东莞某中学扩建工程的BIM智能化建造技术应用探索

饶逸鸿，陈春鸣，黄永乐，龚镇涛，陈俊安，徐土法

（1、东莞城市学院 广东 东莞 523419；2、品茗科技股份有限公司 杭州 310012）

0 引言

随着信息技术和工业化的发展，智能建造技术作为一种新型建造方式正逐渐兴起［1］。该技术通过数据集成和自动化实现对传统建筑领域的设计、施工、运营等各个方面的智能化升级。其中，BIM（Building Information Modeling）技术是智能建造中最为重要的技术之一，其在建筑物设计、施工过程控制、工程信息管理等方面都有广泛的应用［2-4］。机器人技术也是智能建造的另一个关键技术，具有替代劳动力、提高生产效率、减少质量问题等优点，并已广泛应用于混凝土施工、搬运和安装、维护和检修等领域［5-6］。此外，物联网技术和人工智能技术也为智能建造提供了支持，它们可以实现设备监测、传感器采集、数据分析等功能，从而提高建筑设备的效率和质量，同时也可以应用于生命安全、环境监测等方面，实现更加智能化、可持续化的建筑［7-9］。

智能建造技术应用已经成为未来建筑领域的趋势［10-11］。这些新兴技术将使设计、施工、运营等各个领域变得更加智能化、自动化和高效化。本研究以东莞某中学扩建工程为案例，分析了BIM 智能化建造技术在该项目中的应用，同时还对施工机器人进行了配置和研究，可为相关行业从业者提供有益的参考和借鉴。

1 工程概况

东莞某中学扩建工程是根据东莞市发展需要，为了满足当地教育事业的发展需求，对现有该中学进行扩建而计划的一项工程。该工程总面积约为15 000 m2，主要包括新建教学楼、实验楼和图书馆等。其中，教学楼将提供更多教室和办公空间，实验楼将配备更先进的实验设备和实验室，图书馆将增加更多的藏书和数字化资源。

该工程的目标是通过智能化建造技术和管理，提高施工效率和质量，并为当地师生创造更好的教育环境和服务。同时，该工程还将注重可持续发展，采用绿色建筑理念，降低能耗和排放，打造更加环保、节能、智能的校园建筑。

2 智能建造管理规划方案

2.1 项目需求

为提高学校扩建工程效率和质量，采用BIM 技术、慧眼AI技术进行数字化设计、勘测和施工，并充分利用智能建造技术实现数字化建模、机器人自动化施工等操作。此外，项目还使用智能建造技术进行数据分析、远程监控等操作，以提升安全管理水平，降低安全风险；同时，建立共同的信息平台和专业的建造团队，利用文件共享、在线协作平台、云端存储等技术辅助协同合作，减少成本、文档重复，提高整体效益。

2.2 核心问题分析

为确保扩建工程的质量、效率和安全达标，需要整合并分析不同来源的数据，如勘测、设计、学生上下学和地基数据。此外，为了正确应用技术，需要对BIM技术、慧眼AI 技术和Tybot Rebar Tying Robot（以下简称Tybot 机器人）进行培训和指导，提高人员的专业技能和操作水平。同时，需要选择适当的Tybot 机器人，并加强设备管理和维护。最后，为防止数据泄露和安全问题，需要加强数据加密和存储，建立完善的数据安全管理制度，并提高人员的安全意识和技能。

2.3 场景化施工方案

本项目采用的品茗科技软件在场景化施工方案编制中拥有多种领先的技术与智能化措施，能够提高施工质量、效率和安全性，满足客户和市场的需求，实现良好的施工效果。该项目智能建造模型如图1所示。

图1 本项目智能建造模型Fig.1 Intelligent Construction Model of the Project

⑴智能建造技术应用方面，可以通过采用BIM技术进行设计和建模来协调各阶段的设计和施工过程，减少工作重复率，并提高信息共享。无人机技术可以用于勘测和监测，快速准确地收集数据生成三维模型和地形图，同时观察学生靠近情况以减少安全事故。智能灯具和温度传感器可以被用来降低用电成本、提高能源利用效率。临边防护网实时监测系统可以被使用来预防意外事故。钢筋困扎机器人可以用来降低施工成本，提高施工效率、精度、安全性和灵活性，而且受天气、时间等限制的影响较小。

