林涌標(biāo)

（廣東省建筑工程監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510000）

在全新時(shí)代背景下，傳統(tǒng)的建筑建造模式暴露出作業(yè)效率低下、質(zhì)量可控性差、勞動力需求量大等多項(xiàng)問題，限制了工程建設(shè)質(zhì)量與施工水準(zhǔn)的提升。對此，國內(nèi)外建筑業(yè)提出智慧施工的全新概念，運(yùn)用到人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等多項(xiàng)高新技術(shù)來輔助、替代建筑施工活動的開展，被業(yè)界一致視為我國建筑業(yè)的必然發(fā)展趨勢，并得到住建部、科學(xué)技術(shù)部等政府職能部門的大力支持。

1 建筑施工智能化的重要現(xiàn)實(shí)意義

1.1 降低人力成本，提高作業(yè)精度

現(xiàn)階段，我國建筑業(yè)處于高速發(fā)展時(shí)期，建筑工程數(shù)量持續(xù)增多，工程建設(shè)規(guī)模也有所擴(kuò)大。隨之面臨著缺乏足夠高素質(zhì)產(chǎn)業(yè)工人的問題，部分施工人員并未接受過系統(tǒng)性的專業(yè)學(xué)習(xí)，僅在崗前進(jìn)行短期培訓(xùn)，專業(yè)素養(yǎng)有待提升，在施工期間時(shí)常出現(xiàn)違規(guī)操作、錯(cuò)誤操作行為，施工作業(yè)精度缺乏保障。同時(shí)，隨著建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，對施工人員、管理人員數(shù)量提出新的要求，建筑企業(yè)因此承擔(dān)高昂的人力成本。

相比之下，對智能施工模式的推廣實(shí)施，既可以大幅降低人力成本，還可以顯著提升作業(yè)精度。其中，在人力成本方面，通過配置焊接機(jī)器人等建筑機(jī)器人，替代人工完成一些基礎(chǔ)性工作，有利于精簡施工團(tuán)隊(duì)規(guī)模、降低人力成本。而在作業(yè)精度方面，依托智能控制系統(tǒng)，自動操控機(jī)械設(shè)備開展操作，對操作誤差進(jìn)行測量糾偏，不易產(chǎn)生過大作業(yè)誤差，或是誤差持續(xù)積累。以智能測量機(jī)器人為例，運(yùn)用大自動尋徑技術(shù)，搭配攝像頭等裝置來感知所處環(huán)境，對比機(jī)器人空間坐標(biāo)、行走速度等參數(shù)的輸出值、輸入值，根據(jù)對比結(jié)果進(jìn)行糾偏調(diào)整。

1.2 提高施工效率

在傳統(tǒng)施工模式中，施工人員需要身體力行的開展模板支拆、鋼筋綁扎、混凝土現(xiàn)澆等工序作業(yè)，實(shí)際工作量較大，對施工人員的體力也有著嚴(yán)格要求，無法持續(xù)性開展施工作業(yè)，作業(yè)效率有待提升。在智能施工模式下，施工人員無需直接上手操作，而是控制建筑機(jī)器人等智能設(shè)備開展操作，工作內(nèi)容發(fā)生明顯變化，以調(diào)整設(shè)備狀態(tài)、輸入并調(diào)節(jié)操作參數(shù)、檢查施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)與否為主要內(nèi)容，可同時(shí)操作多臺設(shè)備開展作業(yè)，極大減輕了工作負(fù)擔(dān)，擺脫了自身體力對作業(yè)效率造成的限制。同時(shí)，智能設(shè)備具備長時(shí)間連續(xù)作業(yè)的條件，提前在設(shè)備界面設(shè)定操作參數(shù)或是導(dǎo)入控制方案，設(shè)備將在無人工干預(yù)條件下自動執(zhí)行控制指令、開展作業(yè)，實(shí)際施工時(shí)間因此得到延長。

