1 智能建造的演变与分类
在我国，20世纪70年代末，计算机开始应用于建筑工程的结构计算中；80年代，建筑行业开始应用计算机辅助设计（CAD）技术；90年代，计算机开始用于建筑施工管理。此外，作为人工智能的分支，专家系统开始在建筑行业中应用；而计算机应用在建筑运营维护管理中则是从21世纪开始。
从广义上讲，计算机系统若拥有人类具有的能力，并用于取代人或减少对人的需求，则可以称之为智能化系统。一般感知、识别、记忆、理解、联想、感情、计算、分析、判断等都是人类才具有的能力，因此全部拥有或部分拥有这些能力的系统都可以称之为智能化系统，而若在建造过程中采用了智能化系统则可以称之为智能建造。从这个意义上讲，按照与人的能力的对应关系以及所应用的智能化系统的深度，智能建造可以分为以下4类。
（1）计算智能类。是初步的智能建造，起源于20世纪80年代对计算机计算能力的利用，体现为在建筑设计中应用CAD技术进行设计计算、分析和绘图。利用计算机出色的计算能力，设计人员可在短时间内针对建筑进行各种分析，大幅缩短设计周期，提高设计质量。
（2）分析智能类。是中级的智能建造，起源于20世纪90年代对计算机分析能力和判断能力的应用。主要特点是在系统中针对人工录入的信息，按照一定的模型进行分析，其结果用于辅助决策。体现为在企业管理及施工管理中，利用信息系统中已录入的数据，进行数据统计等分析，用于辅助决策，也包括一些自动化设备，如早期的建筑机器人。
（3）联想智能类。是当前较高级的智能建造，起源于20世纪90年代的GIS技术，以及进入21世纪以来BIM技术在建造过程中的应用，这使得计算机系统可以用于记忆带有语义的空间信息，不仅能使系统直观地展示设计结果、生产和施工过程以及运维管理操作空间，而且能使系统进行空间分析和工程量计算。这类应用相当于人的联想和计算能力在计算机系统中同时得到实现，可用于虚拟建造和精细化管理。
（4）综合智能类。是当前较高级的智能建造，起源于过去10多年来对计算机多方面能力的综合应用。信息一般采用传感器自动采集，通过软件系统进行大数据分析，或利用大数据进行人工智能学习，例如机器学习和深度学习。如果包含硬件系统，一般还具有实时控制功能，如施工安全检测系统、施工机器人系统、集成化施工平台等。甚至可以与GIS技术、BIM技术以及三维激光扫描技术相结合，实现更具真实感的人机协同和更高水平的管理。
2 智能建造应用热点
建造过程一般包含设计阶段、生产阶段以及施工阶段。另外，因为运营维护阶段的维护工作也包含设计、生产和施工等环节，也可将运营维护阶段（简称运维阶段）纳入建造过程。因此，按阶段划分，智能建造可划分为智能设计、智能生产、智能施工以及智能运维等方面。在每个方面都已经形成了一些应用热点。此外，智能装备和建筑产业互联网作为智能化系统，为上述方面的两个或多个所共有，并且本身已经成为应用热点，所以在以下应用热点阐述中单独列出。
2.1 智能设计
目前，依据设计特征，智能设计的应用热点可分为标准化设计、参数化设计、基于BIM的性能化设计、基于BIM的协同设计以及BIM智能化审图等5个方面。
（1）标准化设计。包含设计元素标准化、设计流程标准化、设计产品标准化。目前有相当一部分建筑类型已经实现或正在实现标准化设计。以住宅设计为例，标准化户型、标准化空间、标准化装修等设计与管理流程的标准化已得到大量应用。
（2）参数化设计。指用若干参数描述几何形体、空间、表皮和结构，通过参数控制获得满足要求的设计结果。在建筑领域，参数化设计应用范围非常广泛。不论是国家体育场、上海中心大厦、北京大兴国际机场等重大项目，还是异形小艺术馆、售楼处等都有应用。
（3）基于BIM的性能化设计。利用BIM模型，建立性能化设计所需要的分析模型，并采用有限元、有限体积、热平衡方程等计算分析能力，对建筑若干方面的性能进行仿真，以评价设计项目的综合性能。主要应用在建筑室外环境性能化设计、建筑室内环境性能化设计、结构性能化设计等设计环节。
