新型裝配式建筑工業(yè)化與智能建造

劉漢清

建筑業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，正處于由粗放式發(fā)展向精細(xì)化發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。傳統(tǒng)的建筑業(yè)發(fā)展模式已經(jīng)無(wú)法滿足我國(guó)現(xiàn)階段裝配式建筑快速發(fā)展的需求，體現(xiàn)在建筑質(zhì)量和施工效率上，還包括綠色建筑、工業(yè)化建筑和數(shù)字化智能建造等方面。我國(guó)作為建筑大國(guó)，迫切需要在裝配式建筑領(lǐng)域展現(xiàn)強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)建筑強(qiáng)國(guó)的發(fā)展目標(biāo)。

在新發(fā)展形勢(shì)的推動(dòng)下，建筑領(lǐng)域的工業(yè)化發(fā)展進(jìn)入了與信息技術(shù)融合的全新發(fā)展階段，即在建筑全生命周期內(nèi)建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈，利用互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)加快整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈智能化、數(shù)字化的轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)裝配式建筑與智能建造的深度融合，推動(dòng)裝配式建筑向更高層次發(fā)展。

智能建造作為一種新型建造方式，其應(yīng)用技術(shù)主要包括建筑信息模型（BIM）技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)。建筑工業(yè)化與智能建造的融合可以實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域的數(shù)字化和智能化，提高建筑施工質(zhì)量、施工效率以及各項(xiàng)資源的利用率，可見(jiàn)推行智能建造在當(dāng)前“雙碳”發(fā)展目標(biāo)下具有重要的意義。

1 新型裝配式建筑工業(yè)化與智能建造概述

1.1 新型裝配式建筑工業(yè)化

我國(guó)裝配式建筑從20 世紀(jì)中期緩慢起步到現(xiàn)階段的快速發(fā)展，其主要推動(dòng)力是工業(yè)化程度的不斷提高與完善。目前，裝配式建筑在我國(guó)大面積發(fā)展普及，利用機(jī)械設(shè)備、工程機(jī)器人等一系列輔助工具進(jìn)行一體化裝配施工，建造水平越來(lái)越高。隨著建筑工業(yè)化與信息化的融合與突破，建筑領(lǐng)域迎來(lái)新的工業(yè)化發(fā)展時(shí)期，并進(jìn)入更高層次的發(fā)展模式?！丁笆奈濉苯ㄖI(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出，要大力發(fā)展裝配式建筑，建立以標(biāo)準(zhǔn)部品部件為基礎(chǔ)的專業(yè)化、規(guī)?；?、數(shù)字化生產(chǎn)體系，培育一批裝配式建筑生產(chǎn)基地，推動(dòng)形成完整產(chǎn)業(yè)鏈，提升建筑工業(yè)化水平。

隨著建筑行業(yè)的快速深入發(fā)展，人們意識(shí)到建筑工業(yè)化不只是傳統(tǒng)意義上的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、施工機(jī)械化和管理科學(xué)化，而是應(yīng)統(tǒng)籌考慮建筑全生命周期?，F(xiàn)階段，新型裝配式建筑工業(yè)化的創(chuàng)新之處在于不再局限于建筑施工過(guò)程，而是考慮建筑從決策設(shè)計(jì)到生產(chǎn)施工以及后期維護(hù)修理的全生命周期問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程產(chǎn)業(yè)鏈高效益、低能耗和高質(zhì)量的發(fā)展目標(biāo)。這主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)一體化、生產(chǎn)工業(yè)化、施工裝配化、裝修一體化和管理信息化等方面[1]。

1）裝配式建筑全生命周期包括從審批投資、設(shè)計(jì)生產(chǎn)、運(yùn)輸施工到維護(hù)重建的全階段。裝配式建筑的發(fā)展目的之一是提高工程質(zhì)量和效率，設(shè)計(jì)階段能否實(shí)現(xiàn)全行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化尤為關(guān)鍵，直接影響設(shè)計(jì)構(gòu)件的通用性，合理且統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還能減少資源的浪費(fèi)。

2）建筑構(gòu)件生產(chǎn)工業(yè)化是新型建筑工業(yè)化最重要的一環(huán)，也是區(qū)別于傳統(tǒng)建筑行業(yè)的關(guān)鍵，通過(guò)對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)運(yùn)和質(zhì)檢流水線的集成化管理，使預(yù)制構(gòu)件實(shí)現(xiàn)商品化，同時(shí)建筑構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)也是實(shí)現(xiàn)建筑綠色節(jié)能的重要措施。

3）施工階段的整體進(jìn)度是影響建筑效率最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，施工裝配化涉及工人和機(jī)械，要保證提高技術(shù)工人的素質(zhì)和智能機(jī)械的使用與覆蓋程度。通過(guò)智能平臺(tái)監(jiān)測(cè)施工過(guò)程，提高工程的精細(xì)化程度和施工效率。

