面向全生命期的多维多尺度智能建造体系

刘占省，武乐佳，刘子圣

面向全生命期的多维多尺度智能建造体系

刘占省1, 2，武乐佳1, 2，刘子圣1, 2

(1. 北京工业大学城市建设学部，北京 100124；2. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124)

目前，建造业较低的信息化、智能化水平导致项目建设存在效率低下和过于依赖人工等问题．由于缺乏系统性理论框架和体系的指导，相关研究大多局限于技术层面且致力于解决某一具体建造环节的不足，使智能建造的发展受到了一定程度的阻碍．为解决上述问题，在前人研究的基础上，考虑建造体系的时空演变和信息流动等要素对整个建造过程的影响，以全局观念构建一种面向整个建造范畴即全生命期的智能建造体系．同时聚焦于宏观和微观层面，把对智能建造体系架构的研究抽象为多维多尺度体系建模的问题，从时间维度、信息维度与结构层级维度融合的思路出发，对智能建造过程进行数据、模型驱动的框架建模和体系搭建．建立了一种包含时间、信息和结构层级维度的多维多尺度智能建造体系架构，详细说明了各维度的含义和作用．在此基础上提出了智能建造体系三维坐标轴模型，给出使用智能建造体系三维坐标轴模型的典型场景，以说明智能建造架构各层次形成的机理；提出了全生命期的智能建造模式，以2022年卡塔尔世界杯主体育场为实例，阐述智能建造体系在全生命期中的运用流程．不同建造场景的示例以及卡塔尔世界杯主体育场的案例，为智能建造体系的普适性和实用性增添了依据，给智能建造理论的研究和行业的智能化发展提供了新的思路．

智能建造；体系架构；多维度模型；全生命期

将人从烦琐和危险的建造环境中解放出来一直是人类的追求．与其他行业相比，建造业存在智能化程度低、过于依赖人工经验、信息流动性差和效率低下等问题[1]．在工业4.0的背景之下，建造业转型升级成为一大议题．首先，第四次工业革命的到来推动了建筑业的工业化变革，即通过现代化的制造、运输、安装和科学管理的生产方式代替传统建筑业中分散、低水平、低效率的生产方式，体现为预制构件大规模批量生产、装配式建筑蓬勃发展等；其次，人工智能等技术的发展促使各行业迈向智能化．传统建造过程中为实现一个建筑目标，主要凭借管理者长期积累的施工经验来做决策．这种以人的经验为主导的模式，在建造业发展过程中根深蒂固．但是，人在处理信息和做决策时，存在一定局限性，在当今日益庞大和复杂的建设项目中尤为明显[2]．随着工程体量和工程复杂性的增加，需要处理的信息量呈指数增长，人为决策会造成很多问题，例如多次返工、成本超支、进度拖延、项目质量差[3]和频繁的安全生产事故等[4]．依据人的经验进行决策，不能满足利益相关者的管理目标和需求[5]，因此，建筑业迫切需要智能化的决策手段和管理方式，以减少对人的依赖．同时，信息技术的蓬勃发展，使得建造过程中信息采集、处理、通信和使用都愈加方便．尽管建筑业是一个相对保守的行业，但是科技的发展和人类对居住场所越来越高的要求，使建筑业必须向工业化、信息化、智能化的方向转型升级[6]．

智能建造是一种建立在高度数字化、信息化、工业化上的互联互通、智能高效的可持续建造模式[7].近年来，这种全新的建造模式[8]已得到业内学者的广泛关注．智能建造集成了传感技术、通信技术、数据技术、建造技术及项目管理等知识，对建造物及其建造活动的安全、质量、环保、进度、成本等内容进行感知、分析、控制和优化，以促进安全、优质、绿色、高效建造[9]．从技术层面推动建筑业向智能化方向发展是智能建造最直观的体现形式，但是智能建造不仅仅是技术层面的简单融合．众多学者对智能建造提出了自己的见解，将其定义为建造模式、系统、理念 等[10-12].除了方法和技术的变革，还强调了信息、管理平台以及全生命期等要点．然而现有关于智能建造的研究要么停留在技术和项目应用层面，要么着眼于智能吊装、智能监测等阶段性建造过程，鲜有从全生命期或者更宏观的角度探究整个建造模式的转 变.可以说，智能建造相关理论的研究还处于初级阶段，对其体系架构和其核心属性的研究也处于探索 阶段[10].

