装配式建筑智慧建造现状研究

2022-01-14中铁建工集团北方工程有限公司马旭国

中国建设信息化 2021年24期

文｜中铁建工集团北方工程有限公司马旭国

装配式建筑是我国建设行业目前主要发展类型，在装配过程中体现出较高的便捷性、技术性。随着新兴技术的发展，装配式建筑逐步走向了智慧化。

1 装配式建筑智慧建造现状分析

1.1 行业背景

全球建设行业劳动生产力在增长速度方面远低于制造行业，且与整体经济相差较多，信息化时代未到来前，建设行业在20年内的生产增长率极低，且备受关注的问题为房屋质量，实际建设时，由于没有先进技术作为支撑，极大程度降低建设领域整体数字化水平，在排名上仅高于农业。随着大数据技术、智能技术、云技术的发展与运用，我国装配式建筑呈现出高速发展趋势，2020年，住房和城乡建设部对全国新开展的装配式建造工程进行深入研究，得到数据结果如下：总规模为6.3 亿m2，相较于2019年，装配式建筑面积增长率为50%。与此同时，我国也通过打造“1+3”标准化设计与生产体系，来处理因标准化程度不高而阻碍装配式建筑发展的问题。

现如今，我国依托于《关于大力发展装配式建筑的指导意见》以及生产体系来提高装配式建筑比例，并获得显著成效，且这一建筑工程还体现出高效性的特点，尤其是2020年抗击新冠疫情时，便采取装配式建筑方式以及国民“云监工”下，仅用10 天时间便完成火神山、雷神山医院的竣工，解决特使时期收容新冠患者的难题。

1.2 现状调查

为全面掌握当前我国装配式建筑智慧建造现状，国家建设部门通过移动端、PC端发放相关调查问卷，得到有效问卷267份，调研对象单位类型主要有建设开发单位、科研单位、政府部门、勘察设计单位等，并分别在华中、华北、华南等多个地区展开调研。汇总、整理问卷内容得出以下调查结果：装配式建筑智慧建造主要体现在三方面即标准化设计、施工与管理、部品生产与管理[1]。

开展装配式建设项目设计环节时，一般会应用BIM 技术搭建三维模型，为设计工作提供直观依据，也有部分施工单位运用CAD 软件，完成项目施工图纸的设计，并在智慧平台的支撑下，展开装配式建筑协同设计工作。该环节各工作内容信息化应用情况如表1所示。

表1 装配式建筑设计阶段各作业环节信息化应用占比

通过对调查结果分析，所有信息化应用点相比，占比较高的应用点包括虚拟预拼装、预制部件质量跟踪管理、可视化技术交底等，占比率分别为70.79%、56.55%、68.54%，但在套筒灌浆质量信息化管理方面仅有36.33%。

装饰环节也是调查问卷中的一项内容，施工至此阶段时，占比最高的信息化应用点占比率为68.16%，为模块化设计标准、三维标准化图集、部品族库。

1.3 现状不足

通过对上文的调查数据进行分析能够看出，尽管大数据技术、人工智能技术被广泛应用于装配式智能建造中，促使建筑质量得到显著提高，并大幅提升建设效率，但在具体实践时，所获得的综合成效仍与预期相差较大，其不足主要体现在四方面：

其一，使用预制构件开展装配式建筑施工时，其侧面极易发生出筋现象，严重影响生产自动化水准；后浇带连接后，会增加钢筋、模板作业量，因此需组织更多劳动力参与到施工中，且使用的构件本身较重，增大其运输、吊装难度，若在施工时，未按照正确的方式连接钢筋，便无法保证施工整体质量。

其二，设计预制构件时，会借助BIM设计软件将智慧建造的特点显现出来，但现阶段该软件的运用未做到大范围普及，基于BIM 技术打造的深化设计软件实际功能在装配式建筑中体现的并不明显，且不具备较高的智能化水准，既增加软件设计成本，又使市场应用量受到影响，因此很多装配式建筑施工仍以CAD二维设计为主。

其三，预制构件的生产效率较低。造成这一问题出现的原因是生产管理系统与设计软件之间的匹配度不高，无法实现数据的实时共享，致使预制构件生产精度得不到基本保障[2]。

其四，智能技术的应用，对装配式建筑设计、生产、施工等环节的彼此衔接提出更为多元化的要求。以装配式设计为例，施工人员不能深层次掌握装配式技术体系，且在构件生产时，生产人员未能做到对预制工艺、现场情况的全面了解。站在智慧建造角度进行思考，在线协同管理系统的应用情况有待改善，此外，对拆分后的构件规格与质量进行检查，发现其与标准值仍有较大差别，无法保障装配式建筑施工安全，既不能实现智慧建造目的，又使装配式建筑原有优势受到严重影响。

