建筑施工智能化现状与展望

林涌标

（广东省建筑工程监理有限公司，广东 广州 510000）

在全新时代背景下，传统的建筑建造模式暴露出作业效率低下、质量可控性差、劳动力需求量大等多项问题，限制了工程建设质量与施工水准的提升。对此，国内外建筑业提出智慧施工的全新概念，运用到人工智能、物联网等多项高新技术来辅助、替代建筑施工活动的开展，被业界一致视为我国建筑业的必然发展趋势，并得到住建部、科学技术部等政府职能部门的大力支持。

1 建筑施工智能化的重要现实意义

1.1 降低人力成本，提高作业精度

现阶段，我国建筑业处于高速发展时期，建筑工程数量持续增多，工程建设规模也有所扩大。随之面临着缺乏足够高素质产业工人的问题，部分施工人员并未接受过系统性的专业学习，仅在岗前进行短期培训，专业素养有待提升，在施工期间时常出现违规操作、错误操作行为，施工作业精度缺乏保障。同时，随着建设规模的扩大，对施工人员、管理人员数量提出新的要求，建筑企业因此承担高昂的人力成本。

相比之下，对智能施工模式的推广实施，既可以大幅降低人力成本，还可以显著提升作业精度。其中，在人力成本方面，通过配置焊接机器人等建筑机器人，替代人工完成一些基础性工作，有利于精简施工团队规模、降低人力成本。而在作业精度方面，依托智能控制系统，自动操控机械设备开展操作，对操作误差进行测量纠偏，不易产生过大作业误差，或是误差持续积累。以智能测量机器人为例，运用大自动寻径技术，搭配摄像头等装置来感知所处环境，对比机器人空间坐标、行走速度等参数的输出值、输入值，根据对比结果进行纠偏调整。

1.2 提高施工效率

在传统施工模式中，施工人员需要身体力行的开展模板支拆、钢筋绑扎、混凝土现浇等工序作业，实际工作量较大，对施工人员的体力也有着严格要求，无法持续性开展施工作业，作业效率有待提升。在智能施工模式下，施工人员无需直接上手操作，而是控制建筑机器人等智能设备开展操作，工作内容发生明显变化，以调整设备状态、输入并调节操作参数、检查施工质量达标与否为主要内容，可同时操作多台设备开展作业，极大减轻了工作负担，摆脱了自身体力对作业效率造成的限制。同时，智能设备具备长时间连续作业的条件，提前在设备界面设定操作参数或是导入控制方案，设备将在无人工干预条件下自动执行控制指令、开展作业，实际施工时间因此得到延长。

1.3 保障施工安全

在建筑施工过程中，涉及到大量的高危作业，如钢筋焊接、材料转运、高空作业等，存在一定的风险隐患，在出现不规范操作行为、恶劣气候条件时，容易引发安全事故出现，严重时造成经济损失与人员伤亡。例如，在焊接作业中，会持续形成电焊烟尘、有毒气体与电弧光辐射，焊接人员尽管佩戴焊接护目镜等安全防护设备，仍旧会对焊接人员的身体健康造成一定程度的影响。在建筑智能施工模式下，既可以通过现场安全智能巡查、施工模拟试验、危险源辨别与评价等手段来提前发现安全隐患并加以处理，预防安全事故出现。同时，对焊接机器人、高空作业机器人等智能设备的配置，替代人工完成高危作业，尽管出现高处坠落等安全事故，也不容易产生人员伤亡。

2 建筑施工智能化前沿技术及应用现状

2.1 物联网技术

物联网是由射频识别、信息传感等外围技术组成的一种信息互联、物品互联的网络，同时具备智能识别、跟踪定位、监管、远程控制等多项使用功能，摆脱时间、空间对信息交流造成的限制，工作人员可以远程观察物联网中接入设备、物品的实时状态，以及远程下达控制指令。在建筑施工活动中，物联网技术主要用于施工质量检测、设备材料跟踪定位、现场监测场景当中。第一，在施工质量检测场景，在现场布置若干种类的传感器，由传感器持续采集、上传监测信号，由物联网把监测信号转换为数字量，对比数字量和对应工艺指标的额定值，根据对比结果判断施工质量是否达标，可用于检测基坑开挖深度、现浇混凝土结构规格尺寸、基础底面标高与平整度、构件起吊晃动幅度等项目。第二，在设备材料跟踪定位场景，在材料包装袋与预制构件内部放置RFID标签，在入场环节，工作人员手持阅读器扫描标签，读取标签存储信息，如材料生产日期、材料规格种类、预制构件规格尺寸、构件编号等，以此来统计现场材料库存数量和掌握构件运送情况。第三，在现场监测场景，在现场安装若干摄像头，摄像头对准施工作业区域，持续拍摄并上传视频图像，经由物联网发送至系统后台，管理人员在监控室内全面掌握现场各区域的作业情况，转动摄像头和调整焦距来切换监控场景、放大画面，从中发现安全违章行为、不规范操作行为，及时将问题反馈至现场班组成员加以改进。

