智能建造在土木工程施工中的应用综述*

刘占省，孙啸涛，史国梁

(1.北京工业大学城市建设学部，北京 100124； 2.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124)

0 引言

建筑业是我国国民经济的支柱产业，在国家建设中发挥了重要作用[1]。近年来，建筑业持续快速发展，为我国的基础设施建设做出了重大贡献。“十三五”期间，建筑业对社会经济的发展起到了积极作用。随着土木工程建设项目的增加，我国的基础设施得到了进一步完善，城市和农村的面貌得到了极大改善，城镇化快速推进，人们的居住和出行质量得到提高。同时，一批重大工程项目如港珠澳大桥、京张高速铁路、北京大兴国际机场等相继建成。这些建设条件复杂、设计施工难度大的工程项目的建造，促进了我国土木工程技术的突破，使我国的工程建造水平大幅提升，在部分领域已达到国际先进水平[2]。

然而建筑业在高速发展的同时也存在着一些问题。长期以来，土木工程行业主要依靠资源要素投入、大规模投资来拉动发展[3]。建筑业信息化、工业化水平较低，生产方式较为粗放，劳动生产率不高，资源消耗大等问题较为突出[3]。工程建设组织方式较为落后，建造过程中机械化程度不高，精细化、标准化、信息化、专业化程度较低。建筑工人素质偏低，工人年龄偏高[2]。建筑行业与先进制造技术、信息技术等先进技术的结合程度较低。随着我国经济形势的变化，传统的建造方式受到了较大冲击，粗放式的生产方式难以为继。

随着全球经济形势和我国经济环境的巨大变化，新常态下的中国人口红利逐渐消失，劳动成本不断升高，经济结构矛盾不断显露[4]。我国正在进行产业的新旧动能转换[4]。根据十九大报告，我国经济已进入高质量发展阶段。“十四五”时期，随着国内外经济形势的变化，经济增速的减缓不可逆转，建筑业原有的粗放发展模式将受到巨大挑战。

新的经济形势下，土木建筑行业实现高质量发展的必然要求是信息化和智能化[3]。智能建造技术的应用有利于建筑业实现转型升级，实现建筑业的高质量发展。本文论述了智能建造的定义和特征，梳理了近年来国家和地方关于智能建造的部分重要政策，并论述了部分在土木工程施工中应用较多的智能建造技术在施工中的应用点，以求为土木工程施工中的智能建造技术应用提供参考。

1 智能建造特征

智能建造是信息化、智能化与工程建设相结合的新型建造方式。目前对于智能建造没有一个统一的定义。部分学者提出的关于智能建造的定义如表1所示。

表1 部分智能建造定义

对以上智能建造定义进行总结，本文对智能建造定义如下：智能建造技术覆盖建筑工程的设计、施工、运维等建筑物全生命周期的各阶段，以土木工程建造技术为基础，以现代信息技术和智能技术为支撑，以项目管理理论为指导，以智能化管理信息系统为表现形式，通过构建现实世界与虚拟世界的孪生模型和双向映射，对建造过程和建筑物进行感知、分析和控制，实现建造过程的精细化、高品质、高效率的一种土木工程建设模式。智能建造涉及规划、设计、施工、运维等阶段实现建筑物全生命期的智能化。智能建造融合了BIM，GIS，IoT、互联网、云计算、大数据、人工智能等信息技术，它们互相独立又互相联系，共同构成了智能建造的技术体系，是智能建造的技术基础[15]，如图1所示。智能建造涉及工程建造理论、项目管理理论等，将工程建造相关理论与新一代信息技术相结合，指导新一代信息技术为土木工程建设服务。智能建造通常表现为智能化管理系统，通过智能化管理系统实现与工程技术人员的交互，将感知、分析得到的工程相关信息展示给工程技术人员，辅助技术人员进行工程相关决策和对工程项目的控制。智能建造利用先进的信息技术，发展新的建造和管理技术，使建造过程从数字化向智能化发展，提高建造效率，实现项目信息的集成化、智能化、系统化管理，达到精细、优质、高效建造的目标。

