论文摘要

 

随着建筑施工行业对信息化探索的不断深入,如何利用物联网、云计算、大数据、移动互联、BIM等技术进行智慧建造,实现工业化、信息化、绿色化“三化”融合的建设新常态,是建筑业推进数字化转型的重要途径。为此,本刊记者采访了清华大学教授,博士生导师马智亮,聆听他对智慧建造的见解与思考。

 

 

施工技术:智慧建造是建设领域的新理念,它要求建筑业走低能耗、低污染和可持续发展之路,是利用信息技术革新传统建筑业的生产作业方式。那么,什么是智慧建造?有无公认的定义?

马智亮:很长时间以来,建筑本身的设计建造过程非常传统,加上建筑业本身生产的复杂性,导致互联网被充分应用、信息化成为生产力的技术难度十分巨大。随着我国经济社会发展进入新常态,经济结构模式不断优化,依靠钢筋混凝土等资源消耗、环境污染和劳动密集型的传统建造模式面临着转型升级的压力,智慧建造将成为建筑业推进数字化转型的重要途径。智慧建造是一个新概念。它来自智慧城市、智能建筑的延伸,即将其中的“智慧”“智能”延伸到工程项目的建造过程中,就产生了智慧建造的概念。

迄今为止,对智慧建造还没有形成一个通俗、易懂的定义。通过思考,我给出以下定义:智慧建造意味着在建造过程中充分利用智能技术和相关技术,通过应用智能化系统,提高建造过程的智能化水平,减少对人的依赖,实现安全建造,并实现性能价格比更好、质量更优的建筑。这个定义涵盖了3个方面:①智慧建造的目的,即提高建造过程的智能化水平,减少对人的依赖,实现安全建造,并实现性能价格比更好、质量更优的建筑;②智慧建造的手段,即充分利用智能技术和相关技术;③智慧建造的表现形式,即通过应用智能化系统。

施工技术:当前,政府、行业组织和市场主体都在积极寻求推动我国建筑业转型升级的新途径,许多建筑企业希望通过智慧建造实现工程建设的工业化、信息化和绿色化,智慧建造有何特征?其核心技术是什么?

马智亮:互联网时代,数字化催生着各个行业的变革与创新,建筑行业也不例外。智慧建造被认为是解决建筑行业低效率、高污染、高能耗的有效途径,目前已在很多工程中被提出并实践,因此有必要对智慧建造的特征进行归纳。智慧建造涵盖建设工程的设计、生产和施工3个阶段,借助物联网、大数据、BIM等先进的信息技术,实现全产业链数据集成,为全生命周期管理提供支持。智慧是高级动物所特有的能力,一般包含感知、识别、传递、分析、决策、控制、行动等。换句话说,如果我们拥有的系统具备这些方面的能力,就可以说系统具有智慧或具有一定的智慧。因此,可以推理出,智慧建造中包含的智能化系统具有以下特征。

1)灵敏感知 作用是像高级动物一样能够灵敏地感知周围环境的变化,传感器技术可以当此重任。例如,视频传感器可以用于感知并记录周围环境,RFID可以用于感知预先特定的对象。在实际应用中,视频传感器可以取代人工监视,RFID扫描器可以快速感知一定范围内预先特定的物体是否存在,从而采集到相应的原始信息。

2)高速传递 作用是迅速传递通过感知采集到的信息,无线网络,特别是移动无线网络技术可以当此重任。例如,通过无线网络,从RFID扫描器得到的信息可以迅速传递至服务器,供服务器进行分析处理。在实际应用中,自动传递附着RFID的物料的入库信息,并保存在服务器的数据库内,便于进行信息管理。

3)精准识别 作用是对采集的原始信息进行识别,确定信息的含义及特定对象的存在,视频识别和音频识别技术可以当此重任。例如,通过对传递过来的视频流进行识别,可以快速确定某人是否出现在某个具体场景中,也可以识别提交物中包含的对象是否符合预期。

4)快速分析 作用是对大量信息进行快速分析,给出有助于决策的结果,大数据分析技术可以当此重任。例如,可以通过对大量入库信息的分析,发现材料入库规律,如入库量随季节的变化,或已入库的不同材料之间的关联性,并判断当前的入库情况是否符合一般入库规律,如果不符合,立即给出提醒。

5)优化决策 作用是针对建造过程中的决策环节,给出优化决策方案及其依据,从而辅助决策人员实现建造过程的最大效能。优化技术,或智能化技术可以当此重任。例如,给出最优化的设计方法,最优化的作业进度计划等,取决于优化目标,可以使设计方案做到全生命期成本最低,碳排放最低,性价比最优等。

6)自动控制 作用是利用智能化系统取代人,根据感知到的环境条件,运用优化决策,自动控制生产过程,自动控制技术可以当此重任。例如,可以根据优化后的作业进度计划,自动控制物料搬运,实现物料搬运自动化和无人化。