2.2 BIM技术

BIM技术术语一种数据化工具，被用于建筑设计、施工、管理等多个领域，以可视化数据、3D模型的形式呈现建筑工程自立项至竣工运营期间产生的信息，在施工期间主要被应用在构件加工、场地规划、技术交底、施工模拟、模拟施工与工程验收等场景当中。例如，在技术交底场景，在BIM软件中导入设计图纸与施工技术方案，构建3D模型，在模型中标注全部的工艺参数与相关信息，并以动画演示形式来展现施工过程，把3D模型与动画视频作为交底凭证，帮助施工人员更为直观的了解施工过程、施工意图，掌握施工操作要点与正确工艺做法。此外，在技术交底场景中，BIM技术往往与VR虚拟现实技术搭配使用，构建与施工现场环境基本一致的虚拟现实场景，借助VR眼镜等设备，将施工人员沉浸至虚拟现实场景当中，身临其境般观察施工成果的造型与内部结构，并开展实操作业，由此来积累施工经验，快速熟悉施工方式。同时，VR技术也可用于安全教育培训场景，在虚拟场景中设置人员触电、高处坠落、基坑塌陷等项目，使施工人员真切感受到安全事故的危害性，帮助其树立安全施工的正确观念，并锻炼施工人员应急逃生、自我保护的能力。

2.3 3D打印

3D打印技术采取分层堆积原理，在3D打印机内分层打印粉末状金属层或是塑料层，由多层材料共同组成立体实物。在建筑领域中，3D打印技术主要用于制作一些非标准化的小型构件或是特殊尺寸材料配件，满足施工需要。同时，在部分竞赛与建筑工程中，3D打印技术也被用于独立制造整栋建筑物或是半成品建筑框架，彻底改变了建筑建造方式。例如，在2014年度Europan居住区概念竞赛上，荷兰建筑师Janjaap Ruijssenaars在3D打印机中倒入无机粘合剂作为原材料，由3D打印机独立制造6mx9m规格的建筑框架，在框架内部填充纤维混凝土材料，待混凝土凝结固化后形成建筑物。

2.4 建筑机器人

建筑机器人是一种采取遥控、自动控制或是半自动控制方式的机械设备，由施工人员提前在系统中导入控制方案，采取步进、时序等方式下达控制指令、操作机械臂与其他执行机构开展动作，或是由工作人员实时下达控制指令进行操作。目前来看，建筑机器人技术体系得到极大完善，陆续推出全新品种，作业范围涵盖铺设混凝土预制板、钢筋焊接、涂料喷涂、砌体砌砖、砂浆抹平、物料搬运等多个领域。例如，在2021年底，碧桂园旗下广东博智林公司推出 “BIM+FMS+WMS+建筑机器人”的多机施工系统，由多款运料机器人、施工机器人组成。此外，出于成本因素着想，对于配置大量老旧型号机械设备、技术储备不足与资金有限的建筑企业，除专业建筑机器人外，还可以运用到自动控制、信息传感等技术手段，对现有的挖掘机、渣土车等机械设备进行改造，使这类机械设备具备一定的自动化、智能化程度，满足当前施工需要。

2.5 智能控制

在部分早期建筑工程中，虽然物联网、3D打印等技术得到广泛应用，呈现出施工智能化的发展趋势，但本质上仍旧处于人工智能技术的初级发展阶段，以主要发挥环境感知和替代能力，帮助管理人员感知现场环境、替代施工人员完成部分简单或风险系数较高的工作。而随着智能控制技术的问世，应用到模糊逻辑推理、BP神经网络等多项智能算法，模拟人类思维方式进行决策分析，在真正意义上做到智慧施工，在建筑施工活动中起到辅助决策、查缺补漏的重要作用。例如，在施工安全方面，由智能控制系统控制传感器、摄像头等终端设备，从视频画面、现场监测信号中提取特征参数，根据特征参数分析结果判断是否存在安全隐患，如果发现施工人员未正确穿戴安全帽、运输车辆搭载施工人员等安全违章行为，系统自动发送预警信号，帮助管理人员快速解决问题。在机械设备控制方面，由智能控制系统持续采集电压、电流、转速等运行参数，分析实时数据和历史数据，判断设备是否处于正常工况、预测设备未来一段时间的运行状态，在发现问题时提交报警信号，引导设备检修、故障诊断工作的开展，提前处理潜在故障，避免因设备故障而形成安全隐患、影响施工质量与作业精度。

