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    新聞動態

    智能建造技術發展現狀與未來趨勢

    類型:行業資訊

    點擊:1247次

    時間:2023-09-27

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    智能建造是信息化、智能化與工程建造過程高度融合的創新建造方式,智能建造技術包括 BIM 技術、物聯網技術、3D 打印技術、人工智能技術等。智能建造的本質是基于物理信息技術實現智能工地,并結合設計和管理實現動態配置的生產方式,從而對施工方式進行改造和升級。智能建造技術的產生使各相關技術之間急速融合發展,應用在建筑行業中使設計、生產、施工、管理等環節更加信息化、智能化,智能建造正引領新一輪的建造業革命。智能建造的發展主要體現在設計過程的建模與仿真智能化;施工過程中利用基于人工智能技術的機器人代替傳統施工方式;管理過程中通過物聯網技術日趨智能化;運維過程中結合云計算和大數據技術的服務模式日漸形成。

    目前,全球的建造業發展均呈現智能化、信息化、工業化態勢,數字化的發展模式是各國重點研究的內容,建筑行業應用智能建造技術勢在必行,將會促進國內建設業的升級轉型。智能建造技術將在建設工程全壽命周期起到至關重要的作用。


     1 智能建造技術發展現狀


    1.1能建造技術概述


    智能建造技術涉及建筑工程的全生命周期,主要包括智能規劃與設計、智能裝備與施工、智能設施與防災和智能運維與服務4個模塊。主要技術有:BIM技術、物聯網技術、3D 打印技術、人工智能技術、云計算技術和大數據技術,不同技術之間相互獨立又相互聯系,搭建了整體的智能建造技術體系。


    1.2國內外智能建造技術應用發展現狀


    1.2.1 BIM技術

    美國的國家 BIM 標準(NBIMS)給出的概念:“BIM 是設施物理和功能特性的數字表達;BIM 是一個共享的知識資源,是一個分享有關這個設施的信息,為該設施從概念到拆除的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據的過程;在項目不同階段,不同利益相關方通過在 BIM 中插入、提取、更新和修改信息,以支持和反映各自職責的協同工作。BIM 技術可 在設計、施工、運維、設備等建筑全生命期發揮作用, 方便建筑業工作人員進行更快捷、智慧的管理。

    目前,很多國家已明確強制工程建設項目必須應用 BIM 技術,見表 1。


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    從表 1 可看出,在美國及北歐等開展 BIM 時間較早的國家中,強制要求應用 BIM 技術早于其他國家十幾年,英國、新加坡、韓國等國家近年也實現了部分或全部應用 BIM 技術,其他一些國家如日本、澳大利亞等雖未做強制要求但結合國情也發布了相關的 BIM 標準、行動方案并成立了相關聯盟。 我國的 BIM 技術應用雖然剛起步,交叉學科領域研究較少,多以施工階段應用為主,但發展迅速,大多數企業都逐漸重視 BIM 技術在工程各階段的應用價值。目前,設計企業應用BIM主要包括方案設計、擴初設計、施工圖、設計協同及設計工作重心前移等方面,從而使設計初期方案更具有科學性,以更好地協調各專業人員并將主要工作放到方案和擴初階段, 使設計人員能將更多的精力放在創造性勞動上。施工企業應用 BIM 主要是錯漏碰缺檢查、模擬施工方案、三維模型渲染及進行知識管理,做到直觀解決建筑模型構件之間的碰撞、優化施工方案,在時間維度上結合 BIM 以縮短施工周期,并通過三維模型渲染為客戶提供虛擬體驗,最終達到提升施工質量,提高施工效率,提升施工管理水平的目的。運維階段 BIM 應用主要有空間管理、設施管理和隱蔽工程管理,為后期的運營維護提供直觀的查找手段,降低設施管理的成本損失,通過模型還可了解隱蔽工程中的安全隱患,達到提高運維管理效率目的。

    近年來 BIM 技術在我國應用的案例也有很多,如中國尊、國家會展中心、鳳凰國際傳媒中心、望京SOHO 等,在深化設計、輔助施工、族庫建立及可視化控制等方面發揮了巨大的作用。


