建筑全過(guò)程數(shù)字化智慧建造體系研究與實(shí)踐

　　【摘要】在數(shù)字化設(shè)計(jì)建造技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，由于信息架構(gòu)、管理層級(jí)、工作模式的差異，在二三維設(shè)計(jì)成果的施工階段承接、安裝信息在運(yùn)維階段的承接等方面較難在參建方間形成良性閉環(huán)。本文提出建立以建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)＋智慧建造的集成應(yīng)用體系，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)端至應(yīng)用端的全產(chǎn)業(yè)鏈集成。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)通過(guò)建立現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)件庫(kù)及配套工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在生產(chǎn)體環(huán)節(jié)通過(guò)研發(fā)與數(shù)字化設(shè)計(jì)成果相配套的工法設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化成果的直接轉(zhuǎn)化。采用基于離散化的數(shù)據(jù)管理模式，在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)共享下采用各階段分層獨(dú)立管理、層間編碼互通的方式，兼顧多平臺(tái)間的獨(dú)立性與互通性，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)成果的全過(guò)程無(wú)縫承接與產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化集成。

　　【關(guān)鍵詞】數(shù)字化建造；產(chǎn)業(yè)化建筑；集成平臺(tái)

　　引言

　　經(jīng)過(guò)多年數(shù)字化設(shè)計(jì)建造全過(guò)程工程實(shí)踐，三維ＢＩＭ相關(guān)技術(shù)已逐步成熟，多個(gè)應(yīng)用難點(diǎn)通過(guò)集中攻關(guān)已取得一定的成果。如在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)三維ＢＩＭ平臺(tái)及二次開發(fā)［１］，能完成滿足加工精度的建造信息模型。在鋼結(jié)構(gòu)建造過(guò)程，通過(guò)焊接機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)焊接、上下料、磨削拋光等作業(yè)應(yīng)用［２］，并通過(guò)定制化的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)銜接，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件深化模型的精細(xì)化建造。在裝配式建造構(gòu)件加工制造過(guò)程，采用３Ｄ打印技術(shù)已具有一定的實(shí)用性［３］。

　?。睌?shù)字化設(shè)計(jì)施工集成體系

　　基于目前行業(yè)多參與方、多工種協(xié)作發(fā)展模式，本文提出一種設(shè)計(jì)—建造—交付運(yùn)維全過(guò)程數(shù)字化銜接集成體系。該體系的核心，是通過(guò)全過(guò)程需求反饋與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)雙向串聯(lián)，建立現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)體系，建立與數(shù)字化設(shè)計(jì)相適應(yīng)的先進(jìn)制造工法與生產(chǎn)管理手段，建立設(shè)計(jì)手段與生產(chǎn)手段的信息化協(xié)同平臺(tái)，通過(guò)數(shù)字化交付實(shí)現(xiàn)運(yùn)維階段承接，形成實(shí)施全過(guò)程的信息化集成和全產(chǎn)業(yè)鏈信息閉環(huán)，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)串聯(lián)模式見(jiàn)圖１所示。該體系的主要組成有：

　?。ǎ保?shù)字化設(shè)計(jì)體系，含適用于產(chǎn)業(yè)化建造的建筑設(shè)計(jì)方法、構(gòu)件庫(kù)、戶型組合庫(kù)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)管理體系、模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等；

　?。ǎ玻┲腔劢ㄔ焐a(chǎn)體系，含與數(shù)字化設(shè)計(jì)成果相適應(yīng)的定位放樣、數(shù)字化吊裝、３Ｄ打印、產(chǎn)業(yè)化施工工法等；

　?。ǎ常┊a(chǎn)業(yè)鏈集成應(yīng)用，含數(shù)字化預(yù)拼裝、設(shè)計(jì)深化平臺(tái)、智慧工地與多方管理平臺(tái)、智能加工運(yùn)輸及物聯(lián)追蹤協(xié)同管理平臺(tái)等；

　　（４）建筑全周期運(yùn)維，含施工模型交付標(biāo)準(zhǔn)與運(yùn)維信息轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字化運(yùn)維架構(gòu)與應(yīng)用軟硬件平臺(tái)等。

　?。矓?shù)字化設(shè)計(jì)體系

　　隨著建筑功能的日益復(fù)雜和建造水平的日益提升，通過(guò)符合需求的技術(shù)整合形成數(shù)字化設(shè)計(jì)體系是目前設(shè)計(jì)行業(yè)信息化中后段的著力點(diǎn)。本文針對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化的建筑設(shè)計(jì)相關(guān)方法理論及實(shí)踐，提出目前設(shè)計(jì)體系中的四大主要環(huán)節(jié)并針對(duì)各環(huán)節(jié)形成相應(yīng)的技術(shù)集成實(shí)現(xiàn)。