在工业4.0的背景下，部分学者首先对制造业开展智能体系方面的研究：Zhou等[13]从不同维度分析了智能制造空间的特征；Ding等[14]从矩阵理论出发研究了一种针对复杂智能制造过程的多维时空建模方法；Tao等[15]将智能制造空间划分为3个基本组成部分，建立信息与物理空间的映射关系，实现了面向实体操作的空间模型．

上述研究虽然对智能制造系统及流程进行了较全面的体系建模，但仅局限于制造业．相比之下，建造业受人为因素的影响更大，生产环境更为复杂，且智能化程度更低[1,16]，故建造业的智能化发展迫在眉睫．新兴建造技术和信息技术的快速发展及广泛应用，使建造过程中开展对“人、机、料、法、环”的智能化管理成为可能．智能建造模式具有自意识、自交流、自决策等核心属性[2]．将智能建造理念贯穿于整个建造过程可满足个性化、服务化、智能化等行业发展的需求．国内外已有诸多学者从模式、技术、系统等不同角度对智能建造进行分析研究．

在模式方面，Niu等[17]定义了智能化工程的基本目标和构成，并分析了智能建造与传统建造的相关性和差异性．樊启祥等[9]论述了智能建造的定义和主要特征，并提出了智能建造感知、分析、控制和持续优化闭环控制理论．刘占省等[16]提出了一种综合数字孪生、物联网(IoT)、BIM和有限元模型的智能建造方法框架.

在技术方面，刘金典等[18]提出了一种基于BIM和激光扫描的装配式体系建造管理与质量控制方法. 满延磊等[19]研发了一套智能支吊架全过程设计系统．Wang等[20]运用人工智能技术以及BIM技术建立了支持消防安全管理的信息模型，解决了施工中对突发事件反应不及时的情况．刘占省等[21]将数字孪生技术用于预应力钢结构的实时监测，及时预测其安全水平，并提出了一种基于数字孪生和人工智能的预应力索智能张拉方法．Kolbe等[22]将BIM和地理信息系统(GIS)组合建立起基于数据集成的构建环境的全面视图．

在系统方面，Dave等[23]将基于IoT的通讯框架应用于精益施工管理及整个建筑生命周期的管理．尤志嘉等[24]提出基于“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，主要从功能和技术角度描述智能建造系统的体系结构．Wang等[25]为解决装配式建筑施工中信息集成和交互的问题，提出基于物联网的装配式建筑智能施工系统(ICSPB-IoT)的概念框架，探讨其运行机制并提出具体的实施路径．

上述文献围绕新兴技术在建造业转型升级中的应用，提出了一系列新型建造方式与系统．多位学者用技术手段解决了传统建造过程中的部分难点，推动了建造业向智能化的转变，但是其多以单点应用和局部系统为主，对集成化应用和整体架构研究较少．在宏观方面，以建造全生命期为背景，对智能建造理论和体系架构方面的研究不足．在微观方面，各项技术交互使用的案例较少，各环节之间以及环节与整个建造过程之间的关系不够清晰．建立面向建造全过程的智能建造体系，将现阶段智能建造的相关研究成果进行集成和拓展很有必要，但是该方面的文献还较为缺乏．

智能建造体系应该是宏观和系统的．BIM技术的发展和广泛应用，可为智能建造提供一个统一完整的数据库，作为信息管理和各阶段全方位协同工作的平台．同时，智能建造依赖于建造业的信息化发展水平．信息作为可以在智能建造体系中流动的媒介，发挥的作用不容忽视，但信息本身又是复杂的．根据信息类型和所处阶段的不同，在体系中扮演不同角色，在新技术的加持下发挥不同的功能．许多学者在建筑信息化领域进行了研究，例如：使用BIM技术推动建筑行业的信息化[26-27]；通过采用信息通信技术，例如自动ID[28-29]以及传感技术[30-31]，实现了信息的高效感知和传递．此外，对于庞大的智能建造体系而言，在对其中某一具体环节开展研究时，应将研究对象进行结构分级，进而确定其在智能建造体系中的位置和上下级关联研究．

通过以上分析，要建立一个面向整体的、具有普适性的智能建造体系，应满足以下需求：①既能涵盖建造全生命期，又能精确到某一具体建造过程；②技术层面要用到人工智能、算法等，实现智能控制，减少对人的依赖；③要重视信息在体系中的作用，对信息进行分类研究；④要能够对不同的建造对象进行结构层级的区分．