    1.2.2 物聯網技術

    物聯網是新一代信息技術的重要組成部分,也是信息化時代的重要發展階段,其英文名稱是 Internet of thingsIoT),即物物相連的互聯網。因此,將其應用到建筑業等多領域行業中是物聯網發展的核心,利用物聯網改善管理人員的環境是物聯網發展的靈魂。

    物聯網技術同樣由美國最先提出,表 2 4 個國家(地區)物聯網的大致發展情況。


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    2012 年,我國開始將物聯網技術引入建筑行業,以實現建筑物與部品構件、人與物、物與物之間的信息交互。在建筑行業應用物聯網技術可大幅提高企業的經濟效益,例如采用 RFID 技術對材料進行編碼可實現對預制構件的智能化管理(圖 1),結合網絡還可做到精準定位。此外,基于物聯網搭建施工管理系統,可及時發現工程進度問題并快速采取措施避免經濟損失,中建三局利用物聯網與信息化技術在工業化住宅建造階段中進行研發與應用并取得了成果。


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    1.2.3 3D打印技術

    3D 打印運用所需物品的原材料如金屬、粉末、水泥等進行逐層、快速的生產工作,《經濟學人》雜志認為 3D 打印技術為第三次工業革命,將廣泛用于建筑行業的設計、施工、管理等方面,其自動化、高效率、材料豐富給建筑業帶來了更加豐富的建筑結構,顛覆了傳統的土木工程建造技術。

    國外 3D 打印技術發展較早,發達國家積極采取措施推動 3D 打印技術發展,由美國、德國、英國等發達國家首先在制造業推廣,從投入資金上可看出各國對 3D 打印技術的重視和支持力度,見表 3。


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    3D打印技術解決了現有建筑物形狀單一的問題,可以打造出多種多樣的建筑,設計師也可先將設計的建筑物模型打印出來,再面對實物進行建筑分析和優化,顯示不同建筑類型的可行性,可對建筑施工產生較好的指導作用。過去 20 多年,中國在 3D 打印領域取得了豐碩的科研成果。一些科技公司利用 3D 打印技術已為許多工程打造了各類建筑,例如蘇州工業園區別墅和當年世界最高的 3D 打印建筑(圖 2), 這些都意味著我國向 3D 打印技術世界領先水平邁出了一大步,未來隨著 3D 打印技術的發展,各領域將逐漸深化對該技術的應用與拓展。


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    1.2.4 人工智能技術

    人工智能是計算機學科的一個分支,主要研究內容包括知識表示、自動推理和搜索方法、機器學習和知識獲取、知識處理系統、自然語言理解、計算機視覺、智能機器人、自動程序設計等。美國、英國及德國為代表的人工智能技術的發展走在世界前列,政府發布的政策、投入的資金及技術研發程度都為人工智能技術的發展做出了巨大貢獻,人工智能技術開啟了第四次工業革命,具體情況見表 4。


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    2017 年,全球人工智能核心產業規模已超過370 億美元,中國人工智能核心產業規模占比超過15%。隨著可收集數據質量和數量不斷提升,人工智能加快了技術的革新和商業運營模式的發展。到2020 年,全球人工智能核心產業將達到1 300 億美元,我國人工智能核心產業也將突破 220 億美元的規模。

    目前,人工智能技術在建筑業的應用已相當廣泛,在建筑規劃中結合運籌學和邏輯數學進行施工現場管理;在建筑結構中利用人工網絡神經進行結構健康檢測;在施工過程中應用人工智能機械手臂進行結構安裝;以及在工程管理中利用人工智能系統對項目全周期進行管理。圖 3 為室內裝修機器人,人與機器的協同建造,作為技術發展中的重要環節,可在一定程度上推動建筑建造的產業化升級。


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    1.2.5 云計算和大數據技術

    云計算是一種可供用戶共享軟件、硬件、服務器、網絡等資源的模式,這些資源儲存在云端服務器中,通過很少的交互和管理快速提供給用戶,同時根據用戶需求進行動態的部署、分配和監控。John McCarthy 早在 20 世紀 60 年代就預測云計算將會成為一項基礎設施。國外云計算的發展,如圖 4 所示。