　　（１）現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化建筑設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，解決了滿足現(xiàn)代人居要求的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)原則，見(jiàn)圖２，通過(guò)滿足產(chǎn)業(yè)化需求的模組化設(shè)計(jì)和信息互通原則，為后續(xù)生產(chǎn)體系奠定數(shù)字化的信息基礎(chǔ)。

　?。ǎ玻┙⑦m用于產(chǎn)業(yè)化建造的各類建筑一體化

　　節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、圖紙表達(dá)與實(shí)施。在工程實(shí)踐過(guò)程中，防水、保溫、裝飾層的建造整合，利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行裝飾工程的深化設(shè)計(jì)，對(duì)板縫節(jié)點(diǎn)、板材穿管節(jié)點(diǎn)、板材固定連接節(jié)點(diǎn)、吊頂燈具節(jié)點(diǎn)等各種交接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化，實(shí)現(xiàn)工廠的準(zhǔn)確預(yù)制加工，最大程度發(fā)揮總承包單位對(duì)資源整合能力，有效發(fā)揮集成建造的優(yōu)勢(shì)。

　　（３）數(shù)字化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法、成果三維表達(dá)方式、項(xiàng)目協(xié)同與信息交互、軟件及輔助工具研發(fā)，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)原則的封裝，為長(zhǎng)效應(yīng)用與多元應(yīng)用提供支持。針對(duì)協(xié)同、建模、拆分、計(jì)算、出圖的技術(shù)解決方案，建立建筑工程信息模型制圖、交付與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)形成全過(guò)程成套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。將裝配式構(gòu)件詳圖集成到部品庫(kù)中進(jìn)行三維模型建模，實(shí)現(xiàn)了二維圖紙與三維模型的統(tǒng)一，為設(shè)計(jì)與施工各階段建筑信息應(yīng)用提供了重要技術(shù)支撐。

　?。ǎ矗┽槍?duì)全過(guò)程正向設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)共享，編制適用企業(yè)項(xiàng)目的管理標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決企業(yè)在推廣ＢＩＭ技術(shù)中控制設(shè)計(jì)質(zhì)量和提高標(biāo)準(zhǔn)化程度的問(wèn)題，解決企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理和模型標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，提升數(shù)字化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

　　３智慧建造生產(chǎn)體系

　　在現(xiàn)代化建造過(guò)程中，針對(duì)高難度、高精度節(jié)點(diǎn)施工技術(shù)，本文也展開了相應(yīng)的施工工法實(shí)踐與研制，研究適用于現(xiàn)代信息技術(shù)的先進(jìn)工法。上述新型工法有效承接了數(shù)字化設(shè)計(jì)成果，并在新型工業(yè)化建造中，通過(guò)信息化管理平臺(tái)進(jìn)行一體化集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化三維設(shè)計(jì)＋先進(jìn)工法＋施工管理平臺(tái)三者相結(jié)合，解決實(shí)施問(wèn)題，具體包括以下兩個(gè)內(nèi)容：

　?。ǎ保┗冢常拇蛴〉默F(xiàn)代先進(jìn)加工裝備及其生產(chǎn)體系針對(duì)工業(yè)化建造的模式，本文研制ＲＣ柱、ＲＣ梁、ＲＣ節(jié)點(diǎn)的３Ｄ打印的新型建筑工業(yè)化建造設(shè)備，并通過(guò)配套的數(shù)字化下料、吊裝定位、測(cè)量等輔助軟硬件設(shè)備、編制工藝流程通用標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化成果與建造的統(tǒng)一，在某多層住宅中開展應(yīng)用試點(diǎn)，見(jiàn)圖３。

　?。ǎ玻?shù)字化的總承包管理體系及工藝管理平臺(tái)在傳統(tǒng)計(jì)劃管控下難以實(shí)現(xiàn)較大體量和復(fù)雜結(jié)構(gòu)多體系、多部門的聯(lián)動(dòng)，同時(shí)工程參建各方工程項(xiàng)目管理人員、各專業(yè)分包、建設(shè)單位難以高效溝通，對(duì)施工時(shí)間與施工成本的控制造成較大負(fù)面影響，不利于進(jìn)度、質(zhì)量、安全的高效有序管理。

