智慧建造綜述

2023年12月13日發(作者：呼叫轉移設置)

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智慧建造綜述

一、“智慧建造”的來歷

國內關于 “智慧建造”，較早地可追溯到2010年楊寶明博士于《中國信息化》上發表的“走向低碳時代的智慧建造”[1]一文，但是由于當時互聯網技術、網絡通信技術、物聯網技術、社會、經濟、文化等發展水平有限，工程建造行業對“智慧建造”理念的認識還不夠充分，因此2010年前后的數年里，眾多研究者對于“智慧建造”的探究多處于摸索階段，對于“智慧建造”的認知和界定更是存在較大的差異。

“智慧建造”作為一個核心的發展戰略和發展方向被國家、政府、工程行業大力支持和積極推進，則主要歸功于2013年德國提出的“工業4.0”戰略[2]和2012年美國通用電氣公司提出的“工業互聯網”戰略[3]。其中，德國“工業4.0”尤為關鍵，它推動了《中國制造2025》[4]這一戰略行動綱領的實施。

德國工業4.0是指利用物聯信息系統（Cyber—Physical System簡稱CPS）將生產中的供應、制造、銷售信息數據化、智慧化，最后達到快速，有效，個人化的產品供應。所以工業4.0也被認為是利用信息化技術促進產業變革的時代，即智能化時代。而《中國制造2025》的戰略目標之一就是促進國家制造業創新能力的發展，推進信息化與工業化的深度融合，加快實現工業智能化，提高制造業國際化發展水平[2]。建筑工業的本質就是工業。《中國制造2025》的實施，推動了工程行業引入“智能建造”、“智慧建造”的發展理念，逐漸明確了智能化、智慧化的發展方向。

不過，在德國工業4.0出現之前，智能化發展理念已經逐漸被各個領域的專業人員所關注。隨著IBM于2008年和2010年先后提出了“智慧地球”[5]概念和“智慧的城市”[6]愿景，智慧理念開始走向世界，走進中國。2012年，“互聯網+”[7]理念的提出更是為不同行業的發展提供了新的發展思路和發展機遇，這其中自然也是包括工程建設行業。“互聯網+”模式的進入讓工程建造的信息化進程向前邁進了一大步，也為智能化發展提供了技術基礎。

隨后，2016年中華人民共和國住房和城鄉建設部發布的《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》[8]中提出了“建筑業數字化、網絡化、智能化取得突破性進展”的發展目標。

接著，2017年中華人民共和國國務院辦公廳發布的“關于促進建筑業持續健康發展的意見”[9]中也明確了推進建筑產業現代化的發展方向，提出了建筑產業信息化管理和智能化應用的發展意見。

在利好的政策環境和勢不可擋的智能化發展趨勢的市場環境下，國內工程行業開始了“智慧工地”、“智慧建造”、“智能建造”、“數字建造”、“智慧建筑”等一系列以“智慧”和“智能”為主題特色的工程技術嘗試和實踐。

二、什么是“智慧建造”

自2015年發布的《中國制造2025》戰略綱領、2016年發布的《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》和2017年發布的“關于促進建筑業持續健康發展的意見”實施以來，各工程行業專業人員對“智能建造”和“智慧建造”進行了更加深入的研究，并對“智能建造”和“智慧建造”提出了更為學術的界定和描述。

中國工程院院士劉先林先生在中國測繪學會2018學術年會上接收采訪時，解釋道：“所謂智慧建造就是要把建設中的設備、材料、人員等管理對象借助物聯網和BIM技術，實現互聯互通與遠程共享，通過信息化測繪、數字化施工、智能化監測等手段完成全生命周期的信息化管理。”[10]

清華大學土木工程系的馬智亮教授，在《施工技術》期刊上發表的“走向高度智慧建造”一文中指出：智慧建造意味著在建造過程中充分利用智能技術及其相關技術，通過建立和應用智能化系統，提高建造過程智能化水平，減少對人的依賴，實現安全建造，并實現性能價格比更好、質量更優的建筑。其目的也意味著智慧建造將帶來少人、經濟、安全及優質的建造過程；智慧建造的手段即充分利用智能技術及其相關技術；而智慧建造的表現形式即應用智能化系統。[11]