7)替代作业 作用是利用智能化系统替代人从事恶劣环境中的作业,提高工作效率,减少对劳动力的需求,自动化和机器人技术可以当此重任。例如,在建筑工程中,砌砖工作可以应用机器人来完成,从而解决劳动力供应不足、人工成本高等问题。

从以上叙述可以看出,智慧建造的核心技术是云计算、大数据、物联网、移动通讯、智能化技术,通常称作“云大物移智”。事实上,还有一个关键技术值得补充,即,建筑信息模型(BIM)技术。因为,如果说通过感知采集到的信息是自然信息,则BIM是人造信息,是由设计人员产生的。毫无疑问,施工过程中需要按照BIM去施工,施工完成后采集到的自然信息需与BIM进行对比。甚至整个施工过程可以借助BIM在计算机中以虚拟方式进行,从而通过虚拟建造指导实际建造过程。很显然,这也属于智慧建造的范畴。

施工技术:作为一种新兴的工程建造模式,智慧建造是建筑业现代化的重要组成部分,请您介绍一下智慧建造的典型应用场景。

马智亮:目前智慧建造已经有很多典型应用场景,以下举几个例子。

1)智慧设计 借助于BIM技术和优化设计技术,可以在设计阶段对设计方案进行充分探讨,实现所定的优化目标。经常考虑的优化目标是,使建设工程全生命期(包括规划、设计、施工、运维、废弃阶段)总成本最低,总环境负荷最小。若在设计中采用BIM技术,产生的设计模型可以被共享进行结构分析、日照分析、能耗分析、成本分析等性能化分析,避免了信息重复录入,从而大大提高工作效率,使得设计人员在有限的时间内设计出多种方案,并进行比较,使择优成为可能。

2)智慧施工组织 施工组织对复杂工程施工至关重要,因为它可以大幅度降低返工,从而减少浪费,节省成本。传统的施工组织主要靠编制人员的经验,而应用BIM技术可以实现先试后建,即首先在计算机中直观地模拟整个施工过程,同时请各有关施工人员观看,指出潜在问题,并提出改进意见,从而对施工组织方案进行优化,然后再根据优化后的方案组织施工,这就是“以虚拟施工指导实际建造过程”。曾经有研究指出,施工中的错误和返工可能导致30%的浪费,而智慧建造方法可以很好地避免这一点。

3)智慧工地 施工现场涉及人、机、料、法、环等多种管理要素以及进度、成本、安全、质量等多个管理方面。智慧工地系统利用多种传感装置,能够自动采集多方数据并上传到系统中进行自动处理。智慧工地系统集成多个子系统,采用智慧工地系统可以实现工地的智慧化。以智能化人员管理子系统为例,通过让工人带上智能安全帽,工人进场、场内移动轨迹、出场等信息被自动采集,以施工队、施工组等为单位进行出勤统计,极大地提高了人员管理效率,避免劳动纠纷。以物料管理为例,通过采用物料验收智能化子系统,可以通过红外线装置规范车辆上磅,自动上传称重信息,通过文字识别自动上传对应的订单信息,同时可以上传各角度拍摄的称重过程照片,从而识别缺斤短两现象,杜绝数字作假,提高物料管理水平,带来经济效益。

施工技术:当前,我国建筑业对于全球建筑业信息化的发展趋势和认识程度有限,受传统思维和管理模式的禁锢,对智慧建造的潜力及前景缺乏具体认识,请您描述一下智慧建造下一步的发展趋势。

马智亮:应该看到,我们目前已实现的智慧建造还是很初步的,体现在智慧建造系统的功能非常有限,系统还不能覆盖整个建造过程,专门化的系统很少见,如专门针对钢结构的智慧建造系统,或专门针对超高层建筑的智慧建造系统。

作为智慧建造下一步的发展趋势,我认为有3点非常重要。

1)将有更多的系统涌现出来,从而提高对整个建造过程的覆盖度,并提高整个系统的集成度。目前已经出现一些局部化的智慧建造系统平台,例如智慧工地平台,今后这样的系统将进一步得到发展,使得子系统和平台之间实现“可插拔”,从而降低子系统之间集成的难度。

2)智能建造系统将向专门化发展,从而提高工作效率。例如,将出现专门针对钢结构的智慧建造系统,专门针对装配式混凝土建筑的智慧建造系统。  

3)智能建造系统的软件和硬件将得到更好的集成,提高系统的智能化水平。例如,在智能建造系统中植入人工智能芯片,无疑可以使系统具有更高的智能化水平,同时,可以带来系统性能的大幅度改善,提高工作效率,除了可以有更加智能化的设计软件,还可以有更加实用的施工机器人。

 

 

文/本刊记者                       

 

 

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