站长之家用户 - 传媒 2021-12-22 10:07

推动智能建造与建筑工业化协同发展 打造产业转型升级新动能

2020 年,住建部联合多部委发布了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》(下文简称《指导意见》),指出智能建造与建筑工业化融合发展,对推动建筑业转型升级和高质量发展意义重大。智能建造在工业化建造和数字化建造的基础上,通过信息技术与建造技术的深度融合,结合先进的精益建造理论方法,实现工程项目的成功交付。

广联达科技股份有限公司研究院院长 刘刚

为什么:发展智能建造的意义和目的

建筑工程项目建设周期长,资金投入大,地点分散、多专业、多关系方、流动性强等特点,导致建筑业工业化与数字化水平明显落后于其它产业。在数字化变革新时代,应用数字技术结合精益建造的理论和方法,提质增效,提高建造与管理水平,促进产业数字化转型升级,迫在眉睫。

在此背景下,高质量发展成为建筑产业发展的核心诉求,将成为“十四五”期间建筑产业发展的主旋律。这不仅是产业转型升级的内在要求,也是不断满足人民日益增长对美好生活需求的必然选择,同时还是实现碳达峰、碳中和的重要举措。《指导意见》明确提出要围绕建筑产业高质量发展总体目标,以大力发展建筑工业化为载体,以数字化、智能化升级为动力,创新突破相关核心技术,加大智能建造在工程建设各环节应用,形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产业体系,提升工程质量安全、效益和品质,有效拉动内需,培育国民经济新的增长点,实现建筑产业转型升级和持续健康发展。《指导意见》的出台,坚定了建筑产业走高质量发展道路的决心,明确了智能建造与建筑工业化协同发展的转型路径,为产业发展指明了方向。

是什么:智能建造的概念与内涵

1.智能建造的概念与内涵

对智能建造的定义,不同专家学者和机构都有不同的理解和诠释,目前还没有确定的定义。本文认为智能建造是在工业化建造和数字化建造的基础上,通过信息技术与建造技术的深度融合,结合先进的精益建造理论方法,推动工程项目的全过程、全要素、全参与方的数字化、网络化、智能化,实现全数字化虚拟建造和工业化数字孪生建造,并交付数字虚体建筑和物理实体建筑两个建筑产品,从而推动生产力升级和生产关系重塑,实现让每个工程项目成功的产业目标。

图 1 智能建造的内涵

智能建造的本质不仅仅是生产工具的升级,而是代表了一种新型生产力。建筑业要实现高质量发展,则需在数字技术引领下,以新型建筑工业化为核心,以智能建造手段为有效支撑,通过绿色化、工业化、信息化的三化融合,将建筑业提升至现代工业级的精益化水平。智能建造需要以建筑产业互联网平台为支撑,与精益建造的理念与方法有效结合才能有效实现让每个工程项目成功的产业目标。

2.智能建造的技术路线演进

智能建造的发展不是一蹴而就的,而是数字化、网络化和智能化叠加演进的过程。即数字化建造、网络化建造和智能化建造三个演进阶段

图2 智能建造的演进阶段

1)数字化建造

数字化是指通过对物理世界中的建筑产品、建设全过程、生产要素和各方参建单位的解构和数字化重构。数字化的过程将产生穿梭于物理实体和数字虚体之间的“数字主线”,支撑模型信息在物理空间与数字空间的双向沟通。数字主线可以将物理空间的信息反馈到虚拟的数字建造之中,从而构建数字化模型。通过数字化模型,可以在建造前进行模拟和分析,从而得到最优方案。例如,通过BIM模型,设计师可对建筑设计方案,进行建模和全过程模拟分析,充分试错和优化方案,从而减少变更,避免返工,保障设计方案的最优性和可行性。

2)网络化建造

网络化是在数字化基础上,通过CPS(信息物理系统)与物理世界中的生产对象、生产活动、生产者,生产要素进行泛在连接、全面感知和实时在线,并与数字世界中的虚体模型进行实时映射和虚实互联,形成虚实映射的数字孪生,将建筑本体、以及人、机、料、法、环等生产要素等物理实体,与数字虚体模型进行泛在连接和相互映射。通过数字孪生展示、预测、分析数字模型和物理世界之间的互动过程,通过算法和模型进行分析决策,对物理实体进行控制和调整。

3)智能化建造

在数字化和网络化的基础上,通过数据+算法,结合人工智能技术和机器人技术,形成人、机、物的交互与深度融合。智能化将是未来建筑业发展的方向,通过人工智能的深度学习和行业知识图谱等技术的支撑。例如在建筑工地现场,通过云端的项目大脑和机器人等,将逐步实现对人工作业的劳动力替代和脑力增强,逐步少人化和无人化的自主管理、自动作业的场景。

做什么:智能建造应用场景及价值

在智能建造的创新驱动下,将对工程项目的生产活动,生产要素和管理要素及参建各方产生深远影响。就像工业4. 0 中的场景,智能建造将实现未来的建筑“两次建造”,先虚拟建造,再实体建造。同时,将构建数字生产线和物理生产线的“两条生产线”,基于“数字生产线”实现智能化设计、智能生产调度、智能施工调度等数据流动的自动化。在“物理生产线”,通过数字工地与实体工地的数字孪生,实现对人员、机械、材料等各要素的实时感知、分析、决策和智能施工作业。