中國工程院院士丁烈云先生在中國建設報中發表了“智能建造推動建筑產業變革”一文，文中提出：“所謂智能建造，是新一代信息技術與工程建造融合形成的工程建造創新模式：即利用以‘三化’（數字化、網絡化和智能化）和‘三算’（算據、算力、算法）為特征的新一代信息技術，在實現工程建造要素資源數字化的基礎上，通過規范化建模、網絡化交互、可視化認知、高性能計算以及智能化決策支持，實現數字鏈驅動下的工程立項策劃、規劃設計、施（加）工生產、運維服務一體化集成與高效率協同，不斷拓展工程建造價值鏈、改造產業結構形態，向用戶交付以人為本、綠色可持續的智能化工程產品與服務。”[12]

中國鐵路總公司副總經理王同軍在《中國鐵路》期刊上發表的“中國智能高鐵發展戰略研究”一文中，指出：“智能建造以BIM+GIS技術為核心，綜合應用物聯網、云計算、移動互聯網、大數據等新一代信息技術，與先進的工程建造技術相融合，通過自動感知、智能診斷、協同互動、主動學習和智能決策等手段，進行工程設計及仿真、數字化工廠、精密測控、自動化安裝、動態監測等工程化應用，構建勘察、設計、施工、驗收、安質、監督全壽命可追溯的閉環體系，實現建設過程中進度、質量、安全、投資的精細化和智能化管理，推動高速鐵路建設從信息化、數字化走向智能化。”[13]

綜上來看，現階段，對于“智慧建造”和“智能建造”的區分還沒有較為明確的區分，不同行業的工程專業人員對“智慧建造”和“智能建造”也尚未達成共識，兩者之間的區別度不大，且容易混淆。不過，上海建工集團股份有限公司總工程師龔劍在2019第三屆中國BIM經理高峰論壇上所作的關于“數字化建造技術研究與工程實踐”報告中給出了一種參考解答：智能建造是數字化、模塊化、網絡化、機械智能等的集成和深度融合，而智慧建造是智能化發展的高級階段。

所以，在當下智能化建造發展的初級階段，“智慧建造”和“智能建造”的含義是相似的，即在工程建造全過程中，利用信息技術、物聯網技術、云計算技術、人工智能技術及其他相關技術，建立智能化系統，將建設中的設備、材料、人員等工程要素進行互聯、互通以及遠程共享，并進一步通過全方位感知、網絡化交互、可視化認知、高性能計算以及智能化決策等功能，實現數字鏈驅動下工程全壽命周期的信息化管理、精細化管理和一體化集成服務，以及工程各參與方的高效率協同，提高建造過程的智能化水平，減少對人的依賴。

不過，也有研究者認為“智慧建造”的內涵存在廣義和狹義之分。廣義的智慧建造著眼于建設項目產生的整個過程，包括工程項目立項、設計、施工階段，每個階段都通過新興信息技術的集成應用來完成的工程建設活動。而狹義的智慧建造著眼于工程項目的建造階段，旨在以BIM、物聯網等新興信息技術為技術支撐來實現整個工程建造過程的信息化與智慧化。[14]

三、國內“智慧建造”的發展現狀

就目前“智慧建造”技術的實踐應用來看，“智慧建造”所涉及的技術有很多，涵蓋了計算機、通信、傳感器、云計算、人工智能、圖像圖形、電磁波、機械、電氣、自動化、光學、熱學等眾多專業領域，是一個復雜巨系統。具體技術或產品包括：BIM[15]-[28][60]-[65][68]、GIS[22][24]、全息投影[29]、傾斜攝影[22]、信息化軟件平臺[25]-[28]、VR[30][31][63]-[65]、預報警系統[32]、視頻監控[25][33]、無人機監控[22][61][62]、物聯網技術[34][35][60]、5G[36]、云計算[37]、區塊鏈[38]、人臉識別[39][67]、神經網絡模型[40][41]、機器學習[42][43][44]、監測系統[25][45][59]、門禁系統[46][47]等。 但是，受限于各類技術的發展水平不高、不同行業的工作模式差異較大以及當下的市場環境復雜等因素，智慧建造目前還處于廣泛的探索嘗試的發展階段，其技術應用或產品應用較為分散，部分技術或產品應用成熟度相對較高（如BIM、GIS、物聯網等），還有部分技術或產品成熟度較低或應用范圍還有待拓展（如全息投影、人臉識別、5G等）。中國建筑股份有限公司總工程師毛志兵先生結合多年的工程經驗后，認為：

