摘要：智能建造技術(shù)推動(dòng)下，建筑工業(yè)化發(fā)展面臨前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。通過(guò)引入智能技術(shù)，建筑項(xiàng)目的效率、質(zhì)量與可持續(xù)性將得到顯著提升，因此，探討智能建造技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等建筑全生命周期中的應(yīng)用意義重大。研究發(fā)現(xiàn)，智能建造技術(shù)不僅能優(yōu)化資源管理，減少資源浪費(fèi)，還能通過(guò)模擬與分析預(yù)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，提前防范潛在風(fēng)險(xiǎn)。然而，智能建造技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中也面臨技術(shù)成本高、人才短缺、數(shù)據(jù)集成等挑戰(zhàn)。因此，建筑行業(yè)需要協(xié)作培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才，開(kāi)發(fā)更經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)解決方案，以推動(dòng)智能建造技術(shù)的普及和建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

關(guān)鍵詞：智能建造；建筑工業(yè)化；全生命周期

0 引言

我國(guó)建筑業(yè)通過(guò)幾十年的發(fā)展，在規(guī)模和重難點(diǎn)工程攻堅(jiān)方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，綠色和環(huán)保等新要求為建筑工業(yè)化發(fā)展迎來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)的變化，我國(guó)建筑工人的數(shù)量逐年減少，50歲以上建筑工人的比例逐年增多。這一趨勢(shì)不僅導(dǎo)致了建筑行業(yè)的勞動(dòng)力短缺，而且由于工人年齡增長(zhǎng)，工傷發(fā)生概率相應(yīng)提高。因此，建筑業(yè)發(fā)展迫切需要一種新的解決方案。

人工智能與建筑行業(yè)的深度融合，推進(jìn)建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)智能建筑機(jī)器人的需求也急劇增加。2020年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《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(jiàn)》[1]明確提出，要圍繞建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展總體目標(biāo)，以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級(jí)為動(dòng)力，創(chuàng)新突破相關(guān)核心技術(shù)，加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用。在此背景下，建筑機(jī)器人在工地的應(yīng)用將成為解決途徑之一。

然而，智能建造技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中仍面臨諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，如技術(shù)成熟度不高、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同不足、標(biāo)準(zhǔn)化程度不高等。因此，研究智能建造技術(shù)在建筑全生命周期的應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。

1 智能建造技術(shù)解決的問(wèn)題

智能建造是一種融合了先進(jìn)的信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù)及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的現(xiàn)代高新技術(shù)建造方式[2]。其在傳統(tǒng)建造方式的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能化手段實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的自動(dòng)化、信息化、智能化和綠色化，在施工階段主要以建筑機(jī)器人為主，通過(guò)集成先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，提高施工的效率、質(zhì)量和安全，同時(shí)減少成本和環(huán)境影響，是建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.1 智能設(shè)計(jì)

智能設(shè)計(jì)不局限于某一特定技術(shù)，而是多種現(xiàn)代技術(shù)的集成應(yīng)用，涉及參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)方案智能優(yōu)化、數(shù)字設(shè)計(jì)輔助審查、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的數(shù)據(jù)集成共享、基于BIM的協(xié)同設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。

1.2 智能生產(chǎn)

通過(guò)引入先進(jìn)的制造技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件和部品的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)。智能生產(chǎn)的目標(biāo)是提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量，減少環(huán)境影響。

（1）自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。通過(guò)使用建筑機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件的快速、精確生產(chǎn)，減少人工操作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

（2）3D打印技術(shù)。該技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可以直接將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為實(shí)體構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)，減少浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。

（3）預(yù)制建筑。其是指將建筑構(gòu)件在工廠(chǎng)預(yù)先制造，再現(xiàn)場(chǎng)組裝，可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，減少現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)環(huán)境的影響。

