建筑工程数字化施工技术研究与探索

房霆宸 龚 剑

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 同济大学土木工程学院 上海 200092；3. 上海超高层建筑智能建造工程技术研究中心 上海 200080

近年来，数字化已成为时代发展的热点，深刻影响和改变着各行各业，极大地促进了数字化施工技术的发展。美国、德国、法国和英国等发达国家高度重视数字化发展，已将其放在了国家战略层面。其间，数字化地球、数字化城市、数字化制造、数字化建造等概念不断提出，内涵不断完善。

我国作为全球制造大国和建造大国，也高度关注和重视数字化战略发展，从《中国制造2025》到习近平总书记提出的数字化中国，再到2020年颁布的“新基建”，都透露着党和国家对于数字化创新发展的重视。尤其是2020年以来，面对突如其来的新冠肺炎疫情，加快新型基础设施建设，大力发展数字建造产业，不仅是响应党和国家的数字化发展战略号召，也是应对疫情不利影响、推动经济平稳运行的重要手段。聚焦“新基建”，着力提升技术创新动力、培育经济发展新动能，对于建筑行业数字化创新发展具有重要的意义[1]。

关于数字化施工，暂时还没有统一的概念。作者经过研究认为，数字化施工主要是通过人与信息终端交互进行，数字化表达、分析、计算、模拟、监测、控制工程建设过程，同时构建全过程的连续信息流，辅助工程建造[1]。数字化施工的本质在于以数字化技术为基础，驱使工程组织形式和建造过程的演变，最终实现工程建造过程和产品的变革。

从外延上讲，数字化施工是以数字信息为代表的新技术与信息驱动下的工程建设方式的转移，包括组织形式、管理模式、建造过程等全方位的变迁[1-5]。

1 基于数字化技术的施工准备

施工准备阶段，可以通过参数化建模模拟施工场地规划，直观再现整体情况，主要是基于BIM对施工塔吊、施工电梯、大型机械、混凝土泵等进行规划、布置和协调。

1.1 施工塔吊的规划

可以利用BIM进行塔吊的参数化建模，并引入现场的模型进行分析，以3D视角来观察塔吊状态，便捷地调整姿势以判断临界状态，确保塔吊安全运行。同时，通过修改参数，分别将模型调整至塔吊的临界状态，参考模型指导塔吊的安全运行。

1.2 施工电梯的规划

可以利用BIM模型直观地判断出施工电梯位置与建筑物结构的连接关系，以及今后场地布置中与人流、物流疏散通道的关系。在既有建筑物BIM模型的基础上，模拟施工电梯的安装、升节、拆除，施工总体布置及总包管理等相关内容，生成施工电梯使用手册，指导施工电梯的装拆及使用、总包管理。现场施工时，根据主要材料统计数量、运输情况以及运输完成需要的总天数建立基础数据库，并基于BIM动态模拟分析各类材料运输路径和耗能量，分析、制定和优化施工电梯使用方案，确保施工电梯高效安全运行和综合能耗最优。

1.3 大型机械的规划

根据现场施工进度的调整，可以利用BIM技术同步调整大型设备进出场时间节点，优化大型设备进出场时间控制精度，明显提高调配效率，节约成本和工期。

1.4 混凝土泵的规划

可以采用虚拟仿真技术，建立完善的混凝土泵模型，计算统计混凝土需求量，估算每次浇筑混凝土的总量；结合仿真计算，科学合理地制定混凝土泵规划方案，优化和确定混凝土泵送管径选型、输送压力设置、泵管布置、泵管固定和连接方式、混凝土浇筑流程和方案。

1.5 一体化深化设计和施工出图

可以采用BIM技术进行施工组织设计模拟，通过细化、检查、纠正和优化方案，确定最优的施工作业方式；采用BIM技术进行钢结构深化设计，通过细化、检查、纠正和优化钢构件、节点的构造方式，可以很好地提升施工质量、降低施工难度；采用BIM技术进行机电深化设计，整合建筑、结构、机电等专业模型，进行设备、管线的碰撞检查和布设，实现综合最优；采用BIM技术进行幕墙深化设计，完善幕墙、节点、擦窗机模型，可以很好地优化方案、细化表达，进而实现精益建造安装。比如，在上海中心大厦工程结构深化设计中，通过采用BIM技术，打破了钢结构深化、土建结构深化、幕墙深化、机电深化等各专业之间的技术壁垒，不仅能检查出结构复杂节点和构造深化过程中的碰撞问题，还能检查出与其他专业界面搭接之间的碰撞问题，将问题解决在图纸深化设计阶段，显著提高了工程质量和效率，有效降低了成本。

