智能建造推动建筑工程高效建设的探究

杨立斌

（宁夏第五建筑有限公司，宁夏 银川 750021）

0 引言

基于当前建筑行业的快速发展，应用于建筑工程建设中的施工技术水平不断提升。智能化技术、数字化技术、物联网等先进技术的发展应用，也为推动建筑工程的建设发展提供了技术方面的有效支持。基于这些先进技术提出的智能建造理念，是新时期推动建筑行业朝着智能化应用、信息化管理以及建造方式创新方向发展的重要指导。基于实际案例对智能建造推动建筑工程高效建设的情况进行分析，对促进建筑工程建设发展水平的提升具有积极的意义。

1 工程概况

项目位于银川市西夏区北京西路114 号，宁夏广电文化产业园东侧，框架剪力墙结构。总建筑面积共32500m2，总造价1.769 亿元，地下一层（带人防工程），地上13 层，局部14 层。位于城市闹市区，场地狭小，机电管线安装难度大，整体为中式建筑风格，医院项目系统复杂，项目中标后公司研究决定利用BIM 技术数字化转型覆盖项目全过程管理施工。该项目的建设对于进一步提升宁夏中医药医疗服务水平、改善人民群众就医环境、推动全区中医药传承创新和中医药事业高质量发展发挥积极、重要作用。

2 智能建造发展概况

智能建造是新时期基于先进技术发展趋势和情况，提出的一种能够将物联网、大数据、BIM、云计算等信息化技术与建筑工程建设结合起来，构建形成一体化管理体系，用于建筑工程施工管理的体系。在该管理体系的运行中，伴随各个施工阶段和施工技术应用产生的数据信息，能够作为项目整个生命周期规划设计与变更调整的重要参考依据[1]。

在建筑行业的发展中，智能建造主要能够通过BIM 技术、物联网技术、数字孪生技术、大数据技术、云计算技术来发挥作用，以技术集成和构建一体化管理系统的方式，实现对建筑工程建设情况的实时监控与管理控制。其中，BIM 技术主要发挥构建模拟建筑模型的作用，依靠建筑模型来支持施工模拟，验证各类施工技术的可行性，同时也支持信息共享，能够降低工程安全风险；物联网技术能够基于布设在工程现场的传感器设备获取信息，与云计算技术相互配合，可以达到对工程现场作业情况进行实时监控和管理的目的；数字孪生技术主要基于建筑全生命周期理论，对建筑工程建设中数据信息之间联系进行深入挖掘和处理；大数据技术强调对工程施工中涉及的海量数据文件进行高效处理，提升工程建设的效率效果；云计算技术是实现建筑工程智能建造的重要基础，能够为其他信息化技术的应用提供科学的数据信息分析支持[2]。

3 基于实例的建筑工程智能建造应用效果

智能建造本身是一种新型工程建造方式，将其应用于建筑工程建设中，主要围绕智能规划与设计、智能设备与施工、智慧运维三个基本的模块进行管理控制[3]。为进一步探讨智能建造在建筑工程施工建设中的应用效果，结合本文选择的案例工程，重点探讨案例工程中应用的智能建造管理体系与具体技术内容，从以下4个方面来验证智能建造对推动建筑工程高效建设发展的作用。

3.1 智能规划与设计

在智能规划与设计方面，基于高效建造的主要目标，案例工程在结合工程整体建设要求的前提下，主要采取智能建筑+产业工人的模式，应用地面整平机器人，地面抹平机器人、喷浆机器人、抹灰机器人、扫地机器人、焊接机器人、绿碳管家、BIM 等智能装备及系统，体现建筑工程的智能化特点和应用要求。