1.3 建筑機(jī)器人

建筑機(jī)器人的應(yīng)用范圍非常廣泛，可以囊括建筑施工的各個(gè)階段和領(lǐng)域。例如，在混凝土施工中，建筑機(jī)器人可以完成澆筑、振搗、抹平等任務(wù)；在鋼結(jié)構(gòu)施工中，可以完成焊接、切割、鉆孔等任務(wù)；在安裝施工中，可以完成管道、電氣、幕墻等安裝任務(wù)；在裝修施工中，可以完成墻面涂刷、地面鋪裝、家具安裝等任務(wù)?？傊?，建筑機(jī)器人可以替代人工完成各種建筑施工任務(wù)，提高施工效率和質(zhì)量，降低施工成本和環(huán)境污染；也可以減少人工操作和勞動(dòng)力需求，提高建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的安全性和可持續(xù)性。

1.4 智能運(yùn)維

智能運(yùn)維是指利用信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)對(duì)建筑設(shè)施實(shí)施監(jiān)控、管理和維護(hù)，以提高建筑設(shè)施的運(yùn)行效率、安全性、舒適性和可持續(xù)性[3]。

（1）智能化空間管理。利用信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)對(duì)建筑空間進(jìn)行管理和優(yōu)化，以提高空間利用率、舒適性和安全性?？蛇M(jìn)行空間監(jiān)測(cè)和管理、空間使用計(jì)劃和管理、空間使用預(yù)測(cè)和優(yōu)化、空間安全和應(yīng)急響應(yīng)管理。

（2）智能化安防管理。針對(duì)防盜、防劫、防入侵、防破壞等方面開(kāi)展管理工作，保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)安全，創(chuàng)造安全、舒適的居住環(huán)境。智能化安防管理通過(guò)應(yīng)用智能化系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)的安防工作進(jìn)行提升，當(dāng)出現(xiàn)異常或危險(xiǎn)狀況時(shí)，能夠自動(dòng)識(shí)別，通知管理人員，必要時(shí)進(jìn)行報(bào)警；可嚴(yán)格控制人員出入；高效開(kāi)展對(duì)巡檢人員的管理工作，確保巡檢人員能夠按時(shí)、按路線(xiàn)完成巡檢工作。

（3）智能化設(shè)備管理。通過(guò)應(yīng)用人工智能等現(xiàn)代技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑施工設(shè)備高效、智能、安全的管理。可提高設(shè)備管理效率、降低設(shè)備管理成本、加強(qiáng)設(shè)備使用安全性、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、實(shí)現(xiàn)設(shè)備高效協(xié)同和智能化管理。

1.5 建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

依托對(duì)建筑行業(yè)大數(shù)據(jù)的全面采集、實(shí)時(shí)傳輸、快速處理和高級(jí)分析，推動(dòng)供應(yīng)鏈管理、協(xié)同設(shè)計(jì)、智能制造、智能施工和智能運(yùn)維的革新。這一變革與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合，促成了一個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈一體化、智能化的建造產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用生態(tài)。

建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可分劃分為五大關(guān)鍵平臺(tái)類(lèi)型：面向企業(yè)級(jí)的智能化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、工程造價(jià)全周期智能化管理平臺(tái)、智能化供應(yīng)采購(gòu)平臺(tái)、建造全過(guò)程智能化管理平臺(tái)、面向監(jiān)管層智能化行業(yè)監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)。通過(guò)這些平臺(tái)的協(xié)同作用，建筑行業(yè)將變得更加高效、透明和智能，為參與者帶來(lái)更豐富的價(jià)值。

2 智能建造技術(shù)在建筑全生命周期中的應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)階段

在設(shè)計(jì)階段，智能建造技術(shù)可以通過(guò)建筑信息模型（BIM）實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑項(xiàng)目的虛擬仿真和數(shù)字化建模。設(shè)計(jì)師可以利用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)電系統(tǒng)、裝飾裝修等方面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)同工作和信息共享。通過(guò)BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以更加直觀(guān)地展示建筑項(xiàng)目的效果，預(yù)測(cè)項(xiàng)目施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提前進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用主要體現(xiàn)在建筑信息模型（BIM）、參數(shù)化設(shè)計(jì)、性能模擬、協(xié)同設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、可視化等方面。

