建筑工程數(shù)字化施工技術(shù)研究與探索

房霆宸 龔 劍

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 同濟大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；3. 上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心 上海 200080

近年來，數(shù)字化已成為時代發(fā)展的熱點，深刻影響和改變著各行各業(yè)，極大地促進了數(shù)字化施工技術(shù)的發(fā)展。美國、德國、法國和英國等發(fā)達國家高度重視數(shù)字化發(fā)展，已將其放在了國家戰(zhàn)略層面。其間，數(shù)字化地球、數(shù)字化城市、數(shù)字化制造、數(shù)字化建造等概念不斷提出，內(nèi)涵不斷完善。

我國作為全球制造大國和建造大國，也高度關(guān)注和重視數(shù)字化戰(zhàn)略發(fā)展，從《中國制造2025》到習(xí)近平總書記提出的數(shù)字化中國，再到2020年頒布的“新基建”，都透露著黨和國家對于數(shù)字化創(chuàng)新發(fā)展的重視。尤其是2020年以來，面對突如其來的新冠肺炎疫情，加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大力發(fā)展數(shù)字建造產(chǎn)業(yè)，不僅是響應(yīng)黨和國家的數(shù)字化發(fā)展戰(zhàn)略號召，也是應(yīng)對疫情不利影響、推動經(jīng)濟平穩(wěn)運行的重要手段。聚焦“新基建”，著力提升技術(shù)創(chuàng)新動力、培育經(jīng)濟發(fā)展新動能，對于建筑行業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新發(fā)展具有重要的意義[1]。

關(guān)于數(shù)字化施工，暫時還沒有統(tǒng)一的概念。作者經(jīng)過研究認為，數(shù)字化施工主要是通過人與信息終端交互進行，數(shù)字化表達、分析、計算、模擬、監(jiān)測、控制工程建設(shè)過程，同時構(gòu)建全過程的連續(xù)信息流，輔助工程建造[1]。數(shù)字化施工的本質(zhì)在于以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，驅(qū)使工程組織形式和建造過程的演變，最終實現(xiàn)工程建造過程和產(chǎn)品的變革。

從外延上講，數(shù)字化施工是以數(shù)字信息為代表的新技術(shù)與信息驅(qū)動下的工程建設(shè)方式的轉(zhuǎn)移，包括組織形式、管理模式、建造過程等全方位的變遷[1-5]。

1 基于數(shù)字化技術(shù)的施工準備

施工準備階段，可以通過參數(shù)化建模模擬施工場地規(guī)劃，直觀再現(xiàn)整體情況，主要是基于BIM對施工塔吊、施工電梯、大型機械、混凝土泵等進行規(guī)劃、布置和協(xié)調(diào)。

1.1 施工塔吊的規(guī)劃

可以利用BIM進行塔吊的參數(shù)化建模，并引入現(xiàn)場的模型進行分析，以3D視角來觀察塔吊狀態(tài)，便捷地調(diào)整姿勢以判斷臨界狀態(tài)，確保塔吊安全運行。同時，通過修改參數(shù)，分別將模型調(diào)整至塔吊的臨界狀態(tài)，參考模型指導(dǎo)塔吊的安全運行。

1.2 施工電梯的規(guī)劃

可以利用BIM模型直觀地判斷出施工電梯位置與建筑物結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系，以及今后場地布置中與人流、物流疏散通道的關(guān)系。在既有建筑物BIM模型的基礎(chǔ)上，模擬施工電梯的安裝、升節(jié)、拆除，施工總體布置及總包管理等相關(guān)內(nèi)容，生成施工電梯使用手冊，指導(dǎo)施工電梯的裝拆及使用、總包管理。現(xiàn)場施工時，根據(jù)主要材料統(tǒng)計數(shù)量、運輸情況以及運輸完成需要的總天數(shù)建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并基于BIM動態(tài)模擬分析各類材料運輸路徑和耗能量，分析、制定和優(yōu)化施工電梯使用方案，確保施工電梯高效安全運行和綜合能耗最優(yōu)。

1.3 大型機械的規(guī)劃

根據(jù)現(xiàn)場施工進度的調(diào)整，可以利用BIM技術(shù)同步調(diào)整大型設(shè)備進出場時間節(jié)點，優(yōu)化大型設(shè)備進出場時間控制精度，明顯提高調(diào)配效率，節(jié)約成本和工期。

