装配式智能建造平台构建与应用

文｜中国建筑科学研究院北京构力科技有限公司 刘苗苗 杨国威 刘晓颖 赵瑞阳 夏绪勇 王良平 李书阳

近二十年，我国建筑业发展迅速，产业规模不断扩大，但其每年的科技研发投入占比却处于各领域的末端，建筑行业整体信息化、智能化水平偏低，存在较大成长空间。建筑工业化本身涵盖了设计标准化、构件预制化、施工装配化等要求，相对于传统建筑方式，更加需要信息化的辅助和推动。高承勇认为建筑的信息化和工业化相互促进、支撑，可以有力的推动建筑设计、施工和运维技术的发展。2020年7月3日，住房和城乡建设部、国家发改委、科技部、工信部等13 部门联合印发《关于推进智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》（以下简称《指导意见》）提出“以大力发展建筑工业化为载体，以数字化、智能化升级为动力，创新突破相关核心技术，加大智能建造在工程建设个环节应用，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建造产业体系。”《指导意见》的核心是智能建造和建筑工业化的协同发展，涵盖装配式产业链上各参与方的智能建造平台建设正是响应协同发展的一种解决方案和有效实践。

1 平台创建的原因

目前国内逐步重视BIM 技术的应用，但是并没有改变国内基本的建筑行业状况，业主、设计院和施工方的信息传递均以传统方式为主。建筑行业内主要以图纸为媒介进行信息交流传递，而BIM 则依托信息模型和信息应用技术平台进行信息传递。在此背景下，装配式建筑全产业链智能建造平台（以下简称平台）通过建立统一标准、统一平台和统一管理，依托BIM技术和信息技术，打通装配式项目设计、生产、运输、施工、运维、监管全过程，实现装配式产业“标准化、产业化、集成化、智能化”目标（图1）。平台建设过程中设立了统一的应用规范和标准为产业链各方顺利使用铺平了道路。

图1 省市级装配式建筑全产业链智能建造平台

2 设计赋能

2.1 标准化设计

标准化、模数化是实现建筑工业化大幅度降低成本的核心手段之一，国内专家学者对装配式建筑标准化做了一定的研究。王昌兴提出应大力支持部品零部件的批量化发展，而部品零件的批量化首先得是标准化。张守峰提出在建筑工业化中，标准化是前提，可以提升工程建设效率和经济效益。叶浩文等认为标准化设计不等于标准设计，需要将一系列标准的基本单位通过模数协调、模块组合等方式形成多样化的建筑产品。

图2 标准部品部件库首页

图3 装配式建筑设计系统

图4 图审系统

平台标准化体系的建立是通过统一的数据标准和标准部品部件库打通装配式建筑设计、生产、施工、运维、监管各个环节，实现资源的合理配置。通过制订适用于装配式建筑全过程的BIM 数据交付标准和构件分类编码标准，规范装配式建筑全生命周期的BIM模型创建、交付和分类存储，指导装配式建筑各相关方在设计、报建、生产、施工等各环节的标准化和通用化，满足数据交换过程中的完备性和准确性。

平台基于云服务建立开放的参数化预制部品部件BIM 模型数据库和数据库管理系统，形成产业链上下游的数据信息通道，满足大型装配式建筑预制构件BIM 模型的互联网采集、存储和智能检索，使标准预制构件成为标准化设计、生产、运输、安装的基础单元，实现基于统一系统上的跨专业、多用户互操作及数据集成更新。

图5 效率对比

2.2 智能化设计系统

平台企业侧提供专业的装配式建筑设计系统，该系统基于BIM 技术涵盖全专业全流程，实现装配式设计智能化构件拆分、装配率计算、全专业协同设计、构件深化与详图设计、碰撞检查、材料统计等功能，如图3所示。同时可以调用标准化部品部件库，设计数据直接接力到生产加工设备，有效提高设计效率，降低成本。

软件操作简单，运行速度较快，计算结果准确。提升设计质量，无缝对接线上图审系统（图4），审查报告一键生成，问题检查情况反馈信息一目了然。比如某单体建筑经过线上网审系统生成审查报告，实现自动检验，发现5 处不满足规范要求，16 处存在一般性错误。

一体化设计，避免二次深化设计带来的错漏碰缺。PKPM-BIM 深化设计数据直接生成BOM 生产数据，用于构件加工生产，设计、生产数据一体化。利用智能设计软件为设计企业赋能，设计效率大幅提升，设计图纸一键生成，有效降低设计周期。深化设计投入人员数量比传统减少50%以上，施工图设计周期缩减60%以上。

3 生产赋能

在生产阶段提供装配式智慧工厂管理平台，数字化生产是建筑工业化体系的重要一环。通过统一的BIM 协同平台，加强构件厂与装配式设计和装配式施工现场之间的协同管理，实现多项目、多工厂之间协同生产，从而达到降低成本、优化库存、提高效率和应变能力、减少人为操作失误和提高产品质量的目标。

图6 装配式智慧工厂管理平台

图7 指导生产

基于PKPM-PC 设计软件一键出图后，项目可直接将BIM 模型、深化图纸等设计成果直接导入企业侧生产系统，自动生成构件清单、物料清单等生产BOM数据，无需人工统计和录入，并极大程度的保证了数据的准确率。同时，通过系统可直接显示全楼BIM 模型、预制构件模型和生产加工图纸等设计信息，直接精准指导生产。

