智能建造研究综述

尤志嘉,吴 琛,刘紫薇

(福建工程学院 a.土木工程学院；b.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室,福建 福州 350118)

作为典型的劳动密集型产业,建筑业正承受着前所未有的压力。建筑施工面临着低效率、高成本、高污染、高能耗、高质量安全问题发生率等一系列问题,因此迫切需要转型升级,实现高质量、可持续的发展[1]。然而,建筑业的一些特殊性质却成为阻碍其转型升级的桎梏,例如建筑产品的唯一性,建造资源的流动性,施工过程的离散性、复杂性与高不确定性,以及施工环境的恶劣性等[2],这就决定了建筑业不能完全照搬其他行业的先进理论与技术,必须建立适合自身转型升级的发展模式。

随着工业4.0时代的到来,以物联网、大数据、云计算为代表的新一代信息技术与人工智能技术正日益广泛地应用于工程项目建设中[3],从而衍生出了“智能建造”的概念。实现智能建造模式被广泛地认为是工业4.0背景下建筑业转型升级的必由之路。目前关于智能建造技术研发与工程应用的报道方兴未艾,然而其基础理论研究却滞后于工程实践,尚未形成完整的理论体系。

针对上述问题,本文在综述国内外智能建造理论研究现状的基础上,通过描述一套智能建造理论体系框架,明确该领域的研究范围与内容,揭示智能技术驱动建筑业创新生产组织方式的机理,以推动构建智能建造基础理论知识体系。

1 研究背景

1.1 智能建造的概念内涵

随着智能建造日益受到广泛关注,一些学者尝试阐释其概念内涵。表1为通过中国知网(CNKI)检索与智能建造相关的研究文献,总结出国内部分学者对于智能建造做出的定义。分析可得,尽管定义的语言表达不尽相同,但不同学者对于智能建造内涵的认知却趋于同质化,可以凝练出以下几项共性要素：(1)智能建造是一种新型的工程建造模式；(2)其范围涵盖工程建造全生命周期；(3)现代信息技术对于提升施工组织管理能力具有驱动作用。

表1 智能建造定义总结

1.2 智能建造理论研究现状

当前智能建造已由最初的新兴概念迅速发展成为一个热门的研究领域,涉及到土木工程、工程管理、计算机科学、人工智能、自动化、机械工程等多门学科,属于典型的交叉学科范畴。近年来,国内一些学者针对智能建造理论体系开展了前瞻性的研究。在智能建造基础理论研究方面,陈珂与丁烈云[2]提出智能建造体系基于以“三化”(数字化、网络化、智能化)与“三算”(算力、算法、算据)为特征的新一代信息技术,发展面向全产业链一体化的工程软件、面向智能工地的工程物联网、面向人机共融的智能化工程机械、面向智能决策的工程大数据等领域技术,支持工程建造全过程、全要素、全参与方协同和产业转型。毛超[7]等认为智能建造模式的理论框架应覆盖决策、设计、生产、施工、运维等工程建设全生命周期的五个阶段,其核心逻辑是基于BIM(Building Information Modeling)模型迭代和物料清单(Bill of Material,BOM)的数据统一,通过数据驱动工程建设全生命周期活动的信息集成与业务协同。在对施工过程的智能感知与控制方面,樊启祥等[6]提出了一套智能建造感知、分析、控制与持续优化的闭环控制理论,使建造活动在定量描述和对已有的活动行为学习的基础上,形成新的建造活动。李庆斌等[10]在总结大坝智能建造发展趋势与关键技术的基础上,提出了以“智能决策+自动控制”为核心要素的大坝建造智能控制理论,并构建了“自主感知与认知信息、智能组织规划与决策任务、自动控制执行机构完成目标”大坝智能控制系统。

与国内智能建造的概念与提法类似,国外学者则常以英文术语“Construction 4.0”指代通过与工业4.0相关的新一代信息技术推动建筑业智能化转型升级的发展模式。Oesterreich与Teuteberg[11]分别针对建筑业智能化转型升级过程中所涉到的经济、社会、技术、环境和法律等问题进行了详细的调研与分析,认为Construction 4.0模式除了可以提高工程建设效率、质量、安全性、协作性与经济效益之外,在长远的角度来看,还将有助于提高建筑业的可持续性,改善其行业形象。Sherratt等[12]则从批判性的角度对Construction 4.0模式进行了解读,并认为它可能给建筑业,特别是其从业人员带来社会道德层面的挑战。Schonbeck等[13]提出了一套实施Construction 4.0模式的参考框架及推广相关技术的详细建议,以应对建筑行业的复杂性对其转型升级所带来的各项挑战。