（1）在外墙铝板和石材幕墙施工时使用智能放样机器人，它具有自动放样与激光指示功能，更加适用于高空作业，远程操作，可以避免人员反复爬高，激光指示可快速获取顶板放样位置，将高空作业风险降到最低。外业测量数据可直接导入BIM 模型中，数据准确、对比清晰，并且可以自动导出放样误差报告[4]。放样机器人搭配三维激光扫描仪，利用高速激光扫描测量的方法，可大面积、高分辨率、快速地获取物体表面各个点的（x.y.z）坐标、反射率、（R.G.B）颜色等数据信息，为快速复建出1：1 直彩色一维点云模型提供的一种全新技术手段。

（2）喷浆机器人和抹灰机器人拥有高度的灵活性和准确性，能够适应不同的墙面形状和材料，并在短时间内完成大面积的抹灰工作，降低了施工过程中的安全风险，显著提高了施工效率，单套每天喷涂抹灰超过120m2，效率是普通人工的4 倍。为项目综合办公楼地下室抹灰作业节省劳动力超200 人次，质量合格率高达98.5%。

（3）在室内地面作业部分，由于地面作业范围较大，地坪施工精度要求高，主要应用激光整平机器人，履带式抹平机器人及四盘抹平机器人等，达到减小施工误差的目的。地坪表面平整度合格率达99%，人工节省超30%。形似蜘蛛外形的爬幕墙机器人，是一种专门用于幕墙玻璃检测的机器人设备，具有多项智能技术和功能，可在垂直墙面上爬行，并执行各种维修和检查任务。

3.2 智能设备与施工

在智能设备与施工阶段，主要考虑选择更能够体现智能化特点的设备和技术类型。在项目前期的现场勘察与信息采集分析阶段，主要应用经纬M300RTK 工程测绘无人机这一三维信息采集设备。该设备测绘范围单次可覆盖2km2，测绘距离可达到450m，高程精度达5cm，平面精度达10cm，同时实时生成点云，1：1 呈现精确施工坐标，复杂地形地理信息表达明确，能够为工程决策提供有力支撑。

在案例工程的实际施工建设中，也通过多种智能装备机设备的应用，实现数字技术与建造融合，推动传统建筑管理精细化、施工精准化、效益高效化、建筑工业化，创新驱动引领发展。具体而言，在工程建设中，主要通过钢结构、楼承板、幕墙、复合夹芯板、金属屋面板、综合支架、装配式机房等七大类型工业化构件的应用，提高施工质量和生产效率，节能环保[5]。在此基础上，也以创新应用全自动风管加工生产线的方式，将工厂搬入现场，在安装风管智能加工车间中，项目根据实际需求，设置了一套全自动风管生产线，将外加工转为自给自足，使风管加工更灵活，更大的节约了运输成本。通过物联网平台，对加工厂的人、材、机均得到有效管控，实现建筑工程工业化。

3.3 智慧运维

在智慧运维方面，则主要基于提升建筑资源利用效率，提升建筑运维管理水平，保障工程经济效益和社会效益的目标要求，以设计应用智慧工地系统的方式，实现对案例工程的规划设计和管理控制。具体而言，在设计智慧工地系统的过程中，主要基于先进的物联网技术，以构建信息采集层、网络接入层、网络传输层、信息存储与处理层的系统拓扑架构方式，将移动执法终端、塔式起重机作业产生的动态情况、工地周围的视频数据及时上传给综合管理平台。系统具体包括业务子系统、工地现场安全监督管理子系统、管理决策子系统、外网子系统、监督检测子系统5 个主要的部分，由综合管理平台对各子系统进行融合，进行报警联动等处理。各级管理部门可以及时准确了解工地现场的状况，将有效提高项目管理和现场管理的效率。

在智能建造目标的要求下，基于构建的智能建造协同管理子系统，设定组织行为协同要素R1，技术应用融合要素R2，过程智能关联要素R3，信息数据统一要素R4，资源动态集成要素R5，目标全局最优要素R6。通过专家访谈的方式确定6 个要素间的影响关系，进行矩阵运算，划分要素间层次。首先基于邻接矩阵直接表示各要素间的关系，如表1 所示。