图3 数字孪生下的智能建造场景

3.1 智能设计场景

基于数字孪生的智能设计,以建筑产品需求为导向进行全专业集成设计,各方通过BIM模型全方位协同参与到项目的设计、模拟,将施工、运维,将建造过程中可能出现的核心问题前置论证,整合全参与方与全要素,对工程项目的设计、采购、生产、施工和运维全生命周期进行智能化、参数化模拟仿真,系统化进行全过程模拟、全参与方迭代和优化,通过往复反馈在数字世界消除各种工程风险,解决设计—建造一致性差、变更多、成本高、进度超期等问题,追求满足建筑产品需求的最高性价比设计,最大限度地消除和减少建造过程中的设计变更,得到实现符合需求的产品方案,质高价优的造价方案,施工和生产可行的实施方案,可维护的服务方案。如图 4 所示为基于数字孪生的智能设计场景,打造全数字化样品,指导实体建造和建筑运维。

图4 基于数字孪生的智能设计

3.2 智能生产场景

基于数字孪生的智能生产。通过数字生产线,基于数据驱动实现自动化排程和精益化生产,将工厂与工地现场形成有机整体。如图 5 所示为基于数字孪生的智能生产,下面将从多个维度剖析。

图5 基于数字孪生的智能生产

(1)工厂智能化生产。在数字生产线进行任务分发、智能计划排程、生产参数优化、智能时序配送、作业面管理、质量管理等。在物理生产线,通过引入数控机床、机械手臂等先进生产设备,可以实现生产设备的自动化、柔性化生产,从而规模化实现构件及部品的大规模、个性化生产,实现建筑从现场建造向现代工厂制造的转变。

(2)“厂场”一体化联动。通过融合工厂生产和现场施工的一体化“项目大脑”,充分连接工厂和现场。以现场工业化施工驱动工厂智能化生产,通过任务驱动的方式实现生产排产、备料采购、构件生产自动化流转。在现场的装配式施工目前智慧工地实现了基于云的智能化现场作业,而智能调度系统通过最小作业单元连接工厂和现场,形成厂场一体化的智能化闭环流程,达到“厂场”一体化紧密联动。

3.3 智能施工场景

基于数字孪生的智能施工以工序为核心进行线上数字虚拟建造与线下精益实体建造,先模拟后实施,以精益理念推动精准管理,实现数字孪生精益建造。在建造过程中,通过在线化对实体建造成果进行反馈,实现过程动态调整和优化。其中虚拟建造包含线上的深化设计、进度排程、资源采购和施工模拟,实体建造包括线下的资源供应、施工作业、验收交付和现场措施。通过数字和实体两条生产线,实现数字孪生、虚实联动的精益建造。

图6 基于数字孪生的智能施工

3.4 智能服务场景

基于数字孪生的智能服务主要面向项目建造过程中和运营过程中的生产服务、机械设备服务、运维服务等内容。例如,如图 7 所示,通过数字孪生平台,可实现工程机械设备的在线管理,远程的运维服务。

图7 基于数字孪生的智能服务

对于机械设备的供应商来说,可实现由出售设备向出售服务的转变。工地现场的机械设备运行情况和作业轨迹,通过工程物联网,实时反馈到数字孪生平台上,实时映射到数字工地上。可视化监控施工机械设备的作业情况,同时根据机器运行的大数据进行分析,诊断机械设备的健康状态。从而进行预测性维修维护,提升了设备使用效率,延长了使用寿命周期。同时,设备供应商可以根据数据分析,将迭代的旧机器收回,再把升级的新机器送过来,从而低成本地实现技术迭代。施工企业则可以按照使用时间付费,闲置时不产生费用。使用完可以交还,不用负责设备的维修和保养。大大降低了机械设备的使用成本。

3.5 智能建造的价值

工程项目作为建筑业生产和经营活动的业务原点,其全要素、全过程、全参与方的升级是项目成功的关键。通过智能建造,将打造“软件+数据”的数字生产线,推动工程建造过程从传统的实体建造,转变为全数字化虚拟建造和工业化实体建造。赋能项目全过程,实现设计、采购、施工、运维一体化,再结合精益建造的理论和方法,更高效提升生产效率。通过数据驱动和加快数据要素的自动化流动升级生产要素,优化“人、机、料、法、环”等生产要素的配置。通过智能建造的平台连接有效实现项目的建设方、施工方、设计方、供应商等各方主体的协同协作。打破相关企业边界,形成网络化、集成化的多方协同协作,改进生产关系。

图8 智能建造将赋能产业“三全”升级

智能建造代表了建筑产业“数字化、工业化、绿色化”的发展方向,通过软件和数据定义的数字生产线与物理实体生产线的数字孪生,不仅可以优化资源配置,最大化减少浪费,保障项目成功,加快产业转型升级,形成国民经济新的增长点。由住房和城乡建设部信息中心组织编写的《中国建筑产业信息化发展报告2021》(以下简称《报告》)全面贯彻高质量发展理念,以智能建造为主线,对当前我国建筑产业智能建造现状进行了详细调研,展现智能建造关键技术、设计、生产、施工、运维、装备、建筑产业互联网等智能化、创新应用和典型场景,收集与整理了最佳实践案例,对智能建造的未来发展做出展望,为推动智能建造提供了系统性的方法和实践指导。《报告》的出版,既是对当前智能建造落地应用的有益总结,又为行业绿色化、工业化、数字化发展提供了可借鉴经验和指导,以实际行动助力行业高质量发展。

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