智能化建造技术的研究与探索

房霆宸

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 同济大学土木工程学院 上海 200092；3. 上海超高层建筑智能建造工程技术研究中心 上海 200080

经过100年的发展，我国建筑业从早期的传统建造模式逐步发展为现在的数字化建造模式，并逐步往智能化建造方向发展。从各大高校相继设立智能建造专业，到各大企事业单位和研究机构相继成立智能建造研究所；从点上的智能建造技术研究与应用，到面上的智能建造技术体系的构建，大数据、5G、人工智能、建筑机器人、3D打印、工业互联网平台、智慧工地、智慧运维等智能化元素已不同程度地在各类工程中得到应用，尤其是2020年7月，中华人民共和国住房和城乡建设部等13个国家相关部委联合颁发的《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》中，明确提出智能建造与建筑工业化协同发展的智能建造产业体系，为我国的智能化建造研究、应用与未来发展指明了方向。智能建造已成为建筑行业时代发展的热点和重点，也是我国建筑业转型发展的关键和必然趋势[1-4]。

1 基于大数据和智能算力算法的建造技术

智能化建造的关键是建立大数据库，其核心技术是形成智能化算力算法。通过对不同建造过程应用场景所产生的大数据进行采集、处理和应用，基于大数据和业务逻辑形成智能算力算法和训练数据，以应用场景为载体，将大数据、智能化算力算法与建造技术、装备进行融合，赋予相关建造技术与装备智能化属性，进而实现智能化建造。如针对钢结构构件焊接质量检测问题，可通过开发基于图像识别技术的训练程序，研究深度学习训练模型库的构架与组成，建立钢结构构件焊接质量训练数据库，确定钢结构构件质量破坏算法公式和区间值，当检测的钢结构构件处于破坏区间时，系统会自动认为其不合格，可以快速检测出不合格的预制钢结构构件，提高成品检测效率。

2 基于图像识别和智能感知的建造技术

图像识别和智能感知是一门新兴的综合性学科，该技术在建造领域的应用就好比给建造过程的应用场景装上了“眼睛”和“知觉”，将极大地提高建造技术与装备的智能化水平。图像识别和智能感知是工程建造领域研究和应用的重点。首先，针对不同功能需求，基于计算机视觉方法和人工智能等技术，构建基于计算机视觉技术的深度学习模型，做好模型数据智能化降维与特征提取、模型轻量化、模型间智能关联、智能感知赋能等专项技术研究，进行不同应用场景图像识别和智能感知的算法设计和模型开发；其次，针对工程需要的不同应用场景，基于图像识别和智能感知的算法设计和模型，开展临边洞口安全检查、施工过程遮挡问题、构件质量检测、混凝土裂缝识别、人员心理和生理健康、施工机械设备、施工进度分析等专项场景的研究与应用。如在中山大学深圳校区工程中，可通过采用无人机倾斜摄影技术，进行大体量土方量的精确计算，为土方的快速开挖和运输提供支撑。

3 基于工业互联的智能控制技术

工程建造是一个系统工程，涉及的学科门类繁多，要实现智能建造，其控制系统的建立是关键。要发展智能建造，可以通过借鉴工业制造领域的先进技术和理念，结合工程建造过程中的专项场景应用，对工程建造所涉及的关键环节在互联网上进行控制和管理，可以显著提升工程建造的智能化水平。如针对基坑微变形控制，可开发基坑微变形主动控制监控系统，以土体位移、倾斜等变形量最优为调控目标，设立轴力主动补偿阈值，融入智能算法，当轴力达到临界值时，系统会主动进行支撑轴力的闭环动态调整，解决了传统支撑轴力单纯以轴力理论值为调控目标导致土体变形过大的问题；如针对主体结构竖向变形监测与主动控制技术难题，可通过总结和明确结构变形规律及其变形补偿算法，将实时监测值与理论预估值进行对比，自动生成优化方案，主动提醒施工及管理人员进行结构变形补偿，提高施工精度；如在施工质量与安全管理工业互联网平台上，可对关键监控部位进行算法控制，当系统数据超过临界值时，系统会主动采取相关措施进行预警和质量安全管理工作，第一时间解决安全风险，减少损失。

4 基于机器智能的建造技术

机器智能是制造业发展的高级阶段，是建造领域智能化发展的关键技术之一。机器智能在建造领域的应用很多，但碍于技术现状、建造成本和标准规范等综合因素，目前机器智能在建造领域以点上应用为多，面上和成体系的应用较少。从实际应用结果来看，其在作业人员不方便到达的区域、作业环境恶劣区域、危险工况区域等场景中的应用较成功。如上海中心大厦工程中，在300 m高空应用了焊接机器人技术，在逾300 m2地下冷冻机房机电运维中应用了智能巡检机器人，为超高空焊接和作业环境恶劣区域的施工提供了新方法；在国家会展中心场馆功能提升工程中，应用了智能遥控机器人安装车，微调精度达到±0.5 mm。

5 三维打印建造技术

3D打印建筑是今年新兴的一项建造技术，其打印系统主要由混凝土输料系统、混凝土布料系统和打印路径控制系统组成，打印建造时通过计算机程序驱动机器打印建造。3D打印技术对于建造领域的发展是一项变革性的技术，3D打印建造技术的应用对于结构复杂、造型特异、个性定制要求高的建筑具有独特优势。如上海迪士尼度假区工程，在各类复杂饰面工程、装饰部品等施工和制作过程中，应用3D打印技术，很好地解决了复杂预制构件和装饰部品快速高质施工的难题；在广东河源龙川县2层高3D打印精装别墅工程中，实现了墙体与室内装饰一体化打印，通过1 d打印、3 d安装，实现了快速高效建造；在迪拜“未来博物馆”的3D打印办公指挥总部工程中，探索了3D打印绿色环保建造方式。3D打印技术的应用对提高建造效率具有显著优势，但该技术在建造成本、工程质量方面还存在很多问题，其主要原因是打印设备和打印成本较高、建筑材料达不到高品质建造的要求、标准规范依据不足等[5-6]。

6 结语

智能建造是一门综合性学科，对制造技术和信息化控制技术要求比较高，不仅需要开展专项技术和装备研发，也需要信息化控制技术与大数据、智能化算力算法的融合，打造智能建造的大脑，赋予建造技术与装备智能化属性。为实现智能建造长期的持续发展，须加强顶层设计、加快标准规范和相关政策的制定，从具体场景的研究和应用入手，在解决实际工程问题中实现工程建造技术的智能化升级。