通过对智能建造发展需求的梳理，明确本文建立面向全生命期的智能建造体系架构、开拓未来建造业的基本模式的目标．同时聚焦于宏观和微观层面，把对智能建造体系架构的研究抽象为多维多尺度体系建模的问题，从时间维度、空间维度与结构层次维度融合的视角出发，对智能建造过程进行数据、模型驱动的框架建模和体系搭建，并提出全生命期的智能建造模式．本文的主要目的是定义智能建造体系架构，并说明其在建筑领域的适用性．本体系以多项智能技术在整个建造过程中的集成为基础，达到智能化的目的．但是该体系中的技术革新不只服务于具体施工环节，而是着眼于体系和理论，以实现整个建造模式的改变．本文包括4个部分．在智能建造理论的指导下，第1节定义了体系，提出了构成智能建造体系的时间、信息、结构层级3个维度，阐明其内涵，并建立智能建造体系三维坐标轴模型．第2节给出三维坐标轴模型应用的示例场景，以说明智能建造架构各层次形成的机理．接下来讨论了智能建造体系下的全生命期建造模式，并以卡塔尔世界杯主体育场为例展开具体说明．最后一部分对文章内容进行总结，并分析了智能建造进一步发展所面对的挑战．

1 智能建造体系架构搭建

智能建造体系在本文定义如下：通过智能化的技术手段对建筑工地上人员、材料、机械设备以及复杂动态的室内建筑环境的信息收集、存储、挖掘、处理、反馈，形成涵盖全生命期的建造体系．根据上文所述智能技术在建造过程中带来的价值以及建造体系的独特性，结合建筑工程复杂、要素信息多的特点，参考刘占省等[16]构建的基于数字孪生的智能建造模型，提出如式(1)所示的智能建造多维空间模型，便于从多维度对建造全过程和全要素进行分析和研究.

图1 智能建造体系架构

1.1 时间维度

图2 智能建造体系时间维度

1.2 信息维度

1.3 结构层级维度

各层级之间为逐层包含关系，分别与建造过程出现的元素相对应．同样，对该维度的分析也建立在IoT、云计算、大数据等信息技术的基础之上．结构层级维度如图4所示，其中单元层级对应单个人员、结构构件或机械设备等，构件制作、设备维修多处于这个层级；组织层级与已形成的某个建造环节相对应，它是由多个单元级元素经过合理的工序流程而构成的，可以完成建筑过程部分功能的实施任务；系统层级对应结构系统、生产系统或监测系统等，是由多个单元层级、组织层级建立业务协作关系所构成，包括了数据采集、人员流与信息流的综合复杂系统，能够实现各子结构间的组织、协调及管理等；企业级包含建造活动的全要素信息，全面反映建造过程，对各子系统及子系统间的交互与耦合关系进行描述，从而对整个系统的演化进行分析与预测．

图3 智能建造体系信息维度

基于上述分析提炼出智能建造体系三维坐标轴模型如图5所示．在时间、信息、结构层级3个维度坐标轴形成的空间内，从3个轴上各选一点构成的面能清晰呈现任一建造过程在智能建造模式下的位置．不同类型建造过程成为体系全生命期管理的一部分，将在第2节中举出示例场景进行说明．本文所建立的基于技术融合的智能化多维模型可以满足智能建造体系的需求，以信息技术为前提，以智能化为目标，宏观上涵盖全生命期，微观上又能聚焦于某一建造过程，同时体现其信息类型和结构层级．在不同环境的要求下，同样的建造过程可能所属不同位置．通过宏观把握和精准定位，某一建造过程将会以体系中的3个维度为根据，明确其智能建造的要求．另外需要说明的是，智能化技术不作为智能建造体系的单独一维，是因为智能建造体系正是建立在先进科学技术的发展之上的．当然，随着科学技术的不断发展和理论的不断完善，将来也可能会创建比本三维模型更详实、高级的智能建造体系模型．

图5 智能建造体系三维坐标轴模型

2 智能建造体系应用的示例场景

2.1 构件生产

构件生产作为项目的开始阶段，对节约成本、节能减排、保证质量起着关键作用．预制是一种场外施工方法，可将建筑物的一些或所有部件转移到预制工厂．预制构件的普及虽然解决了施工现场混乱、工业化程度低的问题，但是工厂中生产的构件会额外地涉及生产、储存、运输及现场使用过程中多方参与等问题．生产构件的过程中资源的局限使得构件的交货时间晚于规定时间的情况时有发生．多方协同工作本质上是利用各方优势更好地完成项目，但是实际生产过程中，由于各承包方信息交流的滞后导致的材料严重延误，会造成更大的环境污染和高昂的成本．为了解决上述诸多问题，将智能建造技术引入到构件生产中，以满足科学生产计划、构件信息追溯、多方协同等要求．如图6所示，构件生产在本文定义的智能建造体系三维坐标轴模型中可定位于生产阶段-单元(构件)层级-几何信息．

