装配式建筑智能建造探讨

曹 希（上海绿地建设（集团）有限公司，上海 200083）

“十三五”以来装配式建筑的发展得到了国家的大力支持，住建部制定了《“十三五”装配式建筑行动方案》《装配式建筑示范城市管理办法》等若干政策文件，全力促进装配式建筑的全面发展。我国装配式建筑得以持续快速发展，新开工装配式建筑面积占比逐年增长，建造水平和建筑质量显著提升。伴随建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM）、物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术的不断发展与融合，装配式建造逐渐呈现智能化趋势。2020 年，住建部、国家发展改革委和科技部等十三部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，明确推进建筑工业化、数字化、智能化升级，大力发展装配式建筑、推动智能建造。

本文简要介绍了装配式建筑、智能建造的相关概念和二者之间的关系，结合具体项目实例对当前装配式建筑智能建造的优缺点进行分析，探讨了装配式建筑智能建造的发展趋势。

1 装配式建筑发展概况

1.1 装配式建筑的概念

装配式建筑是指建筑的部分或全部构件在工厂预制，构件运输到施工现场后，通过可靠的连接方式组建而成的建筑。装配式建筑按照结构体系，包括装配式混凝土结构、钢结构和木结构等，目前较为常见的为前两种形式。

1.2 装配式建筑的发展

我国装配式建筑于 20 世纪 50 年代开始推行，60—80年代持续发展，后由于当时的装配式建筑在抗震能力及渗漏、隔音、保温等方面的缺陷，从 80 年代末起，装配式建筑的发展进入低潮期。2016 年中共中央、国务院印发《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》，明确大力推广装配式建筑，并提出力争用 10 a 左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到 30%。

得益于国家及各地方鼓励政策的推动，近年来装配式建筑的发展显著加快。2021 年 3月 11 日，住房和城乡建设部标准定额司发布了《关于2020年度全国装配式建筑发展情况的通报》。文中指出，2020 年，全国 31 个省、自治区、直辖市和新疆生产建设兵团新开工装配式建筑共计6.3 亿 m2，较2019年增长 50%，占新建建筑面积的比例约为 20.5%，完成了《“十三五”装配式建筑行动方案》确定的到 2020 年达到 15%以 上的工作目标。数据显示，从结构形式看，新开工装配式混凝土结构建筑 4.3 亿 m2，较 2019年增长 59.3%，占新开工装配式建筑的比例为 68.3%；装配式钢结构建筑 1.9 亿 m2，较 2019 年增长 46%，占新开工装配式建筑的比例为 30.2%。其中，新开工装配式钢结构住宅1206 万 m2，较 2019 年增长 33%。装配式钢结构集成模块建筑得到快速推广，为新冠肺炎疫情防控发挥了重要作用。

2 智能建造的含义

2.1 智能建造概念

目前，对于智能建造尚未形成统一的概念。普遍意义而言，智能建造是工程建造领域与多领域协同发展，信息化与工业化充分深度融合后，自然形成的一种新型建造模式。有别于传统建造模式，智能建造模式中科技创新成果转化率高，利用 BIM 技术和物联网、大数据、云计算、人工智能等信息科技[1]，在工程建造全周期活动的各个环节进行优化，提升勘察、规划、设计、生产、施工、运营能效，提高建筑工程质量安全、效益和品质，从而实现建筑产业高质量、可持续的健康发展。

2.2 智能建造关键技术

2.2.1 BIM

BIM是在计算机辅助设计（CAD）等基础上发展起来的多维建筑模型信息集成管理技术，是传统的二维向三维转变的革命性技术。BIM 的技术核心是一个共享的信息数据库，其中包含项目的物理和功能特性，在项目的全生命周期中可用于开发、设计、建造、运维等管理行为的应用。各参与方在项目的不同阶段均可在BIM中插入、提取、更新和修改信息，实现项目信息化集成管理，项目决策更加简便、高效，显著提高效率和项目质量，降低项目风险，增加项目收益。

