智能建造平台的设计与实现

王卫锋，施奕滨，高思源

（1.中信工程设计建设有限公司 数字化与科技创新部，武汉 430010；2.武汉理工大学 计算机与人工智能学院，武汉 430070

1 引言

传统建造方式，在建筑行业历史上扮演了重要的角色，但在现代复杂多变的环境中，逐渐显现出其不足之处。传统建造往往依赖于人工经验，尽管沟通效率低下，工程周期长，成本高昂。而智能建造则在这些表现方面表现出了明显的优势。智能建造被认为是行业发展的方向。智能建造[1]是指在建造过程中使用大数据、BIM（Building Information Model，建筑信息模型）等智能技术，在建造过程中减少对人的依赖，保证建造的安全性，提高建造的效率和可靠性。智能建造[2]是当今建筑领域的一个重要发展方向，它与传统建造方式相比，借助先进的技术手段和系统，实现了数字化、自动化和标准化的建设流程，从而提高了建筑项目的效率、质量。本论文旨在探讨智能建造平台的设计与实现，深入研究其基本功能、关键技术以及对建筑行业的影响。

2 智能建造流程

与传统建造相比，智能建造[2]融合了先进的技术和创新的设计，旨在提供更高的程度、效率和可持续性。本小节将从五个方面介绍智能建造中的一些基本功能。

2.1 前期规划

智能建造平台在前期规划阶段发挥重要作用，通过整合地理信息系统（GIS）、遥感技术等，实现精准选址和土地规划。平台可以对各种规划方案进行模拟和分析，为决策者提供更准确的选择的数据支持，降低项目风险。在规划智能建造项目之前，了解土地利用情况至关重要。智能建造需要充分考虑环境因素，要与现有的交通网络和基础设施相配合。

2.2 勘察设计

在勘察设计中，BIM技术[3]的三维观察建模能力可以用于模拟不同的设计方案。设计团队可以通过可视化的方式观察不同选项的影响，从而更好地理解每个方案的优势和劣势。BIM技术允许在一个统一的平台上创建精确的三维建筑模型，这些模型可以帮助设计团队更好地理解建筑的构造和组成部分，从而更好地规划项目BIM技术还可以整合各种属性和数据，如材料、成本、施工图纸等，建筑师和工程师可以根据这些数据进行分析，从而做出更具有参考性的决策。

2.3 采购分包

智能建造中的采购分包是利用先进的技术和数字化工具来优化建筑项目的采购和分包流程。这种方法旨在提高效率、质量和可持续性，通过智能技术的应用，良好的合作以及数据驱动的决策，实现更加自动化、高效化的建造过程。在智能建造中，供应链数字化是关键的一环。通过数字化工具，如IOT（Internet of things，物联网）和物联网传感器，可以实时监测库存和设备的运输、库存情况以及使用情况。数字化平台允许各个分包商、供应商和承包商实时共享信息，如进度、库存、交付状态。智能建造中的数据分析和预测有助于提高采购和分包决策的准确性。

2.4 施工安装

在智能建造领域，施工安装是一项关键技术，旨在将建筑施工过程高效分割为各个模块或阶段，以实现更准确的施工流程。通过施工安装，建筑项目可以更好地规划、协调和管理，从而提高施工速度、降低成本，并减少施工期间的风险。在施工分装的前期阶段，建筑师和工程师利用先进的设计工具和技术，将建筑物分割为各个模块，如墙体、地板、天花板等。每个模块都经过精确的测量和规划，以确保它们可以在工厂中进行预制。根据定制设计，建筑材料在工厂中进行预制和加工。包括预制混凝土构件、钢结构模块、预制墙体等。每个模块都经过质量控制和检查，以确保其符合设计要求和标准。在施工安装过程中，数字化建模工具如BIM被广泛应用。这些工具可以帮助项目团队实时跟踪模块制造、运输和装配的详细信息，并进行协调和冲突检测，消去不必要的问题。预制的模块被运输到施工现场，然后进行装配。由于模块已经在工厂中精确制造，所以现场装配的时间总量减少，同时减少了对现场劳动力的需求。