图6 构件生产在智能建造体系三维坐标轴模型中的位置

在生产阶段，将材料、工人工作时间、生产步骤、机械数量等作为限制条件，将延误时间和储存时间最小值作为优化目标，由混合整数线性规划(MILP)、遗传算法(GA)等进行建模和优化形成优化生产方案．通过射频识别技术(RFID)记录构件的基础信息(几何信息、出厂信息、有效时间等)，实现构件生产、储存、运输及现场使用全过程的信息记录与共享．不同的承包方依靠BIM进度管理进行信息公开，获得实时工厂生产情况，如图7所示．

2.2 构件吊装

随着经济和科技的发展，建筑物的规模和复杂性也逐渐增加．传统建设模式基于纸质记录和现场检查，不能满足利益相关者的管理目标和需求．对危险预警的被动反应是造成事故的主要原因之一．因此，施工阶段中的安全预警、可视化以及数据采集是研究和管理人员长期关注的课题．以预制构件吊装过程为例，在智能建造体系下，其风险预警和对多源异构数据的收集是传统施工模式所难企及的．智能建造技术的发展提高了建造过程中对安全、质量、成本的保证．如图8所示，构件吊装在本文定义的智能建造体系模型中可定位于施工阶段-组织层级-物理信息．

图7 构件生产流程

图8 构件吊装在智能建造体系三维坐标轴模型中的位置

智能建造体系下的施工阶段将智能设备、物联网、数字孪生等技术集成协同工作．智能设备减少了施工人员的体力劳动，同时它有更好的可预测性，便于安全预测和风险评估．在施工过程中传感器的使用为数字孪生仿真模型提供了有力的工具；物理信息是指构件在吊运、拼装过程中对其物理状态的描述．所收集的数据具有实时更新、可视化的特点，也是安全预测的基础．在智能建造体系下吊装过程属于组织层级，其特点是在吊装过程中，对各部分构件单元信息的采集、处理组成了整个过程的智能化，如图9所示．

2.3 安防疏散

通常状态下，建筑物施工完成后的运行管理由不同团队负责，因此运维阶段常与前两个阶段相互割裂．在智能建造体系下的运维阶段包含多个学科专业的协同工作，通过整合人、地点、过程和技术来确保建筑物功能的实现．安全管理是运维阶段的一个重要部分，它涉及到了设备安全管理、人员安全管理、结构安全管理等[32]．以建筑物运营期间安全管理中的安防疏散为例，建筑的运营安防疏散在本文模型中的定位为运维阶段-系统层级-规则信息，如图10所示．

图9 构件智能吊装示意

图10 运营安防疏散在智能建造体系三维坐标轴模型中的位置

建筑的运营安防疏散在时间维度上属于运维阶段，在结构层级属于系统级，智能安防在信息上着重强调智能算法，属于规则信息．在智能建造体系中，建筑资源因具备感知、处理、分析和反应能力而变得智能，由此可与附近的人或环境进行信息交互，有助于人的决策[2]．在传统建筑物中，为了保证突发事件中人员的快速疏散，会设立疏散指示路标，但固定的指示牌不能应对随机突发的危险事件．智能运维则会结合设计和施工阶段的数据，做到对建筑物结构安全的掌控．当有突发事件时，结构部分的异常将会在运维平台中显示．同时UWB定位系统将会分布在建筑物中，以便实时感知人员位置．与人员的交互体现在视距范围外危险的可视化．以火灾为例，当发生危险时，建筑物内的人员多处于分散、流动状态，无法判断自身与危险源以及安全出口的位置关系，每个人的最短疏散路径也具有差异性．因此通过UWB人员定位，并将建筑物的BIM模型与智能算法相结合，可以提供更符合人员当前位置的疏散路径，并以可视化的方式呈现疏散路径．宏观来看，建筑物运行管理过程中所积累的数据是丰富的数据资产，可以系统性描绘任意时间段内建筑状态的数据．智能建造体系指导下的安防疏散模式如图11所示．