“近年來，我國智慧建造技術及其產業化發展迅速，但仍存在一定的問題和不足。

智慧建造基礎理論和技術體系建設滯后，過于側重技術追蹤和引進，基礎研究能力相對不足，基礎軟件等卡脖子的問題沒有得到根本解決，此外對引進技術的消化吸收力度不夠，原始創新匱乏；

智慧建造中長期發展戰略缺失，技術路線圖還不清晰，國家層面對智慧建造發展的協調和管理尚待完善；

高端智能建造裝備對外依存度較高，關鍵技術自給率低，主要體現在缺乏先進的傳感器等基礎部件，精密測量技術、智能控制技術、智能化嵌入式軟件等先進技術對外依賴度高；

信息化和自動化的‘兩化’融合還不足，低端CAD軟件和企業管理軟件得到很好的普及，但是應用于各類復雜產品設計和企業管理的智能化高端軟件產品缺失。”[48]

1、設計

在設計階段，智慧建造技術的核心應用就是BIM技術。而BIM技術的出現無疑給設計工作帶來了巨大的挑戰和變革的機遇，同時，也為工程建設的其他階段提供了巨大的技術支撐。

CAD 2D制圖技術雖是設計工作的主流支撐，但是隨著工程建造技術的發展和進步，平面設計圖紙已逐漸無法滿足現場工程人員對于快速準確理解設計和快速交流共享的需求了。而BIM提供的3D視覺工程技術提供了高效可視化的結構界面，更好地展現了工程師的設計創意，有助于各類工程參與人員對于設計的快速準確理解和溝通[49]。另外，BIM技術還提供了協同設計[18][19]、碰撞檢查[25]、模擬施工[21]、工程量統計[25]等功能支撐，優化了設計模式及設計過程，為設計質量提供了保障。

近幾年，城市軌道交通設計中，有研究者開始了BIM三維協同設計模式在地鐵車站設計中的探索應用（如北京地鐵7號線百子灣站[18]、成都地鐵4號線二期東三環站[19]），即集合建筑、暖通、機電等主要專業的設計團隊，合作完成設計模型的搭建，最終也基本實現了協同設計模式的成功應用。但是協同設計也存在著設計人員BIM經驗不足、BIM相關技術標準不完善、硬件設備要求較高、軟件本身與國內存在差異等問題，阻礙了BIM技術廣泛的工程應用。

2、施工設備

隨著科學技術和社會經濟的快速發展，人們對工程現代化提出了更高的要求，施工過程中為了實現效率的飛躍、質量的拔升、成本的優化、安全的保證，作業人員越來越多地使用了智能化設備，包括智能數控鋼筋設備[50]、智能預應力張拉壓漿設備[51]、塔吊限位防碰撞系統[25][45]、機電設備自動化[52][53]、測量機器人[54]、智能安全帽[55]、自動澆筑襯砌臺車[56]、建筑機器人[57]等。

這些智能設備或新工藝方法的使用和推廣，確實為施工現場帶去了更高的作業效率、更少的人力投入、更好的材料構件質量、以及作業人員更高的安全保障。如，甬臺溫高速公路翁垟高架橋鋼筋采用智能數控自動化設備加工鋼筋后，大大降低了生產成本[50]；上海世博會綠谷項目采用塔吊智能監測系統后，有效預防了違章操作、違章超載、斜拉斜吊等操作行為[45]；新建貴南高鐵大方山隧道采用了“自動澆筑襯砌臺車”后，也有效降低了人員的勞動強度，提升了襯砌質量[56]等。