2.5 竣工交付

BIM模型作为数字化的建筑信息库，可以包含建筑物的详细信息，如结构、设备、材料等。在验收阶段，这些信息可以用于验证建筑物是否符合设计要求和规范，以便进行准确的验收和结算。BIM模型可以在竣工后作为设施管理的工具。设施管理团队可以使用BIM模型来查看设备和线路的位置、维护计划、设备规格等信息，从而更有效地进行设施运营和维护。竣工交付阶段的建筑运维是确保建筑物顺利运行、功能完备的关键阶段。通过持续的设备监测、定期维护、环境管理等措施，保障建筑的安全性、舒适性和可持续性，同时利用数据分析和紧急响应策略，延长建筑的使用寿命，提升使用效率，满足居民和用户的需求，实现建筑质量和价值的最大化。

3 智能建造平台的框架

依托智能建造平台，研究了以BIM技术为基础，以工程建设全过程管理系统为支撑，以数字化全过程咨询为核心的项目实施方案。如图1所示，下面分别介绍这两个部分。

图1 智能建造实施路线图

3.1 数字化全过程咨询

数字化全过程咨询是当今建筑工程领域的趋势，将技术和信息封装建筑项目的各个阶段，从勘察设计到最终采购分包、现场施工，直至竣工交付，以实现更高效、准确、良好的项目管理[4]。数字化全过程咨询在勘察设计阶段起到了关键作用。利用先进的地理信息系统技术，建筑师和工程师可以获取地理数据和环境信息，从而进行指导最佳设计允许。数字化建模工具如BIM设计团队以三维形式构建项目，这有助于更好地可视化设计概念，预测潜在的设计问题，并进行实时协作。此外，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术也可用于在设计阶段进行模拟，帮助决策者更好地理解和审查设计方案。

数字化全流程咨询在采购分包阶段优化了供应链管理和合同管理。数字化平台可以帮助项目团队监控供应商和分包商的绩效和交付进度。

在现场施工阶段，数字化全过程咨询，通过提供实时数据和良好的工具，改变项目的执行方式。此外，数字化的建筑信息模型也可以在现场引导施工和安装，提高准确性和效率。数字化全流程咨询在竣工交付阶段帮助实现无缝的转型。BIM模型可以用于建筑物的管理和运输，帮助管理团队更好地管理设备、维修规划和能源使用。数字化文档和数据管理确保项目文件和信息能够保存并随时访问。综合来看，数字化全流程咨询在勘察设计、采购分包、现场施工和竣工交付等阶段的应用，提供了更强大的工具和数据支持，帮助团队项目实现更高效、可持续和良好的建筑项目管理。

3.2 工程建设全过程管理系统

本文基于设计协同系统、线上采招平台、施工建设系统、数字资产系统、智能模块化库和资金支付系统等组件，提出了一个综合性的工程建设全过程管理系统。该系统旨在优化项目的各个阶段，提高效率、降低成本、减少风险，实现数字化全过程管理。

（1）设计协同系统

设计协同系统是该管理系统的核心组件之一，旨在实现设计团队的协同工作。设计协同系统允许来自不同专业领域的设计师、工程师、建筑师等多方参与协同设计，共同解决项目的技术问题和设计挑战。这有助于整合各种专业知识，确保设计方案的综合性和一致性。该系统提供实时的信息共享平台，使各团队成员能够即时获取和共享设计文档、图纸、模型等信息。这有助于减少信息滞后，促进项目进程的及时更新。设计协同系统同时支持对设计文档的版本控制，确保团队成员始终使用最新的文档。同时，系统也能够跟踪和记录设计过程中的修改和决策，以便于后续审查和沟通。

总的来说，设计协同系统在工程建设全过程管理中起到了桥梁和纽带的作用，将分散的设计团队和信息整合在一起，促进了跨专业协作、信息共享和冲突解决，从而提高了设计质量、效率和项目成功的可能性。

（2）线上招采平台

工程建设全过程管理系统中的线上招采平台是指在工程项目的采购招标过程中，利用在线平台和信息技术手段，实现采购招标活动的电子化和自动化管理。这个系统的目标是提高采购招标的透明度、效率和公平性，同时降低采购成本和管理风险。线上招采平台提供发布电子招标公告的功能，包括项目信息、招标范围、要求和截止日期等。供应商和承包商可以在系统中查看并了解招标信息。系统可以提供招标文件的电子化管理，供应商可以在线下载招标文件，确保他们获取到最新的信息和文件版本。此外，可以进行供应商的资格预审，验证其是否符合项目要求和资质标准，以筛选合适的供应商参与正式招标。根据设定的评标标准和权重，自动对投标文件进行评分和排名，提高评标的客观性和公平性。自动发布招标结果，包括中标结果和未中标通知，提高招标的透明度和公示性。线上招采系统可以生成各种采招过程的数据报告和分析，帮助招标人评估供应商绩效、优化采购流程等。