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    2009 年到 2017 年,全球云計算服務市場規模呈現高速發展的態勢,從 586 億美元迅速增長到2 602 億美元,2017 年同比增長 18.5%,意味著逐漸從傳統的 IT 服務轉型到云服務。我國 2016 年私有云計算整體規模達 344.8 億元,增長率為 25.1%;預計在 2020 年私有云計算整體規模將達到 976.8 億元。

    大數據是采集、處理、分析、管理大規模數據的數據整合方式,其能力遠高于傳統數據庫軟件,且有海量的數據規模、快速的數據流轉、多樣的數據類型和價值密度低四大特征。

    云計算技術和大數據技術在建筑行業的應用通常是二者的融合應用,通過云計算技術搭建建設項目云服務平臺,結合大數據分析、傳感器監測及物聯網搭建項目管理系統,在施工現場實現人臉識別、移動考勤、塔式起重機管理、粉塵管理、設備管理、危險源報警、人員管理等多項功能。


    1.3 國內外智能建造技術發展對比分析


    近年來,我國智能建造技術及其產業化發展迅速并取得了較顯著的成效。然而,國外發達國家的技術依舊引領著整體方向。相比之下,我國智能建造技術仍存在突出的矛盾和問題,主要表現在5個方面(表 6)。


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    2 BIM技術智能建造技術在中國推廣的政策分析


    2.1 政策發布情況


    本文列舉各項智能建造技術近年來重要的國家級政策(表 7~ 12),展現出每項技術在國家政策指導下的走向,統計各省市(區)各項技術的專項政策, 其他涉及相關技術的政策暫未考慮在內。


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    在各智能建造技術地方政策中,針對 3D 打印技術,僅少部分如北京、上海等一線城市及江蘇、浙江等工業化程度相對較高的省市出臺了相關的專項政策。


    2.1 政策分析


    2.2.1 BIM技術

    BIM 技術的國家級政策不難看出,從最初的普及概念到如今的標準發布,政府逐步明確了 BIM技術的發展目標,在推廣上更細致也更具操作性,應用領域更專業化,政府給予優惠政策調動各方主動、 積極參與 BIM 的研發和應用?;疽?/span> 2020 年為目標期限,達到 90% 普及 BIM 技術的應用率。為響應這一號召,全國已有 24 個省市相繼出臺政策,一線城市及沿海經濟發達城市發展速度相對較快,如四川、山東、湖南以及上海等政策數量均達 5 項以上,注重深度實用價值,從項目試點到實現全面應用。


    2.2.2 物聯網技術

    在物聯網技術被引入后,國務院將其列為我國重點規劃的戰略性新興產業之一,國家一直致力于發展物聯網產業鏈,部署安全可控的物聯網發展格局,同時以專項資金扶持及人才優待等手段刺激物聯網技術的發展,到 2020 年初步形成物聯網創新技術體系。從地方政策分布情況看,除新疆外的省市都已出臺物聯網或互聯網相關技術政策,同時圍繞沿海和一二線城市建立技術產業聯盟和研發中心,形成沿海、珠三角等產業聚集區。我國物聯網技術雖起步較早,但許多關鍵技術仍然落后,因此增強核心技術開發能力是關鍵。


    2.2.3 3D打印技術

    國家對 3D 打印技術的推進速度在 2016 年和 2017 年兩年迅速加快,僅 2017 年就出臺了 3 個專項政策,彌補了近年 3D 打印技術路線不清晰的缺陷,從產業規模到專業設備研發再到示范項目的數量均有明確的目標規劃,目前 3D 打印技術雖還處在從實驗室專項工廠化生產的階段,但政府的支持及研究人員的熱情都充分體現了國家對 3D 打印技術發展的決心。


    2.2.4 人工智能技術

    十三五規劃高度重視人工智能技術,新一代人工智能技術的產業化和集成應用成為發展的重點, 加強人工智能技術的研發應用,并提出到 2030 年我國的人工智能技術理論和應用水平均要達到世界領先水平。 在國家政策引領下,全國已有 16 個省市發布了人工智能技術的專項政策,盡管主要集中在沿海及工業化程度高的城市,但已成為好的開始。

