基于工程应用场景智能建造推进模式应用研究

赖家彬

(1.中建远南集团有限公司 福建泉州 362200;2.泉州信息工程学院 福建泉州 362200)

0 引言

智能建造，是新一代信息技术与工程建造融合形成的工程建造创新模式：即利用以“三化”(数字化、网络化和智能化)和“三算”(算据、算力、算法)为特征的新一代信息技术，在实现工程建造要素资源数字化基础上，通过规范化建模、网络化交互、可视化认知、高性能计算以及智能化决策支持，实现数字链驱动下的工程立项策划、规划设计、施(加)工生产、运维服务一体化集成与高效率协同，不断拓展工程建造价值链、改造产业结构形态，向用户交付以人为本、绿色可持续智能化工程产品与服务。智能建造不仅仅是工程建造技术的变革创新，更将从产品形态、建造方式、经营理念、市场形态以及行业管理等方面重塑建筑业[1]。

应用场景是用户思维下融合了产品、服务、体验、空间的综合创新生态，表现为主体多元、技术交叉、配套综合、供给与需求双向交融等特征。应用场景契合智能建造服务导向的经营模式和跨界融合创新的需求。应用场景是试验空间、市场需求、弹性政策的复合载体。应用场景建设能够通过提供新型技术创新基础设施、真实的技术试验验证环境、广阔的产品应用新市场，为创新创业企业成长提供活跃生态，孕育更多成长性高的科技型企业；应用场景能够带动跨界合作及上下游产业链相关企业的衍生与汇聚，促进新技术新产品新模式跨界融合创新。建设应用场景需要足够开放，可通过公开招募、企业对接、开放合作等方式保持领先性和吸引力。开放的应用场景建设模式更有利于发现创新型企业，有利于创新产品和科技型企业宣传推广。营造推广应用场景的良好环境，政策制定要兼顾监管要求和促进发展，创造对科技创新相对包容的环境。对于经过市场考验、发展前景好的应用场景的创新，要通过政府采购、试点示范、相关牌照优先发放等多种形式，加强推广支持。

以工程应用场景需求为导向，以“两化融合”(数字化、智能化)为基础，采取基于质量高、推广性强的工程应用场景正向设计智能建造的推进模式，以工程应用场景和工程规律为主线，每个应用场景都有相对应采用智能技术解决方案，从而加快推进智能建造创新迭代的探索。

智能建造是中国智造在工程领域一个大应用场景，其中可分为行业(交通、市政、建筑、水利、民航等)、设计、构部件生产、施工、监管、检测、维护等不同应用场景及其中又可细分为不同、相对具体的更小的应用场景(例设计分行业、专业、工业化建筑体系、功能用途等)。

1 智能建造的应用场景

1.1 设计

数字设计是智能建造的基础。智能建造最终的工程产品不仅局限于实物工程产品，重要还应有数字化(智能化)工程产品。借助“数字孪生”技术，实物产品与数字产品有机融合，形成“实物+数字”复合产品。勘察设计企业作为工程建设领域扮演智能建造“龙头”角色的企业，应推进数字化设计体系建设、BIM技术一体化集成的设计应用；在设计不同应用场景推行设计标准化、一体化集成、协同设计等技术，提交数字化设计产品；促进设计企业分类、分层化、专业化、科技型的发展。

1.1.1 推行标准化设计

标准化设计是把不同用途的建筑物，分别按照统一的建筑模数、建筑标准、设计规范、技术规定等进行设计，并经实践鉴定具有足够科学性的建筑物形式、平面布置、空间参数、结构方案，以及建筑构件和配件的形状、尺寸等，在全国或一定地区范围内统一定型、编制目录，并作为法定标准，在较长时期内统一重复使用。设计标准化形式：简化、统一化、系列化、通用化、组合化、模块化。标准化设计对使用者，能够获得系统的服务，施工、产品上的标准化，能更好保证质量，保证后期的安全性和稳定性。标准化是生产社会化和管理现代化的重要技术基础。标准化设计可从以下3个层面进行:①楼栋单元标准化;②功能模块标准化;③部品部件标准化。构件设计可以采用信息化手段进行分类和组合，建立构件系统库。构件分类系统库能够使建筑设计和建造流程变得更加标准化、理性化、科学化。部品的标准化是在部件、构件标准化上的集成；功能模块的标准化是在部品部件标准化上的进一步集成[2]。