3 建筑施工智能化的未来发展趋势

3.1 建设智慧工地

现阶段，虽然智能施工模式在部分建筑工程中得到推广实施，但物联网、智能控制等技术处于分散应用状态，缺乏技术集成应用的载体和平台，实际施工效果未达到预期要求，技术功能效用没有得到充分发挥。对此，建筑企业应把建设智慧工地作为现阶段工作重点，以智慧工地作为技术集成应用的载体，搭建智慧工地管理系统，在系统中应用到人工智能、虚拟现实、信息传感、远程控制等多项技术，由系统平台完成数据采集分析、信息交换、现场机械设备遥控、现场监测等多项管理任务，为建筑施工活动的开展提供帮助。例如，在机械设备管理场景中，组合应用信息传感、远程控制、故障自诊断技术，信息传感技术负责实时上传监测信号来掌握机械设备运行工况，远程控制负责把管理人员与操作人员的控制指令传达至设备并执行对应动作，故障自诊断技术负责定期检查机械设备是否存在隐性故障，诊断故障类型与成因，把诊断报告提交至管理人员和在操作屏幕上显示故障码。

3.2 装备智能工厂

根据实际施工情况来看，受到建筑企业技术储备、现场环境条件、成本等因素限制，部分施工智能技术缺乏应用场景，大多技术的实际应用效果并不理想，施工质量、作业效率的提升幅度低于预期，这也使得一部分建筑企业对智能施工模式存在顾虑，认为前期投入与实际产出不合理。对此，需要在全国范围内建设若干智能工厂，把一部分施工现场作业转移到工厂车间内进行，在工厂内大规模应用到射频识别、智能控制等高新技术手段，工厂按照建筑企业所提要求生产部件部品与加工建材，再把产品运输至工程现场投入使用。例如，在智能工厂中应用到钢筋自动化下料、机械化喷涂与机器人焊接等技术，在车间内完成建筑构件制作、钢筋接长裁剪、钢筋焊接、砂浆拌制等作业。如此，建筑企业无需在现场大批量配置焊接机器人等硬件设备，直接从智能工厂中预定相应的部件、建材即可，由此节省了大量的设备采购成本、维护保养成本，也不会因现场复杂环境条件而影响设备作业精度。

3.3 培养复合型人才

在建筑智能施工模式下，旧有的施工方法、工作内容发生明显改变，部分施工及管理人员对此缺乏深入、全面的了解，建筑企业如果直接实施智能施工模式，很难取得预期效果，还有可能因此引发设备损坏、系统瘫痪、违规施工操作等一系列问题出现，造成不必要的损失。对此，建筑企业应提前组织专项培训工作，重点培养具备一定信息化素养的复合型人才。例如，对于管理人员，以熟悉信息系统正确操作方法、软件工具种类、全新业务流程作为主要培训内容，如掌握BIM三维建模方法、施工模拟试验方法。而对于一线施工人员，则以掌握运料机器人、自动冲洗平台、自动砌砖机器人、测绘机器人等智能机械设备的操作方法为主，并帮助施工人员熟悉BIM+VR的全新技术交底模式。此外，在施工过程中，普遍存在施工与管理人员无条件相信系统决策判断的问题，完全按照系统分析结果开展工作，缺乏主观能动性，且现有模糊逻辑推理、BP神经网络等智能算法尚不成熟，偶尔出现错误决策的问题，对施工与现场管理工作造成影响，严重时形成安全质量隐患。因此，建筑企业需要开展相关方面的宣传教育工作，改变这类施工与管理人员的思维定势，把智能化技术与智能机械设备视作为一种辅助工具，不得形成依赖心理。

3.4 打造基于物联网的信息服务体系

在建筑智能施工期间，智能控制、BIM、建筑机器人等各项技术的应用，都离不开信息数据的支持，如BIM技术收集实时信息来更新模型内容，智能控制技术收集信息来掌握现场施工情况、计算最优解答案，建筑机器人根据外部信息来感知现场环境、执行控制指令。然而，在部分建筑工程中，所搭建各套信息系统互不交接，形成信息孤岛，进而影响到技术价值的发挥，如智能控制程序因缺乏足够数据样本而难以计算出最优解答案。为打破信息孤岛，深挖信息价值，建筑企业需要及早打造一套基于物联网的信息服务体系，通过物联网，集中收集各套系统与智能机械设备在运行期间产生和采集的数据信息，对数据进行集中分析处理，再通过物联网向现场设备传达控制指令。例如，在施工模拟场景中，持续采集工程所在地气象局实时发布的气象监测数据，将气象数据导入BIM软件当中，在其基础上开展施工模拟试验，重点模拟冰雹、降雨等恶劣气候来临时的施工过程，判断是否存在风险隐患或对施工质量造成影响，在试验结果基础上调整施工方案和施工组织计划，如调整工序流程、组织开展室内作业，避免因无法继续室外作业而影响工期进度。

4 结语

综上所述，人工智能与信息化技术的完善，为我国建筑业提供了全新发展契机，智能化施工是建筑工程的重要发展方向，也是突破传统施工模式局限性的关键。在这一形势下，建筑企业必须认识到智能化施工模式的价值所在，灵活运用物联网、BIM、智能控制等高新技术手段，在其基础上构建新一代的建筑施工体系，并推动智能化施工朝向建设智慧工地、装备智能工厂、培养复合型人才、打造信息服务体系的方向发展，扫清智能化施工期间遇到的内外部阻力。