⑵在现场管理计划方面，采用BIM 技术实现项目全过程数字化管理可以提升施工质量和效率。使用无人机巡查现场及施工情况可以及时解决安全隐患和建设工程进度问题。实施智能监控系统可以对施工过程进行24 h 监控并触发警报，防止危险情况的发生。另外，开展专业培训可以确保智能建造技术得到正确应用。

⑶材料管理计划方面，可以通过实施物联网技术追踪和管理材料的存储、运输和使用情况。使用RFID标签可以识别材料信息，避免混淆和丢失。建立材料库存管理系统可以提高材料利用率并减少浪费。

⑷在安全管理计划方面，实施智能安全监管可以使用高支模和临边防护网实时监测系统来对施工现场进行安全监测和预警。加强培训可以确保工人掌握必要的安全意识和操作技能，并针对学生制定相关规划和告示牌。建立安全评估机制可以收集施工数据并评估和改进存在的安全隐患，以确保安全施工。

⑸质量管理计划方面，可以通过实施智能巡检，使用无人机设备收集数据并生成三维模型进行质量检查，确保施工达到设计要求和标准。加强验收管理可以严格质量标准和流程，并对每个RFID 标签进行识别以确保材料质量符合要求。实施数据分析可以通过数字化建模技术分析施工工艺和质量，优化施工方式提升施工质量并降低错误率。

⑹在监督与评估方面，使用信息平台和数据库可以由东莞市厚街镇工程建设中心和住房城乡建设局进行监督和评估，开展电子监督检查，共享数据和实现风险预警。提高监督和评估工作的质量和效率可以及时发现问题并进行改进。

⑺风险评估方面，可以考虑工程规模和复杂性可能导致工期拖延，使用BIM 技术和无人机技术可以进行工程模拟以减少返工和整改。材料质量和施工质量不合格可能导致质量风险，实施智能巡查、加强验收管理和数据分析可以降低质量问题。人流量大易造成施工事故，与学校合作可以规划施工范围并严格要求学生不经过。

3 人机协同作业可行性分析

3.1 应用价值介绍

本项目采用的Tybot 机器人是一种自主完成钢筋绑扎任务的机器人，它采用了先进的视觉识别技术和运动控制技术，可以实现自主绑扎，并且不需要人工干预，从而提高了工作效率。

与传统的钢筋绑扎工具相比，Tybot 机器人优势显著：①自主性能强，通过自主的视觉识别和运动控制技术完成钢筋绑扎任务，提高工作效率；②操作简便，采用智能化的操作系统，只需要简单的指令输入即可完成操作，无需复杂设置和调试；③安全性高，采用多重安全保护措施，如避障传感器和紧急停止按钮等，确保作业安全，避免意外事故的发生；④灵活性强，具有灵活的移动能力，适应不同工地的需求，并可根据实际情况进行钢筋绑扎的角度和位置调整；⑤精度高，采用高精度的视觉识别技术和精准的运动控制系统，实现精度高、稳定性好的钢筋绑扎操作，提高施工质量。Tybot机器人现场应用情况如图2所示。

Tybot 机器人的应用具有显著的经济效益，包括提高钢筋绑扎效率、质量和精度、降低施工成本和钢筋损耗，并减少机器故障和维修成本。同时，该机器人还带来了重要的社会价值，包括提高施工安全、增强建筑结构的安全性和耐久性、缩短工期、减少对交通和环境的影响。此外，Tybot 机器人还具有环保和可持续发展特点，例如节约资源、减少能源消耗和噪音污染、提高建筑品质并符合可持续发展理念。这些优势使得Tybot 机器人在建筑工程领域具有重大的社会、经济和环境价值。