2.2 施工階段

在施工階段，智能建造技術(shù)可以通過(guò)人工智能、數(shù)字化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧工地管理。施工方可以對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的物資、人員、設(shè)備等實(shí)時(shí)跟蹤和調(diào)度，提高施工效率和質(zhì)量。此外，智能建造技術(shù)還可以通過(guò)自動(dòng)化施工設(shè)備實(shí)現(xiàn)部分施工任務(wù)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)和成本。

（1）智能搬運(yùn)及配送。移動(dòng)機(jī)器人能夠在工地上運(yùn)送材料，如磚塊、水泥和其他建筑材料等，減輕工人的負(fù)擔(dān)并提高效率。例如，由加拿大公司Clearpath Robotics開(kāi)發(fā)的Husky機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于建筑工地執(zhí)行物流運(yùn)輸任務(wù)。它能夠攜帶重型建筑材料和設(shè)備，通過(guò)自主導(dǎo)航系統(tǒng)按照預(yù)定路徑運(yùn)輸材料，全程無(wú)需人工干預(yù)[4]。

（2）智能巡檢。機(jī)器人可在工地上執(zhí)行定期安全巡檢，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和工作環(huán)境，確保建筑現(xiàn)場(chǎng)的安全。例如，波士頓動(dòng)力的四足機(jī)器人Spot常常被用于建筑工地的安全巡檢和監(jiān)測(cè)工作，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，以促進(jìn)施工流程和安全管理。此外，安防巡檢機(jī)器人可以24小時(shí)不間斷在指定區(qū)域進(jìn)行巡邏執(zhí)法，機(jī)器人配備了可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、氣體傳感器等檢測(cè)設(shè)備，在提供穩(wěn)定視頻監(jiān)控畫(huà)面的同時(shí)，基于圖像識(shí)別技術(shù)集成模式識(shí)別算法進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、安全帽佩戴識(shí)別、反光衣穿戴檢測(cè)、工服檢測(cè)、危險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)識(shí)別、車(chē)輛識(shí)別、入侵檢測(cè)等，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)預(yù)警。

（3）智能測(cè)量。運(yùn)用傳感器和地圖技術(shù)，移動(dòng)機(jī)器人能夠掃描土地表面并繪制地圖，為后續(xù)施工提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。我國(guó)自主研發(fā)的自動(dòng)行走建筑智能測(cè)量機(jī)器人能夠基于BIM模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋徑，并將BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)系進(jìn)行智能匹配，選擇最佳坐標(biāo)對(duì)房間信息進(jìn)行全方位測(cè)量[5]。

（4）輔助施工。移動(dòng)機(jī)器人還可用于輔助施工，如提供組裝輔助和簡(jiǎn)單施工任務(wù)執(zhí)行。例如，碧桂園集團(tuán)全資子公司博智林機(jī)器人公司已有21款建筑機(jī)器人投入商業(yè)化應(yīng)用[6]，包括混凝土天花打磨機(jī)器人、地面整平機(jī)器人、測(cè)量機(jī)器人、噴涂機(jī)器人等多種不同類(lèi)型的機(jī)器人，極大地提高了施工效率。

2.3 運(yùn)維階段

在運(yùn)維階段，BIM和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）[7]等智能建造技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑項(xiàng)目的自動(dòng)化運(yùn)維和智能化管理。運(yùn)維人員可以利用這些技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑項(xiàng)目的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)和診斷潛在問(wèn)題并進(jìn)行及時(shí)處理。此外，智能建造技術(shù)還可以為建筑項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)，提高運(yùn)維效率和質(zhì)量。

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目基本情況

該項(xiàng)目位于吉林省長(zhǎng)春市寬城區(qū)吉林建筑科技學(xué)院，為教學(xué)樓項(xiàng)目，用地面積 57 106m2，總建筑面積 18 797.21m2。地上5層，主要功能為教室、會(huì)議室、實(shí)驗(yàn)室。智能建造團(tuán)隊(duì)將項(xiàng)目定位與設(shè)計(jì)理念相結(jié)合，構(gòu)建了全過(guò)程全專(zhuān)業(yè)數(shù)智化建筑信息模型，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)、運(yùn)維各個(gè)階段信息數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用，達(dá)到縮短工期、提高質(zhì)量、減少成本的作用。教學(xué)樓三維渲染圖和教學(xué)樓內(nèi)部裝修圖如圖1和圖2所示。