标准化设计从建筑全系统看，主要包括平面、立面、构件和部品4个方面的标准化设计。其中，平面标准化是实现其他标准化的基础和前提条件。以平面及立面标准化带动部品部件标准化及设计、生产、施工、使用和运行维护标准化技术体系发展路径。

(1)建筑平面标准化

建筑平面标准化的组合实现各种功能的户型。平面设计标准化是通过平面划分，形成若干标准化模块单元(简称标准模块)，然后将标准模块组合成各种各样的建筑平面，以满足建筑使用需求；最后通过多样化的模块组合，将若干标准平面组合成建筑楼栋，以满足规划和城市设计要求。

(2)建筑立面标准化

建筑立面标准化通过组合实现立面多样化。装配式建筑立面设计中，材料与构件特性往往成为设计的出发点，也是建筑形式表达的重要手段。装配式建筑立面设计，可以选择几种不同尺寸预制外墙标准构件，选择装饰混凝土、清水混凝土、涂料、面砖或石材反打等不同工艺，进行排列组合，就能够形成千变万化的效果。由于部品部件、构件以及部品在工厂预制，一些个性化要求高或现场难以实现的构件，在工厂制作难度低、质量高，很容易满足建筑个性化要求，打破装配式建筑“千篇一律”的刻板印象，满足城市对建筑形式的多样化和个性化需求[3]。

1.1.2 系统集成、协同设计

建筑系统包括结构系统、外围护系统、内装系统、设备与管线系统等4个部分。系统集成应根据材料特点、制造工法、运输能力、吊装能力的要求等内容进行统筹考虑，提高集成度、施工精度及施工效率，降低现场吊装难度。协同设计是指在项目各个设计阶段，应充分考虑装配式建筑设计流程特点及项目技术经济条件，对建筑、结构、机电设备及室内装修进行统一考虑，利用信息化技术手段实现各专业间的协同配合，保证室内装修设计、建筑结构、机电设备及管线、生产、施工形成有机结合的完整系统，实现装配式建筑的各项技术要求。

设计单位提交基于BIM一体化集成技术完整、可用于生产、施工、维护等阶段数字化的设计成果；综合、科技型的头部设计企业持续突破和优化有自主产权的建造设计软件、预制装配式建筑分析设计软件、BIM使用软件等的基础软件，在相应的设计应用场景有较好的智能设计的应用与推广的设计路径。

1.2 构、部件生产

用数字信息驱动机器手代替人工作业。数字信息驱动机器参与建造是智能建造的典型特征。通过工厂生产线设备智能化，工序卡控智能化，生产管理精细化，提升预制构、部件的品质及功效，实现现场生产向工业化生产转型，推动建材产品化、构件化及智能化，提升工厂制造比率，从而促进行业技术水平及装备水平提升，提高国家的竞争力。相对构、部件工厂生产应用场景，更容易实现生产设备智能化，也取得较好的进展和成果。例如：港珠澳大桥跨海集群工程的钢壳智能制造、钢箱梁智能制造、钢壳混凝土智能浇筑、智慧梁场、智慧安装；中铁智能梁片工厂。现阶段宜重点推进工厂生产环节机器人和智能工厂装备、装配式智慧工厂管理平台的推广应用。要探索具备人机协调、自然交互、自主学习功能的建筑机器人批量应用[4]。