4）裝飾裝修工程作為建筑主體施工完成后的附屬工程項(xiàng)目，在傳統(tǒng)的裝配式建筑中往往被忽略。裝修過(guò)程不僅會(huì)產(chǎn)生大量建筑垃圾，還會(huì)對(duì)建筑主體造成破壞，威脅整個(gè)建筑的安全性。新型裝配式建筑工業(yè)化將建筑主體工程施工和裝飾裝修工程形成了一體化的建造模式，極大地減輕了資源浪費(fèi)問(wèn)題，提高了建筑全過(guò)程的工程周期。

5）除以上4 點(diǎn)外，整個(gè)工程的決策、建造到運(yùn)維過(guò)程涉及多行業(yè)、多部門的參與，各種信息的匯總與協(xié)調(diào)需要采用科學(xué)有效的管理方法。新型裝配式建筑工業(yè)化采用動(dòng)態(tài)管理的措施分析整個(gè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量、低碳環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)。

1.2 智能建造的概念及發(fā)展

《中國(guó)建造2035 戰(zhàn)略研究》中提到，建筑業(yè)工業(yè)化發(fā)展是建筑業(yè)數(shù)字化與智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的升級(jí)戰(zhàn)略，表明我國(guó)傳統(tǒng)的建造業(yè)已無(wú)法滿足現(xiàn)階段發(fā)展的需求，智能建造是建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能建造作為建筑業(yè)工業(yè)化與數(shù)字化、智能化融合的全新發(fā)展模式，不僅是“雙碳”發(fā)展目標(biāo)下建筑領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，也是促進(jìn)建筑領(lǐng)域精細(xì)化發(fā)展的重要推力。

“智能建造”作為近幾年建筑行業(yè)備受關(guān)注的熱詞，每位學(xué)者針對(duì)其發(fā)展和應(yīng)用方向都有各自獨(dú)到的定義。但不難發(fā)現(xiàn)，智能建造不同的定義始終圍繞建筑全生命周期內(nèi)的工業(yè)化和信息化融合發(fā)展的大背景，即通過(guò)智能平臺(tái)和新型技術(shù)工藝，為整個(gè)工程項(xiàng)目的生產(chǎn)活動(dòng)提供信息資源和相關(guān)技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)最大化的信息共享、最全面的行業(yè)生產(chǎn)鏈和最大限度的資源利用率。

智能建造是傳統(tǒng)建筑行業(yè)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，也是該領(lǐng)域一種全新的信息交叉發(fā)展方向，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、BIM 技術(shù)和可視化技術(shù)賦予建筑行業(yè)新的發(fā)展活力。智能建造通過(guò)BIM 技術(shù)和數(shù)字孿生等一系列方法，解決和優(yōu)化裝配式建筑工程設(shè)計(jì)與施工中遇到的問(wèn)題，提高裝配式建筑的質(zhì)量和施工效率。裝配式智能建造已經(jīng)在深圳、廣州等城市成功實(shí)現(xiàn)工程試點(diǎn)，示范效果明顯[2]。

2 裝配式建筑工業(yè)化與智能建造的融合

2.1 裝配式建筑工業(yè)化與智能建造的融合方式

裝配式建筑工業(yè)化與智能建造的融合主要依靠BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜的工程項(xiàng)目還需要進(jìn)階的可視化技術(shù)輔助，即利用數(shù)字孿生技術(shù)。

2.1.1 BIM技術(shù)

BIM 是指以三維數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)建筑工程領(lǐng)域各種信息模型進(jìn)行數(shù)據(jù)建模的技術(shù)[3]。該技術(shù)被認(rèn)為是建筑行業(yè)繼計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）之后的又一次科技革命。BIM 技術(shù)的應(yīng)用是智能建造水平不斷提高的關(guān)鍵，可在圖1 所示的各個(gè)工程階段應(yīng)用。作為當(dāng)前裝配式建筑重要的輔助工具，BIM 技術(shù)的應(yīng)用可以使裝配式建筑真正實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)與施工，設(shè)計(jì)單位和施工單位可以通過(guò)BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑案例的模擬分析、數(shù)據(jù)交付以及可視化溝通。