1.4 混凝土泵的規(guī)劃

可以采用虛擬仿真技術(shù)，建立完善的混凝土泵模型，計算統(tǒng)計混凝土需求量，估算每次澆筑混凝土的總量；結(jié)合仿真計算，科學(xué)合理地制定混凝土泵規(guī)劃方案，優(yōu)化和確定混凝土泵送管徑選型、輸送壓力設(shè)置、泵管布置、泵管固定和連接方式、混凝土澆筑流程和方案。

1.5 一體化深化設(shè)計和施工出圖

可以采用BIM技術(shù)進行施工組織設(shè)計模擬，通過細化、檢查、糾正和優(yōu)化方案，確定最優(yōu)的施工作業(yè)方式；采用BIM技術(shù)進行鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計，通過細化、檢查、糾正和優(yōu)化鋼構(gòu)件、節(jié)點的構(gòu)造方式，可以很好地提升施工質(zhì)量、降低施工難度；采用BIM技術(shù)進行機電深化設(shè)計，整合建筑、結(jié)構(gòu)、機電等專業(yè)模型，進行設(shè)備、管線的碰撞檢查和布設(shè)，實現(xiàn)綜合最優(yōu)；采用BIM技術(shù)進行幕墻深化設(shè)計，完善幕墻、節(jié)點、擦窗機模型，可以很好地優(yōu)化方案、細化表達，進而實現(xiàn)精益建造安裝。比如，在上海中心大廈工程結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中，通過采用BIM技術(shù)，打破了鋼結(jié)構(gòu)深化、土建結(jié)構(gòu)深化、幕墻深化、機電深化等各專業(yè)之間的技術(shù)壁壘，不僅能檢查出結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點和構(gòu)造深化過程中的碰撞問題，還能檢查出與其他專業(yè)界面搭接之間的碰撞問題，將問題解決在圖紙深化設(shè)計階段，顯著提高了工程質(zhì)量和效率，有效降低了成本。

2 基坑工程數(shù)字化施工技術(shù)

2.1 超深地下連續(xù)墻施工數(shù)字化模擬技術(shù)

進行地下連續(xù)墻成槽施工前，可以按實體土層情況建立三維實體模型，土層材料參數(shù)按地勘資料取值，模擬地下連續(xù)墻槽段開挖出泥施工；施工時實測槽段側(cè)向變形平均值控制在10 mm以內(nèi)。成槽結(jié)束后，對槽壁情況進行超聲波檢測，以確定每幅槽段的成槽質(zhì)量和槽壁穩(wěn)定情況，為施工工藝優(yōu)化和施工質(zhì)量保證提供條件。同時，還可以基于Abaqus等有限元軟件進行數(shù)值模擬分析，模擬驗算鋼筋籠整體穩(wěn)定性，確定主要受力部件及連接點的受力和變形情況，確保鋼筋籠吊裝安全高效進行。

2.2 基坑工程數(shù)字化施工技術(shù)

針對承壓水減壓降水環(huán)境影響模擬技術(shù)，可以采用Abaqus等有限元軟件，建立關(guān)于多層松散含水層組地下水的三維滲流有限元數(shù)值模型和三維滲流與土體變形全耦合地面沉降有限元數(shù)值模型，仿真模擬分析承壓水減壓降水對周邊環(huán)境的影響，預(yù)測預(yù)報基坑降水的環(huán)境效應(yīng)，優(yōu)化深基坑工程的降水設(shè)計和降水方案。進行承壓減壓降水控制時，可以采用承壓水減壓降水實時監(jiān)測技術(shù)，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、儲存、傳輸，實時獲取地下水位的動態(tài)變化規(guī)律，指導(dǎo)降水運行；同時采用基坑降水自動化監(jiān)控系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)管理與分析，實現(xiàn)安全評估和預(yù)警反饋。

針對深基坑變形環(huán)境影響模擬與支護技術(shù)，可以通過建立三維流固耦合有限元模型分析基坑變形，系統(tǒng)模擬基坑開挖過程對環(huán)境的影響，對于指導(dǎo)基坑設(shè)計具有很好的作用。針對基坑變形控制，采用了基坑變形可視化監(jiān)控與預(yù)警平臺系統(tǒng)，主要是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立了基坑變形監(jiān)控與預(yù)警平臺系統(tǒng)，通過集成圖紙互動管理、監(jiān)測與控制、專家決策分析、超前預(yù)警與安全評估等功能，可以實現(xiàn)工程施工遠程監(jiān)測預(yù)警，動態(tài)掌握施工過程中深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形及其災(zāi)變演化的實時數(shù)據(jù)和變形狀況，并實施災(zāi)變預(yù)警，以便確?；庸こ痰陌踩ㄔ?。