图1 智能建造技术体系

智能建造具有全面感知、真实分析、实时控制、持续优化的特点[12]。①全面感知 即对建造过程、建造物的状态等进行全面的感知，通过各种传感器、智能设备、智能终端等收集有关建造物和建造过程的各种信息和数据，通过物联网、互联网等将信息和数据进行传输，并对建造数据进行存储。智能建造技术将建造物、建造活动、建造过程需要的设备、工程管理人员、相关服务等进行在线连接，使工程管理人员和工程管理系统可以实时获取建造物和建造过程的相关数据。②真实分析 即利用人工智能、大数据分析等信息技术对采集到的建造过程和建造物相关的数据进行分析和处理，利用有限元计算、虚拟仿真技术等对工程状态进行仿真分析等，给出自动控制所需的结果或可以辅助管理人员进行决策的信息。③实时控制 即通过智能设备、智能软件、智能终端等，依据分析得到的结果和相关规则如标准规范等，对建造过程、建造工艺、建造流程等进行控制，确保实现设计所预定的目标，包括通过自动控制技术对施工设备、建筑机械等进行智能化控制、通过相关人员对施工工艺、施工方法等进行控制以及对人员的控制，最终达到对整个施工过程的全面控制。④持续优化 即通过前3个方面的工作，在建造过程中不断积累经验，对智能建造系统本身进行不断优化，使系统效率不断提高。

2 国家相关政策

国家十分重视土木工程行业的发展，国家和地方都发布了建筑业信息化相关政策，旨在推动和促进土木工程行业的信息化、智能化发展。

早在2003年，我国发布了第一个建筑业信息化发展纲要，提出了在2003—2008年的发展规划。之后在2011年和2016年分别发布了两个建筑业信息化发展纲要，相应地提出了2011—2015和2016—2020年的信息化发展要求[16]。3个建筑业信息化发展纲要的主要内容如图2所示。

图2 建筑业信息化发展纲要

2003年和2011年提出的两个建筑业信息化发展纲要都将信息化作为更新技术手段的工具。在2011年提出的信息化发展纲要中将信息化与管理相结合，同时重点提出了企业的信息化建设任务。由于信息技术发展的限制，两个信息化发展纲要中均集中于专项信息技术的应用。2016年提出的信息化发展纲要则重视建筑工程中全过程、全方位的信息化应用，同时集成多种信息技术进行综合应用[17]，相比前两个建筑业信息化发展纲要，更加强调信息化与建筑企业管理的结合，强调信息技术的集成应用。

近年来，随着计算机技术的快速进步，新一代信息技术给各行各业带来了深刻的影响，极大地提高了信息化水平。这些技术改变了土木工程项目设计、施工、运维各阶段的运行模式。国家十分重视新一代信息技术在建筑业的应用，发布了大量关于推动新一代信息技术在建筑业进行应用的政策。

2020年7月，《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》提出了推动智能建造与建筑工业化协同发展的原则、目标、重点任务和保障措施，并从7个方面提出了具体的工作任务。同时提出了到2025年、2035年的发展目标[18]。这一政策发布后，国家在半年内密集发布多项与智能建造技术应用相关的政策(见表2)。同时，国家还发布了一系列配套政策，涉及新时代建筑产业工人队伍的培育、智能建造技术典型应用案例的征集、智能建造试点工作的开展等，以配套政策进一步推动智能建造技术的发展。

表2 智能建造部分国家政策

2020年7月住房和城乡建设部《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》发布后，各地区很快进行了跟进，发布了一系列关于促进智能建造发展的政策。一些地区以“实施方案”“实施意见”的形式对推动智能建造和建筑工业化协同发展的目标和行动方案进行了细化。各地区对照住房和城乡建设部制定的全国性目标提出了更加细化的本地区发展目标和相应的时间节点，多以2025年、2035年为节点，也有部分地区以2023年、2030年为节点。各地方政府制定的发展目标较国家制定的目标更加具体，部分地区还制定了定量指标。地方通常以推进BIM、物联网、人工智能等新一代信息技术在建筑工程中的应用为推动智能建造技术发展的手段，一些地区将“智慧工地”建设作为推进智能建造应用的手段之一。同时，一些地区还提出了相关的激励政策，如提前预售、优先推荐评优、将智能建造应用情况纳入考核体系等，以优惠政策和评奖评优来激励和引导企业采用智能建造技术。部分地区采用了带有一定强制性的做法，如在一定规模或指定类型的建筑工程项目中必须使用BIM技术等条文，倒逼企业在建设工程中采用智能建造技术。此外，多地区采取了多部门联合发布相关政策的方式，可见在国家大力推行智能建造技术的影响下，各地区也增加了推动智能建造发展的力度。部分省级政策如表3所示。