1.3 保障施工安全

在建筑施工過程中，涉及到大量的高危作業(yè)，如鋼筋焊接、材料轉(zhuǎn)運(yùn)、高空作業(yè)等，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)隱患，在出現(xiàn)不規(guī)范操作行為、惡劣氣候條件時(shí)，容易引發(fā)安全事故出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)造成經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。例如，在焊接作業(yè)中，會持續(xù)形成電焊煙塵、有毒氣體與電弧光輻射，焊接人員盡管佩戴焊接護(hù)目鏡等安全防護(hù)設(shè)備，仍舊會對焊接人員的身體健康造成一定程度的影響。在建筑智能施工模式下，既可以通過現(xiàn)場安全智能巡查、施工模擬試驗(yàn)、危險(xiǎn)源辨別與評價(jià)等手段來提前發(fā)現(xiàn)安全隱患并加以處理，預(yù)防安全事故出現(xiàn)。同時(shí)，對焊接機(jī)器人、高空作業(yè)機(jī)器人等智能設(shè)備的配置，替代人工完成高危作業(yè)，盡管出現(xiàn)高處墜落等安全事故，也不容易產(chǎn)生人員傷亡。

2 建筑施工智能化前沿技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是由射頻識別、信息傳感等外圍技術(shù)組成的一種信息互聯(lián)、物品互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)具備智能識別、跟蹤定位、監(jiān)管、遠(yuǎn)程控制等多項(xiàng)使用功能，擺脫時(shí)間、空間對信息交流造成的限制，工作人員可以遠(yuǎn)程觀察物聯(lián)網(wǎng)中接入設(shè)備、物品的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以及遠(yuǎn)程下達(dá)控制指令。在建筑施工活動中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要用于施工質(zhì)量檢測、設(shè)備材料跟蹤定位、現(xiàn)場監(jiān)測場景當(dāng)中。第一，在施工質(zhì)量檢測場景，在現(xiàn)場布置若干種類的傳感器，由傳感器持續(xù)采集、上傳監(jiān)測信號，由物聯(lián)網(wǎng)把監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對比數(shù)字量和對應(yīng)工藝指標(biāo)的額定值，根據(jù)對比結(jié)果判斷施工質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，可用于檢測基坑開挖深度、現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)格尺寸、基礎(chǔ)底面標(biāo)高與平整度、構(gòu)件起吊晃動幅度等項(xiàng)目。第二，在設(shè)備材料跟蹤定位場景，在材料包裝袋與預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部放置RFID標(biāo)簽，在入場環(huán)節(jié)，工作人員手持閱讀器掃描標(biāo)簽，讀取標(biāo)簽存儲信息，如材料生產(chǎn)日期、材料規(guī)格種類、預(yù)制構(gòu)件規(guī)格尺寸、構(gòu)件編號等，以此來統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場材料庫存數(shù)量和掌握構(gòu)件運(yùn)送情況。第三，在現(xiàn)場監(jiān)測場景，在現(xiàn)場安裝若干攝像頭，攝像頭對準(zhǔn)施工作業(yè)區(qū)域，持續(xù)拍攝并上傳視頻圖像，經(jīng)由物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至系統(tǒng)后臺，管理人員在監(jiān)控室內(nèi)全面掌握現(xiàn)場各區(qū)域的作業(yè)情況，轉(zhuǎn)動攝像頭和調(diào)整焦距來切換監(jiān)控場景、放大畫面，從中發(fā)現(xiàn)安全違章行為、不規(guī)范操作行為，及時(shí)將問題反饋至現(xiàn)場班組成員加以改進(jìn)。

2.2 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)術(shù)語一種數(shù)據(jù)化工具，被用于建筑設(shè)計(jì)、施工、管理等多個(gè)領(lǐng)域，以可視化數(shù)據(jù)、3D模型的形式呈現(xiàn)建筑工程自立項(xiàng)至竣工運(yùn)營期間產(chǎn)生的信息，在施工期間主要被應(yīng)用在構(gòu)件加工、場地規(guī)劃、技術(shù)交底、施工模擬、模擬施工與工程驗(yàn)收等場景當(dāng)中。例如，在技術(shù)交底場景，在BIM軟件中導(dǎo)入設(shè)計(jì)圖紙與施工技術(shù)方案，構(gòu)建3D模型，在模型中標(biāo)注全部的工藝參數(shù)與相關(guān)信息，并以動畫演示形式來展現(xiàn)施工過程，把3D模型與動畫視頻作為交底憑證，幫助施工人員更為直觀的了解施工過程、施工意圖，掌握施工操作要點(diǎn)與正確工藝做法。此外，在技術(shù)交底場景中，BIM技術(shù)往往與VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭配使用，構(gòu)建與施工現(xiàn)場環(huán)境基本一致的虛擬現(xiàn)實(shí)場景，借助VR眼鏡等設(shè)備，將施工人員沉浸至虛擬現(xiàn)實(shí)場景當(dāng)中，身臨其境般觀察施工成果的造型與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并開展實(shí)操作業(yè)，由此來積累施工經(jīng)驗(yàn)，快速熟悉施工方式。同時(shí)，VR技術(shù)也可用于安全教育培訓(xùn)場景，在虛擬場景中設(shè)置人員觸電、高處墜落、基坑塌陷等項(xiàng)目，使施工人員真切感受到安全事故的危害性，幫助其樹立安全施工的正確觀念，并鍛煉施工人員應(yīng)急逃生、自我保護(hù)的能力。

