機器人的角色將變得愈加關鍵，不僅是簡單的施工工具，更是建筑領域智能協作的先鋒。隨著科技的飛速發展和機器人技術的日益成熟，智能建造技術在建筑領域的應用將迎來更為廣泛和深入的拓展，以人工智能為核心的智能建造技術在協同作業、智能決策等方面的作用將更加顯著。

參考文獻

[1]王睿妍.智能建造國內外政策及未來發展方向[J].施工企業管理，2022（11）：76-77.

[2]馬智亮.智能建造應用熱點及發展趨勢[J].建筑技術，2022，53（9）：1250-1254.

[3]王紅衛，鐘波濤，李永奎，等.大型復雜工程智能建造與運維的管理理論和方法[J].管理科學，2022，35（1）：55-59.

[4]張皓涵.建筑施工機器人技術的應用與發展[J].廣東建材，2021，37（8）：74-78.

[5]徐偉，夏燕飛.施工環節建筑機器人技術推廣應用研究——以測量建筑機器人為例[J].內蒙古科技與經濟，2023（9）：91-97.

[6]詹達夫，鄭智珂，施雨恬，等.建筑機器人技術應用及發展綜述[J].建筑施工，2022，44（10）：2474-2477.

[7]李健強，劉振奎，王張軍.基于Fuzor BIMVR在地鐵項目的應用探究[J].智能建筑與智慧城市，2019（8）：74-76.

收稿日期：2024-02-27

作者簡介：

呂哲琦（1995—），男，助教，院長助理，研究方向：智能建造。

溫董瑤（通信作者）（1996—），女，助教，研究方向：裝配式建筑、工程管理。

*基金項目：吉林建筑科技學院2023校級教育教學改革研究課題“新工科產教融合，校企合作機制模式探索與實踐”（JY2023C021Z）。