（4）基于BIM的协同设计。以BIM模型及承载的数据为基础，实现依托于一个信息模型及数据交互平台的项目全过程可视化、标准化以及高度协同化的设计组织形式。典型应用场景包括：专业间协同，即在设计的各个专业之间，通过专业间智能提资进行协同的方式，如建筑结构模型转化、机电管线智能开孔与预留预埋等促进专业间协同；跨角色协同，即在工程项目内，借助BIM的数模一体化和可视化优势，各参与方以统一的设计数据源为基础，以可视化的方式开展全参与方的设计交底，各参与方围绕设计模型开展成果研讨。
（5）BIM智能化审图。通过智能化系统，自动判别或辅助人工判别BIM模型中的设计信息与国家标准之间的符合情况，以及部分刚性指标的计算机智能审查，通过快速机审与人工审查协同配合，提高审图效率。目前在湖南、广州、南京等地已有实际应用。
2.2 智能生产
智能生产是智能建造的核心。其主要任务是通过应用智能化系统，实现相关制造资源的合理统筹，并通过数据技术驱动智能设备，实现建筑部品或部件的工业化制造。智能生产包含以下4个方面。
（1）基于BIM的部品或部件深化设计。进入生产阶段时基于施工图、应用BIM技术所进行的详细设计。部品或部件深化设计的主要内容包括：确定安装专业的部品或部件分段分节方案、起重设备方案、安装临时措施、吊装方案等。另外，满足土建专业的钢筋开孔、连接器和连接板、混凝土浇筑孔、流淌孔，机电设备专业的预留孔洞以及幕墙和擦窗机专业的连接等技术要求。
（2）智能化部品或部件生产管理。通过智能化系统将企业的设计、生产、管理和控制的实时信息引入企业的生产和计划中，实现信息流的无缝集成，优化产品数据管理、生产计划与执行控制，提高管理水平。
（3）智能化部品或部件存储与运输管理。主要是在部品或部件从成品库存到施工现场之间，对车辆派送、路线、跟踪、监控等全过程进行专业化、数字化管理，实现物流全过程的自动化、网络化和优化。例如可通过管理平台规划部品或部件的发运顺序，结合建设项目部品或部件的安装计划时间、待发货状态的库存部品或部件、运输车辆的运输空间和载重、项目地址、工厂地址、运输费率等信息，通过算法计算最合理的运输计划、运输线路、运输费用。
（4）无人生产工厂。指全部生产活动由计算机进行控制，生产一线配有机器人而无需配备工人的工厂。这种工厂生产命令和原料从工厂一端输入，经过产品设计、工艺设计、生产加工和检验包装，最后从工厂另一端输出产品。所有工作都由计算机控制的机器人、数控机床、无人运输小车和自动化仓库实现，人不直接参加工作。
2.3 智能施工
智能施工主要是通过应用智能化系统，实现施工模式的转型升级。智能施工主要包括智慧工地、智能化施工工艺、装配式混凝土建筑智能化施工3个方面。
（1）智慧工地。以一种“更智慧”的方法改进工程项目各干系组织和岗位人员的交互方式，以便于提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度。智慧工地应用包括对工地的人员、施工机具、物料、施工方法、环境的智能化管理。目前在我国已有多个地方的建设主管部门要求在重点工程项目中实施智慧工地应用。
（2）智能化施工工艺。在满足工程质量的前提下，实现低资源消耗、低成本及短工期，最终获得高收益等目标，主要包括基于BIM的钢筋翻样和智能化加工、整体预制装配式机房智能化施工、集成厨卫智能化施工等。
（3）装配式混凝土建筑智能化施工。装配式混凝土建筑是指以工厂化生产的混凝土预制构件为主，通过现场装配的方式建造的混凝土结构类房屋建筑。通过装配式建筑智能化施工，可实现节能、环保、节材的目标，建筑品质好，施工工期短，后期方便维护。
2.4 智能运维
智能运维是通过应用智能化系统，进行建筑实体的综合管理，以便于为客户提供规范化、个性化服务。目前智能运维主要包含以下5个方面。