表3 智能建造部分地方政策

对于智能建造技术相关的各种新一代信息技术，国家和一些地方城市出台了相关的专项政策。刘占省等梳理了近年来关于BIM、物联网、3D打印、人工智能、大数据、云计算等技术的重要国家级政策，表明国家对相关技术的发展十分重视，对智能建造和新一代信息技术的扶持力度不断加大[15]。

3 智能建造技术在土木工程施工中的应用

智能建造的技术体系包括BIM，GIS、物联网、人工智能、虚拟现实、大数据、云计算、5G、三维扫描、区块链、数字孪生等新一代信息技术。智能建造技术体系中各种技术相辅相成，共同完成智能化的工程项目管理过程。

本文选取土木工程施工过程中应用较多的BIM，GIS、物联网、人工智能、虚拟现实、三维扫描、智能装备与建筑机器人等技术，对施工中的技术应用点进行综述。

3.1 BIM技术应用

建筑信息模型(building information modeling，BIM)，是对建设工程及其相关设施的物理和功能特征的数字化表述[19]。BIM以三维模型的形式表达建筑设施，可将建筑设计信息可视化。BIM模型是内部存储着关于建筑工程全部信息的一个数据库。这些隐藏在三维模型背后的信息使BIM模型不仅仅是一个三维可视化的工具，而是可在建筑工程全生命期内提供关于建筑的各种信息的数据源。BIM三维可视化的特性在施工中的很多场景下都得到了应用。同时BIM作为建筑信息数据库，与其他智能建造技术相结合提供数据基础，在智能建造体系中有不可或缺的地位。在现有的各种BIM软件中可进行BIM的基本应用，但更多扩展应用通常通过对BIM信息模型或BIM软件进行二次开发，或者通过另行开发的BIM应用平台，与其他技术相结合的方式来完成。本节仅论述BIM技术可独立完成的应用点，如图3所示。

图3 BIM技术应用

深化设计方面，BIM三维可视化的特性解决了二维图纸在结构空间关系表达上的困难，因此广泛用于复杂构造、复杂节点等的深化设计，如钢结构、钢骨混凝土节点等[20]。在装配式结构中BIM技术用于PC构件或钢构件的拆分工作，生成的深化设计成果还可与工厂设备对接进行数字化加工。二次结构施工中可应用BIM进行排砖优化、洞口预留、用量统计等[21]。BIM还提供碰撞检测功能，用于在施工之前消灭各种建筑结构构件间的冲突问题，避免因冲突而发生变更和返工。

质量控制方面，可在BIM模型中以“按图钉”的方式标记质量检查信息，将质量检查信息化[22]。马智亮等依据国家施工验收标准，将施工质量验收属性关联到三维实体元素上，利用算法在BIM中自动生成验收任务[23-24]。

安全管理方面，也可以“按图钉”方式标记安全风险信息。BIM可作为建筑信息三维可视化的平台，结合物联网、人工智能等技术对人员、设备、环境进行监控，实现对安全风险的分析、判断和预警。通过安全设施模型的建立，可指导现场安全设施如临边防护栏杆等的设置。施工中的安全风险可通过施工模拟进行预判，辅助安全措施的制定。BIM还可在三维空间中模拟各工序的空间占用，结合人工智能模型对并行作业中的空间冲突进行预测[25]。

4D-BIM的第四维度为时间维度，可用于表示工程项目随时间的变化情况。将进度计划导入BIM数据库中，将进度计划落实到每个构件上，可进行施工进度模拟，对整个工程的进度安排进行展示。还可以三维可视化的方式查看施工形象进度，分析项目计划进度和实际进度的偏差[26]。

5D-BIM的第五维度为成本维度。BIM模型可进行工程量计算，得到构件明细表、工程量明细表等报表，也可算出人工、材料、机械的用量，进而算出成本。将进度与成本相结合，可得到人工、材料、机械、资金等的消耗随时间的变化[27]，辅助采购和预算计划的制定，也可通过挣值分析研究项目的进度和成本情况[28]。BIM数据库中存储的工期、价格、成本等信息可作为工程结算的参考[29]。

