智能建造模式下装配式建筑全过程管理研究

施秀凤SHI Xiu-feng

（广州城建职业学院，广州 510925）

0 引言

随着社会对高质量建造需求的不断提升，装配式建筑正迎来蓬勃发展的高潮。然而，在我国当前的装配式建筑探索时期，在实施的过程中也遇到了一些问题。首先，装配式构件生产种类尚不够精细，导致无法满足各类建筑需求。其次，缺乏专业性生产商，且施工效率、质量难以保证。同时，信息化程度低，设计集成度相对较低，各专业模型之间的协同不足，限制了装配式建筑的整体优势的发挥。另外，与传统现浇式建筑相比，装配式建筑的整体成本相对较高，这主要受制于生产、运输和装配等环节的费用。如何解决该些问题，已成为装配式建筑业发展的重难点。

21 世纪后，我国建筑业迎来了信息化发展的全新阶段，智能建造模式应运而生。智能建造作为一种创新的建筑方法，融合了数字化、自动化、物联网等先进技术，为建筑领域带来了深刻的变革和革命性的机遇。智能建造模式在建筑设计、施工、运维等各个环节都发挥着重要作用。在设计阶段，智能建造借助BIM 技术（建筑信息模型），实现了虚拟设计、协同设计，提升了设计质量和效率。在施工阶段，智能建造通过机器人、无人机、激光扫描等技术，实现了智能施工、自动化施工，大幅提高了施工速度和安全性。在运维阶段，智能建造通过物联网技术，实现了智能监测、预测性维护，延长了建筑的使用寿命。智能建造模式和装配式建筑相结合，通过综合应用各项信息技术，亦可有效提高装配式建筑全过程的管理水平和效率。

现阶段，已有一些学者针对智能建造模式下装配式建筑全过程管理的模式进行研究，如孙玉芳，吴霞[1]分析了BIM 技术和物联网技术在装配式建筑全过程质量管理过程的要点，并结合实例论述了BIM 技术和物联网技术的质量管控效果。王洁凝，刘美霞[2]在论证装配式建筑全过程管理流程优化需求的基础上，提出了应用信息化手段加强装配式全过程管理。徐鹏飞，李晋[3]论证了BIM 技术在装配式预制构件生产可实现精细化管理，结合Revit 软件的建模，可对施工过程进行实时跟踪，大幅度提高施工效率。综上，学者虽提出了将BIM 技术、物联网技术及相关信息化技术运用于装配式建筑全过程的管理过程中，但研究的重点仍局限于点，如运用要点的分析、运用建议的提出，未从全局角度论证智能建造模式下装配式建筑的全过程管理模式及应用效果评价。基于此，文章通过论证智能建造模式下装配式建筑全过程管理模式和全过程管理效果评价模型，以期可提高装配式的全过程管理水平，为装配式建筑高质量发展提供思路与参考。

1 概念界定

1.1 装配式建筑

所谓装配式建筑是指采用标准化设计，将楼梯、板与墙体等建筑构件在生产车间加工完成运抵施工现场，在施工现场将装配式构件进行拼接、组装形成建筑实体。装配式建筑倡导预制、安装与装修一体化建设，具有施工速度快、现场湿作业少以及绿色环保等特点；另外，装配式建筑与传统建造方式不同，装配式建筑在设计、施工、装修及管理等方面具有协同化、一体化、精细化等特点[4]。

1.2 智能建造模式

通过梳理研究文献可知，目前对于智能建造定义并不统一，针对已有研究文献对智能建造的理解，智能建造是指将建筑业与现代信息技术相结合，辅助建筑全生命周期中的智能化应用，包括建筑业全参与方及全要素，提升建筑数字化、网络化、智能化水平，从而提高建筑产品质量，最终实现以人为本、智能化的绿色可持续工程产品与服务。

1.3 装配式建筑智能建造全过程管理

装配式建筑智能化全过程管理是将现代信息化技术应用到装配式构件的设计、生产、运输、吊装等环节，充分利用信息化手段降低或消除施工中的深化设计、长距离运输以及二次搬运造成的效率低下问题，从而科学管控项目施工安全、质量、进度与成本。通过对装配式建筑全过程管理和控制，使整个施工过程的智能化建设和管理目标得以实现[5]。

2 构建研究框架

对于智能建造模式下装配式建筑全过程管理，文章将解决四个关键问题：①设计智能建造模式下装配式建筑全过程管理模式；②构建装配式建筑全过程管理评价模型；③实例验证；④提出装配式建筑全过程管理模式推进策略。基于该四个关键问题的解决，文章构建如图1 研究框架。