（1）智能化空间管理。针对不同的建筑空间，结合具体的需求场景进行立体化、虚拟化、智能化管理与应用，打造与整体建筑可感、可视、可管、可控的立体交互情景，形成一套完整的新型空间管理方式；面向的用户可能为大众，也可能为商户、物业管理方、空间权属方等。例如，针对商超、医院、园区等，已实现室内定位与导航、智慧停车、反向寻车、功能空间电子指引、虚拟全景空间展示等应用场景；针对家居空间已实现智能家居、虚拟装饰等应用场景；针对商户、物业管理方、空间权属方，已实现智能化楼宇运营、楼宇设备维护、楼宇资产管理、设备远程巡检等应用场景；针对物流仓储业、智能制造业，已实现智能仓储、智能流水线、智能物流调度等应用场景。
（2）智能化安防管理。安防管理针对防盗、防劫、防入侵、防破坏等方面开展管理工作，保护人们的人身财产安全，为人们创造安全、舒适的居住环境。智能化安防管理通过应用智能化系统，对传统的安防工作进行提升，当出现异常或危险状况时，能够自动识别，通知管理人员，必要时进行报警；可严格控制人员出入；高效开展对巡检人员的管理工作，确保巡检人员能够按时、按路线完成巡检工作。
（3）智能化设备管理。设备管理对设备的物质运动和价值运动进行全过程的科学管理，提高设备综合效率。智能化设备管理对传统的设备管理作了两方面的提升，即设备的智能化，使设备具备感知功能、自行判断功能及行之有效的执行功能；管理的智能化，通过智能化系统的使用，提高设备管理效率。
（4）智能化能源管理。通过应用智能化系统，支持对楼宇内的所有能源，包括热水、冷水、电、燃气等的消耗情况的高效查看、分析，实现对楼宇内能源消耗情况的高效掌握，并在不影响正常经营活动的前提下，为通过节能设计进行节能改造，降低楼宇内的能耗，实现设备高效率、低能耗运行提供有效支持。
（5）智能化巡检管理。通过应用智能化系统，支持定期或随机流动性的检查巡视，包括检查建筑、设施设备、人员及环境情况，及时发现异常及问题，及时汇报并处理，实现对巡检数据的采集及分析，以及巡检全过程的可视化、规范化和网络化。
2.5 智能装备
智能装备是用于建造过程的智能化硬件系统。与建筑工程相关的智能装备主要包含智能模架系统、3D打印设备、建筑机器人等3个方面。
（1）智能模架系统。我国早在20世纪70年代初，就自行研制了倒链式爬升模板，80年代又研制成功了应用液压千斤顶式爬升模板。80年代末、90年代初，我国首次提出整体钢平台模架装备理念，并自行研制了内筒外架整体爬升钢平台模架，成功应用于上海东方明珠电视塔等工程。90年末2000年初，整体钢平台智能模架装备不断发展和完善，先后研究开发了临时钢柱支撑式整体钢平台模架、劲性钢柱支撑式整体钢平台模架两种模架装备。目前，智能模架装备已广泛应用于超高层建筑、电视塔、桥墩、水塔、大坝、筒仓、烟囱等领域。
（2）3D打印设备。该技术于2004年提出。3D打印设备可实现设计与成型一体化，如可以按照设计要求打印不规则墙体结构，与传统建筑物建造方式相比，可降低材料、设备及人工等成本，显著提升建造效率，缩短工期，做到节能减排。
（3）建筑机器人。1982年日本开发的一台耐火材料喷涂机器人，被认为是首台建筑施工机器人。1994年和1996年，德国分别设计制造了墙体砌筑机器人和混凝土施工机器人。2014年，新加坡开发了地瓷砖铺设机器人。建筑机器人适用于建筑行业各种恶劣的环境，如安装外墙干挂石材及铺设钢筋混凝土预制板等高危险、重体力的施工。虽然我国建筑机器人研究起步较晚，但在政府、高校、科研院所、企业的共同努力下发展迅速。特别是近几年，有大型房地产公司投入巨资研究开发系列建筑机器人，并取得了很大的进展。
2.6 建筑产业互联网