在施工方案编制过程中，对施工方案相关部位和施工设备建立高精度的BIM模型，可以视频或动画的形式展示施工方案。将模拟成果用于三维可视化交底，提高交底效率和准确度。建立建筑物、施工机具、临时设施等的施工现场BIM模型，通过场景漫游、碰撞检查等方式，确定现场临时设施的布局并可视化地进行调整，可提高施工场地利用效率[27]。

3.2 GIS技术应用

BIM技术主要反映建筑物本身的各种信息，但通常不能反映建筑物周边环境的信息。地理信息系统(GIS)作为地理信息数据库，能以直观的地理图形方式获取、存储、管理、分析、显示与地理位置相关的各种数据，可反映真实的地理环境信息[30]，但不能反映建筑物单体的信息。因此，GIS技术和BIM技术常结合使用。在BIM与GIS结合使用的过程中，BIM模型提供工程结构的相关信息，从微观角度反映工程结构单体信息，GIS提供地理环境信息，从宏观角度反映建筑周边环境、地形、地质等地理信息，二者互为补充，可同时显示宏观与微观的信息，同时提供了从空间地理数据处理的角度进行分析的途径[31-32]。BIM和GIS进行集成的方法有3种：以BIM为平台将GIS数据加载到BIM软件中，在BIM平台中进行各种应用；以GIS为平台将BIM数据加载到GIS平台中；通过另行开发的专用平台，载入BIM数据和GIS数据，并实现对BIM和GIS数据的各种应用[33]。由于BIM技术以IFC文件为基础，GIS以CityGML文件为基础，二者数据标准不同，存在BIM和GIS数据的互通和互操作问题，需要开发专用软件来完成二者之间数据的融合，以避免BIM与GIS集成应用时数据丢失等问题[31]。GIS技术在施工中的应用包括BIM+GIS联合应用以及对GIS特有的地理信息数据及空间分析等功能的应用，如图4所示。

图4 GIS技术应用

BIM+GIS在工程项目中可用于质量、进度、安全、成本等方面的管理，如施工模拟、进度追踪、安全风险管理、人员管理、设备管理、环境监测等[33-34]。但与单纯应用BIM技术有所不同的是，在进行这些工作的时候考虑了GIS提供的地理空间信息，特别是对于与周边地理环境紧密相关的线性工程、水利水电工程、地下空间工程等工程类型。施工方案模拟方面，有基于BIM+GIS的隧道施工组织精细化模拟，结合GIS城市数据、地质数据和BIM地下空间数据进行现场施工模拟等[31,35]。进度管理方面，结合BIM与GIS可进行项目本身及项目周围环境的可视化的表达，通过GIS模型颜色显示进度信息[30]。安全风险管理方面，GIS技术已应用于地铁盾构施工安全风险管理系统、大坝可视化安全监测平台、高填方工程监测等[37-39]。BIM与GIS的集成与融合应用十分适合线性工程的统一管理，如通过将BIM模型、遥感影像、数字高程模型等多源异构数据进行融合，实现了铁路工程建设的统一管理，从宏观、中观、微观尺度进行铁路工程从线路周边地形地貌到结构构件的统一管理[40]。

GIS可提供工程周围地形、管线、道路、既有建筑物等空间地理数据，并通过空间分析等手段对空间地理数据进行处理。具体应用包括：通过GIS平台查看BIM模型和施工现场影像[41]，展示地形地貌、拆迁范围[42]、周边环境；通过对平整度、地貌地质等分析辅助选择适合施工的区域辅助场地踏勘[43]；辅助选择施工临时设施的位置[44]；通过集成BIM和GIS技术整合施工所需材料和材料供应商信息以可视化监控供应链的状态[45-46]；结合GPS和GIS追踪大坝工程现场施工人员位置和移动情况用于人工消耗量的统计[47]；通过地理信息系统查看工程周围已有管道等设施，检查新建工程与既有管线之间的冲突情况，为管线改移等提供参考，减小工程对城市的影响[48]。

GIS的另一个重要应用是地质信息的管理和应用。在地下空间工程、隧道工程、水利工程等工程中，地质情况是影响工程设计施工的重要因素[31]。利用GIS中的地质模型信息，可进行施工中边坡安全风险评估[49]、隧道定位、病害查询、地质预报[33]、地质监测[38]、地质剖面的获取和应用[50]等。