2 基坑工程数字化施工技术

2.1 超深地下连续墙施工数字化模拟技术

进行地下连续墙成槽施工前，可以按实体土层情况建立三维实体模型，土层材料参数按地勘资料取值，模拟地下连续墙槽段开挖出泥施工；施工时实测槽段侧向变形平均值控制在10 mm以内。成槽结束后，对槽壁情况进行超声波检测，以确定每幅槽段的成槽质量和槽壁稳定情况，为施工工艺优化和施工质量保证提供条件。同时，还可以基于Abaqus等有限元软件进行数值模拟分析，模拟验算钢筋笼整体稳定性，确定主要受力部件及连接点的受力和变形情况，确保钢筋笼吊装安全高效进行。

2.2 基坑工程数字化施工技术

针对承压水减压降水环境影响模拟技术，可以采用Abaqus等有限元软件，建立关于多层松散含水层组地下水的三维渗流有限元数值模型和三维渗流与土体变形全耦合地面沉降有限元数值模型，仿真模拟分析承压水减压降水对周边环境的影响，预测预报基坑降水的环境效应，优化深基坑工程的降水设计和降水方案。进行承压减压降水控制时，可以采用承压水减压降水实时监测技术，通过现场监测数据的自动采集、储存、传输，实时获取地下水位的动态变化规律，指导降水运行；同时采用基坑降水自动化监控系统，通过数据管理与分析，实现安全评估和预警反馈。

针对深基坑变形环境影响模拟与支护技术，可以通过建立三维流固耦合有限元模型分析基坑变形，系统模拟基坑开挖过程对环境的影响，对于指导基坑设计具有很好的作用。针对基坑变形控制，采用了基坑变形可视化监控与预警平台系统，主要是基于物联网技术，建立了基坑变形监控与预警平台系统，通过集成图纸互动管理、监测与控制、专家决策分析、超前预警与安全评估等功能，可以实现工程施工远程监测预警，动态掌握施工过程中深基坑围护结构变形及其灾变演化的实时数据和变形状况，并实施灾变预警，以便确保基坑工程的安全建造。

3 主体结构数字化施工技术

这里主要从大体积混凝土裂缝控制、超高泵送混凝土、钢结构安装、机电管线安装、装饰构件拼装等几个方面进行介绍。

3.1 大体积混凝土裂缝控制模拟和监测技术

在大体积混凝土施工时，可以采用混凝土数字化裂缝控制技术，通过基于混凝土弹性模量、温差变化规律、浇筑体长度和厚度、水平基底阻力系数等进行大体积混凝土浇筑裂缝控制的有限元模拟分析，同时对混凝土浇筑施工时的温度场及温度应力影响进行模拟分析，基于模拟结果对比分析确定混凝土浇筑方案。浇筑施工时，可采用大体积混凝土无线温度监控系统，通过综合运用设备远程控制、温度实时采集、数据无线传输、云端数据实时处理及显示等物联网技术和无线传输技术，实现大体积混凝土动态监测，防止温度裂缝的产生。

3.2 超高泵送混凝土模拟技术

在混凝土超高输送施工前，可以采用混凝土超高泵送虚拟仿真技术，基于建立的超高泵送混凝土的流变力学模型和几何模型，通过CFD软件进行混凝土超高泵送全过程的仿真模拟，以指导泵管的选型和施工作业。如在上海中心大厦工程中，通过采用CFD软件模拟显示，泵送压力损失随着混凝土流速增大而增大，呈线性变化规律，该规律很好地指导了实际泵送过程中混凝土流量选择；模拟中同时发现，对于塑性黏度较大的混凝土，增大泵管管径，泵送压力损失降低幅度更大，经过对比分析，表明150 mm管径的泵管更有利于降低高性能混凝土的泵送压力损失，为泵管的选型提供了很好的参考作用。