建筑产业互联网是以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础，通过对建筑产业大数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析，实现供应采购、协同设计、智能生产、智能施工、智能运维等生产和组织方式变革，对接融合工业互联网，形成全产业链融合一体的智能建造产业和应用生态。按照智能建造主要过程和现阶段平台实际发展应用对象划分，主要包括企业层的智能化协同设计平台、工程造价全过程智能化管理平台、智能化供应采购平台、建造全过程智能化管理平台以及监管层智能化行业监管服务平台等5种类型。
（1）智能化协同设计平台。以智能化+大数据+模型为基础，面向建筑工程全生命周期信息化技术应用，立足于设计阶段的协同工作平台。平台由智能化设计软件、行业大数据信息库、云计算引擎组合而成。平台为基于BIM信息模型智能综合协同设计提供支撑。
（2）工程造价全过程智能化管理平台。支持依托于BIM技术开展全过程造价业务，支持咨询方为建设方提供精细化、智能化、数字化的咨询服务，提高建设方满意度，降本增效，打造新咨询服务能力。
（3）智能化供应采购平台。以大数据、区块链、物联网、人工智能等技术为依托，通过支持供应采购资源的网络互联、数据互通和系统互操作，实现采购供应资源的灵活和优化配置、采购供应过程的快速反应，达到资源的高效利用的目的。
（4）建造全过程智能化管理平台。实现施工全过程、全要素数字化管理，利用区块链“在不充分信任的实体之间建立互信共识机制”的核心价值，将建造全过程的关键数据上链，打通信息孤岛，提高参建各方的协同性和精准性，消除信息不对称，保障各方的利益并规范各方的行为，从而提升工程质量，实现工程建造的提质增效。
（5）智能化行业监管服务平台。在行业监管信息化、数字化管理的基础上，融合大数据、人工智能、物联网、区块链等主流技术，打通建设、勘察、设计、施工、监理、招标代理、造价咨询等全行业相关管理信息系统，以数据驱动赋能推动数字政府转型，实现建设行业互联网+监管新模式。
3 智能建造发展趋势
总体来看，目前智能建造还处于低水平阶段。随着智能建造的实践，必将逐步提升到更高水平。智能建造的发展归根结底是通过智能化系统的发展推动的，而后者需要一定的技术和管理上的突破支撑。一般来说，智能化系统主要可分为技术类智能化系统和管理类智能化系统两类。
3.1 智能建造技术方面
（1）满足建筑行业需求的3D打印技术。在现有3D打印技术的基础上，解决应用体系、打印材料、打印设备等问题。例如，目前市场上可以买到的3D打印设备大多数是实验室用的，一般可打印的体积在1 m3以内，而在建筑工程中需要更大尺度的3D打印设备，因为建筑工程的部品或部件的尺寸都比较大，需要研制专门的打印设备。实际上大尺度的3D打印设备的研制伴随着很多技术难题，以上海某公司研制的3D打印设备为例，设备尺寸为25 m×4 m×2.5 m，在研制过程中解决的主要问题包括：如何对材料进行改性使之满足结构部件需求，保证打印的材料层间的粘结力，保证打印精度，优化打印头运动路径以及提高打印速度等一系列问题。
（2）不断发展的行业重器智能装备技术。这样的装备技术对于建筑行业和建筑企业，就如同先进制造生产线对于制造行业和制造企业一样重要。今后建筑行业和建筑企业需要更多满足现实需求、专门的智能装备。另外，这样的设备必须高效，否则利用意义不大。同样重要的是，它能够使大型公共建筑施工更安全，质量更有保证。
（3）更加实用的建筑自动化和机器人技术。在过去40多年中，关于建筑自动化和机器人的研究开发从数量上看相当多。但真正成功地应用在实际过程中的占不到总数的10 %，而从研究到实际应用往往会花上几年甚至10年的时间。
近年来，BIM、3D打印、计算机视觉、物联网、大数据、人工智能等新技术的迅速发展，使它们可以直接用于建筑行业的生产过程，同时也作为支撑技术为自动化和机器人技术的发展提供了有力支持。可以预见，在建筑自动化和机器人技术方面，将会有更多的研究利用新兴信息技术等有利条件，不断深化已有的研究，使建筑自动化和机器人技术向实用化发展。这是一个迭代的过程，这个过程需要时间，需要经过对系统的不断打磨和改进，从一个阶段走向一个更成熟的阶段，直至实用阶段。根据现有经验，往往没有捷径可走，不可能一蹴而就。