3.3 物联网技术应用

物联网技术作为“连接物品的网络”，承担着从现实世界收集信息和控制现实世界的各种物品的工作[51]。物联网技术可对施工过程中产生的大量信息进行实时感知和动态采集，并将采集到的数据和信息进行实时传输，实现现场施工过程中产生的各种信息和数据的实时获取和汇总；对施工过程中的各种控制指令进行下达，实现自动化施工设备的实时控制。现实世界信息的采集一般通过二维码、RFID、定位标签、视频摄像机、各种传感器等自动化采集技术，或以人工录入的形式进行。数据的传输通过电缆、LoRa、窄带物联网、WiFi、蓝牙、4G/5G等有线或无线通信技术进行。物联网是智能建造系统中的“神经系统”，实现智能建造体系中的前端感知和终端执行[52]。物联网技术在施工中通常用于对施工现场人员、机械、材料、施工方法、施工环境等要素的在线实时监测和控制，如图5所示。

图5 物联网技术应用

人员管理方面，通过具有RFID芯片的安全帽等可穿戴设备，可实现施工人员身份管理、定位追踪、安全预警等功能[53-54]。机械管理方面，可实现对机械状态的监控，如追踪机械设备的分布状况和运动轨迹、对塔式起重机结构和作业状态的监控、盾构油液状态的在线监测等[54-57]。物联网系统也可用于远程控制自动化的施工设备。材料管理方面，通过二维码、RFID、无线网络等技术，在预制构件进场、堆放、出堆、吊装等环节实现构件的追踪和管理[58]。通过物联网技术还可实现对施工材料的定位和管理，简化材料的收发和库内盘点。施工方法管理方面，可实现施工风险因素的实时监测如高支模架体稳定性、边坡稳定性、受施工影响既有结构健康监测、工地非法入侵检测、个人防护装备使用情况等[59-63]。施工质量监测如混凝土施工质量监测、混凝土强度监测、混凝土振捣质量监测、大体积混凝土浇筑温度信息采集等[64-67]。施工过程控制如预制构件吊装控制、施工数据采集等[68-71]。环境监测方面，通过各种传感器和有线或无线传输技术进行噪声、扬尘等环保监控、远程视频采集、基坑变形监测等[72]。

3.4 人工智能技术应用

人工智能技术的应用是智能建造中“智能”的体现之一，在智能建造中起到“大脑”的作用。人工智能技术以智能算法为载体，对施工现场的多源多维数据进行分析，总结数据中隐含的规律，进而实现对施工过程的智能监测、预测、优化和控制。人工智能技术在施工中有以下应用，如图6所示。

图6 人工智能技术应用

进度管理方面，可利用人工智能技术进行施工进度的自动生成、优化和预测，如利用基于人工智能的推理模型来预测项目的生产力、利用进化模糊支持向量机预测变更引起的生产力损失、利用神经网络—长短时记忆模型估计工程竣工进度、基于图像识别的施工进度的自动识别等[73-76]。

质量管理方面，人工智能技术可进行施工过程控制和施工质量智能检测。对施工过程进行控制以保证质量，如预应力拉索的智能张拉、预测渗透注浆中水泥浆的结浆性能、预测大体积混凝土浇筑时的温度和温度应力变化、混凝土智能养护等[77-81]。利用人工智能方法对施工质量进行检查，如混凝土表面裂缝检测、混凝土振动质量实时监测等[82,66]。

安全管理方面，人工智能技术的应用集中于安全风险的识别和安全措施的检查方面，如施工机械操作员的疲劳作业检测、施工中不安全行为预警、安全帽佩戴检测、安全风险评估等[83-88]。

成本管理方面包括施工成本的预测和控制，如工程造价估算、机械数量的合理安排、辅助制定进度计划和资源配置方案等[89-91]。

人工智能技术可用辅助现场施工，如塔式起重机的自动化规划、施工过程中变形情况的监测和预测、隧道围岩的自动分级、施工机械位置和姿态的确定、机械工作参数的预测等[92-97]。