图1 智能建造模式下装配式建筑全过程管理研究框架

3 智能建造模式下装配式建筑全过程管理模式设计

3.1 构建整体框架

智能建造模式下装配式建筑全过程管理涉及组织管理、设计管理、装配式构件生产管理、装配式构件运输管理及装配式构件安装管理。在管理过程中，综合应用BIM、CAM、北斗监测、物联网、大数据等信息化技术，不断促进装配式建筑的精益建造与精细化管理，实现可持续发展[6]。（图2）

图2 智能建造模式下装配式建筑管理模式整体框架

3.2 组织管理模式

当智能建造模式应用于装配式建筑中时，合理的组织架构可以有助于实现项目的顺利进行和成功交付，图3 为关于文章构建的一个组织架构示例，可供参考。管理组织架构包括高层领导团队、项目管理团队、设计与工程团队、生产与制造团队、施工与装配团队、质量与安全团队及技术支持与培训团队。

图3 智能建造模式下装配式建筑管理组织架构

3.3 设计管理模式

装配式建筑作为一种综合性的建筑方式，需要在多个系统之间进行有效的协调和集成。而智能建造模式中BIM（Building Information Modeling）作为一个数字化工具，可以在装配式建筑的设计、施工和运维过程中发挥重要作用，提升效率、减少错误，实现一体化的设计管理。（图4）

图4 智能建造模式下装配式建筑设计管理模式

3.3.1 方案设计

方案设计阶段，使用BIM 创建建筑的三维模型，可视化不同方案的外观和空间布局，帮助设计团队和利益相关者更好地理解设计意图，创建不同的装配体系方案，模拟不同装配体系的效果，评估其空间利用率、施工效率和可行性，在BIM 模型中演示不同方案，帮助设计团队和决策者更好地理解和比较不同的装配体系[7]。

3.3.2 协同设计

设计团队可以通过共享BIM 模型，实现多学科的协同工作。建筑师、结构工程师、机电工程师等可以同时在同一个模型上协同设计，减少冲突和错误。此外，也可使用利用BIM 平台的自动碰撞检查工具，对各专业模型进行碰撞检测。这些工具可以自动识别模型中的冲突，如构件重叠、交叉等。检查结果会在模型中标注冲突区域，同时生成冲突报告，列出具体的问题和冲突类型。

3.3.3 施工图设计

设计团队基于BIM 模型可自动生成施工图，包括建筑平面图、立面图、剖面图等。可以将复杂的装配式构件智能化拆分为更小的制造单元，标记装配式构件的制造地点、材料、数量等信息。基于这些信息，BIM 可以自动计算预制率，即整个建筑中预制构件所占的比例[8]。

3.3.4 深化设计

BIM 模型可以在更深层次上对装配式建筑的构件进行详细设计，自动生成全套构件的加工详图，包括各个构件的尺寸、连接方式、加工要求等，分析预制构件的制造工艺，优化加工顺序、工艺流程等，提高生产效率，模拟构件的制造过程，预测可能的问题并进行改进。

3.4 装配式构件生产管理模式

在装配式构件生产管理模式中，采用CAM 技术可以与BIM 技术结合。计算机辅助制造（Computer-Aided Manufacturing，CAM）是一种利用计算机技术辅助实现工业制造过程的方法。CAM 技术可以与BIM 技术结合，实现装配式建筑的智能化加工，提高生产效率和质量[9]。

3.4.1 高度精准的构件加工

BIM 模型中包含了详细的构件几何和设计信息，CAM技术可以根据这些信息生成精确的数控机床程序，确保构件加工的精度和一致性。此外，CAM 技术消除了手动编程的需求，减少了人为错误的可能性。自动生成的加工路径和工艺避免了由于人为疏忽而引起的制造问题。

3.4.2 生产材料利用率的优化

结合BIM 的材料信息，CAM 可以优化切削路径和工艺，可以更精准地预测每个构件所需的材料数量，避免材料浪费和过剩，可以生成最优的切削路径，减少材料的切削损耗，提高材料利用率。

3.4.3 生产加工过程的监控和调整

CAM 系统可以实时监控加工过程，及时发现加工异常或误差，并进行调整，确保构件质量。当监控系统检测到加工异常时，CAM 系统可以自动调整加工参数，如切削速度、进给速度等，以纠正问题并保证加工质量。

3.5 装配式构件运输管理模式

在装配式构件运输管理模式中，采用物联网（IoT）和北斗导航系统相结合。基于物联网（IoT）和北斗导航系统的构件运输管理可以在装配式建筑项目中提高物流效率、降低运输成本，并确保构件按时到达施工现场。以下是实现这种管理系统的关键要点。

