鲁班研究院:数字化施工路在何方?

2022-06-10

尽管我国是建造大国,但是还不是建造强国。粗放式、碎片化建造方式带来一系列问题。同时,社会经济发展的新需求使得工程建造活动日趋复杂,建设行业亟待转型升级。以物联网、大数据、云计算、人工智能为代表的新一代信息技术,正在催生新一轮的产业革命。


1、数字化施工发展现状


早在20世纪90年代初,美国、德国、英国、日本等发达国家就开始了数字化施工研究,主要以基于信息化技术提升工业化施工水平研究为主;2000年后,数字化施工得到进一步发展。届时,主要以信息化集成、虚拟化仿真建造、数字化协同管理、智能化生产加工、精益化施工建造为主开展研究。近年来,随着BIM技术、计算机软硬件设施、工业化建造技术、智能化控制技术等的快速发展,数字化施工进入快速发展通道,主要以在计算机上实现建筑全生命周期可视化虚拟建造、数字化施工建造与管理等方面的研究为主,旨在实现全产业链数字化施工。2010年7月,德国发布《德国2020高技术战略》报告,明确提出工业生产的数字化就是“工业4.0”。2017年3月,英国发布《英国数字战略》,从国家战略层面对英国如何推进数字转型作出全面的部署。


我国数字化施工发展较晚,但发展迅速。2016年国务院发布《“十三五”国家信息化规划》将“数字中国建设取得显著成效”作为我国信息化发展的目标。2021年,中国《“十四五”规划》提出加快推动数字产业化,培育壮大人工智能、大数据、区块链、云计算、网络安全等新兴数字产业,推进产业数字化转型,实施“上云用数赋智”行动,推动数据赋能全产业链协同转型,加快产业园区数字化改造。实现智能交通、智能制造、智慧社会、智慧医疗等数字化应用。


技术层面发展


随着“互联网+”行动计划以及新一代人工智能发展等。智能设备和信息技术被逐步引入工业生产领域,并被应用于工程建造行业。数字建造领域的关键技术包括:


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01工程多维数字化建模与仿真技术


基于模型的工程产品定义语言有助于将设计信息和生产过程信息共同定义到三维数字化模型中,使其成为产品生产唯一的依据,实现从设计到构件加工、现场施工、成果测量检验的高度集成。


02基于工程物联网的数字工地技术


数字工地是工程建造活动的主要场所,将数字技术与施工工地的作业活动有机结合,构建工程物联网可以全面、及时、准确地感知工程建造活动地相关要素信息。比如借助数字传感器、高精度数字化测量设备、高分辨率图像视频设备、三维激光扫描、工程雷达等技术手段,可以实现工地环境、作业人员、作业机械、工程材料、工程构建的泛在感知,形成透明工地。


03基于工程大数据的智能决策支持技术


数字化设计和数字工地可以积累海量的数据,包括工程环境数据、产品数据、过程数据及生产要素数据。通过设定学习框架,以海量数据进行自我训练与深度学习,实现具有高度自主性的工程智能分析,支持工程智能决策。


04自动化、智能化工程机械


数字技术赋能工程机械,将不断提升工程机械的自动化水平和自主作业能力,使其逐渐发展为负载着作业人智慧,甚至是超越作业人员智慧的智能机器。目前机器智能化成本呈现不断下降的趋势,预计未来将有越来越多的自动化、智能化机器和专业工程师智慧连接在一起,形成人机混合智能系统,人工智能与自动化建造装备将逐步接管施工现场,创造出更为和谐的工程建造作业系统。


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2、智慧工地发展现状


理解智慧工地与数字施工的关系,要以“智慧”为切入点,智慧工地是数字施工技术的重要组成部分。新一代智能技术已经进入了万物互联和深度学习为支撑的数字逻辑推理阶段,以数字化为前提,借助网络化实现多种异构设备集成,支持用户参与,通过利用传感网络采集到的海量数据,在各种智能算法的支持下,发挥云计算的高度计算能力,从而实现智能化的生产与服务。


01市场环境层面


随着全国经济的飞速发展,城镇化建设的不断推进,全国各地建设工程数量和规模都在持续增大。2012-2018年,智慧工地市场规模始终保持20%以上的增速,2020年中国智慧工地行业市场规模约为138.6亿元,较2019年的120.9亿元同比增长14.6%。目前在全国范围内,智慧工地普及率不到5%,大部分的施工工地仍采用传统的粗放式生产和管理模式,依然存在施工安全风险大、生产效率低、建设成本高等问题。因此,智慧工地应用的市场发展环境优越,空间巨大。


02各地区政策层面


2021年,建筑行业正进一步加大整治力度。住建部官网发布了《住房和城乡建设部等部门关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》,旨在以新型建筑工业化带动建筑业的全面转型升级,把各个建筑企业打造成为具有国际竞争力的“中国建造”品牌。不少省份积极响应国策,从推进力度上看,“新型建筑工业化”之风越刮越烈并已渐成大势所趋。


2021年2月,南京市住房与城乡建设委宣布大力推进“智慧工地”建设,通过将云计算、物联网、大数据、BIM等信息技术广泛应用到建筑工程施工现场中,创新工程监管和项目管理模式,构建“政府智慧监管、法人智慧建设及现场智慧工地”三级联动的“智慧工地”管理体系,促进建设工程监督与管理由“多部门、碎片化”的传统模式向“共享、开放、统筹、协调”的智慧模式转变,全面提升工程建设信息化管理水平,有效提高建设主管部门在工程管理方面的监管与服务效能,进一步实现工程管理精细化、行业监管高效化、建筑产业现代化。