图11 智能安防疏散示意

示例场景展现了本文定义的智能建造体系架构的应用机理、涵盖范围和智能属性，但并不是详尽无遗的，还有大量的施工环节、管理场景等，可在智能建造技术的加持下，改变原有粗犷的方法，融入到智能建造体系中．鉴于本体系尚未被广泛应用，第3节中将会提供一个全生命期的实例来呈现智能建造体系的普适性和实用性．

3 智能建造体系在全生命期中的应用

为进一步明确智能建造体系特点，更清楚地呈现各建造阶段之间的关系以及实现智能化的具体过程，以2022年卡塔尔世界杯主体育场项目为依托，将该项目全生命期的智能建造流程作为智能建造体系在建造生命期中应用的实例进行说明．图12展示了卡塔尔世界杯主体育场部分智能建造步骤形成的循环体系．可见，智能建造体系是一个全生命期的闭环体系．将BIM模型与其他用于智能建造中的新兴技术相结合，一方面实现了建筑生命期设计、生产、施工、运维多阶段的集成考量，另一方面规避了决策者在数据分析和技术传递方面的额外成本．在智能建造体系下，各阶段的数据通过收集、储存、挖掘、处理，将原本独立的多方工作聚合成了一个协同工作的整体，具体实现路径如下．

在设计阶段主要用BIM技术进行建模和协同设计，本项目使用Autodesk Revit建立精细的BIM模型，精细到每一个构件，模型与现实构件的特征完全相同．构件模型设计完成后，交给预制工厂进行加工、生产、预制，工厂将会根据生产计划制定生产步骤、工厂的机械和工人的数量，通过MILP、GA进行生产计划的优化，优化后的流水线大大减少了延期交货的发生．完成制作后把构件进行RFID处理，如图13所示．RFID标签用于构件的识别和构件信息的写入，构件唯一识别ID、种类、材料、几何尺寸、存放位置、生产单位、出厂日期等信息存储在标签中，通过索引构件ID可以在云端数据库查询到构件的施工工艺和各施工过程质量要求的全部信息．完成检查后的预制构件运送至施工现场，在运送过程中遵守准时制原则，减少构件存储费用和运送等待时间．构件由制作完成到进入现场等待使用的全过程均保持实时更新数据，通过运送车辆的行程定位确定构件的到场时间，由智能算法编排构件使用次序．由此实现了构件从生产到运输的有效联动，提升了不同专业间的协同效率，也为后续施工进度和质量的控制奠定了基础.

预制构件运输到现场之后要进行吊装，本项目用数字孪生的方法开展智能吊装．在吊装作业之前将构件和塔吊关键位置安装传感器，实时感知构件力学性能和位置的变化．采用嵌入式设备，通过OPC UA、AutomationML、MTConnect等通讯协议与吊装构件和吊装设备建立连接，采用Zigbee、Bluetooth、Wifi等无线方式进行连接．将收集到的施工过程数据储存在云服务器上．另一方面采用GA算法、BP神经网络、支持向量机、决策森林、深度信念网络等算法驱动数据分析，实现对施工过程的准确判断与预测．根据预测结果实时对施工过程进行控制，达到智能施工的目的．同时，建立基于数字孪生的吊装安全风险控制平台，实现吊装过程监控、吊装风险监测、吊装风险预警、吊装风险反馈的功能．有效解决了吊装过程风险大、预测难、智能化程度低的缺陷．图14所示为卡塔尔世界杯主体育场施工现场的构件吊装.

图12 智能建造体系下的卡塔尔世界杯主体育场建造生命期

图13 卡塔尔世界杯主体育场RFID应用

在运维阶段，将先前所积累的数据资产作为现阶段的风险预测基础．安防疏散是大型体育场运维建设时的重点研究对象，卡塔尔世界杯项目采用动态疏散引导方法．通过利用BIM模型和物联网搭建面向疏散的数字孪生模型，如图15所示．模型中展示现实空间位置、室内环境监测和人员位置的实时信息，利用Dijkstra算法进行疏散路径的规划，并以三维可视化的形式呈现疏散路径．当发生火灾时，将疏散路径展示在搭载于网页端的轻量化BIM模型中，受困人员通过手机、电话手表等便携电子设备，即可获得实时的疏散指导信息．与传统运维中固定的疏散路径相比，智能运维下的动态疏散路径以信息实时采集和模型中建筑布局三维可视化为依托，实现危险区域的提前感知和不同个体最优的疏散路径，危险源监测-人员定位-最优路径引导疏散的过程也体现了人与建筑的交互性．同时，此疏散功能作为智能运维的一个功能，具有数据的可传递性，在未来其他建筑的建造过程中仍可以起到对比作用．

