智能建造的理论框架与核心逻辑

于程水

中铁建发展集团有限公司

1 智能建造的背景

我国的建筑施工行业长期以来基本处于停滞不前的尴尬处境，劳动密集型的组织机制给我国的建筑行业带来了许多问题，例如在施工方面，这种管理机制会造成严重的资源浪费、施工效率低下、安全事故发生率较高、工程质量参差不齐等一系列问题，因此我国的建筑施工行业的管理模式急需转型。

1.1 信息技术对建造的影响

信息技术为第四次工业革命（工业4.0）时代的核心技术，该项技术正在渗透到社会生活、工作、学习中的各个领域中，伴随着计算机技术的发展，信息技术可以帮助我们对大量信息进行分析与判断，问题也可以简化为对不确定信息进行确定，而建筑建造所包含的海量信息也可借助计算机与信息技术等简化目前臃肿繁杂的流程，使得建造脉络变得清晰，信息流动变得通畅。其建造行业的发展的影响主要体现在以下几个方面。

（1）建筑行业的竞争力有所提升。建筑产品正在逐步进入精细化施工管理阶段，精细化施工不仅是一种施工方式，也是一种理念和一种文化，建筑行业施工方面的精细化是现代社会对建筑施工的必然要求，建立在常规的施工方式基础上，并将常规的施工方式引向更为深入的精细化施工模式，是一种以最大限度的减少对常规施工的后续维护修缮时间和资源，降低后续维护成本的施工方式。精细化施工虽然提升了建筑产品的精度，但并不能以无限长增加施工时作为代价，因此精细化施工这一技术需要足够的信息技术来支撑。

（2）增加了设计、施工、管理的便捷性。信息技术的使用和研发大多数基于互联网平台，而且许多地产公司都会利用可视化技术对施工方进行指导和管理，通过可视化平台，不用亲临施工现场便能直观的进行设计、校对、审核，这种可视化技术大大减少了时间成本。例如中石化SEI公司推行的工程设计集成化系统，设计过程中的三维模型集成了整个设计过程中的所有工程信息，该系统建立了标准的工作流程，保证了在项目进行中的标准化、规范化、系统化。与项目施工有关的各个专业在该系统中协同工作，实现了各个专业的施工信息统计，避免了各专业之间输入重复数据，提高了施工中的效率。

1.2 国内发展方向

近年来，我国越来越重视智能建造和信息技术的发展，用于建造过程的可视化监控与仿真模拟。工程建造过程中产生的大量数据，例如工程设计数据、建造过程监控数据以及施工企业信息系统的业务数据，构成了施工企业级的大数据资源，面向建筑施工领域的人工智能算法将通过对大数据挖掘分析，为项目管理知识发现及建造过程趋势预测提供决策支持。

随着工业4.0时代的到来，我国的智能建造技术正在飞速的发展并且取得的显著的成效，但在基础理论和技术体系方面，相对于国外来说，我国基础研究能力略显薄弱，虽然积极引进国外的先进技术，但是对于新技术的消化能力不足，并且缺乏自主创新能力。国外发展智能建造技术略早于我国，控制核心软件和技术，在重点前沿领域有较为成熟的发展。

在智能建造装备配备方面，国外基本已经掌握了关于智能建造的先进自主研发技术，我国对国外进口的智能建造先进设备依赖程度较高，智能建造的装置装备进口率高达50%。

在软件和硬件方面，我国较为重视硬件的发展，较为轻视软件的研发，缺少高端的软件产品，引用国外软件程序较多，而对于国外来说，软件和硬件一同发展是主要战略。

最后，在人才储备方面，我国缺少高端专业型人才，高校成立智能建造专业较晚，而国外起步较早，有较多的关于智能建造的复合型研究人才。

2 智能建造

2.1 概念解释

目前智能建造代表了一种智能科学技术下的新型建造模式，包括了从设计到施工以及后期管理的全周期的生产组织方式，使建造系统趋于简洁，达到优化建造过程、提高建筑品质的目的。智能建造并不指某一项技术，而是集合多种手段，形成一种不同于以往的高效的建造系统。

近年来，以建筑信息模型（Building Information Modeling）、物联网、大数据以及云计算为代表的新一代信息技术于人工智能技术正在逐步应用到建筑施工行业。

2.2 相关理论

目前，我国的智能建造基本包括机器人技术、工业大数据和区块链、建筑构配件智造、建机智造四大部分。

（1）人机协作。在建筑学领域，数字化的生产工具不断融入建筑建造的生产过程之中。建筑生产由高度依赖工匠本身的建造经验与对材料的理解的生产方式，到文艺复兴时阿尔伯蒂将建筑作为一门学科理论化和抽象化，通过制图来表达设计者的思考和意图，再由建造者依照图纸进行实施形成的建筑师与工匠含义的分离、设计与建造的分离，这导致了建筑师对建造的细节难以把控。而目前数字化技术的引入则打断了建筑行业高度分化与各专业逐步被分割隔离的进程，设计和建造之间的流通更加直接顺畅。以算法为核心的数字化平台可以从设计目标出发，依照特定的逻辑逐步推演出整个设计建造流程。建筑师根据模拟得出的建筑性能表现，借助多种人工智能方法如遗传算法、神经网络、多代理系统等，改进设计中表现不足的性能，完成设计的优化。

（2）工业大数据和区块链。机器人通过工业大数据和区块链两个核心技术，不断推动建筑行业的数字化、智能化、透明化发展。建筑的生产工艺和流程可以通过工业大数据进行一系列的优化，这种方式大大提高了建筑行业的生产效率，在签订建筑合同、施工设备租赁、施工资金结算等方面，可以通过应用区块链技术，通过手机等智能设备快速完成，简化了繁琐的步骤。