线上招采平台一是增强管控力度，规范采购行为。基于平台的线上采购一定程度上实现了“网上全公开、网下无交易”、全程留痕、全程可追溯，通过全网比价、全程直播、全程监督实现了公开透明的线上采购，提高了采购的效率，促进了采购的规范性，为招标单位提供了良好的工程风险管控。

线上招采平台可以大幅度提高采购招标的效率和透明度，减少人为错误和延误，促进供应商之间的竞争，从而实现更优质、更经济、更有序的工程建设采购过程。

（3）施工建造系统

工程建设全过程管理系统中的施工建造系统是该平台的核心组成部分之一[5]，旨在有效地规划、监控和管理建筑项目的施工阶段。这一系统结合了先进的技术和工程管理原则，以数字化和智能化的方式，提升施工过程的效率、质量和可持续性。施工建造系统还支持协同工作和信息共享，促进项目团队之间的合作与沟通，减少信息断层和误解，提高项目的协调性和一体化管理。综上所述，工程建设全过程管理系统中的施工建造系统是一个关键的支持工具，它通过数字化、自动化和智能化的手段，实现了施工阶段的全面管理和优化，为现代建筑项目的成功实施提供了有力的支持。

（4）数字资产系统

工程建设全过程管理系统中的数字资产系统是平台的关键组成部分，旨在有效管理和维护建筑项目的数字化资产信息。这一系统借助先进的数字技术，将建筑项目的各种信息、数据和文档以数字化形式保存和管理，为整个项目的生命周期提供可追溯的数字资产。数字资产系统通过BIM等技术，将建筑项目的几何信息、材料属性、施工过程、设备维护等内容整合在一个统一的数字平台上，减少信息的不一致性和丢失，提高协同工作的效率。该系统还支持实时数据采集和监控，通过物联网设备和传感器，可以获取建筑物的运行状态、能耗情况等信息。这有助于及时发现问题并做出调整，提高建筑物的运行效率和可持续性。数字资产系统还在建筑项目竣工后发挥重要作用，它确保了数字化资产信息的持续性和可维护性。施工阶段产生的各类文档、数据和模型都可以被保存、管理和更新，为未来的维护和运营提供了可靠的数据支持。综上所述，工程建设全过程管理系统中的数字资产系统在数字化时代的建筑项目中具有重要地位。它通过集成各种数字技术，实现了建筑项目信息的统一管理、共享和持续维护，为项目的高效运作和可持续发展提供了有力的保障。

（5）智能构件库

工程建设全过程管理系统中的智能构件库[6]是一个关键性的模块，旨在集成和组织各种建筑构件元素、模块和流程，以实现项目在各个阶段的智能化规划、设计和施工。该系统通过数字化和智能化手段，为项目团队提供了丰富的资源和工具，以支持高效、高质的建筑过程。智能构件库将各种构建元素、材料、构件、模型和设计方案等整合在一个统一的平台上，提高设计效率和施工速度。此外，智能构件库还支持个性化定制，根据不同项目的需求，灵活调整和组合构建元素，实现项目的差异化和创新性。在设计阶段，智能构件库通过先进的算法和模拟技术，可以帮助设计师快速生成多样化的建筑方案，并评估其性能和可行性。实现精细化的建筑方案和机构一体化设计，提升建筑的功能性和美观性。在施工阶段，智能构件库为施工团队提供详细的构建指导和施工流程，从而减少误差和冲突，提高施工的准确性和效率。在采购阶段，结合第三方BIM算量软件，提取BIM模型数据，形成工程量清单。造价人员通过构件分类编码完善造价属性，与清单定额进行关联，通过将BIM技术与清单定额标准相结合，实现招标采购的周期和成本控制。

（6）资金支付系统

工程建设全过程管理系统中的资金支付系统是一个关键性的模块，旨在实现建筑项目在各个阶段的资金管理、支付和监控。这一系统通过数字化和自动化手段，确保项目的资金流动和支付过程的透明度、高效性和准确性。资金支付系统涵盖了项目的预算编制、成本控制、支付申请、审批流程等多个方面。在项目启动阶段，系统可以充分发挥对既往支付数据的规律性总结，提炼项目资金支付特征及风险点，协助项目团队制定详细的预算计划，将各项成本因素进行分类和估算，实现资金需求的合理规划。