3.2 人机资源配置清单

人机资源配置清单编制是根据建设设计文档和工程施工计划，编制涵盖人员、机械和设备等方面内容的清单，本项目人机资源配置清单如表1所示。

表1 人机资源配置清单Tab.1 Personnel and Equipment Resource Allocation List

4 协同作业组织方案

4.1 工作安排

在建筑工程中，前期准备工作至关重要。这些工作包括确定项目范围、完成建筑设计和施工图纸、获取相关建筑许可和批准、签订合同以及对现场进行勘查和测绘等。同时，制定详细的时间表和进度计划也是必要的，以确保机器人和操作人员的工作任务和时间得到充分控制。在钢筋工程启动时，需要准备并切割所需的钢筋，并使用Tybot 机器人进行捆扎，以提高捆扎效率和质量。完成钢筋工程后，还需进行质量检查，以确保钢筋捆扎符合设计要求。这些过程相互关联，只有经过充分规划和高效执行，才能确保整个钢筋工程的顺利进行。

4.2 工作流程

在钢筋绑扎工程中，规划和设计阶段负责确定工程进度和钢筋绑扎计划，以确保工作顺利进行。在此期间，工程师与项目经理和团队成员进行沟通和协商，控制人员监督钢筋绑扎机器的操作流程并协调操作员的配合。准备阶段包括准备钢筋材料和相关工具，并对Tybot 机器人进行测试和调整以确保机器正常运行。执行阶段需要Tybot 机器人操作员和工人进行配合完成钢筋绑扎的工作。期间，工程师和操作员进行钢筋绑扎工作的检查和质量控制，而控制人员负责监督机器的运行情况并及时处理问题和故障。完成阶段需要工程师和操作员对钢筋绑扎的质量进行最终检查和验收，同时由控制人员总结和评估机器的运行情况并对机器进行必要的维护和保养。

4.3 任务协调

在本次扩建工程中，使用Tybot 机器人需要协调三类人员：机器人操作员、钢筋工人和维护人员。机器人操作员负责控制和操作机器人完成钢筋捆扎任务，钢筋工人则负责将钢筋安装在正确的位置，并将钢筋送到机器人的工作区域。另外，维护人员负责对机器人进行维护和调试以及处理机器人作业时遇到的突发问题。对于机器人的工作范围，由于教学楼的建筑跨度大且形状不规则，因此难以使用Tybot 机器人完成钢筋绑扎施工，故该机器人将会运用在饭堂、体育馆、宿舍楼、图书馆等共计10栋建筑的施工中。

4.4 信息交流

为了有效地管理和协调机器人工程项目，以下是建立信息交流渠道的四大步骤：①建立一个信息交流平台，如钉钉等即时通讯和在线项目管理工具，方便工程师、机器人操作员和其他相关人员及时交流项目进展、技术问题和机器人运行情况；②需要明确每个阶段的信息交流内容，包括机器人的操作规程、安全要求、维护保养等。对于突发事件，还应制定应急方案，并在信息交流平台上及时发布和沟通；③成立信息交流小组，由工程师、机器人操作员和其他相关人员组成，定期召开会议，分享项目进展和技术问题，协调解决机器人操作中出现的问题；④根据项目进度和工作需要，确定信息交流频率，例如每日交流、每周交流或每月交流，以确保信息能够及时传递和沟通。通过以上建议，可以为机器人工程项目提供高效的信息交流和管理方式，保证项目顺利进行。

5 总结

经过分析，Tybot 机器人在东莞某中学扩建工程中的成功应用表明：①该机器人可以大大提高钢筋绑扎的效率和质量，从而加快工程的建设速度；②使用该机器人可以降低工人的劳动强度，减少工伤风险，提高工作安全性；③通过人机协同工作的方式，在保证工程质量的前提下，减少对人力资源的需求，从而降低劳动力成本。因此，使用Tybot 机器人可为该中学扩建工程建设带来更高效、更安全和更经济的解决方案。