智能建造在工程高质量发展实践中的探索与应用

文/黄海滨，刘锋，王石留，毛卫民，韩雨薇

摘要

智能建造是实现建筑业高质量发展的重要一环,论述了智能建造的必要性,通过对智能建造技术在工程实践中的探索,总结了建设过程中智能设计、智能制造、智能施工等关键技术的应用,以及目前存在设计标准化程度低、智能建造技术人员紧缺等主要问题,针对性地提出了智能建造可持续发展的策略。以期通过智能建造技术能有效提高施工效率,实现精益化管理,保障项目质量,助力工程项目高质量建设。

引言

随着我国人民生活水平的不断提高,人们对于工作和居住环境的要求越来越高,对于建筑的便捷性、安全性以及节能环保越来越重视[1]。智能建造作为新一代信息技术和工程建造的有机融合,是实现我国建筑业高质量发展的重要依托[2]。全面提高智能建造在工程管理中的实践应用,提升建设项目工业化、数字化、智能化和绿色化水平,打造与建筑工业化协同发展的产业体系,是推动建筑业转型升级的重要支撑。然而如何推动智能建造在实际工程上落地,如何促进数字设计和智能施工,正成为全行业面临的共同挑战[3]。

钱七虎[4]认为智慧建造(智能建造)是通过传感器、信息化的设备去全面感知,利用物联网、互联网的全面互联实现数据的高速和实时传输,再通过智慧平台进行数据的综合分析、处理、模拟等,从而辅助工程建设中的决策。工程实践中,通过智能建造的实施能对工程生产体系与组织方式进行全方位赋能,以智能建造平台为项目管理抓手,与所有生产和施工末端智能装备建立数据交互通道,实现设计、生产、施工全过程数据云计算、云存储、云共享,数据真实可信,信息可追溯可共享,形成数字化闭环,统筹智能建造EPC工程项目管理。

1 智能建造在建设过程中的应用

马智亮[5]认为智慧建造(智能建造)的典型应用场景为智慧组织、智慧设计、智慧制造和智慧施工。通过智能建造建设全过程关键技术论述,采用数字化协同设计建立立体的可视化工程模型,实现创新设计及优化设计并指导施工;通过打造建筑机器人工作站组成自动化生产线,实现预制构件的高质量制造和高效制造;通过物联网对预制构件进行全过程跟踪及数字化施工,实现高质量施工及高效施工。

1.1 数字化协同设计与施工关键技术

1.1.1 工程设计阶段

数字化协同设计以BIM技术应用为主线,云平台为枢纽[6]。工程设计阶段采用BIM正向设计,设计实现“图模一致”。建筑方案确定后利用BIM技术深化设计出图,优化建筑、结构、机电等专业设计的碰撞与节点,通过设计碰撞检查、节点提前优化、深化设计后、现场容易操作,大大减少了图纸会审及后期各专业交叉的设计变更。

1.1.2 预制构件深化设计

预制构件方案需根据铝模深化、结构构造施工、重量、运输、吊装等综合因素进行全面的深化设计,必要时进行合理拆分,优化钢筋及构造连接节点方式。

1.1.3 预制构件制造与运输

对于预制构件的尺寸偏差和预埋定位精度,以及保证构件质量所采取的措施,均可用BIM技术全部实现施工前模拟,确保出厂质量。预制构件重量及体积较大,运输途中存在安全隐患,运用BIM技术模拟深化,通过构造措施和新型运输托架相结合,加强运输安全性能。

1.1.4 预制构件安装

利用BIM技术对施工进行全过程模拟,实现全过程三维技术交底,可以做好施工前准备基础工作、施工吊装过程中的风险预测、安装后安全可靠性以及质量安全隐患的预测排查等。

杭州西站[7]屋盖结构提升过程中,采用BIM技术对被提升结构与其他结构在拼装、提升就位状态下进行杆件碰撞分析预测,并预留一定安全距离,成功防止了因现场拼装误差等导致的杆件碰撞现象。

