房霆宸 龔 劍

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 同濟大學土木工程學院 上海 200092；3. 上海超高層建筑智能建造工程技術研究中心 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，也高度關注和重視數(shù)字化戰(zhàn)略發(fā)展，從《中國制造2025》到習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，加快新型基礎設施建設，大力發(fā)展數(shù)字建造產(chǎn)業(yè)，不僅是響應黨和國家的數(shù)字化發(fā)展戰(zhàn)略號召，也是應對疫情不利影響、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、控制工程建設過程，同時構建全過程的連續(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)字化技術為基礎，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與信息驅(qū)動下的工程建設方式的轉(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)構的連接關系，以及今后場地布置中與人流、物流疏散通道的關系。在既有建筑物BIM模型的基礎上，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內(nèi)容，生成施工電梯使用手冊，指導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技術同步調(diào)整大型設備進出場時間節(jié)點，優(yōu)化大型設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，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 一體化深化設計和施工出圖

可以采用BIM技術進行施工組織設計模擬，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技術進行鋼結(jié)構深化設計，通過細化、檢查、糾正和優(yōu)化鋼構件、節(jié)點的構造方式，可以很好地提升施工質(zhì)量、降低施工難度；采用BIM技術進行機電深化設計，整合建筑、結(jié)構、機電等專業(yè)模型，進行設備、管線的碰撞檢查和布設，實現(xiàn)綜合最優(yōu)；采用BIM技術進行幕墻深化設計，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)構深化設計中，通過采用BIM技術，打破了鋼結(jié)構深化、土建結(jié)構深化、幕墻深化、機電深化等各專業(yè)之間的技術壁壘，不僅能檢查出結(jié)構復雜節(jié)點和構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

2.1 超深地下連續(xù)墻施工數(shù)字化模擬技術

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

針對承壓水減壓降水環(huán)境影響模擬技術，可以采用Abaqus等有限元軟件，建立關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，預測預報基坑降水的環(huán)境效應，優(yōu)化深基坑工程的降水設計和降水方案。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，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)安全評估和預警反饋。

針對深基坑變形環(huán)境影響模擬與支護技術，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，對于指導基坑設計具有很好的作用。針對基坑變形控制，采用了基坑變形可視化監(jiān)控與預警平臺系統(tǒng)，主要是基于物聯(lián)網(wǎng)技術，建立了基坑變形監(jiān)控與預警平臺系統(tǒng)，通過集成圖紙互動管理、監(jiān)測與控制、專家決策分析、超前預警與安全評估等功能，可以實現(xiàn)工程施工遠程監(jiān)測預警，動態(tài)掌握施工過程中深基坑圍護結(jié)構變形及其災變演化的實時數(shù)據(jù)和變形狀況，并實施災變預警，以便確保基坑工程的安全建造。

3 主體結(jié)構數(shù)字化施工技術

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)構安裝、機電管線安裝、裝飾構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

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，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)技術和無線傳輸技術，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

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，基于建立的超高泵送混凝土的流變力學模型和幾何模型，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)構安裝虛擬仿真安裝技術

傳統(tǒng)鋼結(jié)構工廠實物預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，對鋼結(jié)構安裝實施三維可視化預演和現(xiàn)場實時監(jiān)控，根據(jù)信息化模型模擬鋼結(jié)構安裝流程、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)構施工中，針對有整體特性的大型鋼結(jié)構構件，通過整體模型信息化預拼裝，將每一個接口相關的實測數(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拼裝的效果。

3.4 鋼結(jié)構安裝監(jiān)測控制技術

可以采用預變形模擬安裝方法，對鋼結(jié)構垂直高度壓縮變形、收縮徐變標高補償進行計算預測，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)同控制技術使鋼結(jié)構的施工狀態(tài)與設計狀態(tài)一致，提升鋼結(jié)構安裝精度。

3.5 機電安裝工程數(shù)字化建造技術

3.5.1 基于BIM的綜合管線優(yōu)化布設

在機電管線安裝之前，基于BIM技術采用數(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)的設計目標，提高機電深化設計、加工及安裝的質(zhì)量與效率，解決預留洞與暖通管高度不一致、管線綜合高度不合理、重復開孔、凈空高度不足等問題。

3.5.2 機電設備數(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)構吊裝、大型設備吊裝、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，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 機電設備現(xiàn)場安裝數(shù)字化控制技術

在機電設備現(xiàn)場安裝時，可以采用基于二維碼的現(xiàn)場安裝控制技術，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 裝飾構件數(shù)字化加工及安裝技術

3.6.1 裝飾構件的數(shù)字化加工及安裝

室內(nèi)裝飾可以利用BIM技術進行模塊化設計與加工制作，有利于減少現(xiàn)場作業(yè)量，快速實現(xiàn)三維定位，解決藝術構件加工困難及現(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。比如對復雜裝飾構件進行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計與設計協(xié)同

可采用基于BIM技術的一體化深化設計工作模式，生成深化圖紙，有助于彌補設計深度不足的缺陷，解決節(jié)點、系統(tǒng)細部深化設計難題。通過BIM技術生成細部深化設計圖紙，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技術分別建立鋼結(jié)構、玻璃幕墻模型，之后進行合模，分析、判斷和解決鋼結(jié)構與幕墻軟、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。虛擬仿真技術的應用，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)字化設計與制造技術

整體鋼平臺模架裝備是超高層建造的關鍵裝備。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對模架裝備各系統(tǒng)進行參數(shù)化建模、標準模塊化設計、虛擬仿真拼裝、裝備與結(jié)構合模的可視化仿真建造，進而實現(xiàn)數(shù)字化的虛擬仿真設計、制造和施工。針對整體鋼平臺模架復雜結(jié)構層施工，可通過建立建筑物及施工輔助設施的完整模型，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施的相對位置關系，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、勞動力調(diào)配等施工進度的關鍵要素進行模擬，為施工方案的優(yōu)化、施工現(xiàn)場的管理以及相關決策提供指導和幫助。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

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，將信息化技術的應用點集成到網(wǎng)絡平臺，在網(wǎng)絡服務器上共享數(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性數(shù)據(jù)。施工過程中采用二維碼、移動終端等技術，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，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)、跨部門的技術體系，關于數(shù)字化施工技術的研究與應用，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)字化技術對于建筑工程領域的促進作用已經(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，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。