图14 卡塔尔世界杯主体育场构件吊装

图15 卡塔尔世界杯主体育场安防数字孪生模型

随着时间的推移，建筑物的累积损害也逐年增加，在本项目中，建立体育场实时监测平台来确保建筑物的正常使用．而在后续的运维和改建中，出现诸如墙体裂缝、变形等损害是不可避免的．这时，需要对建筑物进行损伤识别和加固．智能建造体系下拥有健康状态建筑物模型，可以通过BIM与AR技术结合的方式进行可视化的建筑加固．如此，卡塔尔世界杯主体育场全生命期智能建造全部流程进行完毕后，形成一套完整的数据资产，可继续投入下一代建筑使用，从而实现全生命期的正反馈闭环．

4 结 语

本文所搭设的智能建造体系架构涵盖建造全过程．时间维度上，项目建设各阶段形成了一个有机的整体，不再互相割裂；信息维度上，通过感知、分析和整合实现信息价值的有效利用，使信息不再孤立，实现共享和协同；结构层级维度上，智能建造体系实现从单元级到企业级有条不紊的管理，也使相应的技术手段有的放矢．同时，不同建造场景的应用示例以及卡塔尔世界杯主体育场的案例，为智能建造体系的普适性和实用性增添了依据．

未来，智能建造模式会取代传统建造模式，成为建筑的基本建造方式，但如今仍有许多挑战需要克服．第1个挑战是目前我国的智能建造发展仍处于初级阶段，智能建造体系不够健全．在规范方面，关于智能建造的研究缺少统一的基础数据标准，导致研究成果的市场适应性和服务能力滞后；在技术层面多依赖于国外软件平台，缺乏核心竞争力；在行业环境方面，尚未形成良好的应用生态，使面向全生命期的智能化集成应用难以落实．因此，进一步完善和健全智能建造体系为建造模式转型的首要挑战．第2个挑战是发展智能建造需要投入大量成本．从传统建造模式过渡到智能建造模式的过程是相对缓慢的，除了技术的更新，更难的是思想观念的转变．如何协调行业前期智能技术成本投入与中长期效益转化、从甄选小范围试点到项目全生命期智能建造化等问题将成为决策者面对的关键问题．第3个挑战是随着人工智能的引入，以人为经验为主导的决策模式将逐渐被取代，以经验为竞争力的施工人员也会面临与机器人共同工作的问题，人机协同合作的场景与模式也将成为智能建造发展过程中不可规避的挑战．第4个挑战则是智能建造体系研究应用领域的进一步开拓．除了房屋建筑和大型钢结构体育场，智能建造的方法应推广至装配式建筑以及交通、水利、市政等城市基础设施建设领域，并根据其各自的特点进行改良和完善，推动整个土建行业的智能化变革．总之，智能建造的发展任重而道远，要做的就是迎接挑战，拥抱建筑业的未来．

［1］罗齐鸣，华建民，黄乐鹏，等. 基于知识图谱的国内外智慧建造研究可视化分析[J]. 建筑结构学报，2021，42(6)：1-14.

Luo Qiming，Hua Jianmin，Huang Lepeng，et al. Visualization analysis of domestic and overseas intelligent construction assisted by mapping knowledge domains[J]. Journal of Building Structures，2021，42(6)：1-14(in Chinese).

［2］Niu Y，Lu W，Chen K，et al. Smart construction objects[J]. Journal of Computing in Civil Engineering，2016，30(4)：04015070.

［3］Garrett J W，Teizer J. Human factors analysis classification system relating to human error awareness taxonomy in construction safety[J]. Journal of Construction Engineering and Management，2009，135(8)：754-763.

［4］Reason J. Human error：Models and management[J]. British Medical Journal，2000，320：768-770.

［5］Peruzzini M，Pellicciari M. A framework to design a human-centred adaptive manufacturing system for aging workers[J]. Advanced Engineering Informatics，2017，33：330-349.

［6］Jia M，Xu Y，He P，et al. Identifying critical factors that affect the application of information technology in construction management：A case study of China[J]. Frontiers of Engineering Management，2022，9(2)：281-296.

［7］李九林. 智慧建造关键技术与工程应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2017：3.