尽管国内外学者针对智能建造基础理论研究做出了许多尝试,并取得了有益的进展,但是与当前产业应用需求的快速上升相比,智能建造理论发展水平还相对滞后,主要体现在以下几个方面：

(1)通过现代信息技术驱动施工组织能力提升的机理尚不明确,未来智能建造模式下的业务应用场景尚不清晰；

(2)如何集成各类异构建造资源,实现其协同工作的机理尚不明确；物理建造过程与虚拟建造过程的双向同步与交互作用机制尚未建立；

(3)如何打通建筑产业价值链的业务流程壁垒,消除施工组织内部信息孤岛的方案尚未建立；

(4)指导推广实施智能建造模式的策略、方法与路径尚不清晰,并且缺乏科学的实施成效评价机制。

众所周知,任何一个新兴研究领域若发展成为一门学科,必然要建立在坚实的理论基础之上,形成明确的研究目标与研究内容,以及系统的研究方法[14]。由此可见,智能建造距离形成一门独立学科还有很长的路要走。当前,智能建造领域的研究应着眼于构建基础理论体系,解决建筑业转型升级中所面临的基础共性问题,以实现通过技术系统进步驱动产业创新发展的愿景。

1.3 基于“信息-物理”融合的智能建造系统

目前智能建造业务场景呈现出单一化、碎片化的特征,各类信息技术被分散地应用于解决特定工程问题,尚缺乏一个集成各类技术以提高整体施工组织能力的统一平台。作为工业4.0的核心技术,信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPS)通过集成各类感知、通信、计算、仿真与控制技术,在信息世界中监控物理世界的运行状态,经过分析、模拟与优化之后,再以最优的策略控制物理世界的运行,从而实现两者的深度融合与实时交互[15]。CPS为智能建造模式下各类信息技术的集成化应用提供了全新的视角[3]。

近年来国内外一些学者开始探索建筑施工过程的信息-物理融合机理,并尝试建立建筑施工CPS系统的体系架构。Akanmu与Anumba[16]采用基于应用场景快速开发原型系统的方法论证了CPS具有增强虚拟模型与物理建造过程之间的双向协同能力。Correa[17]提出了一种施工过程的CPS框架,将Petri网作为物理施工过程的虚拟模型,并将其连接到BIM模型和现场生产/装配工作中的硬件设备。尤志嘉等[8]等提出将基于“信息-物理”融合的智能建造系统作为智能建造概念的实现形式,并分别从功能和技术维度描述了智能建造系统的通用体系结构。本文研究内容建立在文献[8]所提出的智能建造系统体系结构上,以智能建造系统作为智能建造理论研究成果的技术实现载体。

2 智能建造理论体系框架

本文描述了一种智能建造理论体系框架,以明确该领域的研究目标、范围与内容,并识别潜在的研究方向。如图1所示,该理论体系框架以智能建造系统作为实现智能建造模式的技术载体,将智能建造研究内容划分为11个关键子领域,分别为基础理论、支撑技术、管理机制、参考架构、工作机理、集成方案、业务场景、运行机制、实施路径、核心目标及评价机制。

图1 智能建造理论体系框架

3 智能建造理论研究关键子领域

基于上述智能建造理论体系框架,本节分别阐释其各关键子领域的概念内涵与主要研究内容,并揭示其内在逻辑联系。

3.1 基础理论

阐释智能建造与智能建造系统的基本概念与内涵特征,定义相关术语,建立智能建造的技术标准与规范体系。

3.2 支撑技术

如图2所示,智能建造系统的支撑技术包括“一项核心技术+多项使能技术”。一项核心技术即信息物理系统(CPS)技术；多项使能技术包括物联网、大数据与云计算等基础支撑技术,建筑信息模型(BIM)、数字孪生、移动互联网、三维重建、虚拟现实(Virtual Reality,VR)、增强现实(Augmented Reality,AR)、面向服务体系架构(Service-Oriented Architecture,SOA)等应用信息技术,以及人工智能与建筑机器人等智能化技术三个部分。该子领域的研究内容包括分析各项支撑技术对于智能建造模式的赋能作用,并揭示不同技术在建筑施工领域的耦合关系与集成化应用发展趋势。

