数字化施工到智能化施工的研究与探索

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，我国工程建设行业得到快速发展，许多技术达到国际领先水平，虽然是工程建造大国，但总体粗放式发展的现状尚未得到根本转变。工程建设领域的数字化转型，智能化升级改造，可以显著提升行业整体建造技术水平，助力我国建造强国战略目标的实现[1-6]。

十八大以来，党中央高度重视数字化发展战略，其间习近平总书记提出“实施国家大数据战略加快建设数字中国”。2016年，丁烈云院士率先提出数字化建造概念，组织了大量业内专家从工程建设全过程系统阐述了工程项目数字建造模式，其中龚剑、房霆宸在《数字化施工》著作中，系统性地阐明了数字化施工概念及其理论基础和应用模式。2020年4月，国家发改委首次明确新型基础设施范围，涵盖5G、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域。2020年7月，住建部、发改委、科技部等13部门印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》。自此，数字化、智能化已成为工程建设行业发展的关键词和研究热点，深刻影响和改变着工程建设模式，给工程建设行业的转型发展带来了机遇和惊喜[2-6]。

1 数字化施工研究实践

数字化施工主要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。数字化施工主要包括数字化虚拟仿真施工、数字化施工控制、数字化协同管理等内容，数字化施工技术的应用可以改变传统施工模式，大幅提升工程施工水平[2]。

1.1数字化虚拟仿真施工

数字化虚拟仿真施工是一门新兴学科，主要是在计算机上采用几何空间模型和力学性能分析等软件对工艺流程和受力性能等进行虚拟仿真分析。开展数字化虚拟仿真施工技术研究的重点：一是进行空间几何模型分析，主要是基于数字信息，采用建模软件或图像识别设备建模系统，建立建筑、结构、构配件等物理模型，模拟工程建造和部件组装过程；基于模型加关键维度数字分析方法，综合考虑时间、经济、环境等附加维度属性，实现从结构空间设计、功能提升增值、成本控制等方面的虚拟仿真模拟。二是进行力学性能分析，主要是采用有限元法、离散元法等分析方法，利用计算软件，建立力学模型，分析和计算建筑相关问题等方面的力学性能和物理状态。通过采用数字化虚拟仿真施工技术，在施工之前模拟和评估施工全过程，有针对性地提前优化和解决工程建造过程中可能存在的问题，可以为施工方案的确定和调整提供依据，进而实现施工建造的综合效益最优，为高品质工程建造提供支撑。

1.2数字化施工控制

数字化施工控制是指采用仿真分析技术、物联网技术、互联网技术等信息化技术，控制工程施工的过程。开展数字化施工控制技术研究的重点：一是进行施工现场空间环境的数字化控制，做好现场临时设施的数字化施工管控、施工现场材料及设备数字化物流管控、绿色施工的环境因素（声、光、尘）数字化管控等关键要素的控制。二是进行安全要素的数字化管控，做好施工现场人员安全状态、施工现场机械和装备安全状态、施工紧邻建（构）筑物等环境安全状态等关键要素的监测及控制。三是进行工程本体关键环节施工的数字化控制，做好构件加工、基坑工程、混凝土工程、钢结构工程、机电工程、装饰工程等专项工程的施工监测与控制。通过采用数字化施工控制技术，对工程实体以及施工现场人员、机械设备和周边环境等状态的全方位立体化监测、评估和控制，有利于实现工程建造过程的精益化管控。

1.3数字化协同管理

工程项目建设涉及的合作单位、分部分项工程多，对工程管理团队的协同作业能力要求高。构建统一施工协同管理平台的关键，一是将工程项目中的施工模拟、沟通协调、方案审批、进度管控、质量监控等施工过程的关键要素通过平台系统等方式放在互联网平台上进行统一协作管理，提高工程建造效率、工作协同度和工程管理水平；二是发展工业互联网，围绕工程虚拟仿真建造、结构安全数字化控制技术、人—机—环耦合工程风险要素数字化控制、工程项目协同管理平台开发等关键技术及平台，构建工程项目数字化建造及控制工业互联网平台，在集成平台上进行工程项目全过程的数字化管控，形成整合的闭环数据流。通过采用数字化协同管理，实现数字化技术的应用和数据流的联动，可以从整体上提高施工效率、工程管控水平和工程质量。

2 智能化施工探索

数字化施工技术的应用会产生大数据，基于数字化施工和工程物联网产生的大数据，综合应用大数据、数字孪生、人工智能、智能感知、工业互联网等技术，在数字化施工各个环节融入智能化算力算法，赋予相关技术、装备和设备设施智能化属性进行工程建造的过程被称为智能化施工。数字化施工是智能化施工的基础，智能化施工是数字化施工发展的必然趋势，二者紧密相连，密不可分。发展智能化施工的关键是以建筑工业化为载体，以数字化、智能化升级为动力，突破技术瓶颈，加大智能化技术在工程建设各环节的应用，形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能施工产业体系。开展智能化施工技术研究的关键是借助数字化、物联网和互联网络积累的大数据，基于算力和算法融入可以深度学习的人工智能技术，赋予工程建造的智能属性。其具体实施重点：一是开发针对工程实体及其建造过程中所涉及的人员、机械、环境、材料、方法等关键要素的专项智能化技术和装备；二是开发建筑工程开发、设计、施工、生产、运维等全生命周期智能化建造及控制工业互联网专项平台和集成平台；三是从项目级、企业级、行业级多个层面研究面向网络化协同、个性化定制、智能化生产等不同场景的智能化施工模式。通过发展和应用智能化施工，将从根本上变革工程建造模式，实现工程项目的功能与价值的有效增值。

3 结语

数字化施工是工程建设行业转型发展的关键，智能化施工是数字化施工发展的高级阶段，也是未来工程建设技术发展的必然趋势。工程实践表明，开展数字化施工、智能化施工研究与应用，从“点”上来说，有利于改变传统的工程建设模式，实现工程项目的降本赋能和精益建造，提高工程施工效率和质量；从“面”上来说，可以加强企业对工程项目的管控能力，提升企业所交付工程产品的科技含量和价值功能，促进工程建设企业的创新转型发展；从行业发展上来说，数字化、智能化是一个系统工程，开展数字化施工、智能化施工研究与应用工作，可以带动产业链上下游及关联企业的协同联动发展，对助力我国科技强国发展战略实施具有重要意义。