Li Jiulin. Key Technologies and Engineering Applications of Smart Construction[M]. Beijing：China Building Industry Press，2017：3(in Chinese).

［8］陈 珂，丁烈云. 我国智能建造关键领域技术发展的战略思考[J]. 中国工程科学，2021，23(4)：64-70.

Chen Ke，Ding Lieyun. Development of key domain-relevant technologies for smart construction in China[J]. Strategic Study of CAE，2021，23(4)：64-70(in Chinese).

［9］樊启祥，林 鹏，魏鹏程，等. 智能建造闭环控制理论[J]. 清华大学学报(自然科学版)，2021，61(7)：660-670.

Fan Qixiang，Lin Peng，Wei Pengcheng，et al. Closed-loop control theory of intelligent construction[J]. Journal of Tsinghua University(Natural Science Edition)，2021，61(7)：660-670(in Chinese).

［10］尤志嘉，吴 琛，刘紫薇. 智能建造研究综述[J]. 土木工程与管理学报，2022，39(3)：82-87，139.

You Zhijia，Wu Chen，Liu Ziwei. An overview of intelligent construction research[J]. Journal of Civil Engineering and Management，2022，39(3)：82-87，139(in Chinese).

［11］毛志兵. 智慧建造决定建筑业的未来[J]. 建筑，2019(16)：22-24.

Mao Zhibing. Intelligent construction decides the future of construction[J]. Construction and Architecture，2019(16)：22-24(in Chinese).

［12］毛 超，彭窑胭. 智能建造的理论框架与核心逻辑构建[J]. 工程管理学报，2020，34(5)：1-6.

Mao Chao，Peng Yaoyan. The theoretical framework and core logic of intelligent construction[J]. Journal of Engineering Management，2020，34(5)：1-6(in Chinese).

［13］Zhou G，Zhang C，Li Z，et al. Knowledge-driven digital twin manufacturing cell towards intelligent manufacturing[J]. International Journal of Production Research，2020，58(4)：1034-1051.

［14］Ding K，Chan F T S，Zhang X，et al. Defining a digital twin-based cyber-physical production system for autonomous manufacturing in smart shop floors[J]. International Journal of Production Research，2019，57(20)：6315-6334.

［15］Tao F，Qi Q，Liu A，et al. Data-driven smart manufacturing[J]. Journal of Manufacturing Systems，2018，48：157-169.

［16］刘占省，刘子圣，孙佳佳，等. 基于数字孪生的智能建造方法及模型试验[J]. 建筑结构学报，2021，42(6)：26-36.

Liu Zhansheng，Liu Zisheng，Sun Jiajia，et al. Intelligent construction methods and model experiments based on digital twins[J]. Journal of Building Structures，2021，42(6)：26-36(in Chinese).

［17］Niu Y，Anumba C，Lu W. Taxonomy and deployment framework for emerging pervasive technologies in construction projects[J]. Journal of Construction Engineering and Management，2019，145(5)：04019028.

［18］刘金典，张其林，张金辉. 基于建筑信息模型和激光扫描的装配式建造管理与质量控制[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2020，48(1)：33-41.

Liu Jindian，Zhang Qilin，Zhang Jinhui. Construction management and quality control of prefabricated building based on BIM and 3D laser scanning[J]. Journal of Tongji University(Natural Science)，2020，48(1)：33-41(in Chinese).

［19］满延磊，吴 杰，张其林，等. 基于建筑信息模型的支吊架全过程设计系统[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2019，47(10)：1383-1389.

Man Yanlei，Wu Jie，Zhang Qilin，et al. Whole process design system for support and hanger structures based on BIM[J]. Journal of Tongji University(Natural Science)，2019，47(10)：1383-1389(in Chinese).

［20］Wang S H，Wang W C，Wang K C，et al. Applying building information modeling to support fire safety management[J]. Automation in Construction，2015，59：158-167.

［21］刘占省，史国梁，王竞超. 数字孪生驱动的预应力拉索索力智能预测方法研究[J]. 工业建筑，2021，51(5)：1-9，123.

Liu Zhansheng，Shi Guoliang，Wang Jingchao. Research on intelligent prediction method of prestressed cable force based on digital twins[J]. Industrial Construction，2021，51(5)：1-9，123(in Chinese).

［22］Kolbe T H，König G，Nagel C. Advances in 3D Geo-Information Sciences[M]. Berlin：Springer，2011：211-225.