但是由于國內工業化程度相比之國外先進工業國家而言，發展水平相對較低，多數施工設備還未達到自動化程度，現場作業還未擺脫對人力的依賴，距離實現智能化還有很長的距離。另外，新設備的成本投入、配套技術人員的培訓投入、新設備引入后的管理模式、舊設備的折舊成本等問題也同樣會對使用單位造成一定的影響，是不可忽視的。

3、管理決策

智慧建造中的管理決策不同于傳統，它具備更高水平的信息化、智能化和智慧化。隨著研究人員的深入研究和工程技術人員的不斷實踐，逐漸形成了以獨立的管理系統、多功能融合的管理系統、綜合管理平臺等新技術為特色的新型管理模式。

（1）獨立的管理系統

獨立的管理系統是在缺少統一集成平臺的情況下，各獨立存在的、具備完成穩定功能的子系統。如門禁系統[46][47]、視頻監控系統[25][33]、BIM平臺[15]-[28]、環境監測系統[58]、設備或結構監測系統[26][59]、安全管控系統[25]等。

獨立單一的系統多來源于市場上技術相對成熟的既有產品，這類系統的應用可以快速響應工程實際需求，實現有效的價值落地，為工程建設提供豐富多樣的管理內容和管理模式。如，北京地鐵7號線東延01標段應用勞務實名制一卡通信息系統管理務工人員，實現了務工人員工作狀態信息實時傳送，方便了項目部管理人員科學有效地進行勞務管理[20]。武漢軌道交通2號線南延1標項目部安裝了環境在線監測系統，自動監測噪聲、揚塵、PM2.5、PM10等數據，并通過GPRS與各級環境污染源監控中心無縫對接，將工程建設對周邊環境的影響有效降低，實現文明施工[58]。重慶軌道交通九號線使用了安全風險監控管理信息系統，并通過此平臺直觀了解到了施工現場的安全管理工作，方便了安全管理人員進行科學有效的風險管理和隱患排查工作。

不過，獨立管理系統之間兼容性較差，很難直接統一使用，當現場應用的管理系統過多時，多系統之間的切換也會給作業人員帶來較大的工作負擔，導致工作效率的降低。而且，施工過程中多會遇到復雜的技術問題或管理問題，單一系統很難直接解決，這樣也是無法滿足現場的工作需求。另外，現有的部分系統依舊存在功能不穩定、功能缺失、自動化程度較低、智能化水平較低等技術問題，距離智能化管理的目標還有較大的差距。

（2）多功能融合的管理系統

鑒于獨立的管理系統在解決復雜工程問題上存在明顯的缺陷，一些研究者開始了將部分管理系統局部融合的嘗試探索，以實現多系統聯合響應的技術突破，主要包括BIM5D[21][25]、BIM+GIS[24]、BIM+物聯網[23][60]、BIM+無人機[22][61][62]、BIM+VR[63][64][65]、質量+安全管控[26]、GIS+安全管控[66]、視頻監控+人臉識別[67]、云計算+物聯網[68]、勞務實名制+視頻監控[69]、RFID+安全管控[23][55]等。

如，重慶仙桃數據谷三期項目一標段采用了BIM 5D技術，不僅提前發現了設計問題，避免后期返工，還對項目進度和材料物資管理的使用周轉進行了有效的管控，縮短了工期，降低了成本，實現了精細化管理[21]。深圳地鐵8號線某標段應用了無人機傾斜攝影輔助BIM+GIS技術，進行了地質變化預報預警，隨時隨地監控三維可視化進度進展，保證了施工質量，提高了施工安全[22]。廣州地鐵某線在軌行區安全管理工作中加入了BIM+RFID的人員定位技術，提高了現場的工作效率，縮短了工期，節約了成本[23]。