2.2.2 物联网

物联网（Internet of Things）从最初的传感网发展而来，其定义和范围一直处于一种动态、且不断拓展的状态。简单地说，物联网通过信息传感设备，把所有物品与互联网连接，同时进行信息交换，以实现智能化识别和管理。物联网架构由感知层、网络层、应用层组成。感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，网络层依托网络（公众电信、互联网、行业专用通信网络等）实现信息的传递、路由和控制，应用层应用基础设施、中间件和各种物联网应用。5G 技术的出现，为物联网的发展加速，万物互联的场景指日可待。

2.2.3 云计算云计算（Cloud Computing）是分布式计算的一种，通过互联网访问、可定制的IT资源共享池，并且采用按使用量付费的定价方式。广义而言，云计算是指服务的交付和使用模式，即通过网络以按需、易扩展的方式获取所需的资源，这种服务可以是 IT 的基础设施（硬件、软件、平台），也可以是其他服务。其核心理念是按需服务，例如数据备份、灾难恢复、电子邮件、虚拟桌面、软件开发和测试、大数据分析以及面向客户的 Web 应用程序等等，而无需购买、拥有和维护物理数据中心及服务器。三种主要类型包括基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。每种类型的云计算都提供不同级别的控制、灵活性和管理。

2.2.4 大数据

大数据（big data），巨量数据集合。如今常说的大数据，通常指因信息交换、信息存储和信息处理三方面能力大幅增长而产生的数据。麦肯锡全球研究所给出的定义为，一种规模大到在获取、存储、管理、分析方面大大超出了传统数据库软件工具能力范围的数据集合，具有海量的数据规模、快速的数据流转、多样的数据类型和价值密度低四大特征。大数据的数据特点为，规模大、类别复杂、处理速度快、真实性高且蕴藏价值。通过大数据的抓取、分析、处理，以及以此为基础的数据挖掘和智能决策，获得具有预测性的、可能被忽视的规律，从而针对性地做出各种决策。

2.2.5 人工智能

人工智能（Artificial Intelligence）是计算机科学的一个分支，是一种使计算机、计算机控制的机器人或软件智能地思考的方式，其方式与人类的智能思维方式类似。人工智能通过研究人类大脑如何思考以及人类在尝试解决问题时如何学习、决定和工作，将研究结果用于开发智能软件和系统的基础。人工智能企图了解智能的实质，研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等，是发展迅速、涉猎相当广泛的一门新边沿学科。其属于自然科学、社会科学和技术科学三向交叉学科，涉及计算机科学、哲学、数学、神经生理学、心理学、仿生学、信息论、控制论等等众多学科。

在智能建造关键技术中，BIM 技术贯穿于项目建造的整个生命周期，可谓是智能建造的基础。同时，各种技术之间互相穿插、渗透与融合，例如大数据的处理和挖掘与云计算有着相当密切的关系，而大数据本身也被称为人工智能的基石。随着科技发展的加速发展，智能建造所涉及的技术必定更加多样，融合愈加紧密。

3 装配式建筑与智能建造

3.1 装配式建筑工业化趋势

科技的高度发展和经济的快速增长，使得人类社会已从工业社会迈入信息社会，信息化技术全面渗透至各个行业。科技信息化的不断推广与应用，对传统模式有着极大的冲击。在我国，建筑业作为传统的国民经济支柱产业，其生产方式仍较为落后，传统模式已不能满足高质量的发展要求。

相较于传统现浇施工方式，装配式建筑的构件在工厂制作，现场工作量较少。具有先天优势，更易于工业化、数字化、智能化升级，转变传统建造方式，融合各领域各行业的先进成果，以实现科技含量水平高、经济效益好、高效节能、绿色环保的新型建筑工业化。对于装配式建筑而言，工厂化预制技术是现场智能施工的前提和基础[2]，目前我国的预制构件尚未形成标准化、规模化，仍存在很大的上升空间。

3.2 装配式建筑项目实例

3.2.1 某高层办公楼

某高层办公楼项目位于市中心，紧邻居民区、周边高层建筑及城市高架桥，距离周边建筑最近处仅 15 m，距离高架桥最近处仅 23 m。办公楼 -2 F，地上 18 F；地下埋深约10 m，建筑高度约 80 m。该项目采用装配式混凝土框架—核心筒结构，构件最大重量近 9 t，构件共计 2000 余块。施工仿真模拟示意图如图 1 所示。