（4）高度智能化建筑机器人技术。近年来，人工智能技术在认知方面取得了突破性进展。体现在可以用于更好地识别语音和图像。与语音识别相关的技术包括语音识别、自然语言处理等；与图像识别的相关技术包括机器视觉、指纹识别、人脸识别、视网膜识别、虹膜识别、掌纹识别等。与认知相关的综合智能的发展无疑为人工智能在建筑工程中的应用提供了新的可能性，使计算机可以像人一样感知周围环境，形成信息输入，并通过计算智能完成一定的工作，使建筑机器人具有更高的智能。
（5）面向智能建造的模块化技术。建筑工程的智能建造也可以从制造业的智能制造获得启发。建筑工程的施工顺序一般是先进行主体结构，然后进行维护结构，最后进行装修。随着建筑工业化的发展，行业开始分别采用装配式结构、装配式装修等技术。这种作法基本上还是在沿用传统的施工顺序。
反观制造业，以造船业为例，其施工过程与建筑施工过程不同。根本不同点在于，在部品或部件的生产阶段，已经将结构和装修集成在一起形成模块，实现模块化生产。一旦装配完成，施工就完成了。这在技术上提出了更高的要求，即需要各部分之间的无缝衔接，因此在模块设计过程中BIM技术的应用必不可少。例如，在实现机电设备机房的装配式施工时，需要利用BIM模型，先在模型上尝试并确认将整体拆分成一个个模块，然后按所设计的模块在工厂里进行生产，最后在现场对模块进行组装。面向智能建造的模块化技术需要在此基础上发展后得到。
3.2 智能建造管理方面
（1）全过程可视化管理。BIM技术使人们在设计、施工以及运维过程中能将需要面对的对象在计算机中以形象直观的方式显示出来，从而解决人们依靠想象力难以把握复杂事物的问题。例如，在运维管理中，管理人员在BIM模型中可以任意切换到所关心的楼层，点击所关心的设备后，获得该设备的信息，或者通过点击该设备启动该设备，或者查看该设备迄今发生的所有维护维修记录。而维修人员在维修一个设备时，利用手机就可以打开相关BIM模型，然后通过在BIM模型上点击该设备，可以查询该设备的配件型号；完成维修后将维修过程中所完成的维修内容上传系统后将自动地实现这些信息与BIM模型中的该设备的绑定。
（2）基于数字孪生的决策支持。数字孪生既是一种理念，也是一种方法，是指对应于实际物体，在计算机中建立的模型，该模型不仅可以反映所对应的物体形状，还可以用于对其物理特性和行为进行仿真，甚至实现虚实互动。目前，尽管数字孪生的概念已经形成，但在实际过程中，数字孪生应用和BIM应用两者还没有区别开。
实际上，数字孪生应用是更加系统化的BIM应用。对于一般工程，按需进行BIM应用就够了；而对于大型复杂工程，往往需要全面甚至实时的数字孪生应用。通过数字孪生应用可更好地进行项目决策，为建造过程带来最佳效益。
（3）基于企业大数据分析的决策支持。随着企业信息技术应用的开展，企业不断积累着越来越多的信息，其中包含企业承包过的工程项目的信息、工程项目管理信息以及企业管理信息等。一方面，这些信息在企业开展业务的过程中发挥着重要作用，另一方面，它们对今后企业的决策也有利用价值。通常使用BI（Business Intelligence，商业智能）工具，不仅支持按指定的数据提取项目自动地从已有的数据库中提取数据，并将其保存到数据仓库中，还提供各种分析功能、可视化功能等，以便于用户针对有用的数据进行用于支持决策的大数据分析。
随着BIM应用的开展，设计企业会逐渐积累大量的BIM设计模型，一些施工企业已经开始使用基于BIM的项目管理系统，而一些企业的设施设备运维管理中也使用了基于BIM的运维管理系统。新数据的加入使人们可期待更有效的企业大数据应用。
信息来源：摘自《建筑技术》2022年9月，马智亮
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