但是多系統的結合也存在較多弊端。首先，新系統部分還處于研發階段，在使用的過程中，不免會出現系統不穩定、設備不匹配、功能滿足不了預期等情況。例如，系統平臺結合了GIS系統和BIM系統，使其存儲了大量的信息，顯示困難，易造成系統奔潰、網頁刷新慢、模型更新不出來、數據錄入讀取存儲慢等情況[24]。其次，新技術的研發有可能會伴隨著產品成本的增加，導致整個工程成本的增加。另外，新系統的操作者可能需要經過一段時間的專業培訓才能真正實現系統的穩定運作，這樣也會給工程的工期和成本管控帶來一定的壓力。

（3）綜合管理平臺

不同功能的系統本就存在較大差異，要想實現系統功能的協同工作，還要經歷一個不可缺少的研發過程，所以綜合管理平臺的應用逐漸被工程專業人員所關注。所謂綜合管理平臺，就是為便于工程管理人員的統一管理，提高各參與方的協同工作效率，將施工現場涉及的人、機、料、法、環等多種管理要素以及進度、成本、質量、安全等多個管理目標集成于一體，形成統一的、共享的、可協同操作的信息化工作平臺。

“智慧建造”管理平臺可以包括勞務實名制管理子系統、工地門禁子系統、視頻監控子系統、設備或結構監測子系統、環境監測子系統、BIM子系統、GIS子系統、安全管控子系統、物資材料管理子系統等多元組成部分，用戶可以根據自身的需求，選擇相應的功能進行集成開發，形成適應性較強的管控平臺。目前，智慧工地的建設逐漸采用綜合管理平臺的模式，將各個智能子系統集成于一體，以提高工地管理的信息化和智能化。

如，北京大興國際機場就采用了智慧工地信息化管理平臺，集成了勞務實名制管理系統、可視化安防監控系統、塔式起重機防碰撞系統、施工環境智能監測系統、BIM5D平臺、安全管控平臺，為項目實現信息化、精細化、智能化管控提供支撐[25]。武漢地鐵、廣州地鐵七號線、上海軌道交通14號線等也分別使用了“互聯網+”地鐵工程質量安全管理平臺[26]、施工信息化管理平臺[27]、項目協同平臺[28]等工具，提高了質量安全管理的信息化水平，加快了各方的運作效率，提升了數據的使用價值。

綜合管理平臺的使用優勢雖然明顯，但是相應的投入也是巨大的，技術缺陷也是客觀存在的。首先，高性能的綜合管理平臺為參與系統平臺運行的硬件設施提出了更高的要求，普通的設備設施已無法滿足現場流暢穩定使用的需要。其次，各個不同的子系統互不兼容，要想實現其完美的協同工作，還需要投入大量的人力物力進行系統開發、體系標準制定、算法開發等技術研發工作。另外，綜合管理平臺的應用在一定程度上改變了工程參與各方的工作模式，協同過程中，各方的工作職責、工作制度、工作內容等方面與傳統的工作內容均存在一定的差異，在缺少相應的完善的參考標準的情況下，各方參與人員還是需要經過一段時間的磨合、協調和培訓，其協同工作效率才能達到預期的效果。

總的來說，國內“智慧建造”技術的探索實踐多集中在工程管理工作中，而設計和施工設備的研發應用相對較少。由上述各類技術的研究應用情況來看，BIM技術無疑成為了探索嘗試的核心熱門，部分二次開發的專業系統和綜合管理平臺也均是在BIM平臺的基礎上構建的。另外，雖然“智慧建造”技術的研究應用如爆發式增長，但是部分技術水平較低，還不具備較好的智能化水平，實際應用過程能夠達到的效果有限。還有，使用者對于“智慧建造”技術的理解還不夠充分，各類技術的應用較為分散，加之使用過程中缺少統一的參考標準，造成了“智慧建造”模式的推行無法完全滿足用戶的實際需求，使其產生了較大的心理落差。

四、國外“智慧建造”的發展現狀

國外智慧建造技術的發展與國內不同，發達國家目前還沒有所謂的“智慧建造”的概念，國外智慧概念多用于“智慧城市”[70]、“智能鐵路”[71]、“智能建筑”[72]-[76]等以行業為主體的領域。與“智慧建造”相似的技術理念多較為分散化、具體化，如BIM技術[77]-[79]、物聯網[80]、智能機器人[81]、計算機集成建造[82]等。

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