3.2 三維數(shù)字設(shè)計(jì)與管理

針對(duì)該項(xiàng)目，吉林建筑科技學(xué)院作出協(xié)同設(shè)計(jì)決策，應(yīng)用Revit及配套智能建模、智能算量、智能計(jì)價(jià)軟件進(jìn)行全專(zhuān)業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)及工程量提取。全專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，約70%的信息數(shù)據(jù)從協(xié)同設(shè)計(jì)中產(chǎn)生，工程項(xiàng)目管理及運(yùn)維過(guò)程中的數(shù)據(jù)也來(lái)源于此?；谌珜?zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)節(jié)，需要高效的設(shè)計(jì)工具，該項(xiàng)目選擇使用晨曦智能建模工具及智能算量工具。另外，該項(xiàng)目還使用晨曦全過(guò)程咨詢(xún)管控平臺(tái)，包括數(shù)字化項(xiàng)目管理、合同管理、進(jìn)度管理、資源管理、圖樣變更管理、監(jiān)理模塊、智慧工地、輕量化合模等。晨曦全過(guò)程咨詢(xún)管控平臺(tái)數(shù)據(jù)總控圖如圖3所示。

將各專(zhuān)業(yè)模型數(shù)據(jù)對(duì)接到過(guò)程算量、資源采購(gòu)、生產(chǎn)施工等環(huán)節(jié)，以工程進(jìn)度為核心、以工程造價(jià)為主線(xiàn)，整合全專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字平臺(tái)及各參與方在線(xiàn)協(xié)同工作方式，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。晨曦全過(guò)程咨詢(xún)管控平臺(tái)設(shè)計(jì)咨詢(xún)圖如圖4所示。

3.3 建筑機(jī)器人的應(yīng)用

在施工過(guò)程中，該項(xiàng)目采用智能建造噴涂機(jī)器人、砌筑機(jī)器人、鋼筋綁扎機(jī)器人、地磚鋪貼機(jī)器人等智能施工設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），以及大語(yǔ)言編程系統(tǒng)等人工智能平臺(tái)代替人工作業(yè)。通過(guò)不同工種的智能建造機(jī)器人及相應(yīng)的智能建造施工方案，提升建筑施工效率，為施工人員提供安全保障。根據(jù)晨曦實(shí)際數(shù)據(jù)，使用噴涂機(jī)器人可以節(jié)約1/3的材料，效率是人工的6倍。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著建筑工業(yè)化的推進(jìn)，智能建造技術(shù)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用日益廣泛。未來(lái)，建筑業(yè)的持續(xù)發(fā)展將取決于多種形式的智能建造技術(shù)的應(yīng)用。從數(shù)據(jù)收集和分析到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地施工，再到后期安全維護(hù)，移動(dòng)機(jī)器人的角色將變得愈加關(guān)鍵，不僅是簡(jiǎn)單的施工工具，更是建筑領(lǐng)域智能協(xié)作的先鋒。隨著科技的飛速發(fā)展和機(jī)器人技術(shù)的日益成熟，智能建造技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用將迎來(lái)更為廣泛和深入的拓展，以人工智能為核心的智能建造技術(shù)在協(xié)同作業(yè)、智能決策等方面的作用將更加顯著。

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收稿日期：2024-02-27

作者簡(jiǎn)介：

呂哲琦（1995—），男，助教，院長(zhǎng)助理，研究方向：智能建造。

溫董瑤（通信作者）（1996—），女，助教，研究方向：裝配式建筑、工程管理。

*基金項(xiàng)目：吉林建筑科技學(xué)院2023校級(jí)教育教學(xué)改革研究課題“新工科產(chǎn)教融合，校企合作機(jī)制模式探索與實(shí)踐”（JY2023C021Z）。