数字建造在建设工程中的应用

徐建红　王翔

【摘要】数字建造把数字技术应用于工程的策划，设计施工，等过程中提供满足工程建设主体需求，环境和谐的优良建造产品及服务。介绍常用的数字技术如BIM、VR、仿真、物联网等。

【关键词】数字建造;建设工程

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.15.123

1、工程建设行业面对的问题及对策

社会及科学技术的进步，对于建造工程的要求，也从传统的功能需求发展为审美需求，例如复杂的大型曲面造型设计对传统技术提出了挑战，通过个性化的需求来实现自身活动场景与市场标准化的产品之间的冲突，推动了建设工程的变革。建设行业项目从可研、设计、施工、运行、回收的各个阶段资源及能耗的消耗巨大。社会老龄化导致作为劳动密集型行业的用工紧张，而作业环境差，作业地点不固定，也带来了劳动力的不断流失。新技术发展又对高技术人才需求逐渐增加，管理及技术等复合型人才的缺乏、供求失衡，严重制约了建设行业的可持续发展。

虽然建设行业也尝试了各种改革，但技术发展远落后于制造业和信息产业，普遍存在产值利润率低，劳动生产率低，能耗高等现象。在数字信息技术冲击下的建设行业同时带来了变革的机遇，数字技术和建设行业的结合是突破行业困境的重要手段。

2、数字建造概述

数字建造，利用各种数字信息技术提升整个工程建造产业的全生命周期服务提升产品综合性和施工设计效率，协调各利益相关方的组织沟通实现需求，资源环境的价值的提升。如BIM技术的应用，对提高效率，降低成本，推动建设行业的专业协作协同与整合。据统计，采用信息及网络技术可减少20%～60%的沟通成本。三维模型让项目各个阶段相关者无需专业知识形象直观的了解项目状态。数字建造研究针对工程项目全生命周期，不只局限于施工阶段，系统化应用多项数字技术在建造过程中有机融合。

3、数字建造的应用

3.1 设计

扎哈通过广州剧院的参数化设计思想来实现独特美学外观造型，工程中每个构件都不相同，外形复杂，截面不一，需要在数字模型当中包括构建尺寸信息，制造加工信息，空间三维定位指导安装施工过程，综合保障安装精度要求。传统技术不支持如此多的非标准化的建造过程，高度灵活而又个性化的设计和定制。趋向于采用基于模型的设计模式。

3.2 BIM建模技术

消除建设行业条块分割导致的碎片化，统一各主体的目标利益，BIM与各项数字技术的集成是其中的主要发展方向。BIM技术为三维或N维为设计创造了可能性，而且与虚拟现实、物联网、人工智能、机器人等技术但集成更加提高整体效率，反映时间和精益程度。例如传统人工放样，使用二维图纸易发生错误和误差，工时长。基于BIM的放样机器人利用BIM 模型中的模型数据使得放样操作简单，速度快，精度高，节约人工。

BIM整合，从用戶需求设计到运维有全部工程信息在同一平台上实现信息共享，有效解决由于专业冲突和隔阂，实现了建造目标的价值最大化，有效指导各个主体的建造活动。推动组织模式向扁平型过渡，形成全体智慧带来的有效决策。一梦平台，带来项目主体范围的扩大如最终用户、社会大众的参与更大程度的参与了解项目的信息，降低项目风险。如信息技术专业人员、程序员、机械加工制作人员等的增加，现场画图、施工人员的机械劳动减少带来的产业升级。

3.3 数字仿真及制造技术

数字仿真设计进行吊装的模拟仿真的首要步骤就是建立三维模型，利用Navisworks提供的Presenter插件来渲染模型，从而创建真实的照片集的视觉效果，进行虚拟吊装，当吊装过程中，设备一旦发生碰撞就需要对吊装方案进行优化，直至达到最优方案。在四侧设置超声波测距传感器、激光及角度传感器布设在设备底部，风力计及温度湿度计布设在吊装现场，实现设备在吊装过程中的实时定位，从技术层面实现对于不安全行为进行监控和预报警。

工业4.0带来的技术进步，工程数字制造通过计算机控制机械进行构建了定制加工生产，三维打印，数控激光按切割实现与数字设计的高精度加工要求。逐渐向精细化机械化发展，如建造机器人通过参数化设置自动加工，让建筑师可以实现更多的想象力。

在创新工程、艺术美感的应用中，这种机械加工将在未来建设工程实现批量定制的生产。如现场施工技术中采用网格模具的挤出式机器人3D打印出网状结构生成，生成大型曲面、动态扭转的非标准墙体等。砌筑工程传统施工由于完全靠工人进行砌筑，将BIM技术与物联网技术结合，搭建无人化智能砌筑系统，由砌筑机器人作为输出终端，可以充分发挥BIM技术数字化信息的作用，实现无人化施工。

3.4 虚拟现实

利用虚拟现实技术模拟三维工程空间用来检验施工组织设计的参数设置、方案比选，如大型设备多机吊装方案应用VR技术，对熟练掌握操作要领，保证施工安全有积极作用。例如智能手环，眼镜安全帽等可穿戴设备对传感器信息进行云端存储、处理、反馈，反映现场实施状况，辅助决策。

3.5 物联网、人工智能

物联网在智能建筑当中的应用，对环境主动响应并提供个性化的服务，如感应室内甲醛浓度来自动启停通风新风系统。工程机械的发展方向是数字化、自动化。远程控制工程机械目前得到广泛的应用，土方工程同样是目前现场施工中量大、耗时、自动化程度较低的工种。如小松智能推土机使用无人机遥感实现自动驾驶和推挖土作业。无人机采集定型信息，通过激光雷达进行三维建模，实时共享数据给推土机进行动态路径规划和计算土方量。工程测量感知技术由三维激光扫描、地理信息系统、红外图像摄像技术、无人机技术，实时地形地貌、地势和植被环境和工程结构的实景建模，结合工程BIM模型进行综合处理，辅助分析。也可以利用激光雷达扫描进行竣工验收，超越人类感官的感知能力。

建设行业与制造业的融合中， 实现构件工厂化预制加工，功能集约，提高效率，降低成本，如工程外围维护结构，达到节能、防火、美观等综合功能。

随着云计算、大数据、人工智能技术的快速发展，通过计算机算法实现机器学习、收集大数据量的实时分析信息进行训练，实施精确的预警，辅助决策并改进完善设计施工流程。

参考文献：

[1]赵明成.建筑数字化设计与建造研究[D].湖南大学，2013

[2]支文军.数字化建造[J].时代建筑，2012（5）：1