图2 智能建造系统支撑技术体系

3.3 管理机制

技术系统的进步与施工管理机制的变革是一个相辅相成的过程。在智能建造模式下,主要涉及到实现精益建造、绿色建造、工程总承包以及集成项目交付4项新型建造机制。该子领域主要研究如何为各类新型管理机制开发相适应的技术实现方案,以及如何通过现代信息技术驱动施工组织管理能力的提升。

3.4 参考架构

该子领域主要研究如何建立智能建造系统参考技术架构,并揭示其各子系统之间的依赖关系、交互机制与约束条件,为构建面向不同工程类型的智能建造系统提供参考依据。在此基础上,阐明智能建造系统参考架构“泛在连接、数字孪生、数据驱动、面向服务、系统自治”五项基本特征及其内涵[8],并揭示其技术架构与工作机理之间的耦合规律。

3.5 工作机理

(1)如何实现建造资源与建造任务之间的动态匹配,以及建造资源之间的协同工作机制？

(2)如何实现智能建造系统的快速响应能力,使其能够动态地调整自身结构以适应不断变化的施工环境？

(3)如何通过评估智能建造系统已有行为的正确性或优良度,自动修改自身结构与参数,改进自身行为？

3.6 集成方案

如图3所示,该领域主要研究如何以智能建造系统为载体,使人员、机械设备、软件服务及业务流程之间能够互联互通,开发纵向、横向以及端到端的集成方案。

图3 智能建造集成方案

(1)纵向集成

纵向集成(Vertical Integration)是指将施工组织内部不同层面(例如,行业监管层、企业管理层、项目管理层,以及施工现场层)的各类建造资源与IT系统集成在一起,建立一个建造资源垂直整合、高效协同的智能建造系统。在这样的体系架构中,施工组织内部各个业务信息系统之间，以及信息系统与施工现场的物理建造资源之间实现了互联互通,有效解决了施工组织内部信息孤岛的问题。

(2)横向集成

横向集成(Horizontal Integration)是指整合建筑产业价值链上各利益相关方的业务流程,打破传统企业的边界,将施工企业内部的业务流程向价值链上游的设计方、供应商与分包商,以及下游的业主方、监理方延伸,以智能建造系统为载体实现建筑产业价值链上跨组织的信息共享与资源优化配置,从而建立起各利益相关方的高效协同机制。

(3)端到端集成

体制改革取得了可喜局面。涪陵区分局在全市率先建立了覆盖城乡的食品药品监管体系，全面完成了监管职能、资产和人员划转，实现了食品药品全流程无缝监管。按照“一镇（乡）一所、一村一员”的要求，在全区设立27个基层食品药品监管所，聘任422名食品药品安全协管员，全面形成食品药品监管网络；招录了18名专业对口大学生，实现基层监管机构“有岗有人”。食品药品监管经费纳入了区财政常年预算，两年来，食品药品安全工作经费共计793.8万元，保障了工作的顺利开展。

纵向集成与横向集成是实现端到端集成的前提和基础。所谓的“端到端”(End-to-End)是指价值链中任意一个业务流程的一端(点)到另外一端(点)都是连贯的,不存在局部流程或片段流程,即没有间断点。这里的“端”(点)既可以是计算机软件系统,也可以是施工机械、建筑机器人等硬件设备,还可以是供应商、项目经理、现场工人等人员。通过将这些端点连接到智能建造系统,实现各类建造资源的有效整合与业务流程的无缝集成。

3.7 运行机制

所谓运行机制是指影响系统运行的各因素的结构、功能及其相互关系。智能建造系统的运行机制是实现智能建造模式的基础,该子领域的研究内容为如何建立基于“信息-物理”融合的“状态监控、实时分析、优化决策、精准控制”闭环运行机制,并分析智能建造系统技术架构对其运行机制的支撑作用,揭示其工作机理与运行机制之间的交互作用规律。

3.8 业务场景

所谓业务场景是指在特定业务环境中可能发生的一组事件及其相关因素的组合,其内容包括业务事件的时间与空间属性、触发机制与交互过程等。该子领域研究内容为开发智能建造模式下与特定管理机制相适应的业务应用场景,例如,施工过程的实时计划与调度,供应链协同管理,数据驱动的知识获取与管理,以及数据驱动的施工过程绩效评价等。在此基础上,识别实现特定业务场景所需要的支撑技术,并分析在智能建造系统闭环运行机制下实现该业务场景的工作机理。