    在眾多政策的催化下,國家會將更多的資金、優惠措施投入人工智能產業,有望在十三五期間得到飛速發展。


    2.2.5 云計算技術

    云計算技術在我國的發展相對較晚,2012 年首個關于云計算的專項政策才得以出臺,隨后 2015 年和2017 年提出到 2020 年云計算將成為我國信息化重要形態和建設網絡強國的重要支撐。三年行動計劃更具體強調了在技術增強、產業發展、應用促進、安全保障、環境優化等方面的提升,推動云計算技術健康快速發展。在地方層面,各省市政府積極出臺云計算政策加大推廣力度,2017 年以來北京、上海以及浙江等都在鼓勵企業加快上云速度,并在資金和優惠措施上加以支持,上云已成為促進企業升級轉型、發展云計算產業的重要切入點。


    2.2.6 大數據

    隨著物聯網和云計算技術的發展,大數據的推進也被提上日程,2014 年首次將大數據寫入政府工作報告后,2015 年政府要求加大大數據關鍵技術的研發,重點支持大數據示范應用,并在 2017 年對大數據產業做出了五年規劃。全國已有 20 多個省市發布了與大數據相關的專項政策,其中以貴州省的推廣力度最大,率先建成了中國第一個省級政府數據集聚、共享、開放的云上 貴州系統平臺,大數據的發展正在從理論階段步入產業化應用階段,與物聯網、云計算及人工智能的融合應用也越來越多。


    3 智能建造技術未來展望


    3.1 技術發展趨勢


    智能建造技術的發展在我國尚處于起步狀態,多為通過引進國外核心技術,學習國外先進企業的創新建造技術來加快國內智能建造技術的發展,但缺少基礎技術的理論支持及理論上更深層次的探討,因此需尋求核心關鍵技術的突破和各技術之間融合發展,開拓全新的技術領域,打造符合我國發展的智能建造技術體系,完善技術的創新方案。


    3.2 應用發展趨勢


    智能建造技術的發展必將為建筑行業帶來革命性的變化,現有應用從設計階段的 BIM 技術到施工階段的物聯網技術、3D 打印技術、人工智能技術,再到運維階段的云計算技術和大數據技術雖有不同程度的涉及,但隨著智能建造技術深入發展,新一代信息技術增多、應用點廣且過于繁雜,只有做好程序化、標準化應用才能達到理想的效果。多種技術的融合應用將會成為今后智能建造技術在建筑行業應用的重點。


    3.3 科研發展趨勢


    隨著物聯網、大數據、云計算技術的快速發展, 智能建造技術的研究將更加注重與 3D 打印和人工智能等實體建造技術的結合,從而推動智能化建造系統的研發。在教育方面,同濟大學已率先開設智能建造專業,將為學生創造一個研究智能建造技術的環境,培養出同時具備土木工程、機械工程、建筑學、電信工程等優秀學科知識的高級復合型人才。


    4 結束語


    我國在智能建造技術方面已經取得了一些基礎研究成果,智能建造裝備產業體系也已初步形成,國家對智能建造的扶持力度不斷加大,智能建造正在引領著未來建筑的建造方式。

    本文通過對國家及地方政策分析提出以下意見:

    1)政府應引導投資建設物聯網技術的基礎設施;

    2)應努力創建一批先行的物聯網技術應用的示范企業項目;

    3)應加強在物聯網技術領域的公共性技術供給力度;

    4)應繼續給予金融和財稅等方面的政策支持。 建筑行業新的革命已經開始,一個新的時代正在到來,同時信息時代正在為建筑行業創造快速發展的平臺,這些智能建造技術將設計、施工、管理等各方數據整合起來,為建設行業信息化、智能化的轉型升級奠定了基礎,從而更好地推動智能建造技術的發展。

    智慧城市、綠色建筑、特色小鎮都將重新定義建筑行業的未來,最終達到建筑設計、生產、施工、管理及服務的智能化高水平。


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