图 1 施工仿真模拟示意图

该项目是上海市首个装配式高层综合办公楼，被住建部列入年度科学技术项目计划中的装配式建筑科技示范项目。在项目前期就启用 BIM 技术，在项目全过程中采用 BIM 技术，运用了构件深化设计、构件生产计划、施工模拟、施工复核、施工指导等功能，串联起了构件的设计、生产、安装和现场施工进度、成本控制等各个环节，使各相关方联系更为紧密，沟通更为高效。

该项目的梁、柱节点预制构件预留钢筋较多，预制构件预留洞、预埋件也较为繁多，还有斜交梁等复杂的梁、柱节点，钢筋密集。对于复杂节点，建立复杂节点模型，通过BIM、云计算等对可能发生的各种问题进行了演算，真实模拟构件就位可能出现的各种工况，优化设计和施工，解决了诸多问题。而由于事先模拟，优化施工，还避免了可能会造成的碰撞问题和设计缺漏等问题。在施工过程中，缩短了工期，节约了人工。

运用 BIM 技术进行全方位管理、全过程管控，保证了工程质量和施工安全，实现了施工管理的精细化；使得整个工程不同于传统的建筑施工，还具有信息化、现代化的特点。该项目积极探索实践，采用新技术新方法，并对其进行完善、形成多项技术成果。但由于该项目装配式构件规格较为特殊，并非量产标准件，项目实际成本降低有限，总造价相对较高，并没有达到装配式建筑有效控制成本的预期目标。

3.2.2 某大型商业体

某大型商业体位于市区大型保障房项目一侧，是保障房重要的配套商业项目。该商业项目用地呈不规则四边形布置，施工场地狭小，周围建筑林立。该项目为一栋集办公、商业、餐饮、娱乐综合用途的多层建筑，采用框架结构，地下 2 F，地上 9 F，其中裙房 5 F（总高度约 27 m），三栋塔楼各 4 F（总高度约 45 m）。该项目的两栋塔楼和其所在的裙房水平投影位置，采用装配式混凝土框架结构。该项目是上海市首个装配式商业综合体项目，被住建部列入年度科学技术项目计划中的装配式建筑科技示范项目。

该商业体裙房跨度较大，各节点预留钢筋较多，在其中还存在一处整体保护建筑，施工具一定的难度。构件多、场地小，现场堆放难度很大。针对这些问题，该项目从规划设计阶段就已运用 BIM 技术建模，对构件设计、制作、运输和施工全过程进行了计划、模拟及复核，并对原有建筑实施隔离保护，确保其在施工过程中相对独立、绝对安全。复杂节点动态碰撞检查静态示意图如图 2 所示。

图2 复杂节点动态碰撞检查静态示意图

经过优化处理，该项目钢筋碰撞问题得到解决，装配式构件多为标准件，构件供应周期较短。构件装车运输、现场堆放和吊装顺序合理有序，缩减了项目周期。比对传统施工，成本控制和文明施工等方面均取得了相当的成果，经济、社会效益可观。

以上所例举的两个装配式建筑实例，属于较早尝试智能建造的项目，基于 BIM 技术、结合云计算等信息化手段，较好的解决了复杂工况施工难题，并在一定程度上降低了项目经济成本、增加了收益。科技水平的不断发展，促使装配式建筑智能建造的科技含量呈逐年上升趋势。对于装配式建筑而言，智能建造介入越早，涉及越广，越能推动项目朝精简、标准、高效、节约的方向发展。

4 结 语

现代科技进步异常迅速，将推陈出新、不断发展的新科技与装配式建筑结合，不仅能充分提升建筑品质，满足社会发展需要；还能提高生产效率，缩短工期降低成本增加收益，推动建筑业转型与健康发展。装配式建筑的智能建造，目前尚处于初期阶段，需要看到的是，与计算机、金融、汽车等信息化水平较高的行业相比，由于新科技在建筑业的应用尚浅，智能建造于装配式建筑多数还停留在控制成本、数字设计、指导施工等层面。如何打破建筑业和新科技间的壁垒，将 BIM、物联网、云计算、大数据、人工智能等科技充分融合，实现装配式建筑标准化、模块化、规模化，是推进装配式建筑智能建造的关键所在，存在巨大的发展潜力有待挖掘。