3 主體結(jié)構(gòu)數(shù)字化施工技術(shù)

這里主要從大體積混凝土裂縫控制、超高泵送混凝土、鋼結(jié)構(gòu)安裝、機電管線安裝、裝飾構(gòu)件拼裝等幾個方面進行介紹。

3.1 大體積混凝土裂縫控制模擬和監(jiān)測技術(shù)

在大體積混凝土施工時，可以采用混凝土數(shù)字化裂縫控制技術(shù)，通過基于混凝土彈性模量、溫差變化規(guī)律、澆筑體長度和厚度、水平基底阻力系數(shù)等進行大體積混凝土澆筑裂縫控制的有限元模擬分析，同時對混凝土澆筑施工時的溫度場及溫度應(yīng)力影響進行模擬分析，基于模擬結(jié)果對比分析確定混凝土澆筑方案。澆筑施工時，可采用大體積混凝土無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，通過綜合運用設(shè)備遠程控制、溫度實時采集、數(shù)據(jù)無線傳輸、云端數(shù)據(jù)實時處理及顯示等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)大體積混凝土動態(tài)監(jiān)測，防止溫度裂縫的產(chǎn)生。

3.2 超高泵送混凝土模擬技術(shù)

在混凝土超高輸送施工前，可以采用混凝土超高泵送虛擬仿真技術(shù)，基于建立的超高泵送混凝土的流變力學(xué)模型和幾何模型，通過CFD軟件進行混凝土超高泵送全過程的仿真模擬，以指導(dǎo)泵管的選型和施工作業(yè)。如在上海中心大廈工程中，通過采用CFD軟件模擬顯示，泵送壓力損失隨著混凝土流速增大而增大，呈線性變化規(guī)律，該規(guī)律很好地指導(dǎo)了實際泵送過程中混凝土流量選擇；模擬中同時發(fā)現(xiàn)，對于塑性黏度較大的混凝土，增大泵管管徑，泵送壓力損失降低幅度更大，經(jīng)過對比分析，表明150 mm管徑的泵管更有利于降低高性能混凝土的泵送壓力損失，為泵管的選型提供了很好的參考作用。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝虛擬仿真安裝技術(shù)

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)工廠實物預(yù)拼裝需要占用大量的人力、物力，對時間和場地要求高，工廠預(yù)拼裝也無法滿足工程施工進度的要求。針對這一難題，可以采用基于BIM的三維可視化控制技術(shù)，對鋼結(jié)構(gòu)安裝實施三維可視化預(yù)演和現(xiàn)場實時監(jiān)控，根據(jù)信息化模型模擬鋼結(jié)構(gòu)安裝流程、臨時支撐安裝與拆除順序、伸臂桁架層終固等過程，形成最優(yōu)安裝流程；同時根據(jù)信息化模型，采用虛擬拼裝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物預(yù)拼裝，實現(xiàn)加工與安裝的數(shù)據(jù)化聯(lián)動。如在上海中心大廈鋼結(jié)構(gòu)施工中，針對有整體特性的大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通過整體模型信息化預(yù)拼裝，將每一個接口相關(guān)的實測數(shù)據(jù)提取出來進行對比，檢驗接口部位的實際間隙是否符合規(guī)范要求。當(dāng)數(shù)據(jù)超出規(guī)范要求時，對超差部位進行整改，可以很好地達到實體預(yù)拼裝的效果。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)安裝監(jiān)測控制技術(shù)

可以采用預(yù)變形模擬安裝方法，對鋼結(jié)構(gòu)垂直高度壓縮變形、收縮徐變標高補償進行計算預(yù)測，并結(jié)合實時監(jiān)測的綜合變形差異及時調(diào)整控制鋼結(jié)構(gòu)安裝方案。采用基于施工過程控制、運營維護全壽命期的健康監(jiān)測控制系統(tǒng)，可以很好地實現(xiàn)施工控制、運營維護一體化數(shù)據(jù)共享和無縫銜接，通過標高補償和差異變形協(xié)同控制技術(shù)使鋼結(jié)構(gòu)的施工狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)一致，提升鋼結(jié)構(gòu)安裝精度。

3.5 機電安裝工程數(shù)字化建造技術(shù)

3.5.1 基于BIM的綜合管線優(yōu)化布設(shè)