3.3 钢结构安装虚拟仿真安装技术

传统钢结构工厂实物预拼装需要占用大量的人力、物力，对时间和场地要求高，工厂预拼装也无法满足工程施工进度的要求。针对这一难题，可以采用基于BIM的三维可视化控制技术，对钢结构安装实施三维可视化预演和现场实时监控，根据信息化模型模拟钢结构安装流程、临时支撑安装与拆除顺序、伸臂桁架层终固等过程，形成最优安装流程；同时根据信息化模型，采用虚拟拼装代替传统的实物预拼装，实现加工与安装的数据化联动。如在上海中心大厦钢结构施工中，针对有整体特性的大型钢结构构件，通过整体模型信息化预拼装，将每一个接口相关的实测数据提取出来进行对比，检验接口部位的实际间隙是否符合规范要求。当数据超出规范要求时，对超差部位进行整改，可以很好地达到实体预拼装的效果。

3.4 钢结构安装监测控制技术

可以采用预变形模拟安装方法，对钢结构垂直高度压缩变形、收缩徐变标高补偿进行计算预测，并结合实时监测的综合变形差异及时调整控制钢结构安装方案。采用基于施工过程控制、运营维护全寿命期的健康监测控制系统，可以很好地实现施工控制、运营维护一体化数据共享和无缝衔接，通过标高补偿和差异变形协同控制技术使钢结构的施工状态与设计状态一致，提升钢结构安装精度。

3.5 机电安装工程数字化建造技术

3.5.1 基于BIM的综合管线优化布设

在机电管线安装之前，基于BIM技术采用数字化模型协调机电安装各专业之间的矛盾以及与土建的矛盾，对机电管线安装空间以及设备安装位置进行标高分析及空间优化，实现综合管线布留、支吊架布局等最优的设计目标，提高机电深化设计、加工及安装的质量与效率，解决预留洞与暖通管高度不一致、管线综合高度不合理、重复开孔、净空高度不足等问题。

3.5.2 机电设备数字化现场虚拟拼装模拟

可以采用Navisworks模拟功能和三维动画展示功能，通过Navisworks软件对整个施工机电设备进行虚拟拼装模拟，能很好地帮助现场管理人员对部分施工节点的预演及虚拟拼装进行有效控制；可以利用三维动画对计划方案进行模拟拼装，更好地理解、改进、优化进度计划方案。

比如在钢结构吊装、大型设备吊装、机电管线安装等过程中，通过虚拟拼装向该项目管理人和专家讨论组提供分专业、总体、专项等特色化演示服务，使感受更直观，有利于优化施工方案，为工程的顺利竣工提供保障。

3.5.3 机电设备现场安装数字化控制技术

在机电设备现场安装时，可以采用基于二维码的现场安装控制技术，通过二维码扫描获取管配件安装具体位置、性能、物理、厂商参数等信息，同时采用二维码安装控制技术便于施工以及检查，对于提高工作效率和安装精度具有很好的辅助作用。

3.6 装饰构件数字化加工及安装技术

3.6.1 装饰构件的数字化加工及安装

室内装饰可以利用BIM技术进行模块化设计与加工制作，有利于减少现场作业量，快速实现三维定位，解决艺术构件加工困难及现场装配化精准度问题，保证施工的准确性，提高室内装修的质量与效率。比如对复杂装饰构件进行BIM建模，并将模型转换成3D打印机或者雕刻机可接受的格式进行打印或雕刻，有利于克服人工无法作业完成的施工难题，在提高作业精准度的同时大大缩短作业时间。

3.6.2 基于BIM的玻璃幕墙工程深化设计与设计协同

可采用基于BIM技术的一体化深化设计工作模式，生成深化图纸，有助于弥补设计深度不足的缺陷，解决节点、系统细部深化设计难题。通过BIM技术生成细部深化设计图纸，驱动所有板块的模型自动生成，可有效降低深化设计过程中的出错概率以及加工图、加工模型建模的工作量。