2 装配式建筑智慧建造的实现

2.1 搭建产业服务信息平台

住房和城乡建设部科技与产业化发展中心技术人员借助大数据、智能化、自动化等现代化技术，搭建装配式建筑产业服务信息平台，以此整合项目设计、生产、施工各环节数据信息，促使建筑产业朝着工业化、现代化的方向转型。平台的建设意味着多元化建设技术的应用，有助于建筑行业智能建造的进一步发展，为生成的数据信息整体安全性提供保障。发挥出智能化平台优势，促使多个BIM 软件信息的实时交互，为不同环节作业同时实施打通通道，实现多专业、全产业链协同发展，并在信息平台的帮助下，展开对装配式建筑各阶段数据信息的全方位监管，将更为优质性的数据服务提供给建设行业，达到装配式建筑精细化管理目的，构建出良性的装配式建筑生态环境。装配式建筑产业服务信息平台可被简化为“装建云”，现如今，平台中共研发出6 大管理系统、6 大数据库、6 大应用类系统，并在各系统的相互协调下，建设平台构架体系，主要包括数据源、交换层、业务平台、应用层。装建云可实现行业管理与产业应用的深度融合，在“6+6+6”综合系统内，包括行业管理与建筑全过程企业管理应用。此外，“装建云”的研发不需要编写代码，施工期间若有实际需要，可随时变更，且该平台各系统均设置多个API 接口，为系统间的相互集成提供方便。

2.2 结构技术与设计软件研发

装配式建筑智慧建造时，需始终以工业化发展为建造目标，以此为基础，打造装配式结构技术体系，并保证该体系符合工厂自动化需求，在技术体系的帮助下，可高质量完成现场吊装工作，此外，还需对装配式建筑防水性能以及整体安全性能加以优化。研发设计软件时，需以预制混凝土全装配（SPCS）结构体系为依据（图1），对预制构件设计程序进行充分总结，实现设计软件智能深化设计，并赋予该软件预制构件设计功能，在技术的支撑下，完成构件生产加工期间全部数据的调用。

图1 SPCS 结构体系核心构件示意

研发出结构技术与设计软件后，将其应用于装配式建筑施工实际中，实现智慧工地的建造。在此期间，还需借助IOT 技术、云技术等，而建筑施工过程中涉及到的所有现场环节均可在数字化平台上远程管理，以此强化项目管理水平。还需在多类别技术的依托下，打造协同管理平台，并将其看成数据管理中心，实现各类生产、施工数据的云端管理，而生产要素与劳动力也可在平台的帮助下达到全过程监管的目的，主要表现为两方面：

其一，结构技术。将智慧建造作为装配式建筑结构体系完善目标，实现多元化现代技术的研发，以钢筋焊接网叠合混凝土结构技术为例，依托于混凝土叠合原理，借助混凝土现浇方法将水平叠合构件与竖向叠合构件整合在一起，以此发挥出此项工艺的作用[3]。

其二，设计软件选择与应用。设计预制构件时，传统施工图纸设计对于精度的要求较高，且工程量较大，若仍通过二维设计方式开展此项工作，便会对设计质量、效率产生严重影响。对此，需开发设计软件，发挥其自动化特点，高质量完成构件设计与配筋出图等工作，同时，依托于BIM 技术，将各设计、生产环节联系在一起，确保施工数据的实时获取。此外，所打造的设计软件还具有多方面功能如方案设计拆分、模型构建、计算分析、汇总装配式指标等。

2.3 重视BIM 技术的合理应用

2.3.1 数字化设计

建筑智慧建造需同建筑工业化发展相融合，装配式建筑项目的建设预示着我国建设行业的工业化转型，并在智能化技术、大数据技术等先进技术手段帮助下，实现智慧建造与装配式建筑的深度结合，其智慧性主要体现在数字化设计、智慧工地、智能施工等领域。依托于BIM 技术，收集各类施工现场勘测数据，搭建三维立体模型，以达到数字化设计的目的。

装配式建筑设计体系中涵盖多个系统如设备与管线系统、结构系统、内装系统等，且每个系统均体现出较强的独立性，建筑设计时，不仅要对后续施工图纸进行设计，还需完成建筑单元化拆分工作。实际设计时，为保证装配式建筑智能化设计效果，需先利用BIM 技术打造数字设计管理平台，做好建筑各专业应用的统筹工作，达到集成一体化设计目的，并在BIM 技术的帮助下，打通各环节交互数据流，实现数字设计同智能生产线、工厂机器人之间的交互。

2.3.2 智能生产

装配式建筑体现出工厂生产的特点，因此，建筑智慧建造时，可积极学习制造行业作业经验，将传统建造方式转变为工厂生产现场装配形式，依托于BIM 技术与IOT 技术，针对装配式建筑项目生产环节打造智能工厂生产系统，充分发挥系统功能优势，以保证构件生产整体精度。同时，技术的投入与系统的应用真正意义上达到全过程智能化生产目的，此外，还需借助BIM 技术搭建的BIM 可视化模型，构建生产管理平台，将生产期间所生成的数据全部导入自动化生产设备中，在此基础上，借助IOT 技术与设备，展开对BIM 模型构件设计信息的全面识别，达到智能化生产目的[4]。

2.3.3 智慧施工

装配式建筑智慧建造需在智能建造管理平台的帮助下实现，该平台将BIM 看作成人机交换载体，在平台运行过程中，依托BIM 技术开展深化设计工作，起到模拟、优化施工方案的作用，BIM 5D 技术的合理运用（图2），可为智能管理平台赋予施工安全管理、进度管理、智能管理。充分发挥IOT 技术优势，形成万物互联，与此同时，为装配式建筑施工作业引进AI 智能硬件，对现场施工进行精准识别，并在硬件智能化分析下，实现对施工进度与方案的智能化调度。此外，在移动设备的帮助下，将现场施工实际情况实时反馈给智慧建造管理平台，达到对建筑施工动态化管理效果。