裝配式建筑智能建造探討

曹 希（上海綠地建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，上海 200083）

“十三五”以來裝配式建筑的發(fā)展得到了國家的大力支持，住建部制定了《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》《裝配式建筑示范城市管理辦法》等若干政策文件，全力促進(jìn)裝配式建筑的全面發(fā)展。我國裝配式建筑得以持續(xù)快速發(fā)展，新開工裝配式建筑面積占比逐年增長，建造水平和建筑質(zhì)量顯著提升。伴隨建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM）、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)的不斷發(fā)展與融合，裝配式建造逐漸呈現(xiàn)智能化趨勢(shì)。2020 年，住建部、國家發(fā)展改革委和科技部等十三部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確推進(jìn)建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化升級(jí)，大力發(fā)展裝配式建筑、推動(dòng)智能建造。

本文簡要介紹了裝配式建筑、智能建造的相關(guān)概念和二者之間的關(guān)系，結(jié)合具體項(xiàng)目實(shí)例對(duì)當(dāng)前裝配式建筑智能建造的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，探討了裝配式建筑智能建造的發(fā)展趨勢(shì)。

1 裝配式建筑發(fā)展概況

1.1 裝配式建筑的概念

裝配式建筑是指建筑的部分或全部構(gòu)件在工廠預(yù)制，構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后，通過可靠的連接方式組建而成的建筑。裝配式建筑按照結(jié)構(gòu)體系，包括裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)等，目前較為常見的為前兩種形式。

1.2 裝配式建筑的發(fā)展

我國裝配式建筑于 20 世紀(jì) 50 年代開始推行，60—80年代持續(xù)發(fā)展，后由于當(dāng)時(shí)的裝配式建筑在抗震能力及滲漏、隔音、保溫等方面的缺陷，從 80 年代末起，裝配式建筑的發(fā)展進(jìn)入低潮期。2016 年中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，明確大力推廣裝配式建筑，并提出力爭用 10 a 左右時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到 30%。

得益于國家及各地方鼓勵(lì)政策的推動(dòng)，近年來裝配式建筑的發(fā)展顯著加快。2021 年 3月 11 日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額司發(fā)布了《關(guān)于2020年度全國裝配式建筑發(fā)展情況的通報(bào)》。文中指出，2020 年，全國 31 個(gè)省、自治區(qū)、直轄市和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)新開工裝配式建筑共計(jì)6.3 億 m2，較2019年增長 50%，占新建建筑面積的比例約為 20.5%，完成了《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》確定的到 2020 年達(dá)到 15%以 上的工作目標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示，從結(jié)構(gòu)形式看，新開工裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑 4.3 億 m2，較 2019年增長 59.3%，占新開工裝配式建筑的比例為 68.3%；裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑 1.9 億 m2，較 2019 年增長 46%，占新開工裝配式建筑的比例為 30.2%。其中，新開工裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅1206 萬 m2，較 2019 年增長 33%。裝配式鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑得到快速推廣，為新冠肺炎疫情防控發(fā)揮了重要作用。

2 智能建造的含義

2.1 智能建造概念

目前，對(duì)于智能建造尚未形成統(tǒng)一的概念。普遍意義而言，智能建造是工程建造領(lǐng)域與多領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展，信息化與工業(yè)化充分深度融合后，自然形成的一種新型建造模式。有別于傳統(tǒng)建造模式，智能建造模式中科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化率高，利用 BIM 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等信息科技[1]，在工程建造全周期活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，提升勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)營能效，提高建筑工程質(zhì)量安全、效益和品質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)的健康發(fā)展。

2.2 智能建造關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 BIM

BIM是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多維建筑模型信息集成管理技術(shù)，是傳統(tǒng)的二維向三維轉(zhuǎn)變的革命性技術(shù)。BIM 的技術(shù)核心是一個(gè)共享的信息數(shù)據(jù)庫，其中包含項(xiàng)目的物理和功能特性，在項(xiàng)目的全生命周期中可用于開發(fā)、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維等管理行為的應(yīng)用。各參與方在項(xiàng)目的不同階段均可在BIM中插入、提取、更新和修改信息，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息化集成管理，項(xiàng)目決策更加簡便、高效，顯著提高效率和項(xiàng)目質(zhì)量，降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，增加項(xiàng)目收益。