图8 构件信息采集录入

根据生产计划，每一块构件在生产前都会生成一张专属的构件二维码标签，生产管理人员在隐蔽检查、浇筑、成品检验等各个阶段，可直接通过PDA、手机等移动设备扫码后完成生产数据的实时采集。智慧工厂系统实时更新各阶段生产数据，并与政府侧平台实时对接，实现构件生产全过程监管透明化和构件信息可追溯化。系统集成传感器、射频识别（RFID）、二维码识别等物联网技术，实现系统与模台、蒸养窑、搅拌机、布料机等工厂各类设备的对接，实现数据自动传输、设备自动控制，推进工厂构件生产智能化。

生产系统可实时统计构件生产状态，每一块构件具体处于待产中、生产中还是已入库、已出库等状态，在系统中一目了然。同时，生产系统对项目生产完成进度和工厂每日生产信息进行实时统计，并通过BIM模型进行可视化展示。工厂管理人员能直观、动态的了解到项目整体生产进度和工厂产能情况。

图9 生产状态实时查看

生产系统从各类原材料采购和半成品生产加工的管控入手，严格把控材料入库和材料出库的审批，实行集中采购、限额领料。仓库管理人员可通过系统实时掌握生产材料的库存和使用情况，有效避免错领、多领、缺货等情况导致的生产成本增加与浪费，实现成本管理的精细化。

智慧工厂管理平台以工厂生产管理为重点，向上下游整合装配式建筑设计、材料、生产、施工等环节，通过“建筑+互联网”的形式助推产业链条内资源的优化配置，为建筑业技术、经济和市场的结合提供了公共平台。

4 施工赋能

装配式混凝土建筑现场施工经常面临许多问题。其中有些问题影响结构质量，例如构件拼缝不平齐、水平度和垂直度调整不到位等；有些问题导致工期拖延，例如堆场安排不合理、施工组织不当等；有些问题导致成本增加，例如起重机型号选择过大等。通过BIM 系统、构件模型数据和施工现场的智慧工地相关技术，可以有效解决这些问题，实现装配式建筑施工过程中堆场优化、吊装模拟和管理、构件可视化预拼装及安装流程模拟、进度协同和管控、基于物联网的质量监管（图10）等。

智慧施工管理系统可将项目整体施工流程及装配化施工工序通过3D 模拟施工的方式进行演示，现场管理人员和施工人员在系统中可随时查看施工模拟动画和施工专项方案，清晰直观的了解关键工序和关键节点的控制要点，并及时对施工方案进行优化调整，有效避免了传统施工中在实际操作时才能发现问题的弊端，对提高施工质量、减少安全风险、降低返工率有较大帮助。

在进度监测方面，通过扫描构件二维码标识，施工现场管理人员可将构件从进场直至施工完成的各阶段数据进行实时采集，并同步反馈至施工系统进行动态更新。另一方面，施工系统将进度信息与BIM 模型进行关联，可视化展示项目进度与完成状态。同时，系统还可将实际进度与计划进度进行动态对比，使项目管理人员能更直观的了解项目进度偏差，并及时发布进度预警。

图10 装配式建筑智能施工管理系统

图11 3D 模拟施工

通过联动现场监控、机械设备安全监测、环境监测及重大危险源监测等设备，将现场信息实时采集传输到施工系统中，企业管理人员可远程实时掌握现场情况，监管现场安全文明施工，对及时发现安全隐患，排查重大危险源、降低安全事故发生率有较大帮助。

5 政府管理赋能

政府侧平台依托于装配式建筑标准化体系的建立，省市内装配式企业按照统一的数据交付要求，将企业侧平台与政府侧平台无缝对接，实现政府侧对装配式项目设计、生产、施工、运维、监管各环节的管理监督。

政府侧平台的建设为装配式产业的监督和发展提供了创新型服务。首先，政府侧平台纵向实现了省、市、县三级住建部门的监管应用，横向与发改、工信、科技、财政等省级有关部门数据共享，成功搭建全省装配式产业网格化监管体系。其次，政府侧平台与省智慧住建平台融合，在不改变其他系统业务办理的情况下，抓取关键数据，加强政府数据的资源整合和标准化管理。

第三，装配式产业大数据和公共服务平台可以将项目建造全流程的关键数据提取和传送到政府公共平台，形成装配式产业大数据。这些数据可以用于全方位分析全省装配式项目、企业、体系和产能的动态情况，实现资源的合理配置和效益最大化，助力产业发展的科学决策。

第四，装配式项目质量监管和追溯平台全方位、便捷高效地对装配式建筑全生命周期质量管控点进行跟踪，可以追溯到质量问题发生的源头，对相关责任单位或人员追责，减少乃至杜绝项目质量问题的发生。

装配式建筑全过程质量追溯和监管系统可以将项目核心质量信息实时上传到政府侧平台，形成项目质量监管和追溯数据，有利于业主维权，同时将质量监管信息和供应商、承包商的信用体系关联，可以增强行业自律性，提高业主满意度。

结语

装配式建筑全产业链智能建造平台为参与各方提供了强大的赋能体系。对设计方，智能化标准化快速方案设计、一键出图使效率大幅提升。同时可以直接对接政府审查平台，一键交付审查。对生产方，直接对接设计信息快速安排生产，获取施工进度信息，合理排布生产计划，避免堆场压力，同时实现数据驱动生产，实现无人或少人工厂生产。对施工方，可以实时了解工厂生产进度，智能优化构件堆场，动态更新施工进度。对政府，可以实现全过程信息实时监管，过程留痕可追溯，同时提供大数据分析，动态报警的能力。

图12 装配式建筑全过程质量追溯和监管系统

图13 装配式产业大数据和公共服务平台

图14 装配式质量监管和追溯平台