3.5 虚拟现实技术应用

虚拟现实(VR)是一种计算机仿真系统，可在其中创建和浏览虚拟世界。虚拟现实技术可以实现通过屏幕查看所不能达到的沉浸式体验，使信息的表达更加直观，有利于非专业人员快速理解设计意图。在土木工程中应用虚拟现实技术时，通常以BIM模型等为基础，导入到专用的虚拟现实软件中并制作成动画等形式，体验者通过虚拟现实眼镜等专用设备进行体验。但虚拟现实技术对计算机的配置要求较高，且需要专用软件和专用设备，限制了虚拟现实在土木工程施工中的应用。虚拟现实技术的应用主要在于应用其沉浸式体验的特点，其具体应用点如图7所示。

图7 虚拟现实技术应用

施工安全方面，通过建立虚拟现实安全体验馆，基于BIM模型呈现逼真的虚拟现实环境，在其中模拟安全事故的情景，并展示安全事故中错误和正确的操作，使施工人员身临其境地感受安全事故的危害，帮助施工人员规避安全风险，提高安全生产和自我保护的意识[98]。

技术指导方面，通过虚拟现实技术可以更直观地对施工操作过程进行展示，可使非专业人员更快地掌握操作要领，提高技术指导的效率。目前虚拟现实已应用于施工技术交底、大型机械操作培训、建筑设备安装指导等方面[99-102]。

虚拟展示方面，结合BIM技术，可身临其境地查看设计成果、工艺工法等，使体验者获得更加直观的感受。利用施工工艺的精细化BIM模型可创建虚拟现实工艺样板，具有不受场地限制、节省施工用地、节省样板费用、可重复利用等特点[103]。虚拟样板间通过建立工程完工后的高精度模型，在模型中进行虚拟漫游，提前体验工程完工后的效果[99]。虚拟现实技术还可用于查看设计成果，在虚拟现实软件中查看BIM模型[104]。

协同决策方面，虚拟现实技术可实现更加直观的成果展示，并可多人同时进行查看，便于进行协同工作。虚拟现实可用于施工场地布局规划工作，可进行碰撞检测、施工现场布局场景评估等[105]。通过虚拟现实提供的交互式沉浸环境，项目相关人员可与三维模型进行交互，进行协同深化设计[65]。

虚拟现实技术还可用于施工监控，在虚拟环境中查看不同时间和不同空间中工程的施工进度情况。在虚拟现实环境中查看进度模拟成果和实际施工进度，可直观展示项目形象进度[99]。也可对某一重点施工过程的施工情况进行查看[106]。

3.6 三维扫描技术应用

三维扫描技术以激光测距的原理为基础，快速获取物体表面大量而密集的点的坐标等信息，相当于一个高速测量的全站仪，其成果表现为点云数据。三维扫描具有非接触、高速测量、高精确度、高密度、穿透性、全自动等特点[107]。三维扫描可用于建筑物等的逆向工程，通过扫描工程实体获得的点云数据建立三维模型，与由模型通过加工制造得到工程实体的过程相反[108]。与全站仪相比，三维扫描仪可自动化地快速测量海量点的坐标，在常规方法需要较多控制点的异形结构测量中，可大大提高测量的效率。同时，与理想化的设计模型不同，点云模型真实反映了扫描对象的状态，包含了制造误差、施工误差、结构变形等信息。三维扫描技术的应用，主要是对获得的点云数据和点云模型的应用。三维扫描技术在施工中的具体应用点如图8所示。

图8 三维扫描技术应用

深化设计方面，以先期施工的土建等部分的点云模型为依据得到修正的BIM模型，进行机电、幕墙等的深化设计，可减少因施工误差引起的碰撞[108-109]。预制钢构件的点云模型可用于逆向建立构件三维模型，可在虚拟预拼装时考虑加工误差[110]。

变形监测方面，通过定期连续的扫描工作可获得被监测结构在不同时间的几何信息，进而获取被监测结构的变形情况。基坑工程中，三维扫描技术已应用于基坑本身的变形和基坑周边建筑沉降等的监测[111-112]。主体结构施工中，可用于施工过程中结构变形的监测，如钢结构建筑的变形监测、公路挡土墙位移监测等[113-115]。在隧道工程中，可通过点云数据监测隧道断面变化的情况，进而进行围岩变形的监测[110]。