　?。丛O(shè)計(jì)體系與生產(chǎn)體系的一體化集成

　　在工程實(shí)踐過(guò)程中，設(shè)計(jì)成果與建造過(guò)程管理的有機(jī)結(jié)合是充分發(fā)揮工程總承包價(jià)值的體現(xiàn)，也是集成體系的核心所在。因此，通過(guò)采用深化模型＋數(shù)據(jù)表的形式，能有效地將建造數(shù)據(jù)正向傳遞至下游，建立中心化協(xié)同管理平臺(tái)，配合施工階段采用虛擬樣板、機(jī)電安裝綜合管線數(shù)字化模擬與加工等多個(gè)技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜管線建造、數(shù)字化放樣與智能加工、數(shù)字預(yù)拼裝與施工模擬等全方位保障技術(shù)，研發(fā)配套軟件，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程建設(shè)提供技術(shù)支撐，典型應(yīng)用有設(shè)計(jì)建造的數(shù)字化管理集成和全過(guò)程虛擬孿生集成。４??１設(shè)計(jì)建造數(shù)字化管理集成高度集成化是建筑產(chǎn)業(yè)化的一大特點(diǎn)，在運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)、加工、施工的整個(gè)過(guò)程中，模型信息如何有效地傳遞到后續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)體系中，是建筑產(chǎn)業(yè)化的一大要點(diǎn)。

　?。?２設(shè)計(jì)建造的全過(guò)程虛擬孿生集成

　　隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展與建筑工程復(fù)雜程度日益提高，不可避免地出現(xiàn)一些超高層、大型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)施工困難、建筑造型獨(dú)特的建筑，此類項(xiàng)目的建筑施工是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法考慮施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的各類情況。采用設(shè)計(jì)建造過(guò)程數(shù)字化模擬分析，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行提前預(yù)演，其意義在于：

　?。ǎ保┌l(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的最不利工況以及各類安全隱患，并及時(shí)給出解決方案，從而保障建筑施工階段的安全可靠；

　?。ǎ玻┲笇?dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工找平、構(gòu)件下料切割尺寸、組立組裝矯正等工藝流程；

　　（３）設(shè)立施工關(guān)鍵階段的預(yù)警值；

　　（４）數(shù)字化施工模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)建造過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為施工現(xiàn)場(chǎng)的建筑安全和工人安全保駕護(hù)航。本文在大疆天空之城超高層建筑塔樓項(xiàng)目中，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行工地現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終通過(guò)智能算法實(shí)現(xiàn)對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)等各要素的精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)有效數(shù)據(jù)的智能處理，為項(xiàng)目各要素的精細(xì)管理提供依據(jù)（圖６）。

　?。禂?shù)字化建造平臺(tái)集成研發(fā)

　　目前在工程建造分階段均有各類型的數(shù)字化平臺(tái)，然而在實(shí)際工程實(shí)踐中，無(wú)論在流程層面、權(quán)限層面還是數(shù)據(jù)層面，平臺(tái)之間均存在不同程度的斷層。本文認(rèn)為，工程建設(shè)的復(fù)雜程度決定了多平臺(tái)有其必要性，但平臺(tái)整合對(duì)工程推進(jìn)的作用有限。因此，本文提出采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)體系，通過(guò)設(shè)計(jì)協(xié)同施工，將具有共性的數(shù)字化成果通過(guò)ＢＩＭ模型實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。除此以外，采用基于離散化的數(shù)據(jù)管理模式，各階段數(shù)據(jù)采用多個(gè)獨(dú)立分層維護(hù)，層間采用基于ＩＤ互通的方式，兼顧多平臺(tái)間的獨(dú)立性與互通性?；谠撃Ｊ?，本文主要圍繞設(shè)計(jì)深化平臺(tái)、集成管理平臺(tái)、物聯(lián)管理平臺(tái)開展相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)踐。

　　總結(jié)

　　本文針對(duì)設(shè)計(jì)—建造—運(yùn)維三階段中的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)方法邏輯、數(shù)字化加工、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵應(yīng)用環(huán)節(jié)，通過(guò)工程總承包等方式進(jìn)行需求反饋與集成，聯(lián)合設(shè)計(jì)—建造—運(yùn)維提出并完善了全過(guò)程數(shù)字化集成應(yīng)用體系，在工程實(shí)踐中，將目前建筑ＢＩＭ應(yīng)用從點(diǎn)狀應(yīng)用進(jìn)一步鋪開，形成串聯(lián)多方、涵蓋多專業(yè)多工種的帶狀、面狀工程實(shí)踐應(yīng)用，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

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　　焦柯１杜佐龍２楊新１方速昌２莊志堅(jiān)３

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