2.3 3D打印

3D打印技術(shù)采取分層堆積原理，在3D打印機(jī)內(nèi)分層打印粉末狀金屬層或是塑料層，由多層材料共同組成立體實(shí)物。在建筑領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)主要用于制作一些非標(biāo)準(zhǔn)化的小型構(gòu)件或是特殊尺寸材料配件，滿足施工需要。同時(shí)，在部分競賽與建筑工程中，3D打印技術(shù)也被用于獨(dú)立制造整棟建筑物或是半成品建筑框架，徹底改變了建筑建造方式。例如，在2014年度Europan居住區(qū)概念競賽上，荷蘭建筑師Janjaap Ruijssenaars在3D打印機(jī)中倒入無機(jī)粘合劑作為原材料，由3D打印機(jī)獨(dú)立制造6mx9m規(guī)格的建筑框架，在框架內(nèi)部填充纖維混凝土材料，待混凝土凝結(jié)固化后形成建筑物。

2.4 建筑機(jī)器人

建筑機(jī)器人是一種采取遙控、自動控制或是半自動控制方式的機(jī)械設(shè)備，由施工人員提前在系統(tǒng)中導(dǎo)入控制方案，采取步進(jìn)、時(shí)序等方式下達(dá)控制指令、操作機(jī)械臂與其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)開展動作，或是由工作人員實(shí)時(shí)下達(dá)控制指令進(jìn)行操作。目前來看，建筑機(jī)器人技術(shù)體系得到極大完善，陸續(xù)推出全新品種，作業(yè)范圍涵蓋鋪設(shè)混凝土預(yù)制板、鋼筋焊接、涂料噴涂、砌體砌磚、砂漿抹平、物料搬運(yùn)等多個(gè)領(lǐng)域。例如，在2021年底，碧桂園旗下廣東博智林公司推出 “BIM+FMS+WMS+建筑機(jī)器人”的多機(jī)施工系統(tǒng)，由多款運(yùn)料機(jī)器人、施工機(jī)器人組成。此外，出于成本因素著想，對于配置大量老舊型號機(jī)械設(shè)備、技術(shù)儲備不足與資金有限的建筑企業(yè)，除專業(yè)建筑機(jī)器人外，還可以運(yùn)用到自動控制、信息傳感等技術(shù)手段，對現(xiàn)有的挖掘機(jī)、渣土車等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行改造，使這類機(jī)械設(shè)備具備一定的自動化、智能化程度，滿足當(dāng)前施工需要。

2.5 智能控制

在部分早期建筑工程中，雖然物聯(lián)網(wǎng)、3D打印等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，呈現(xiàn)出施工智能化的發(fā)展趨勢，但本質(zhì)上仍舊處于人工智能技術(shù)的初級發(fā)展階段，以主要發(fā)揮環(huán)境感知和替代能力，幫助管理人員感知現(xiàn)場環(huán)境、替代施工人員完成部分簡單或風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高的工作。而隨著智能控制技術(shù)的問世，應(yīng)用到模糊邏輯推理、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)智能算法，模擬人類思維方式進(jìn)行決策分析，在真正意義上做到智慧施工，在建筑施工活動中起到輔助決策、查缺補(bǔ)漏的重要作用。例如，在施工安全方面，由智能控制系統(tǒng)控制傳感器、攝像頭等終端設(shè)備，從視頻畫面、現(xiàn)場監(jiān)測信號中提取特征參數(shù)，根據(jù)特征參數(shù)分析結(jié)果判斷是否存在安全隱患，如果發(fā)現(xiàn)施工人員未正確穿戴安全帽、運(yùn)輸車輛搭載施工人員等安全違章行為，系統(tǒng)自動發(fā)送預(yù)警信號，幫助管理人員快速解決問題。在機(jī)械設(shè)備控制方面，由智能控制系統(tǒng)持續(xù)采集電壓、電流、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)，分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備是否處于正常工況、預(yù)測設(shè)備未來一段時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)提交報(bào)警信號，引導(dǎo)設(shè)備檢修、故障診斷工作的開展，提前處理潛在故障，避免因設(shè)備故障而形成安全隱患、影響施工質(zhì)量與作業(yè)精度。