3.5.1 北斗导航系统

利用北斗导航系统追踪运输车辆的精确位置，实时监控构件的运输进程。北斗系统提供准确的导航和定位，有助于优化运输路径和避免迷路。

3.5.2 实时数据监控

物联网传感器和北斗系统共同提供实时的构件位置、状态和运输信息。这些数据可以在中心系统中进行监控和分析，确保构件的安全和准时运输。

3.5.3 路径规划和优化

基于北斗系统的导航数据，结合交通和路况信息，可以优化构件的运输路径，选择最佳路线，减少运输时间和成本[10]。

3.6 装配式构件安装管理模式

在装配式构件安装管理模式中，综合运用BIM、互联网、云计算、物联网等技术，实现施工过程的可视化、数字化以及精细化管理。

3.6.1 三维可视化模拟

借助BIM 技术的可视化特点，将不同施工工序逐步加入三维模型中，模拟整个施工过程的流程和时间线。可以从基础的地基施工开始，逐步添加构件、设备和细节，直至项目完成。

3.6.2 施工进度管理

施工进度管理是装配式建筑施工阶段的关键环节，通过综合运用BIM、云计算、移动应用等技术，可以实现施工进度的实时监控、调整和管理。

3.6.3 质量管理与验收

在装配式建筑的现场施工阶段，质量管理与验收是确保项目质量的重要环节。通过综合运用BIM、移动应用、数字化工具等技术，可以实现质量管理的数字化、智能化和精细化。

4 智能建造模式下装配式建筑全过程管理评价模型构建及应用

4.1 全过程管理评价流程

智能建造模式下装配式建筑全过程管理评价过程主要包括，选择评价指标，确定评价指标权重及综合评价。其中，评价指标权重文章采用熵权法，综合评价选择物元可拓评价法。

熵权法是一种基于信息熵理论的方法，旨在通过计算每个属性的信息熵，从而确定属性权重。物元可拓评价法，也称为“物元理论”或“可拓理论”，核心思想是将属性值进行分类，并引入“物元”的概念。在这个方法中，每个属性都被看作一个“物元”，而不是一个单一的属性值。每个物元可以包含多个属性值，这些值分别对应于不同的情境或条件，是一种定量化较高的评价方法[11]。

4.2 选择评价指标

基于前文的分析，文章基于组织管理、设计、装配式构件生产、装配式构件运输及安装五个维度构建了全过程管理评价指标。（表1）

表1 全过程管理评价指标

4.3 确定评价指标权重

本文以某房建项目（以下简称A 项目）作为研究对象，评价A 项目在智能建造模式下装配式的全过程管理工作。该项目为5 栋高层住宅，采用的装配式构件包括叠合楼板、预制楼梯、AAC 内墙与CF 外墙，装配率50%。

4.3.1 建立评价指标矩阵

假设存在m 个评价对象与n 个风险评价指标，其中矩阵元素rij表示第i 个评价对象在第j 个评价指标下指标值，评价指标矩阵B=（rij）m*n。

4.3.2 矩阵标准化处理

装配式项目风险评价指标体系中衡量各评价指标的量纲并不完全相同，因此，需进行标准化处理。对于评价指标而言，存在成本型指标与效益型指标两种情况。成本型指标可依据，2，3…n 进行转换，效益型指标可依据，2，3…n 进行转换，经过标准化处理后的评价矩阵R=（aij）m*n。

4.3.3 计算熵值

4.3.4 计算指标差异系数与指标权重

文章在对A 项目进行指标权重确定时，邀请5 位参与该项目的专家采用10 分制打分方式对各指标进行打分，通过计算各层次指标的信息熵确定指标权重，最终确定的评级指标权重如表2 所示。

表2 全过程管理评价指标权重确定

4.4 全过程管理综合评价

4.4.1 确定评价等级集

针对A 项目，文章采用评价五等级，即全过程过程管理质量很高、高、一般、低与很低，评语集可表示为V=（V1，V2，V3，V4，V5），其中V1表示质量很高、V2表示质量高、V3表示质量一般、V4表示质量低、V5表示质量很低。

4.4.2 确定经典域、节域

依据确定的等级V1、V2、V3、V4与V5，分别确定其对应的经典域R1、R2、R3、R4与R5，R1表示风险很高物元经典域、R5表示风险很低物元经典域，以此类推。令，其中i=1，2，…n，j=1，2，3，4，5，其中Nj表示五个等级，ci表示评价指标，vji表示风险评价指标的经典域[12]。