3.9 实施路径

智能建造模式的实施路径包括实施方法论与系统建设路线图两部分：

(1)智能建造模式实施方法论

所谓实施方法论是指导实施工作的总体纲要。智能建造模式实施方法论的研究内容包括,协调各利益相关方建立实施团队并划分责任分工,明确实施对象与实施内容,建立实施策略,识别影响实施成功与否的关键因素,评估实施风险并制定应对措施等。

(2)智能建造系统建设路线图

智能建造系统的建设是实施智能建造模式的核心内容之一,两者之间是相辅相成的关系。明确施工企业组织架构、业务处理流程与智能建造系统之间的关系,在此基础上开发智能建造系统建设路线图,包括各个建设阶段的工作目标、主要任务、关键控制节点、需要提交的资料等。

3.10 核心目标

智能建造核心目标可以概括为“高效、优质、可持续”三个方面,其具体内涵如下：

(1)高效：提高施工效率,提高建造资源利用率,缩短项目建设工期,降低建造成本支出；

(2)优质：提升建筑产品质量,降低产品不良率；

(3)可持续：节约建材资源,降低能源消耗,减少污染排放,促进安全施工。

智能建造模式的核心目标将作为评价其实施效果的重要依据。

3.11 评价机制

智能建造评价机制包括能力成熟度评价机制和投资收益评价机制两个方面。

(1)智能建造能力成熟度评价机制

建立定性与定量相结合的评价指标,将能力成熟度由低到高划分为若干个等级,用于评估当前施工企业(组织)的智能建造能力发展水平,或智能建造模式的实施效果。同时,该评价机制也可以反映智能建造模式的发展演进路径。

(2)智能建造投资收益评价机制。

针对智能建造模式的核心目标,建立定量化的评价机制,用以衡量施工企业在智能建造领域投入人力、物力、财力等各种资源的综合收益。

4 智能建造研究发展趋势

基于本文所提出的智能建造理论体系框架,可以预见未来智能建造理论的研究方向将沿着以下几个趋势发展：

4.1 技术系统驱动施工管理机制创新

探索通过现代信息技术实现精益建造、绿色建造、集成项目交付等新型建造模式的工作机理；在此基础上建立未来智能建造模式下的各种业务应用场景,并分析其技术实现原理。以智能建造系统为技术实现载体,整合原有的各类信息系统,通过纵向消除施工组织不同管理层级的信息孤岛,横向整合跨越建筑产业价值链的业务流程,实现任意工作流程从发起端到结束端的无缝集成,从而形成扁平化、集约式的施工组织管理模式[18]。

4.2 虚实融合的建造资源协同优化

基于物联网技术同步关联BIM设计模型[19],形成在建建筑物的实时建造模型,作为信息空间中的数字孪生体[20]。在数字孪生体中建立人、机、料、法、环等各类建造资源要素的虚拟映射,实现物理建造资源与信息资源的深度融合与实时交互。建立对各类建造资源的分布式协同控制机制[21],使其能以最优的策略动态匹配建造任务,实时响应施工环境的变化,并可通过评估已有行为的优良度改进自身的组织结构。

4.3 数据驱动的施工过程闭环控制

建立在施工组织内部纵向集成的基础上,通过实时采集现场监测数据,获得对物理施工过程与施工环境的状态感知,然后在信息空间中基于数字孪生体进行数据建模与仿真分析,再将经过优化后的控制信息发送到施工现场,从而形成数据驱动的施工过程闭环控制机制[22]。

5 结 论

本文在综述国内外智能建造理论研究现状的基础上,描述了一套智能建造理论体系框架,将其划分为“基础理论、支撑技术、管理机制、参考架构、工作机理、集成方案、业务场景、运行机制、实施路径、核心目标、评价机制”等11项关键子领域,分别阐释其科学内涵并揭示其研究内容与目标。分析表明,不同的研究子领域并不是孤立的,而是彼此之间存在一定的内在逻辑联系。可以预见,未来智能建造理论研究将沿着技术系统与管理机制协同创新、虚实融合的建造资源协同优化,以及数据驱动的施工过程闭环控制方向演进。

智能建造理论体系涉及众多方面,本文所提出的体系框架还有待行业实践与理论研究的进一步验证与充实。期待本文研究成果能起到抛砖引玉的作用,以激发更多面向智能建造理论体系的研究与实践。