(1)以智能技术推动构、部件生产的标准化、集成化、模块化、智能化。建立以标准部品为基础专业化、规模化、信息化的生产体系。

(2)加大构、部件生产产能支持力度和工厂合理布局，合理降低采购成本和工程造价。

(3)推广和使用生产工厂智能成套装备、生产工艺流程数字化、装配式智能工厂管理平台等技术。

1.3 施工

预制装配化是转变工程生产发展方式的重要途径。产业转型方向是规模化定制生产方式。以构、部件制造取代传统现场施工，以装配化作业取代手工砌筑作业，能大幅减少施工失误和人为错误，有效解决工程系统性质量通病，降低工程产品后期维护费用，延长工程产品使用寿命。施工应用场景建设是智能建造推进的难点和重点。目前由于施工企业信息、智能技术、装备水平和应用能力低，建造技术水平不高、科技含量较低、单纯拼劳动力成本和生产规模的竞争模式，难以切实有效地推进智能建造施工应用场景的规划与建设，因此，施工企业应以项目需求和企业管理为导向，以科技投入，与科技、装备、科研单位合作为支撑，以提质增效为中心，坚持顺势而为，大力推行项目与企业管理工程应用场景策划、建设与智能建造体系建设。以点带面，实现项目施工和企业智能建造的精准突破、建造方式的工业化。

1.3.1 现场施工减量化

从实体工程量和措施工程量两方面着手:①减少实体工程现场施工量，提高预制比率；②推广工程措施的标准化、模块化、配件化。如铝模板、新型建筑模板及碗扣式支撑体系、移动式模板体系等。

1.3.2 提高预制装配比例

建筑工业化、自动化和信息化是智能建造的前提和基础，装配式建造方式是实现建筑工业化的重要抓手。有关研究数据表明，装配式混凝土建设项目在施工过程中相比传统方式可减少建筑垃圾排放70%，节约木材60%，节约水泥砂浆55%，减少水资源消耗25%。更重要的是，装配式建筑能从根本上改变施工现场“脏乱差”局面，有效降低建造过程大气污染和建筑垃圾排放，最大程度减少扬尘和噪声等环境污染，助力城市环境改善和生态文明建设。随着施工技术的发展,分阶段逐步地提高工程的预制装配比例。

1.3.3 施工机械化

推广和优化通用施工机械、架桥机、造楼机等智能化施工装备的使用。随着传统现浇建筑向装配式建筑的逐步转变，结合装配式建筑单元化的特点，形成具有装配式建造专业功能的建造机器人是解决建筑业诸多问题的未来走向。适度投入施工机器人相关研究。2018年，四川铁路投资集团、徐工集团、清华大学三方签订战略协议，深化产、学、研、用合作，全面进军道路无人施工领域，共同开展适用于道路施工场景的无人技术研发。攀大高速沥青路面施工完全采用无人机群技术。

1.3.4 施工管理智能化

以PM、BIM和DM的紧密结合，相互支撑实现工地现场的智能化管理。5G智能工地管理系统，可汇集二十多项智慧功能应用，满足对“人、机、物、法、环”五大管理目标的智能管理，以施工现场管理为核心，通过物联网、移动通讯技术实时手机数据，结合项目管理流程自动进行预警、数据分析后将结果反馈至控制中心，实现项目的全面信息化、智能化管理。

1.3.5 工业化建造体系探索

探索和建立企业、区域和行业特色的工业化建造体系。目前主要为叠合楼板、预制内隔墙板、预制保温一体化外墙板、高精地坪、无线照明系统、自流平工艺及全干法装修、管线与设备预装配化与模块化、预制叠合综合管廊、预制拼装梁段、梁片、大型构部件(品)智能工厂等工业化的建造技术。

1.4 产业链

智能建造产业链涉及的环节众多，只有整个产业链生态都良性发展，智能建造的绿色、效率和成本优势才能真正实现有效释放。智能建造可在工程建设各环节应用，借助物联网、大数据、BIM等先进信息技术，实现科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的产业体系，实现全产业链数据集成，为全生命周期管理提供支持。智能建造的业务特征是数字链驱动的工程建造全寿命周期一体化协同与智能决策。在产业链工程应用场景，在产业层面，以“平台化、品牌化、集群化、全价值链”为牵引，全面整合产业与智能技术在硬件、软件、装备、制造等诸多环节的资源和能力，并以一个平台实现对不同行业、不同规模和数字化需求的系统解决方案;在业务层面,以“能力层、应用层、商业层、产业层”的多层架构体系，将EPT平台资源深度整合，为企业进行提供分层化的打通和协同数字化的系统化布局和个性化智能建造解决方案；以数字化连接研发、设计、生产加工、施工装配、运营等全价值链的各个环节，打通企业与用户连接点，实现全价值链下供给侧与需求侧一体化协同，赋能产业链上下游企业深耕核心业务，持续释放潜在业务价值，重构新竞争力；通过智能化运营，提供数字化产品，实现产业以服务为导向的经营模式。