在機電管線安裝之前，基于BIM技術(shù)采用數(shù)字化模型協(xié)調(diào)機電安裝各專業(yè)之間的矛盾以及與土建的矛盾，對機電管線安裝空間以及設(shè)備安裝位置進行標高分析及空間優(yōu)化，實現(xiàn)綜合管線布留、支吊架布局等最優(yōu)的設(shè)計目標，提高機電深化設(shè)計、加工及安裝的質(zhì)量與效率，解決預(yù)留洞與暖通管高度不一致、管線綜合高度不合理、重復(fù)開孔、凈空高度不足等問題。

3.5.2 機電設(shè)備數(shù)字化現(xiàn)場虛擬拼裝模擬

可以采用Navisworks模擬功能和三維動畫展示功能，通過Navisworks軟件對整個施工機電設(shè)備進行虛擬拼裝模擬，能很好地幫助現(xiàn)場管理人員對部分施工節(jié)點的預(yù)演及虛擬拼裝進行有效控制；可以利用三維動畫對計劃方案進行模擬拼裝，更好地理解、改進、優(yōu)化進度計劃方案。

比如在鋼結(jié)構(gòu)吊裝、大型設(shè)備吊裝、機電管線安裝等過程中，通過虛擬拼裝向該項目管理人和專家討論組提供分專業(yè)、總體、專項等特色化演示服務(wù)，使感受更直觀，有利于優(yōu)化施工方案，為工程的順利竣工提供保障。

3.5.3 機電設(shè)備現(xiàn)場安裝數(shù)字化控制技術(shù)

在機電設(shè)備現(xiàn)場安裝時，可以采用基于二維碼的現(xiàn)場安裝控制技術(shù)，通過二維碼掃描獲取管配件安裝具體位置、性能、物理、廠商參數(shù)等信息，同時采用二維碼安裝控制技術(shù)便于施工以及檢查，對于提高工作效率和安裝精度具有很好的輔助作用。

3.6 裝飾構(gòu)件數(shù)字化加工及安裝技術(shù)

3.6.1 裝飾構(gòu)件的數(shù)字化加工及安裝

室內(nèi)裝飾可以利用BIM技術(shù)進行模塊化設(shè)計與加工制作，有利于減少現(xiàn)場作業(yè)量，快速實現(xiàn)三維定位，解決藝術(shù)構(gòu)件加工困難及現(xiàn)場裝配化精準度問題，保證施工的準確性，提高室內(nèi)裝修的質(zhì)量與效率。比如對復(fù)雜裝飾構(gòu)件進行BIM建模，并將模型轉(zhuǎn)換成3D打印機或者雕刻機可接受的格式進行打印或雕刻，有利于克服人工無法作業(yè)完成的施工難題，在提高作業(yè)精準度的同時大大縮短作業(yè)時間。

3.6.2 基于BIM的玻璃幕墻工程深化設(shè)計與設(shè)計協(xié)同

可采用基于BIM技術(shù)的一體化深化設(shè)計工作模式，生成深化圖紙，有助于彌補設(shè)計深度不足的缺陷，解決節(jié)點、系統(tǒng)細部深化設(shè)計難題。通過BIM技術(shù)生成細部深化設(shè)計圖紙，驅(qū)動所有板塊的模型自動生成，可有效降低深化設(shè)計過程中的出錯概率以及加工圖、加工模型建模的工作量。

3.6.3 基于BIM的玻璃幕墻虛擬仿真分析

可以采用BIM技術(shù)分別建立鋼結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻模型，之后進行合模，分析、判斷和解決鋼結(jié)構(gòu)與幕墻軟、硬碰撞的問題，以及工藝尺寸的問題。比如在上海中心大廈工程中，通過采用Inventor對單元板塊拼裝流程進行仿真分析，最終將整個外幕墻單元板塊拼裝流程從121步優(yōu)化為78步，大幅簡化了施工流程，提高了施工效率。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，確保了上海中心大廈2萬余塊大小不一的曲面玻璃幕墻的精確安裝。

4 模架裝備數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)