3 建筑施工智能化的未來發(fā)展趨勢

3.1 建設(shè)智慧工地

現(xiàn)階段，雖然智能施工模式在部分建筑工程中得到推廣實(shí)施，但物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等技術(shù)處于分散應(yīng)用狀態(tài)，缺乏技術(shù)集成應(yīng)用的載體和平臺，實(shí)際施工效果未達(dá)到預(yù)期要求，技術(shù)功能效用沒有得到充分發(fā)揮。對此，建筑企業(yè)應(yīng)把建設(shè)智慧工地作為現(xiàn)階段工作重點(diǎn)，以智慧工地作為技術(shù)集成應(yīng)用的載體，搭建智慧工地管理系統(tǒng)，在系統(tǒng)中應(yīng)用到人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、信息傳感、遠(yuǎn)程控制等多項(xiàng)技術(shù)，由系統(tǒng)平臺完成數(shù)據(jù)采集分析、信息交換、現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備遙控、現(xiàn)場監(jiān)測等多項(xiàng)管理任務(wù)，為建筑施工活動的開展提供幫助。例如，在機(jī)械設(shè)備管理場景中，組合應(yīng)用信息傳感、遠(yuǎn)程控制、故障自診斷技術(shù)，信息傳感技術(shù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)上傳監(jiān)測信號來掌握機(jī)械設(shè)備運(yùn)行工況，遠(yuǎn)程控制負(fù)責(zé)把管理人員與操作人員的控制指令傳達(dá)至設(shè)備并執(zhí)行對應(yīng)動作，故障自診斷技術(shù)負(fù)責(zé)定期檢查機(jī)械設(shè)備是否存在隱性故障，診斷故障類型與成因，把診斷報(bào)告提交至管理人員和在操作屏幕上顯示故障碼。

3.2 裝備智能工廠

根據(jù)實(shí)際施工情況來看，受到建筑企業(yè)技術(shù)儲備、現(xiàn)場環(huán)境條件、成本等因素限制，部分施工智能技術(shù)缺乏應(yīng)用場景，大多技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果并不理想，施工質(zhì)量、作業(yè)效率的提升幅度低于預(yù)期，這也使得一部分建筑企業(yè)對智能施工模式存在顧慮，認(rèn)為前期投入與實(shí)際產(chǎn)出不合理。對此，需要在全國范圍內(nèi)建設(shè)若干智能工廠，把一部分施工現(xiàn)場作業(yè)轉(zhuǎn)移到工廠車間內(nèi)進(jìn)行，在工廠內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用到射頻識別、智能控制等高新技術(shù)手段，工廠按照建筑企業(yè)所提要求生產(chǎn)部件部品與加工建材，再把產(chǎn)品運(yùn)輸至工程現(xiàn)場投入使用。例如，在智能工廠中應(yīng)用到鋼筋自動化下料、機(jī)械化噴涂與機(jī)器人焊接等技術(shù)，在車間內(nèi)完成建筑構(gòu)件制作、鋼筋接長裁剪、鋼筋焊接、砂漿拌制等作業(yè)。如此，建筑企業(yè)無需在現(xiàn)場大批量配置焊接機(jī)器人等硬件設(shè)備，直接從智能工廠中預(yù)定相應(yīng)的部件、建材即可，由此節(jié)省了大量的設(shè)備采購成本、維護(hù)保養(yǎng)成本，也不會因現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境條件而影響設(shè)備作業(yè)精度。