质量检查方面，通过点云模型与设计BIM模型的对比，可在软件中测量出实际结构和图纸间的误差。应用于预制构件的几何质量检测，施工过程中安装精度的检查[107]，施工误差如平整度和垂直度、预埋件安装位置、幕墙板块安装等的测量[107,117-121]。高精度的三维扫描还可用于缺陷的检查，如外保温系统空鼓、脱落缺陷，混凝土表面剥落缺陷的检测等[122-124]。在质量检查的同时，还可利用逆向建模的方法建立与实际结构一致的模型，进行有限元分析以考察结构的受力变化[125-126]。

进度检查方面，三维扫描技术以其快速逆向建模的特点为快速数量统计提供了有效途径，如施工现场土方量等工程量的统计，还可与BIM结合确定各个施工阶段的工作量[127-128]。通过低精度的3D扫描设备可快速建立4D竣工BIM模型，通过连续的定期扫描检查施工进度[129]。

进行既有结构的改造修复等工作时，三维扫描技术可在设计图纸缺失的情况下对建筑结构进行复原，通过逆向工程的方法得到既有结构的BIM模型[130-131]。竣工测量中，在复杂结构的快速逆向建模中也有应用三维扫描技术[132]。

3.7 智能装备及建筑机器人

建筑施工的无人化、少人化意味着在施工过程中采用自动化的施工设备和技术。智能装备和建筑机器人可自动执行建筑施工工作，可以按计算机程序或人类的指令工作，代替或协助人完成施工任务[133]。在智能建造体系中，建筑机器人用于控制指令的执行。

在预制工厂中，预制构件生产具有制造业工厂生产的特点，生产环境较为简单，为智能制造技术的应用提供了便利，智能装备和智能机器人已广泛应用于预制构件生产工厂等场景，实现了预制生产的自动化。然而在现场施工中，建筑机器人通常面临现场计量不完善、公差较大、工件不确定性较大等问题，这与制造机器人十分不同[134]。与制造业另外一点不同在于建筑业施工现场采用产品不动、设备移动的生产方式，而施工现场较为恶劣的环境为智能设备和建筑机器人的移动制造了困难。对于传统的施工过程，建筑机器人的研发需要理解施工步骤背后的物理原理，且不同工序之间施工环境、施工方法、质量要求等存在很大差异，一般需要对不同施工过程研发专用机器人。这些问题对施工现场智能设备和机器人的应用带来了挑战，因此目前智能装备和建筑机器人在施工现场的应用不多，大部分施工过程仍以人工作业为主[135]。建筑机器人和智能装备在施工中的应用如图9所示。

图9 智能装备和建筑机器人

在工厂加工阶段，建筑部品部件生产的自动化、智能化程度已大大提高。自动化火焰切割设备、焊接机器人、智能化钢筋加工设备、混凝土浇筑机器人、PC构件加工流水线等自动化设备实现了钢构件、预制混凝土构件等预制部品部件的自动化生产，将部分现场施工的工序转移到了工厂中[136-138]。

对现有的施工机械进行智能化改造是实现土木工程施工自动化的途径之一。目前已有对推土机、挖掘机、装载机、压路机等设备进行智能化改造，增加自动控制模块，结合BIM、物联网、人工智能等技术，实现机械的自动控制，工人无需操作或仅进行简单的操作即可完成相应的施工过程。例如公路工程中使用的路面无人智能化集群施工技术，使用智能化的摊铺机、压路机等协同进行路面铺设；盾构施工中可实现混凝土自动布料、浇筑情况监控、自动化振捣等功能的智能化衬砌台车；在铁路工程中使用的智能化整平机、智能化铺轨机等[139-141]。

已有部分施工工序通过开发专用设备的方式实现机器自动或人机协作的施工方式。在工地测量和测设中，自动化的测量机器人已经较为成熟，可依据移动设备的指令或BIM模型，自动指向放样方位或追踪并指导棱镜移动直至到达放样点，已用于地下管线、高层建筑、钢结构工程、水电工程等的放样定位工作[142-145]。在隧道工程中，盾构施工也向着自动化智能化方向发展，如换刀工序中换刀机器人的使用实现了全自动换刀，完全代替人工换刀，避免了盾构换刀过程中工人的安全风险[146]。房建工程中，根据施工工艺的不同，在混凝土布料、地面抹平、砌砖、钻孔、地面研磨等工序已有相应类型的智能机器人投入现场使用[147-148]。