1.2 打造基于IOT技术的自动化柔性工作站

以数字设计驱动生产,打造施工现场一键式模块化生产小屋,以工程人员计算机数字模型设计为基础,自动识别生成或人工编制提取面向生产设备的建造数据,依据建造数据需求通过IOT技术,对钢筋弯折一体机远程下达任务指令,对施工阶段内所需不同形状钢筋进行排产,管理人员可通过网络进行实时监控,生产过程中遇到问题可通过线上指令对生产设备进行远程控制。在钢筋弯折一体机任务完成后,由机器人配合弯折机进行转运下料,所有生产数据通过网络传送至线上管理人员,设备等待接收下一步生产指令。

针对工程量大、工艺复杂的情况,可预先通过计算机数字化模拟设计,将满足生产的设备、机器人、工装夹具及其他自动化设备进行模块化集成,大幅降低试错成本和生产风险、变更风险、返工风险,实现数字设计实物模块之间的快速连接部署,建设应用于施工现场端的智能化柔性工作站。同时,通过IOT技术应用,实现人员与设备、设备与设备间在线联动和高效协作,以提高自动化生产效率,构建数据驱动生产的数字营造工地的基础形态。

1.3 打造适配多种应用场景的自动化柔性生产线

基于施工现场的可移动性、柔性化、高精度等特点,搭建出一套新型的移动厢式建筑构建自动化柔性生产线。该生产线由模块化的建筑机器人加工站及其配套软硬件组成,可被运输和植入不同需求的项目施工现场,快速开展覆盖多品类、多工艺的建筑构件自动化柔性生产线。

建筑机器人工作站按照预先设计的计算机程序自动完成预设制造任务,可以减少构件制造环节的人工参与,使制造环节标准化、自动化,提高构件制造的效率。该生产线主要为切割工作站、焊接工作站及打磨工作站。

切割工作站(图1):通过切割技术搭配机械臂及工装夹具,可以实现快速下料,提高整体产线的稳定性、高效率、高精度、高质量等特点。切割机器人机械臂精度为2mm,保证焊接所使用物料精度更高。机械臂末端可搭配火焰切割、激光切割、等离子切割等不同种类末端执行工具,可适应不同物料。

图1 切割工作站

焊接工作站(图2):焊接工作站主要进行不同构件的焊接工作,同时此站点融合了视觉检测技术,提高焊接成品率;机器人附加地轨可兼容焊接多种尺寸钢材。

图2 焊接工作站

打磨工作站(图3):打磨工作站主要实现的是钢结构的焊缝、焊渣打磨,本站点机械臂末端执行工具采用浮动打磨头,其优势在于搭配不用磨料可以适应不同情况需求进行打磨工作,实现了柔性化工作的需求。

图3 打磨工作站

1.4 基于物联网对预制构件进行全过程跟踪

1.4.1 设计、生产全过程跟踪技术

基于BIM技术的构件数字化加工,直接从BIM模型中获取数字化信息传递加工厂,同时将数字化加工的成果反馈到BIM模型中,借助二维码,使用移动端(手机、平板电脑等)对预制构件生产过程进行把控,实现预制加工、运输全过程可追溯。

1.4.2 预制构件现场计划管理

运用BIM与物联网信息化技术联动,实现构件预生产、已生产的全过程信息化管理,根据施工模拟进度对构件厂提出生产需求,同时根据构件厂已完成的构件信息反向分析构件生产的位置、楼层等综合计划安排预制构件的进场时间,同时为施工进度模拟提供信息[8]。

1.5 智慧工地的应用

数字化施工技术通过数字虚拟建造,将生产对象、生产要素、管理要素等通过各类终端进行链接和实时在线,并对施工生产、商务、技术等管理过程加以指导、优化,提高工程建造的整体运营效率、管理效率和决策效率等,实现精益实体建造[9]。智慧工地是数字化技术的重要一环,是智能建造的“总装车间”[10]。智慧工地以建造全过程数据为基础,以“数字化、信息化、智慧化”技术为手段,结合建造过程“人、机、料、法、环”五要素管理需求,建立的业务模块涵盖项目人员、施工机械、物料、环境、进度、质量、安全等多方面业务数据,实现工程现场管理的数据驱动、情景模拟和动态管控,助力智慧决策[11]。