［23］Dave B，Kubler S，Främling K，et al. Opportunities for enhanced lean construction management using Internet of Things standards[J]. Automation in Construction，2016，61：86-97.

［24］尤志嘉，郑莲琼，冯凌俊. 智能建造系统基础理论与体系结构[J]. 土木工程与管理学报，2021，38(2)：105-111，118.

You Zhijia，Zheng Lianqiong，Feng Lingjun. Basic theory and architecture of intelligent construction system [J]. Journal of Civil Engineering and Management，2021，38(2)：105-111，118(in Chinese).

［25］Wang X，Wang S，Song X，et al. IoT-based intelligent construction system for prefabricated buildings：Study of operating mechanism and implementation in China[J]. Applied Sciences，2020，10(18)：6311.

［26］Eadie R，Browne M，Odeyinka H，et al. BIM implementation throughout the UK construction project lifecycle：An analysis[J]. Automation in Construction，2013，36：145-151.

［27］Chen L，Luo H. A BIM-based construction quality management model and its applications[J]. Automation in Construction，2014，46：64-73.

［28］Zhong R Y，Peng Y，Xue F，et al. Prefabricated construction enabled by the Internet-of-Things[J]. Automation in Construction，2017，76：59-70.

［29］Xu J，Lu W. Smart construction from head to toe：A closed-loop lifecycle management system based on IoT[C]//Construction Research Congress. New Orleans，Louisiana，2018：157-168.

［30］Akhavian R，Behzadan A H. Construction equipment activity recognition for simulation input modeling using mobile sensors and machine learning classifiers[J]. Advanced Engineering Informatics，2015，29(4)：867-877.

［31］Park J W，Kim K，Cho Y K. Framework of automated construction-safety monitoring using cloud-enabled BIM and BLE mobile tracking sensors[J]. Journal of Construction Engineering and Management，2017，143(2)：5016019.

［32］刘占省，张安山，王文思，等. 数字孪生驱动的冬奥场馆消防安全动态疏散方法[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2020，48(7)：962-971.

Liu Zhansheng，Zhang Anshan，Wang Wensi，et al. Dynamic fire evacuation guidance method for winter Olympic venues based on digital twin-driven model[J]. Journal of Tongji University(Natural Science)，2020，48(7)：962-971(in Chinese).

Multi-Dimensional and Multi-Scale Intelligent Construction System for Entire Life Cycle

Liu Zhansheng1, 2，Wu Lejia1, 2，Liu Zisheng1, 2

(1. Faculty of Architecture，Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

At present，the insufficient informatization and intelligentization in construction projects are causing inef-ficiencies and an overreliance on manual labor during project construction. The absence of a comprehensive theoretical framework has constrained most related research to the technical level primarily addressing specific construction step deficiencies，which has to some extent，hindered the advancement of intelligent construction. To address these chal-lenges，considering the impact of spatiotemporal evolution and information flow on the entire construction process，we propose an intelligent construction system encompassing a holistic approach for the entire life cycle based on the previous studies. By focusing on both macro and micro levels，the study of intelligent construction system architect-ture is abstracted into the issue of multi-dimensional and multi-scale system modeling. The study was initiated by inte-grating time，informational，and structural hierarchical dimensions to perform data- and model-driven framework modeling and system building for the intelligent construction process. A multi-dimensional and multi-scale intelligent construction system architecture encompassing temporal，information，and structural hierarchical dimensions was developed，clarifying the meaning and function of each dimension. Based on this，a three-dimensional coordinate axis model for an intelligent construction system was proposed. We provided three typical scenarios utilizing the three-dimensional coordinate axis model to illustrate the formation mechanism in each dimension. Moreover，we introduced an entire life cycle intelligent construction model，using the main stadium of FIFA World Cup Qatar 2022 as an example to demonstrate the process of using intelligent construction systems throughout the entire life cycle. The various construction scenario examples and the case study of the main stadium support the universality and practicability of the intelligent construction system. Additionally，it offers novel insights for further research in intelligent construction theory and fosters the industry’s intelligent development.

intelligent construction；system architecture；multi-dimensional model；entire life cycle

the National Natural Science Foundation of China(No. 5217082614).

10.11784/tdxbz202210032

TU7；TU375.4

A

0493-2137(2023)12-1295-12

2022-10-25；

2022-11-23.

刘占省（1983—  ），男，博士，教授.Email：m_bigm@tju.edu.cn

刘占省，lzs4216@163.com.

国家自然科学基金资助项目(5217082614).

(责任编辑：金顺爱)