圖1 BIM 技術(shù)在建筑全生命周期的應(yīng)用（來(lái)源：作者自繪）

BIM 技術(shù)涵蓋了整個(gè)工程項(xiàng)目全過(guò)程的所有數(shù)據(jù)信息，項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)初期需要進(jìn)行場(chǎng)地勘探。傳統(tǒng)的勘探方式通過(guò)人工單點(diǎn)測(cè)繪，受建筑周邊環(huán)境影響大、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、工作量和風(fēng)險(xiǎn)較高。目前可以采用無(wú)人機(jī)勘探，將采集實(shí)景照片生成高精度的實(shí)景模型，與BIM 技術(shù)結(jié)合可以輔助分析日照、通風(fēng)及可視度等[4]。利用BIM 技術(shù)可以進(jìn)行參數(shù)化建模，參與項(xiàng)目的設(shè)計(jì)各方均可在BIM 中修改參數(shù)化模型。BIM 能夠及時(shí)同步更新修改的信息，減少設(shè)計(jì)各方在圖紙修改方面的工作量，提高溝通效率。最常見(jiàn)的3D仿真化技術(shù)可以在施工前進(jìn)行圖紙審查，避免鋼筋、結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間發(fā)生碰撞，提高設(shè)計(jì)項(xiàng)目的容錯(cuò)率。利用動(dòng)態(tài)模擬可以提前發(fā)現(xiàn)工程存在的風(fēng)險(xiǎn)，如高空墜物和起重機(jī)與建筑主體的碰撞，提前做好緊急工作的應(yīng)急預(yù)案。

BIM 技術(shù)還可以進(jìn)行多元化數(shù)據(jù)輸出，如利用后處理的計(jì)算分析可以輸出鋼筋算量、成本分析以及項(xiàng)目進(jìn)程管理等，而且BIM 輸出的成本算量具有準(zhǔn)確高效、可視化程度高的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的建筑工地管理屬于粗放式，缺乏統(tǒng)一的規(guī)定和信息整合。智慧工地作為BIM 技術(shù)在施工階段的體現(xiàn)，利用一體化管理平臺(tái)管理施工人員信息、設(shè)備進(jìn)場(chǎng)與施工和施工總進(jìn)度安排。智慧工地還可以對(duì)比進(jìn)程報(bào)表與預(yù)期安排，在移動(dòng)數(shù)據(jù)終端對(duì)異常工況進(jìn)行預(yù)警，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，提高工程質(zhì)量。智慧工地與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程的用水用電，有利于降低資源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染。

BIM 技術(shù)還可以與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等感知系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，通過(guò)云計(jì)算和人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)在終端實(shí)現(xiàn)3D/4D、虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬結(jié)果，應(yīng)對(duì)大型復(fù)雜的工程項(xiàng)目。因此，要加快BIM 技術(shù)與裝配式建筑的深度融合，加強(qiáng)整個(gè)建筑行業(yè)之間業(yè)務(wù)的協(xié)同合作，促進(jìn)裝配式建筑向信息化、數(shù)字化的智能建造領(lǐng)域發(fā)展，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑在標(biāo)準(zhǔn)化管理和精細(xì)化施工方向的全面升級(jí)。此外，通過(guò)BIM 技術(shù)可以進(jìn)行建筑新技術(shù)的交流和推廣，推動(dòng)建筑業(yè)向更高層次、更具優(yōu)勢(shì)的方向發(fā)展。

2.1.2 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生并不是21 世紀(jì)提出的新理念，最早可追溯至20 世紀(jì)美國(guó)的阿波羅項(xiàng)目，利用物理實(shí)體預(yù)測(cè)太空中飛行器的變化狀態(tài)，進(jìn)而提前做出對(duì)應(yīng)決策[5]?，F(xiàn)階段的數(shù)字孿生真正擺脫了物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的仿真模擬，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，即通過(guò)采集物理實(shí)體的數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬建模，對(duì)比BIM 和有限元模型的數(shù)據(jù)信息，更新模擬模型并進(jìn)行監(jiān)測(cè)指導(dǎo)。張健新等[6]分析了數(shù)字孿生技術(shù)在裝配式混凝土框架鋼節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)基于BIM 技術(shù)、有限元模擬和傳感器生成的數(shù)字孿生模型可以有效反映實(shí)際工程建造過(guò)程中節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)，在施工校準(zhǔn)和預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)方面能夠發(fā)揮重要作用。同樣，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用范圍并未局限于裝配施工過(guò)程，在工程項(xiàng)目的智能化管理、韌性城市的建設(shè)和工程預(yù)測(cè)等方面均有所應(yīng)用，并取得了顯著的效果。