4 总结与展望

随着计算机技术的发展、智能建造理念的提出和推广，BIM，GIS、人工智能、物联网等新一代信息技术已大量应用于土木工程施工过程中。这些新一代信息技术极大地提升了土木工程施工的信息化水平，在一定程度上改变了施工管理的方式，使土木工程施工趋向数字化、智能化管理。信息技术的应用还扩展了施工管理人员的能力，实现了一些原本人工难以完成的工作，同时提高了施工和管理的效率。信息技术带来的另一个改变是在一定程度上消除了信息孤岛，使施工过程中产生的信息在工程参与各方之间快速流转，使得施工各参与方能够更快地对工程中出现的各种情况进行反应。智能建造技术可实现对工程建设的“智能感知、真实分析、实时控制”，实现了施工过程的智能化闭环管理。

然而智能建造尚处于发展的初级阶段，智能建造技术仍不能满足建筑业信息化、智能化转型的要求。具体表现可总结如下。

1)智能建造技术仍以单点应用为主，其应用点较为零散，集成度不高。目前智能建造技术在施工中的应用多聚焦于某一施工过程或施工管理的某一方面，也有部分项目采用了具有一定集成度的智能化管理平台，将部分施工管理流程信息化。但是目前仍少见集成度较高的智能化施工管理系统。

2)现有施工管理流程与方法存在不适应智能建造技术的方面。在推行智能建造技术的同时，也带来了新的管理流程和管理方法，但目前建筑业仍采用传统的管理方式对工程项目进行管理，智能建造技术有时会与现行管理规定等发生冲突，导致管理人员在采用智能建造技术的同时保留传统的管理模式，造成了浪费和冗余，智能建造技术带来的优势在一定程度上被抵消。

3)智能建造技术对于施工过程的感知和分析已有较多应用，但智能化装备和建筑机器人的应用仅限于部分施工工作，大部分施工工作仍由人工进行。同时由于不同施工工作使用的工艺不同，需对每一种工艺研发专用机器人，使得建筑机器人的应用较为缓慢。

展望智能建造技术及其工程应用的发展，可在以下几个方面取得新的进展。

1)智能建造技术应用的高度集成化。随着智能建造技术的发展，智能建造技术的局部应用将不断增多。可在大量局部应用的基础上开发集成化的智能建造管理平台，将施工管理全过程纳入平台之中，不仅为施工管理人员提供统一入口，同时有利于进一步消除信息孤岛，使信息更加流畅地在工程各参与方之间流转，提高施工管理的效率。

2)管理模式和管理制度的变革。智能建造技术的应用将带来管理模式等的变化，未来可通过创新管理模式，建立与智能建造技术相适应的管理流程和管理制度，使技术发展与管理变革形成合力，鼓励更多的建筑企业采用新的技术和管理模式。同时，随着智能建造技术进一步消除信息孤岛，参建各方在工程建设中产生的数据将进一步透明化，将为工程建设管理模式带来更加彻底的变革。

3)推动建筑机器人的研发和应用。可通过已经较为成熟的数据采集技术采集施工过程中产生的各种数据，分析施工工艺背后的规律和原理。可进一步研发适合机器人自动化施工的施工工艺，对传统工艺进行改变，从而将更多的施工工作自动化。

4)加强多学科联合。智能建造技术的发展不仅涉及传统的土木工程，还涉及机械、电子、计算机、信息技术、管理等多个学科。智能建造技术的发展需要由多个学科进行合作，充分利用不同学科的优势，促进智能建造新技术的研发。

智能建造是土木工程行业转型升级和高质量发展的重要手段。智能建造技术将随着信息技术的进步而获得更大的发展。智能建造技术将整合建设工程各阶段和各参与方，减少和消除信息壁垒，实现建筑物全生命期的高质量管理。

展望未来，智能建造不仅仅是一项通用技术，也将会成为信息化社会中人类建造和改造世界的方法论之一。智能建造还将成为支撑社会建设智能化和产业自动化转型的发展范式，智能化设计、智能化施工、智能化运维等智能化建筑技术将进一步推动社会建设的智能化转型，自动化工业、自动化农业等产业自动化、智能化技术将推动产业的自动化转型。同时，“模型+机理”是智能建造落地的关键所在，构建分领域、分行业的包含机理模型、信息驱动模型、物理实体、逻辑对象的智能建造模型全景图谱将助力智能建造技术的落地应用，真正发挥智能建造的价值。