3.3 培養(yǎng)復(fù)合型人才

在建筑智能施工模式下，舊有的施工方法、工作內(nèi)容發(fā)生明顯改變，部分施工及管理人員對此缺乏深入、全面的了解，建筑企業(yè)如果直接實(shí)施智能施工模式，很難取得預(yù)期效果，還有可能因此引發(fā)設(shè)備損壞、系統(tǒng)癱瘓、違規(guī)施工操作等一系列問題出現(xiàn)，造成不必要的損失。對此，建筑企業(yè)應(yīng)提前組織專項(xiàng)培訓(xùn)工作，重點(diǎn)培養(yǎng)具備一定信息化素養(yǎng)的復(fù)合型人才。例如，對于管理人員，以熟悉信息系統(tǒng)正確操作方法、軟件工具種類、全新業(yè)務(wù)流程作為主要培訓(xùn)內(nèi)容，如掌握BIM三維建模方法、施工模擬試驗(yàn)方法。而對于一線施工人員，則以掌握運(yùn)料機(jī)器人、自動沖洗平臺、自動砌磚機(jī)器人、測繪機(jī)器人等智能機(jī)械設(shè)備的操作方法為主，并幫助施工人員熟悉BIM+VR的全新技術(shù)交底模式。此外，在施工過程中，普遍存在施工與管理人員無條件相信系統(tǒng)決策判斷的問題，完全按照系統(tǒng)分析結(jié)果開展工作，缺乏主觀能動性，且現(xiàn)有模糊邏輯推理、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法尚不成熟，偶爾出現(xiàn)錯(cuò)誤決策的問題，對施工與現(xiàn)場管理工作造成影響，嚴(yán)重時(shí)形成安全質(zhì)量隱患。因此，建筑企業(yè)需要開展相關(guān)方面的宣傳教育工作，改變這類施工與管理人員的思維定勢，把智能化技術(shù)與智能機(jī)械設(shè)備視作為一種輔助工具，不得形成依賴心理。

3.4 打造基于物聯(lián)網(wǎng)的信息服務(wù)體系

在建筑智能施工期間，智能控制、BIM、建筑機(jī)器人等各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，都離不開信息數(shù)據(jù)的支持，如BIM技術(shù)收集實(shí)時(shí)信息來更新模型內(nèi)容，智能控制技術(shù)收集信息來掌握現(xiàn)場施工情況、計(jì)算最優(yōu)解答案，建筑機(jī)器人根據(jù)外部信息來感知現(xiàn)場環(huán)境、執(zhí)行控制指令。然而，在部分建筑工程中，所搭建各套信息系統(tǒng)互不交接，形成信息孤島，進(jìn)而影響到技術(shù)價(jià)值的發(fā)揮，如智能控制程序因缺乏足夠數(shù)據(jù)樣本而難以計(jì)算出最優(yōu)解答案。為打破信息孤島，深挖信息價(jià)值，建筑企業(yè)需要及早打造一套基于物聯(lián)網(wǎng)的信息服務(wù)體系，通過物聯(lián)網(wǎng)，集中收集各套系統(tǒng)與智能機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行期間產(chǎn)生和采集的數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分析處理，再通過物聯(lián)網(wǎng)向現(xiàn)場設(shè)備傳達(dá)控制指令。例如，在施工模擬場景中，持續(xù)采集工程所在地氣象局實(shí)時(shí)發(fā)布的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，將氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM軟件當(dāng)中，在其基礎(chǔ)上開展施工模擬試驗(yàn)，重點(diǎn)模擬冰雹、降雨等惡劣氣候來臨時(shí)的施工過程，判斷是否存在風(fēng)險(xiǎn)隱患或?qū)κ┕べ|(zhì)量造成影響，在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上調(diào)整施工方案和施工組織計(jì)劃，如調(diào)整工序流程、組織開展室內(nèi)作業(yè)，避免因無法繼續(xù)室外作業(yè)而影響工期進(jìn)度。

4 結(jié)語

綜上所述，人工智能與信息化技術(shù)的完善，為我國建筑業(yè)提供了全新發(fā)展契機(jī)，智能化施工是建筑工程的重要發(fā)展方向，也是突破傳統(tǒng)施工模式局限性的關(guān)鍵。在這一形勢下，建筑企業(yè)必須認(rèn)識到智能化施工模式的價(jià)值所在，靈活運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、BIM、智能控制等高新技術(shù)手段，在其基礎(chǔ)上構(gòu)建新一代的建筑施工體系，并推動智能化施工朝向建設(shè)智慧工地、裝備智能工廠、培養(yǎng)復(fù)合型人才、打造信息服務(wù)體系的方向發(fā)展，掃清智能化施工期間遇到的內(nèi)外部阻力。