數(shù)字孿生是以BIM 技術(shù)為基礎(chǔ)的高精度數(shù)字化模擬技術(shù)，可以利用物聯(lián)網(wǎng)采集真實(shí)模型信息，在數(shù)字化空間內(nèi)進(jìn)行預(yù)測(cè)和可視化分析。例如對(duì)裝配式建筑進(jìn)行整體或局部分析，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行實(shí)景建模，輔助復(fù)雜工程的裝配式施工過(guò)程，精確計(jì)算可能存在的施工誤差，實(shí)現(xiàn)安全科學(xué)的高效率施工。此外，近幾年智慧城市也處于大力推廣和發(fā)展的階段，利用數(shù)字孿生和遙感技術(shù)可以構(gòu)建城市居住環(huán)境的生態(tài)層，模擬現(xiàn)實(shí)行為，實(shí)現(xiàn)人居環(huán)境全周期的數(shù)字化，推動(dòng)智慧城市的發(fā)展變革。

2.2 裝配式建筑與智能建造融合的意義及作用

裝配式建筑的推廣應(yīng)用使傳統(tǒng)建筑模式下的“建房子”變成“搭房子”，極大地提高了工程質(zhì)量和施工效率。智能建造將裝配式建筑帶入新的發(fā)展時(shí)代，在降低工程成本的同時(shí)提高3 ～5 倍的工程效率。而且信息化和智能化技術(shù)的應(yīng)用，使建筑領(lǐng)域各階段的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化程度更高。綠色建筑與節(jié)能減排是我國(guó)建筑領(lǐng)域的現(xiàn)行主要政策之一，裝配式建筑與智能建造的融合可以有效助力我國(guó)“雙碳”發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)綠色建筑的全面升級(jí)和資源的可持續(xù)發(fā)展。裝配式建筑作為智能建造的載體，二者的融合可以實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)整體的轉(zhuǎn)型升級(jí)，為我國(guó)建筑行業(yè)的綠色發(fā)展指引道路。

3 智能建造的發(fā)展前景與面臨問(wèn)題

預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)階段建筑領(lǐng)域的需求量與日俱增，裝配式建筑在新建建筑中的占比也越來(lái)越大，優(yōu)化和發(fā)展裝配式建筑是必然的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，未來(lái)的城市發(fā)展必定是數(shù)字化、智能化的，智能建造將成為建筑業(yè)發(fā)展的主流方向。

隨著人工成本的逐年增高和對(duì)裝配式建筑高質(zhì)量發(fā)展的需求，國(guó)家在推動(dòng)智能建造發(fā)展方面采取了安全有效的合理布局，并出臺(tái)相關(guān)政策確保智能建造得到穩(wěn)步發(fā)展。雖然智能建造技術(shù)在我國(guó)推廣應(yīng)用較晚，但在建筑設(shè)計(jì)、智慧工地、成本管理等方面得到了強(qiáng)力支持，使得BIM 技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速[7]。未來(lái)借助智能化系統(tǒng)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑實(shí)體的管理和后期維護(hù)。通過(guò)硬件系統(tǒng)生產(chǎn)和優(yōu)化建筑設(shè)備，如智能模架裝備、3D 打印設(shè)備和建筑機(jī)器人等，最終可利用智能化技術(shù)建立完整的智能建造產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

智能建造作為一種新裝配式工業(yè)化下的全新發(fā)展理念，由于現(xiàn)階段工程應(yīng)用較少和推廣普及程度低，導(dǎo)致人們對(duì)智能建造的理解參差不齊，片面地理解為建設(shè)智慧工地和利用機(jī)械化工具會(huì)給施工造成一定困難，而且BIM 技術(shù)缺少在建筑機(jī)器人和高自動(dòng)化設(shè)施領(lǐng)域的深入應(yīng)用。各個(gè)數(shù)字化平臺(tái)之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的交流互通與工作協(xié)同，無(wú)法形成一個(gè)完整的、極具規(guī)則性和商品化的產(chǎn)業(yè)鏈，與仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)之間的兼容性和交互性有待提高。BIM 技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)和仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)等是智能建造的強(qiáng)力助手，也是智能建造與傳統(tǒng)建筑業(yè)融合發(fā)展過(guò)程中需要首先結(jié)合與發(fā)展的新工藝、新技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

新型裝配式建筑工業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵突破點(diǎn)是自動(dòng)化一體技術(shù)，包含從設(shè)計(jì)、制造、施工以及維護(hù)的全過(guò)程機(jī)械化、信息化和智能化技術(shù)的發(fā)展更新。

目前，裝配式建筑在國(guó)家政策推動(dòng)和相關(guān)領(lǐng)域高速發(fā)展的大背景下，逐步形成了融合BIM 技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)的全新智能建造發(fā)展模式。通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)，可以將建設(shè)項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑項(xiàng)目的質(zhì)量，同時(shí)結(jié)合仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提高智能建造的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。因此在建筑業(yè)高速發(fā)展的大環(huán)境下，要加快對(duì)裝配式建筑智能化與數(shù)字化的研究，促進(jìn)我國(guó)建筑業(yè)平穩(wěn)快速的實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)。