资金支付系统通过聚焦“信息透明+资金受控”，通过实现工程资金的穿透式管控，形成工程项目参建企业朋友圈，并完整呈现“业务流、资金流和信息流”的三流合一。以贯穿建筑全产业链的全要素、全流程在线信息沉淀产业大数据，同时通过探索建立基于供应链大数据的风险识别与管控体系，为金融机构提供交易数据，为参建主体提供融资服务。

4 智能建造平台的关键技术

4.1 BIM技术

BIM[7]技术是一种革命性的数字化建模方法，旨在整合建筑项目的各种信息、数据和过程，以提升建筑行业的效率、质量和可持续性。在BIM中，建筑物不仅仅是静态的几何形状，还包括了关于材料、构件、设备、时间和成本等方面的丰富信息。这一技术不仅改变了建筑设计和施工的方式，还引领了建筑行业向数字化、智能化和协同化的转型。

在BIM 技术的应用中[8]，首先，设计师和工程师可以通过BIM 软件创建一个真实且精确的三维建筑信息模型。这个模型不仅包括了建筑物的形状，还能够附加各种属性信息，如材料特性、尺寸、造价等。这使得项目团队能够更准确地进行设计和规划，减少设计冲突和错误。其次，BIM技术促进了多个专业之间的协同工作。建筑师、结构工程师、机电工程师等各个专业可以在同一个BIM模型上进行协同设计，实时交流和共享信息。这有助于提高设计的一致性、协调性和质量。此外，BIM 模型还可以用于可视化分析和模拟。通过BIM，项目团队可以进行结构分析、能源模拟、碰撞检测等任务，预测项目的性能和风险。这有助于做出更明智的决策，优化设计方案。最后，BIM技术支持建筑项目的全生命周期管理。从设计到施工再到运营和维护，BIM模型都可以被用来跟踪和管理项目的变化和历史。这有助于提高建筑物的可持续性，延长其使用寿命。它通过数据整合、协同工作和可视化分析等手段，为建筑行业带来了深刻的变革和提升。

4.2 Spring Cloud

Spring Cloud 技术架构是一套用于构建分布式系统和微服务应用的开源框架，它在Spring 框架的基础上提供了一系列强大的工具和组件，以支持开发人员在复杂的分布式环境中构建、部署和管理微服务应用。该技术架构涵盖了多个关键组件，如图2所示，每个组件都有着特定的功能和作用，共同构建出高效、稳定的分布式系统。

图2 Spring Cloud微服务架构图

首先，Spring Cloud[9]提供了服务注册与发现的支持，通过Eureka、Consul 等服务注册中心，允许微服务应用在不同节点上进行注册和查找，实现了动态的服务发现和负载均衡。这使得服务能够自适应地处理请求，提高了系统的弹性和可扩展性。

其次，Spring Cloud整合了Ribbon负载均衡组件，可在多个服务提供者之间分发请求，确保负载均衡，提高了系统的性能和稳定性。同时，通过Hystrix断路器组件，Spring Cloud实现了故障隔离和容错处理，保护系统免受故障的影响，提供了更加可靠的服务。

另外，Spring Cloud Config 支持分布式配置管理，将应用配置集中管理，实现了配置的动态更新和版本控制，简化了配置的管理和维护。同时，Spring Cloud Gateway提供了API网关，用于路由、过滤和负载均衡，简化了微服务之间的通信和数据交换。

此外，Spring Cloud 还包括分布式消息传递（Spring Cloud Stream）、分布式跟踪和日志追踪（Spring Cloud Sleuth、Zipkin）、分布式调度和任务（Spring Cloud Task）等组件，为微服务应用提供了全面的支持，促进了系统的可观测性、可维护性和性能优化。

综合而言，Spring Cloud技术架构为构建复杂的分布式系统和微服务应用提供了强大的工具和组件，从服务发现到负载均衡、故障隔离到配置管理，再到监控和分析，每个组件都为构建高效、弹性的分布式架构提供了关键支持，推动了微服务架构的广泛应用和发展。

4.3 Spring Security

Spring Security[10]是一个用于处理认证（Authentication）和授权（Authorization）的框架，其访问控制机制旨在保护应用程序中的资源免受未经授权的访问，确保只有合法用户能够访问特定的功能和数据。在实现访问控制时，Spring Security 提供了一系列强大的工具和概念，从认证用户身份到定义权限规则，都是确保系统安全性的关键步骤。