表1 邻接矩阵

基于获得的邻接矩阵A，可以在加上单位矩阵I 的基础上，对可达矩阵进行计算。然后再对各个要素的具体等级进行划分，从而得到针对建筑工程智能建造协同管理子系统的模型层级关系，如图1 所示。

图1 协同管理子系统模型层级关系

结合这一层级关系结构，在第Ⅰ层级需要通过目标全局最优与资源动态集成来设定项目各个阶段和主要目标，从而在项目前期掌握工程的实际建设情况。由于目标协同管理本身是一个动态的过程，需要通过计算全局最优解的方式来提升协同管理的实际效果；在第Ⅱ层级，明确组织行为协同、过程智能关联以及技术应用融合三者之间的关系，注重发挥整体协同管理的最大化作用价值；在第Ⅲ层级，主要依靠信息数据的统一来确保智能建造协同管理的实际效果。以保障建筑工程智能建造业务流程中涉及的各项数据信息的互联共通、无损传输以及统一存储为主要目的，强调通过信息收集与整理来实现对各项信息数据的统一管理，从而保证系统协同管理的有序性和实际效果。

为实现对建筑工程现场施工情况的有效监控和管理，考虑采用混合网络硬盘录像机，兼容模拟摄像机和IP 摄像机，可采集串口信号、开关量信号，支持其他子系统的可靠接入，对环境监测、安全防范、门禁、消防等子系统进行集成。

系统集成改变了各系统独立运行的局面，满足了系统用户“减员增效”的需求。该技术不单是对各独立系统功能的简单叠加，而是对各功能进行了整合优化，并进行了智能关联。用户可以根据需要对各功能进行关联，满足规则后可以触发相应功能。同时，在系统设计中，也通过构建大型网络系统的J2EE 平台架构的方式，采用微核心＋插件技术、支持从PC、服务器到小型机的迁移，支持操作系统移植，支持服务器负载均衡技术，可以随着系统的规模不断扩大，通过简单的调整服务器的部署可以轻松实现从前端－市级监控中心－省级监控中心一直到全国范围的多层次的纵向延伸和多区域联网的横向扩展，而无须更换版本和产品升级。

3.4 数字化应用体现

智能建造在建筑工程施工建设中的体现，具体从劳务监控系统、视频监控系统、塔吊安全管理系统、环境检测系统、传输网络以及协同管理平台等方面入手。在考虑案例工程实际建设要求的前提下，主要基于以下情况来发挥数字化技术的功能作用。

在建筑工程协同管理平台的建设方面，以装配式建筑工程项目的协同管理为例，在结合案例工程建设要求和特点的前提下，为确保达到智慧建管建设标准，认真积极总结经验，不断提升建筑管理科学化、规范化水平。建筑智能建造协同管理平台架构如图2 所示。努力完成智慧工地“6+X”物联网设备模块接入模式，实现数据互联互通。项目设备安装对接完成后，实现了施工作业人员智能化综合管理、各类人员培训教育考核线上一体化，同步实现施工现场远程监控和视频巡逻、环境监测设备与现场降尘设施智能联动，有效预防施工安全事故的发生，实现预警信息和实时信息与监管系统互联互通。

图2 建筑智能建造协同管理平台架构

综合运用BIM、物联网、大数据、移动通信等技术手段，通过本项目高清摄像头监控信息与BIM 协同管理平台进行联动，方便管理人员及时了解建筑工地现场施工实时情况，及时消除隐患。

4 结语

综上所述，智能建造在推动建筑工程高效建设发展方面发挥着重要的作用。在实际的工程建设中，应能够基于工程建设的要求和现场情况，以智能建造理念作为工程建设的指导思想，强调智能技术、数字化技术等在工程建设与管理规划中的应用，以新兴技术集成的方式来有效提升工程建设质量和效率，进而将其作为推动建筑业高质量发展的有效动力。