4.4.3 物元评价

应用物元可拓理论对A 项目全过程管理过程进行综合评价主要是通过计算指标关联度。假设存在一区间X0=（a，b）与区间内的任意一点M，则区间X0与点M 的简单关联函数可表示为，显然当x=M 时，取最大值1，特殊情况当M=（a+b）/2 时，k（x）=，因此，简单关联函数实质上是数轴上点到点的距离。在此基础上，关联函数表示任意点到某一区间的距离，即点与区间的位置关系，具体含义如下：假设存在任一区间X0=（a，b）与点x，则点x 与区间的距离可表示为。据此可确定各等级与评价指标的关联度函数值表达式，即Kj（vi）=，通过计算待评物元的关联度值以确定待评物元所处的管理等级。

通过邀请10 位全过程参与A 项目的管理人员采用9分制打分法确定评价模型经典域、节域进行打分，如表3所示。

表3 A 项目物元经典域、节域及指标平均得分

依据指标关联度公式计算指标关联度值，如表4 所示。

表4 A 项目评价指标关联度值

依据评价指标权重与关联度，分别计算指标评价向量，则二级指标评价向量：

则最终A 项目全过程管理评价向量（-0.374，-0.193，-0.107，-0.279，-0.466），依据最大隶属度原则可判定A 项目全过程管理水平等级一般，另外，组织管理、设计管理、装配式构件生产、运输与安装管理水平等级分别为一般、高、一般、很低、高，因此，A 项目作为典型的装配式项目在智能建造模式全过程管理中整体存在较大改进空间。

5 智能建造模式和装配式建筑全过程管理模式结合推进策略

基于智能建造模式下装配式建筑全过程管理评价结果，为促进全过程管理模式的推进，文章提出了如下推进策略。

5.1 政策支持

近些年，国家出台了相关政策推进装配式建筑和智能建造技术的发展，但由于发展时间较短，且发展经验不足，装配式建筑和智能建造技术的结合的规范标准尚处于空白阶段。因此，国家需要出台相关政策予以支持装配式建筑和智能建造技术的发展。如，提供装配式建筑和智能建造领域的财政补贴、奖励资金，鼓励企业投入研发和创新。设立基金支持创新项目和示范工程，推动新技术、新材料的应用。减免税收，降低装配式建筑和智能建造企业的税负。

5.2 人才支持

培养装配式建筑和智能建造技术的高端人才是推动这两个领域发展的关键举措之一。为了满足行业的需求，可以采取以下策略。开设相关专业课程和学位项目，在高校和职业教育机构开设装配式建筑和智能建造相关的本科、硕士、博士专业，培养各级别的高端人才。制定专业培养计划，设计针对装配式建筑和智能建造领域的专业培养计划，包括理论教学、实践项目和实习经验。实践教学和项目实训，与行业合作，将实际项目引入教学，为学生提供真实的装配式建筑和智能建造实践机会。产学研合作：建立学校、企业和研究机构的合作关系，开展联合研究项目和实际工程合作，提供学生实践锻炼机会。引进国际专家和资源：邀请国内外的专家学者、行业领袖等为学生提供讲座、指导，引入国际先进经验和知识。

5.3 管理机制创新

加强装配式建筑和智能建造技术管理机制创新，是确保技术的有效应用和发展的关键。以下是一些创新策略和机制，可以帮助推动这两个领域的管理机制创新：建立跨部门协作机制，设立跨部门的装配式建筑和智能建造技术管理机构，促进政府部门、行业协会、研究机构和企业的协同合作。创新项目评估和审批流程，设计快速、高效的项目评估和审批流程，鼓励装配式建筑和智能建造项目的快速落地，减少冗长的审批时间。引入第三方审核和认证，建立独立的第三方审核和认证机构，对装配式建筑和智能建造技术进行评估，提高技术的可信度和市场认可度。数据标准化与共享：制定统一的数据标准，推动装配式建筑和智能建造技术的数据共享，促进信息流通和协同。

6 结语

基于我国装配式建筑发展的研究及实施过程中出现的问题，文章提出了将智能建造模式和装配式建筑相结合，并构建了智能建造模式下装配式建筑全过程管理模式，包括组织管理模式、设计管理模式、装配式构件生产管理模式、装配式构件运输管理模式及装配式构件安装管理模式，且以某房建装配式项目为例，运用熵权法和物元可拓评价法相结合，对该项目的全过程管理过程进行了综合评价，提出了智能建造模式和装配式建筑全过程管理模式结合推进策略，以期可促进我国装配式建筑的发展。