(1)培育具有智能建造系统解决方案能力的工程总承包企业和具有生态主导力的产业链“链主”的企业；以企业的EPT平台向行业电子商务平台转型，实现与供应链上下游企业间的互联互通，提高供应链的协同水平。龙头企业可以从更高更广的层面，了解自己生态链相关企业的业务，有着带动生态链成员企业共同进步、盘活全局的原始动力。例如中建三局推动武汉建协智能分会与武汉市和湖北省相关协会广泛联系，共同整合行业资源，打造智能建筑产业联盟，构建合作共赢的行业生态新体系；邀请业内顶尖专家每季进行会员企业技术培训，牵头制定行业标准，举办多种形式的国内外技术交流，开展多项行业评优推先活动，提升和促进会员企业整体技术服务和经营管理水平。

(2)以企业级建造生态作为出发点，向产业生态应用场景逐步、迭代转型在平台型企业聚拢产业资源中，使产业链从企业碎片化生态转向规模聚集的产业平台生态，大幅降低市场交易成本，改变资源配置方式，丰富工程建造的产业生态，实现工程建造产业链价值持续增值。

(3)以工程总承包企业为龙头，推行EPC、全过程工程咨询的承包模式，以全产业链不同规模、不同专业企业优化级配，密切协同，进而形成围绕高品质建筑产品进行精益建造、资源优化配置的市场环境[4]。打造深度融合，用户认可，各方合作共赢的EPC集成管理平台。加强对中小型企业的政策支持，支持中小企业做专做精，在专业优势精耕细作。

(4)逐步实现工程施工企业经营模式由产品导向向服务导向转变，延长产业价值链。

(5)在工程应用场景，加强与高端科技、制造、装备头部企业、院校的合作、融合，深化产业开放合作与产业链协同创新，增强智能建造综合实力，促进施工企业科技和施工装备水平提升、创新型施工企业的壮大与发展。

1.5 行业

目前我国工程领域不同行业智能建造水平不一，交通中的铁路、公路、桥梁、地铁等、电力行业的电建、核电行业的核建、建筑的房地产等在大项目、大投资、大推进下，其部分项目与企业建造体现施工专业化、管理精细化、建造智能化。行业龙头企业依托技术、规模、管理优势快速提高智能建造的水平与技术含量，成为竞争与技术优势可随企业规模增长而不断自我强化的应用创新的企业。部分行业细分头部企业竞争和科技技术优势在市场激烈竞争中凸显，进一步推动行业的转型升级和智能建造提升。智能建造催生众多新型产业，包括全过程咨询服务行业、部品部件生产企业、专用设备生产企业、相应的物流运输、装配化装修等众多新型产业，拉长产业链条，促进产业再造和增加就业，带动行业专业化、精细化发展。面对行业不同层次的工程应用场景，加强顶层设计与总体规划，加快打造行业的产业互联网平台；引进、借助与融合外部先进的信息科技和装备企业，塑造行业的科技型、创新型与应用领先型的企业，创建行业的技术创新中心；以“平台化、数字化、全价值链”加速行业的转型升级、智能化；以项目和企业管理需求的应用场景为牵引，加大智能建造的应用创新，推广成熟技术，打造一批可复制、能推广的样板工程，带动全方位工作推进，发挥创新项目与先行企业的示范引领作用。

2 结语

加强设计、构部件生产、施工、产业链、行业等层面不同工程应用场景建设；工程应用场景应打造成推进行业与产业高质量发展的新孵化平台、推动产业爆发的新生态载体、改变生产方式的新试验空间；推广成熟智能技术，形成集研发设计、数据训练、中试应用、科技金融于一体智能建造的综合应用模式；加快完善建造产业链的数字化成果交付、审查和存档管理体系等；培育良性的产业链平台生态和发挥龙头企业、项目示范引领作用；推行设计标准化、生产工厂化、施工装配化以及智能科技工程应用智能化等，探索适合我国国情的智能建造的发展路径和模式。