2021年7月,山东省住房城乡建设厅印发《全省房屋建筑和市政工程智慧工地建设指导意见》(以下简称《意见》),明确智慧工地建设的指导思想、基本原则、工作目标、主要任务和保障措施。


2021年9月2日,浙江省住房与城乡建设厅发布《智慧工地评价标准》(报批稿),为浙江省智慧工地建设明确了方向。


2021年10月,北京市住房和城乡建设委员会印发《北京市房屋建筑和市政基础设施工程智慧工地做法认定关键点》,要求在2022年节点全面进行智慧工地建设,而建设内容也从劳务、监控、塔机设备监管、扬尘监控专项覆盖至更多项目应用场景,并且更符合企业对项目的管理。


智慧工地的建设不仅是为了满足政府的管理需求,而是为了项目更便捷地作业,企业更便捷地管理。从整体来看,智能化、智慧化是工程建设业高质量发展的一个必由之路,智慧工地建设是大势所趋,工程建设行业目前正处于产业升级的关键时期。


3、数字施工发展趋势


数字施工的发展在技术创新方面,需要充分发挥和利用信息技术的科学计算优势;同时,基于一体化连续数字流,利用互联网、物联网以及数控切割(激光切割)、数控加工(CNC数控机床等)、加速原型技术(3D打印等)、逆向技术(激光扫描等)、机械手等数字化施工技术与装备,实现程序控制完成与数字设计一致的高精度、高效率、高品质的绿色环保建造与运营服务。


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01虚拟化发展


虚拟建造的核心与关键技术包括虚拟现实技术、仿真技术、建模技术和优化技术。虚拟建造技术在建筑施工中的应用是一个巨大而繁重的系统性工作,目前虚拟建造技术尚未形成体系,但从长远看,必是数字建造发展的趋势之一。


虚拟建造的发展,可以首先立足关键点技术应用,以点带面,逐步实现技术集成,进而构建出完整的虚拟体系。此外,随着计算机硬件设施和各种软件技术的快速发展,尤其是超高仿真计算机、超高速通信网络、高分辨显示系统、高精度传感器、智能化虚拟仿真软件等相关软硬件设施的发展都将进一步推动虚拟建造技术的发展。


02智能化发展


数字化施工发展的必然趋势是智能化。例如在工程施工过程中,建筑机器人工作基本模式是通过与设计信息(特别是BIM模型)集成,对接设计几何信息与机器人加工运动方式和轨迹,实现机器人预制加工指令的转译与输出。再如,一种可以直接穿在身上或整合到衣服、配件上的便携式智能穿戴设备,通过借助软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能;具有接入互联网能力的智能终端设备,通过搭载各种才做系统应用于施工过程,根据客户需求定制各种功能,实施查阅图纸、施工方案,三维展示设计模型、VR交底,辅助安全质量管理。目前,施工现场的移动智能终端正在向实体化、集成化方向发展,是智能建造技术平台向生产一线延伸的重要工具。


03产业化发展


基于数字化与工业化融合发展理念,建立建筑部品全生命周期的基础数据库,集成建筑部品的设计流程、工艺规划流程、制造流程等,综合运用计算机技术、虚拟现实技术、仿真技术、网络技术和人机工程技术等相关技术,构建数字建造产业链。充分发挥产业链的资源整合和协同优势,实现模型数字化、设计数字化、流程数字化、设备资源数字化、制造数字化、建造数字化,使各个环节都达到数字化、精细化、标准化、模块化,实现数字化施工过程中综合最优。


数字化施工产业化发展是一个体系问题,也是一个体制机制问题。以政策为导向,以企业为主体,以项目为载体,以连续数字信息流为主线,制定相关政策法规,强化顶层设计,完善配套体制机制建设,促进产业联动发展。


04协同化发展


数字化施工协同化发展是一个系统化工程,对于所涉及的各个单位而言,信息互联互通、数据整合共享、工作协同联动是重点。在信息互联互通方面,要加强顶层设计,构件信息交互体系,集中管理工程项目全过程中产生的各类信息;在数据整合共享方面,要统一数据交互标准、统一建模标准、实现模型轻量化,充分整合和共享建筑项目信息在规划、设计、建造和运行维护全过程中各类数据资源,无损传递;在工作协同方面,通过协同管理平台以连续数据流为主线将项目各参与方联系起来,所有的模型数据和设计、施工的全过程信息都保存在网络云端服务器内,并对信息进行动态的记录、追溯、分析。


总结


就全球范围来看。工程建造领域的数字化水平仍处于较低阶段。一方面,由于工程产品个性化特征,在信息化的进程中难度高,挑战大;另一方面,也预示着建设行业数字化进程有着广阔前景和发展空间。


我国建设行业要把握新一轮科技革命的历史机遇,以绿色化为建设目标、工业化为产业路径、智能化为技术支撑,提升建设行业的建造和管理水平,实现工程建造的高质量发展


声明:文章节选自《数字建造丛书 施工卷:数字化施工》作者:龚剑、房霆宸;《数字建造丛书 数字建造导论》作者:丁烈云, 由鲁班研究院编辑并整理,转载请注明来源。



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