2.2.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）從最初的傳感網(wǎng)發(fā)展而來，其定義和范圍一直處于一種動(dòng)態(tài)、且不斷拓展的狀態(tài)。簡單地說，物聯(lián)網(wǎng)通過信息傳感設(shè)備，把所有物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，同時(shí)進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。感知層實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的智能感知識(shí)別、信息采集處理和自動(dòng)控制，網(wǎng)絡(luò)層依托網(wǎng)絡(luò)（公眾電信、互聯(lián)網(wǎng)、行業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)等）實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，應(yīng)用層應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施、中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。5G 技術(shù)的出現(xiàn)，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展加速，萬物互聯(lián)的場景指日可待。

2.2.3 云計(jì)算云計(jì)算（Cloud Computing）是分布式計(jì)算的一種，通過互聯(lián)網(wǎng)訪問、可定制的IT資源共享池，并且采用按使用量付費(fèi)的定價(jià)方式。廣義而言，云計(jì)算是指服務(wù)的交付和使用模式，即通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲取所需的資源，這種服務(wù)可以是 IT 的基礎(chǔ)設(shè)施（硬件、軟件、平臺(tái)），也可以是其他服務(wù)。其核心理念是按需服務(wù)，例如數(shù)據(jù)備份、災(zāi)難恢復(fù)、電子郵件、虛擬桌面、軟件開發(fā)和測(cè)試、大數(shù)據(jù)分析以及面向客戶的 Web 應(yīng)用程序等等，而無需購買、擁有和維護(hù)物理數(shù)據(jù)中心及服務(wù)器。三種主要類型包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）。每種類型的云計(jì)算都提供不同級(jí)別的控制、靈活性和管理。

2.2.4 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)（big data），巨量數(shù)據(jù)集合。如今常說的大數(shù)據(jù)，通常指因信息交換、信息存儲(chǔ)和信息處理三方面能力大幅增長而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。麥肯錫全球研究所給出的定義為，一種規(guī)模大到在獲取、存儲(chǔ)、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合，具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類型和價(jià)值密度低四大特征。大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)為，規(guī)模大、類別復(fù)雜、處理速度快、真實(shí)性高且蘊(yùn)藏價(jià)值。通過大數(shù)據(jù)的抓取、分析、處理，以及以此為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)挖掘和智能決策，獲得具有預(yù)測(cè)性的、可能被忽視的規(guī)律，從而針對(duì)性地做出各種決策。

2.2.5 人工智能

人工智能（Artificial Intelligence）是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，是一種使計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人或軟件智能地思考的方式，其方式與人類的智能思維方式類似。人工智能通過研究人類大腦如何思考以及人類在嘗試解決問題時(shí)如何學(xué)習(xí)、決定和工作，將研究結(jié)果用于開發(fā)智能軟件和系統(tǒng)的基礎(chǔ)。人工智能企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，研究包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等，是發(fā)展迅速、涉獵相當(dāng)廣泛的一門新邊沿學(xué)科。其屬于自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)三向交叉學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、哲學(xué)、數(shù)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、仿生學(xué)、信息論、控制論等等眾多學(xué)科。

在智能建造關(guān)鍵技術(shù)中，BIM 技術(shù)貫穿于項(xiàng)目建造的整個(gè)生命周期，可謂是智能建造的基礎(chǔ)。同時(shí)，各種技術(shù)之間互相穿插、滲透與融合，例如大數(shù)據(jù)的處理和挖掘與云計(jì)算有著相當(dāng)密切的關(guān)系，而大數(shù)據(jù)本身也被稱為人工智能的基石。隨著科技發(fā)展的加速發(fā)展，智能建造所涉及的技術(shù)必定更加多樣，融合愈加緊密。

3 裝配式建筑與智能建造

3.1 裝配式建筑工業(yè)化趨勢(shì)