首先，认证是访问控制的第一步，通过验证用户的身份来确认其合法性。Spring Security可以支持多种认证方式，包括表单认证、HTTP基本认证、令牌等。认证过程可以由用户名和密码、证书、第三方认证等方式进行，以确保用户的身份得到验证。其次，授权是访问控制的核心内容，即决定哪些资源和功能可以被哪些用户访问。Spring Security 使用权限（Authorities）和访问控制策略（Access Control Policies）来实现授权。权限是一组定义好的角色或操作，而访问控制策略则是将权限与资源（URL、方法等）进行关联，定义谁可以执行何种操作。在Spring Security 中，可以使用注解（如@Secured、@PreAuthorize、@PostAuthorize）来在方法或类级别添加访问控制规则。这些注解允许开发人员直接在代码中定义权限要求，使得访问控制规则更加清晰和易于维护。此外，Spring Security还支持表达式语言（SpEL）来实现更灵活的访问控制规则，允许根据上下文信息进行动态判断。安全过滤器链是实现访问控制的关键部分。Spring Security 使用一系列过滤器来截获请求，根据配置进行认证和授权检查，确保只有经过认证和授权的请求可以继续访问。这种过滤器链的机制使得访问控制能够在请求进入系统时被有效地执行。

综合来看，Spring Security的访问控制详解涉及了认证、授权、注解、表达式语言和安全过滤器链等关键概念。通过这些机制，Spring Security 提供了灵活、强大的访问控制能力，使开发人员能够轻松地定义和管理系统的安全策略，保护应用程序免受潜在的安全威胁。

4.4 数字孪生

数字孪生[11]是一种先进的应用技术，旨在通过数字化模型和现实世界的实时数据相结合，实现城市基础设施的全生命周期管理和优化。这一概念源于“孪生星球”理念，将城市的物理实体与数字世界进行镜像映射，从而实现更智能、高效和可持续的城市规划、建设和运维。首先，数字孪生的核心在于建立高度精确的数字城市模型，模拟城市中的各类基础设施，如道路、桥梁、建筑物、供水系统、电力网络等。这些模型不仅包括静态的几何信息，还涵盖了材料属性、结构特性、设备状态等详细数据，以及城市的环境、交通、人口等动态信息。通过数字孪生模型，决策者和运维人员可以全面了解城市的现状和未来发展趋势。

其次，数字孪生利用实时数据采集技术，将真实世界中的变化反馈到数字模型中。传感器、监控设备、物联网技术等可以实时地收集城市基础设施的运行状态、能耗、交通流量等数据，将这些数据与数字模型进行对比和分析。通过这种方式，可以快速发现问题、预测风险，并及时采取措施，从而优化城市的运营和管理。此外，数字孪生还支持虚拟仿真和场景模拟，可以对不同的城市发展策略、政策决策进行模拟，评估其对城市运行的影响。这有助于决策者制定更具前瞻性和可行性的规划，最大程度地优化城市的发展方向。

最后，数字孪生还促进了城市建设和运维的协同工作。不同部门和机构可以共享同一数字模型和数据源，实现更高效的协作和信息共享。这有助于加强城市各项工作的整合，提高运维效率和决策质量。

总而言之，城市建设运维的数字孪生是一种融合数字技术和城市管理的创新方法，通过数字模型与实时数据的交互，实现城市基础设施的全方位管理和优化，为城市的可持续发展提供了新的思路和工具。

5 结语

本论文详细探讨了智能建造平台的设计与实现，从传统建造与智能建造的区别入手，深入分析了智能建造的基本功能，包括前期规划、勘察设计、采购分包、施工安装和竣工交付等阶段。随后，提出了智能建造平台的框架，涵盖了数字化全流程咨询和工程建设全过程管理系统，为智能建造提供了系统化的支持。

在关键技术方面，论文详细阐述了BIM 的核心构建，强调了BIM 在智能建造中的重要性。同时，介绍了Spring Cloud关键技术架构和Spring Security访问控制，展示了如何通过技术手段保障智能建造平台的安全和高效运行。此外，城市建设运维数字孪生也得到了深入探讨，强调了数字孪生在提升城市建设和运维效率方面的潜力。

综合来看，本论文全面展示了智能建造平台的设计与实现，通过详实的案例和技术解析，深入阐述了智能建造在提高建筑行业效率、质量和可持续性方面的作用。未来，随着技术的不断发展，智能建造平台将继续发挥重要作用，为建筑领域的发展带来更大的创新和变革。