3.6.3 基于BIM的玻璃幕墙虚拟仿真分析

可以采用BIM技术分别建立钢结构、玻璃幕墙模型，之后进行合模，分析、判断和解决钢结构与幕墙软、硬碰撞的问题，以及工艺尺寸的问题。比如在上海中心大厦工程中，通过采用Inventor对单元板块拼装流程进行仿真分析，最终将整个外幕墙单元板块拼装流程从121步优化为78步，大幅简化了施工流程，提高了施工效率。虚拟仿真技术的应用，确保了上海中心大厦2万余块大小不一的曲面玻璃幕墙的精确安装。

4 模架装备数字化设计与制造技术

整体钢平台模架装备是超高层建造的关键装备。该装备在空中施工的控制难题极大。针对这一难题，可采用虚拟仿真技术对模架装备各系统进行参数化建模、标准模块化设计、虚拟仿真拼装、装备与结构合模的可视化仿真建造，进而实现数字化的虚拟仿真设计、制造和施工。针对整体钢平台模架复杂结构层施工，可通过建立建筑物及施工辅助设施的完整模型，分析建筑施工全过程中整体模架体系与建筑物及其他施工辅助设施的相对位置关系，协调施工过程中相互之间可能产生的矛盾。针对钢平台施工过程中的协同管控难题，可采用整体模架装备施工监控系统，对整体钢平台模架施工作业全过程进行实时监测及可视化控制，提高模架装备的风险防范性能。

5 数字化施工过程管理

5.1 施工进度的编制、审核和对比

可以利用BIM模型的4D、5D功能，对施工方案、物资供应、劳动力调配等施工进度的关键要素进行模拟，为施工方案的优化、施工现场的管理以及相关决策提供指导和帮助。通过利用BIM模型4D、5D功能的统计与模拟能力，有利于改变以往粗放的、经验估算的管理模式，实现精细化管理和施工进度编排的最优。施工过程中可以动态地进行工程横道图计划BIM预演、各道工序审核、计划进度与实际进度对比，及时掌握和调整施工进度计划，以便安排下一阶段工作计划，提高工作效率和质量。

5.2 基于三维可视化模型的施工过程控制技术

可以采用三维可视化模型演示系统，从体验到管理对项目进行危险预判，漫游深入建筑内部任意位置了解情况，依据真实、形象的三维模型协调和控制施工过程；从体验到管理对项目施工计划进行分析，利用手持电子设备（iPad）随时调用所需模型，及时动态地掌握施工质量和施工进度，指导下一阶段施工。

5.3 基于项目管理的三维可视化协同管理平台

可以采用三维可视化信息交互平台进行工程项目管理，将沟通工作通过信息化平台完成，将信息化技术的应用点集成到网络平台，在网络服务器上共享数据信息。采用信息化平台的好处是：在平台上，各参建方可以在网页上浏览图纸、模型、方案、施工模拟、施工进度等信息，并可在模型上进行批注、测量、讨论等操作，平台会对所有人员的操作进行记录和同步更新，进而使沟通实现了有据可循，有利于节省沟通成本，提高工程管理水平。

5.4 数字化材料采购管理和物流跟踪

可以采用可视化物流智能管理系统对工程材料进行管理，主要是采用可视化的方法对施工材料物流进行管理，通过建立材料信息数据库，包括材料的分类、编码、数量以及材料运输计划等各类信息，为材料管理和分析提供基础性数据。施工过程中采用二维码、移动终端等技术，对材料运输的管理申请、回执和三级仓储等工作流程进行管理，并实时采集材料运输过程中的各项信息。将该信息纳入数据库，通过系统平台可随时查询、分析和处理相关信息，为后续的材料运输和物流管理方案制定提供依据和指导，实现对材料运输和现场物流的高效可视化管理。

6 结语

数字化施工是一门跨专业、跨部门的技术体系，关于数字化施工技术的研究与应用，很多工作还处于探索阶段，尚处于概念形成期的初始发展阶段，但数字化技术对于建筑工程领域的促进作用已经凸显出来。工程实践表明，通过在工程建造全过程采用数字化施工技术，数字化地分析建造各个重要环节，有利于优化工程建造过程，解决工程施工过程中的各类技术难题，改变建筑工程的施工建造模式，提高工程质量、施工管理水平和安全管控能力，实现精益建造。