科技的高度發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的快速增長，使得人類社會(huì)已從工業(yè)社會(huì)邁入信息社會(huì)，信息化技術(shù)全面滲透至各個(gè)行業(yè)?？萍夹畔⒒牟粩嗤茝V與應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)模式有著極大的沖擊。在我國，建筑業(yè)作為傳統(tǒng)的國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)方式仍較為落后，傳統(tǒng)模式已不能滿足高質(zhì)量的發(fā)展要求。

相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式，裝配式建筑的構(gòu)件在工廠制作，現(xiàn)場工作量較少。具有先天優(yōu)勢(shì)，更易于工業(yè)化、數(shù)字化、智能化升級(jí)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)建造方式，融合各領(lǐng)域各行業(yè)的先進(jìn)成果，以實(shí)現(xiàn)科技含量水平高、經(jīng)濟(jì)效益好、高效節(jié)能、綠色環(huán)保的新型建筑工業(yè)化。對(duì)于裝配式建筑而言，工廠化預(yù)制技術(shù)是現(xiàn)場智能施工的前提和基礎(chǔ)[2]，目前我國的預(yù)制構(gòu)件尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；源嬖诤艽蟮纳仙臻g。

3.2 裝配式建筑項(xiàng)目實(shí)例

3.2.1 某高層辦公樓

某高層辦公樓項(xiàng)目位于市中心，緊鄰居民區(qū)、周邊高層建筑及城市高架橋，距離周邊建筑最近處僅 15 m，距離高架橋最近處僅 23 m。辦公樓 -2 F，地上 18 F；地下埋深約10 m，建筑高度約 80 m。該項(xiàng)目采用裝配式混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)，構(gòu)件最大重量近 9 t，構(gòu)件共計(jì) 2000 余塊。施工仿真模擬示意圖如圖 1 所示。

圖 1 施工仿真模擬示意圖

該項(xiàng)目是上海市首個(gè)裝配式高層綜合辦公樓，被住建部列入年度科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃中的裝配式建筑科技示范項(xiàng)目。在項(xiàng)目前期就啟用 BIM 技術(shù)，在項(xiàng)目全過程中采用 BIM 技術(shù)，運(yùn)用了構(gòu)件深化設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)計(jì)劃、施工模擬、施工復(fù)核、施工指導(dǎo)等功能，串聯(lián)起了構(gòu)件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和現(xiàn)場施工進(jìn)度、成本控制等各個(gè)環(huán)節(jié)，使各相關(guān)方聯(lián)系更為緊密，溝通更為高效。

該項(xiàng)目的梁、柱節(jié)點(diǎn)預(yù)制構(gòu)件預(yù)留鋼筋較多，預(yù)制構(gòu)件預(yù)留洞、預(yù)埋件也較為繁多，還有斜交梁等復(fù)雜的梁、柱節(jié)點(diǎn)，鋼筋密集。對(duì)于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，建立復(fù)雜節(jié)點(diǎn)模型，通過BIM、云計(jì)算等對(duì)可能發(fā)生的各種問題進(jìn)行了演算，真實(shí)模擬構(gòu)件就位可能出現(xiàn)的各種工況，優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工，解決了諸多問題。而由于事先模擬，優(yōu)化施工，還避免了可能會(huì)造成的碰撞問題和設(shè)計(jì)缺漏等問題。在施工過程中，縮短了工期，節(jié)約了人工。

運(yùn)用 BIM 技術(shù)進(jìn)行全方位管理、全過程管控，保證了工程質(zhì)量和施工安全，實(shí)現(xiàn)了施工管理的精細(xì)化；使得整個(gè)工程不同于傳統(tǒng)的建筑施工，還具有信息化、現(xiàn)代化的特點(diǎn)。該項(xiàng)目積極探索實(shí)踐，采用新技術(shù)新方法，并對(duì)其進(jìn)行完善、形成多項(xiàng)技術(shù)成果。但由于該項(xiàng)目裝配式構(gòu)件規(guī)格較為特殊，并非量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，項(xiàng)目實(shí)際成本降低有限，總造價(jià)相對(duì)較高，并沒有達(dá)到裝配式建筑有效控制成本的預(yù)期目標(biāo)。