2 现阶段智能建造施工存在的问题

虽然国内智能建造领域已经积累了一些经验,但与发达国家相比,总体还处在碎片化的尝试阶段[12],结合广州某大型安置房建设项目工程实践,现阶段推动智能建造在工程中运用存在诸多障碍因素,其中设计标准化程度低和智能建造技术人员紧缺是最突出的两个因素。

2.1 设计标准化程度低

标准化设计是建筑工业化及智能化的基础,是发挥规模效应的基础,是控制成本的关键,是匹配智能建造核心设计方法。目前建筑市场存在多种设计标准系列和装配形式,导致工业化产品标准化程度较低[13]。由于设计标准化体系缺失,预制构配件和部品的标准化设计和规模化生产无法实现,智能建造优势不能充分发挥。

2.2 智能建造技术人员紧缺

智能建造对建筑工人素质要求较高,目前的建筑工人队伍却不适应现代产业发展需要,很多施工人员仍对智能建造的流程和技术不了解,企业也没有对其进行教育培训,总体素质仍有很大的提升空间。

同时,能够掌握智能建造关键技术的企业管理人员不足,研究表明[14]：智能建造技术人才短缺突出表现在智能设计、智能装备与施工等专业领域,今后10年高等教育每年至少需培养30万人。人才需求与培养数量之间存在巨大缺口,而我国各只有不足1/10的高校开设有智能建造相关专业[15];专业人才支撑作用有待提高,缺少高端的复合型人才,尚未建立相关人才的引进、培养与储备方案。

目前我国在智能化技术运用、理解、认知还不是很成熟,在生产和施工过程中还需要人员进行监管,针对如何实现建造全过程智能化以及培养智能建造专业人才等,还需更多的研究[16],同时存在市场不规范、管理制度不严格等问题[17]。

3 智能建造可持续发展的建议

(1)建设、信息、通信等管理部门应该扩大宣传,加大支持和协调力度,为智能建造发展营造良好的空间。在国家政策的指引下,建立智能化监督管理体系,使建筑工业化领域更加规范,按照智能建造建筑工程设计、施工、监理、验收以及运维相关技术规范和标准,对智能建筑行业的市场进行规范,构建公平竞争的商业市场体系,使建筑市场健康有序发展。

(2)加快建立统一的建筑工业化设计标准体系及相关审查机制,大力促进设计标准化,通过标准化设计减少预制构件和部品的种类,实现预制构件和部品的工厂化、规模化生产,降低建造成本,提高生产与施工效率[18]。

(3)培养适应建筑行业未来发展需要的创新型智能建造工程科技人才[19]。培养核心技术人才,构建适应行业发展需要的、拥有完整知识体系、实践体系和创新训练体系的人才培养方案[20],培养精通工程管理、工程技术、信息技术的复合型人才,为智能建造发展提供人才后备保障;加大社会培养力度,通过专家及专业委员会加强建筑业各界技术交流,促使建筑管理、设计、施工、监理以及验收等行业从业人员整体水平的提高;企业应建立长期有效的人才培养和激励机制,加强内部技术人员技能提升,鼓励企业与高等院校深化合作,与教育机构合作培训项目,提供专业认证。

4 结语

智能建造技术在不断发展,未来智能化建筑在我国占有的比例将会不断增大。加快推动智能建造与建筑工业化的协同发展,同时借鉴融合国外先进智能化建筑的应用成果,持续地对其进行改善,进一步提高施工效率、降低施工变更成本、精益化管理、保障项目质量,将极大助力建筑业的高质量发展,促进智能建造的可持续发展。

参考文献

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本文刊登于《建筑结构》2024年第24期，题为《智能建造在工程高质量发展实践中的探索与应用》；作者：黄海滨１，２， 刘 锋１，２， 王石留１，２， 毛卫民３， 韩雨薇１；单位：１ 广州机场建设投资集团有限公司； ２ 广州机场开发建设有限公司；３ 中建科技集团有限公司。可点击此处注册/登陆建科界，在《建筑结构》期刊版块中点击“期刊订阅”，进行订阅。

责任编辑：曹晓庆

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