（3）建筑构配件智造。建筑构配件智能制造为钢结构的生产提供了更快捷方便的生产形势，这种方法可以满足钢结构精度更高、标准更高的要求，钢结构智能生产线基于机器人技术和BIM（建筑信息模型）进行研发，且我国具有46项自主技术研发的知识产权的智能生产线，该生产线的研发实现了从钢板到钢结构件的全数字化生产。

（4）建机智造。建机智造主要为建筑塔机片式标准节焊接自动化方案，该方案主要为批量运用机器人对片式标准节进行焊接处理，其中运用的专用反变形技术可以有效防治焊接变形，不仅减轻了工人的劳动强度而且提高了生产的产量和质量，起到了事半功倍的效果，增加了社会效益和经济效益。

2.3 基础与核心

智能建造相比于传统建造的优势在于其智能化的组织形式,以建筑机器人为核心工具，以人工智能为感知基础，通过信息融合与实际建造施工的信息反馈与动态调整,实现虚拟与现实的深度集成、实时反馈、决策优化与精准控制的智能体系，以应对建造过程中信息繁多、更新缓慢、协调配合不畅、资源浪费等问题。

3 智能建造关键技术

3.1 信息处理及可视化

数字时代的建造，需要进行分析处理的对象由物质变为了信息。面对复杂的建造系统以及大量数据，建筑师需要在不同层次上对其进行处理分析，在这个过程中信息的可视化就成了虚拟数字与设计物质化的桥梁。达到这一目的可采用的技术有高水平的增强现实（AR）和虚拟现实(VR)技术。虚拟现实指通过计算机创建一种可体验的虚拟仿真环境，是一种多源信息的融合，是交互式的三维动态视景和实体行为仿真；增强现实指的是把虚拟世界的信息与现实世界的信息集成在一起，并被使用者所感知，从而达到超越现实的感官体验。这些技术在复杂空间定位、人机协同工作等多种智能建造场景中有着巨大的潜力。

3.2 智能机器人

机器人技术主要为机械臂的各项应用，通过自主研发的机械臂控制系统进行各项操作，工作人员可以自由组合机器人的外部轴、机械手、工具、移动平台。这种通用的、开放的、多适应的特点使得它能承担多种多样的工作。这种多功能性可以使得它们被定制，通过计算机编程来完成不同的任务。目前在采用机械臂对各种材料进行加工成型、数字化建造、机械臂自适应空间的人机协作与交互式设计、3d打印等方面都有着广泛的研究。这些自动或智能的建造过程大大减少了人力的消耗，且在现在的数字时代，利用算法生形、参数化设计等对于复杂形体建造的精确度与施工效率是人力所不能及的。

3.3 3d打印的发展

3d打印技术最初被应用于产品制作，如打印珠宝首饰、工业产品、人体义肢等较小的部件；当其一体成型及制作方便的优点被建筑学所关注时，它就作为了一种新型建造方式拓展了建筑的发展。3d打印的材料可以采用建筑材料如混凝土、陶土、金属、木屑等；各种曲面等非线性形体也可以方便快捷地被建造出来。目前建筑的3d打印已有多个成功案例，清华大学建筑学院徐卫国教授团队于2020年，利用机械臂技术进行混凝土浇筑，建成了非洲低收入住宅的样板房，这项技术运用了“机器人3D打印混凝土移动平台”及“混凝土房屋快速建造体系”，均为徐卫国教授团队自主研发，建成了真正意义上的3D打印混凝土建筑。

3.4 人工智能

人工智能正在渗透到各行各业中，一些简单的指令与判断可以通过机器来完成，在一些方面人工智能甚至可以做得比人更优秀。依靠深度学习、大数据、数据可视化等技术，一些耗费人力的设计工作如小区规划、城市规划的前期分析、小区住宅楼的排布等都可以由人工智能来高效完成。依靠计算机处理数据的优秀能力，可以将建筑师从重复劳动中解放出来。在未来，随着人工智能的进一步发展，各种风格的建筑形式都可以依靠计算机自主学习来进行设计，通过对数据的分析，依靠学习的经验，给出合理的方案。在施工、管理、维护阶段人工智能也能发挥巨大的作用。

4 智能建造的未来展望

在5G、大数据、人工智能等信息技术的推动下，智能建造已经成为了建筑业发展的必然趋势。我国建筑业持续快速发展，规模也越来越大，但长期以来建筑业与先进的制造技术与信息手段结合不紧密，对时代发展的反应迟缓，工业化、信息化程度较低，智能化的施工装备也未能广泛应用，建造方式与管理模式急需升级。建筑业应借鉴高铁、航母等工业系统的工程管理组织模式，改革工程建设招标的体制，打造有利于智能建造产业发展的积极市场；应积极引入高新技术，加大对建筑科研的投入，加大对智能机器人、工业大数据和区块链、建筑构配件智造、建机智造等技术的研究力度，突破智能建造的关键技术；重视多学科交流，积极引入其他专业人才与技术，形成不同专业的融合，促进智能建造体系的整体功能的进步。

5 结语

信息时代正在越来越多地影响各行各业，建筑产业也急需变革升级。智能建造的发展将是一个复杂的过程，这不仅仅是各项技术的发展和应用，从生产组织形式、学科研究模式、人员管理方式、市场经营理念、行业管理和规则等各个方面都需要进行相应改革。当前还面临着许多认知的误区和组织模式上的障碍，这需要从行业的各项人员共同开放思想、积极实践，才能持续推动智能建造的蓬勃发展，推动建筑建造行业高质量发展。