3.2.2 某大型商業(yè)體

某大型商業(yè)體位于市區(qū)大型保障房項(xiàng)目一側(cè)，是保障房重要的配套商業(yè)項(xiàng)目。該商業(yè)項(xiàng)目用地呈不規(guī)則四邊形布置，施工場地狹小，周圍建筑林立。該項(xiàng)目為一棟集辦公、商業(yè)、餐飲、娛樂綜合用途的多層建筑，采用框架結(jié)構(gòu)，地下 2 F，地上 9 F，其中裙房 5 F（總高度約 27 m），三棟塔樓各 4 F（總高度約 45 m）。該項(xiàng)目的兩棟塔樓和其所在的裙房水平投影位置，采用裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目是上海市首個(gè)裝配式商業(yè)綜合體項(xiàng)目，被住建部列入年度科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃中的裝配式建筑科技示范項(xiàng)目。

該商業(yè)體裙房跨度較大，各節(jié)點(diǎn)預(yù)留鋼筋較多，在其中還存在一處整體保護(hù)建筑，施工具一定的難度。構(gòu)件多、場地小，現(xiàn)場堆放難度很大。針對(duì)這些問題，該項(xiàng)目從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就已運(yùn)用 BIM 技術(shù)建模，對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)、制作、運(yùn)輸和施工全過程進(jìn)行了計(jì)劃、模擬及復(fù)核，并對(duì)原有建筑實(shí)施隔離保護(hù)，確保其在施工過程中相對(duì)獨(dú)立、絕對(duì)安全。復(fù)雜節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)碰撞檢查靜態(tài)示意圖如圖 2 所示。

圖2 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)碰撞檢查靜態(tài)示意圖

經(jīng)過優(yōu)化處理，該項(xiàng)目鋼筋碰撞問題得到解決，裝配式構(gòu)件多為標(biāo)準(zhǔn)件，構(gòu)件供應(yīng)周期較短。構(gòu)件裝車運(yùn)輸、現(xiàn)場堆放和吊裝順序合理有序，縮減了項(xiàng)目周期。比對(duì)傳統(tǒng)施工，成本控制和文明施工等方面均取得了相當(dāng)?shù)某晒?，?jīng)濟(jì)、社會(huì)效益可觀。

以上所例舉的兩個(gè)裝配式建筑實(shí)例，屬于較早嘗試智能建造的項(xiàng)目，基于 BIM 技術(shù)、結(jié)合云計(jì)算等信息化手段，較好的解決了復(fù)雜工況施工難題，并在一定程度上降低了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)成本、增加了收益?？萍妓降牟粩喟l(fā)展，促使裝配式建筑智能建造的科技含量呈逐年上升趨勢(shì)。對(duì)于裝配式建筑而言，智能建造介入越早，涉及越廣，越能推動(dòng)項(xiàng)目朝精簡、標(biāo)準(zhǔn)、高效、節(jié)約的方向發(fā)展。

4 結(jié) 語

現(xiàn)代科技進(jìn)步異常迅速，將推陳出新、不斷發(fā)展的新科技與裝配式建筑結(jié)合，不僅能充分提升建筑品質(zhì)，滿足社會(huì)發(fā)展需要；還能提高生產(chǎn)效率，縮短工期降低成本增加收益，推動(dòng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型與健康發(fā)展。裝配式建筑的智能建造，目前尚處于初期階段，需要看到的是，與計(jì)算機(jī)、金融、汽車等信息化水平較高的行業(yè)相比，由于新科技在建筑業(yè)的應(yīng)用尚淺，智能建造于裝配式建筑多數(shù)還停留在控制成本、數(shù)字設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工等層面。如何打破建筑業(yè)和新科技間的壁壘，將 BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等科技充分融合，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、規(guī)?；?，是推進(jìn)裝配式建筑智能建造的關(guān)鍵所在，存在巨大的發(fā)展?jié)摿τ写诰颉?/p>