整體鋼平臺模架裝備是超高層建造的關(guān)鍵裝備。該裝備在空中施工的控制難題極大。針對這一難題，可采用虛擬仿真技術(shù)對模架裝備各系統(tǒng)進行參數(shù)化建模、標準模塊化設(shè)計、虛擬仿真拼裝、裝備與結(jié)構(gòu)合模的可視化仿真建造，進而實現(xiàn)數(shù)字化的虛擬仿真設(shè)計、制造和施工。針對整體鋼平臺模架復(fù)雜結(jié)構(gòu)層施工，可通過建立建筑物及施工輔助設(shè)施的完整模型，分析建筑施工全過程中整體模架體系與建筑物及其他施工輔助設(shè)施的相對位置關(guān)系，協(xié)調(diào)施工過程中相互之間可能產(chǎn)生的矛盾。針對鋼平臺施工過程中的協(xié)同管控難題，可采用整體模架裝備施工監(jiān)控系統(tǒng)，對整體鋼平臺模架施工作業(yè)全過程進行實時監(jiān)測及可視化控制，提高模架裝備的風(fēng)險防范性能。

5 數(shù)字化施工過程管理

5.1 施工進度的編制、審核和對比

可以利用BIM模型的4D、5D功能，對施工方案、物資供應(yīng)、勞動力調(diào)配等施工進度的關(guān)鍵要素進行模擬，為施工方案的優(yōu)化、施工現(xiàn)場的管理以及相關(guān)決策提供指導(dǎo)和幫助。通過利用BIM模型4D、5D功能的統(tǒng)計與模擬能力，有利于改變以往粗放的、經(jīng)驗估算的管理模式，實現(xiàn)精細化管理和施工進度編排的最優(yōu)。施工過程中可以動態(tài)地進行工程橫道圖計劃BIM預(yù)演、各道工序?qū)徍?、計劃進度與實際進度對比，及時掌握和調(diào)整施工進度計劃，以便安排下一階段工作計劃，提高工作效率和質(zhì)量。

5.2 基于三維可視化模型的施工過程控制技術(shù)

可以采用三維可視化模型演示系統(tǒng)，從體驗到管理對項目進行危險預(yù)判，漫游深入建筑內(nèi)部任意位置了解情況，依據(jù)真實、形象的三維模型協(xié)調(diào)和控制施工過程；從體驗到管理對項目施工計劃進行分析，利用手持電子設(shè)備（iPad）隨時調(diào)用所需模型，及時動態(tài)地掌握施工質(zhì)量和施工進度，指導(dǎo)下一階段施工。

5.3 基于項目管理的三維可視化協(xié)同管理平臺

可以采用三維可視化信息交互平臺進行工程項目管理，將溝通工作通過信息化平臺完成，將信息化技術(shù)的應(yīng)用點集成到網(wǎng)絡(luò)平臺，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上共享數(shù)據(jù)信息。采用信息化平臺的好處是：在平臺上，各參建方可以在網(wǎng)頁上瀏覽圖紙、模型、方案、施工模擬、施工進度等信息，并可在模型上進行批注、測量、討論等操作，平臺會對所有人員的操作進行記錄和同步更新，進而使溝通實現(xiàn)了有據(jù)可循，有利于節(jié)省溝通成本，提高工程管理水平。

5.4 數(shù)字化材料采購管理和物流跟蹤

可以采用可視化物流智能管理系統(tǒng)對工程材料進行管理，主要是采用可視化的方法對施工材料物流進行管理，通過建立材料信息數(shù)據(jù)庫，包括材料的分類、編碼、數(shù)量以及材料運輸計劃等各類信息，為材料管理和分析提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。施工過程中采用二維碼、移動終端等技術(shù)，對材料運輸?shù)墓芾砩暾?、回?zhí)和三級倉儲等工作流程進行管理，并實時采集材料運輸過程中的各項信息。將該信息納入數(shù)據(jù)庫，通過系統(tǒng)平臺可隨時查詢、分析和處理相關(guān)信息，為后續(xù)的材料運輸和物流管理方案制定提供依據(jù)和指導(dǎo)，實現(xiàn)對材料運輸和現(xiàn)場物流的高效可視化管理。

6 結(jié)語

數(shù)字化施工是一門跨專業(yè)、跨部門的技術(shù)體系，關(guān)于數(shù)字化施工技術(shù)的研究與應(yīng)用，很多工作還處于探索階段，尚處于概念形成期的初始發(fā)展階段，但數(shù)字化技術(shù)對于建筑工程領(lǐng)域的促進作用已經(jīng)凸顯出來。工程實踐表明，通過在工程建造全過程采用數(shù)字化施工技術(shù)，數(shù)字化地分析建造各個重要環(huán)節(jié)，有利于優(yōu)化工程建造過程，解決工程施工過程中的各類技術(shù)難題，改變建筑工程的施工建造模式，提高工程質(zhì)量、施工管理水平和安全管控能力，實現(xiàn)精益建造。