文｜中國建筑科學(xué)研究院北京構(gòu)力科技有限公司 劉苗苗 楊國威 劉曉穎 趙瑞陽 夏緒勇 王良平 李書陽

近二十年，我國建筑業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，但其每年的科技研發(fā)投入占比卻處于各領(lǐng)域的末端，建筑行業(yè)整體信息化、智能化水平偏低，存在較大成長空間。建筑工業(yè)化本身涵蓋了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件預(yù)制化、施工裝配化等要求，相對于傳統(tǒng)建筑方式，更加需要信息化的輔助和推動。高承勇認(rèn)為建筑的信息化和工業(yè)化相互促進(jìn)、支撐，可以有力的推動建筑設(shè)計、施工和運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展。2020年7月3日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)改委、科技部、工信部等13 部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》（以下簡稱《指導(dǎo)意見》）提出“以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級為動力，創(chuàng)新突破相關(guān)核心技術(shù)，加大智能建造在工程建設(shè)個環(huán)節(jié)應(yīng)用，形成涵蓋科研、設(shè)計、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。”《指導(dǎo)意見》的核心是智能建造和建筑工業(yè)化的協(xié)同發(fā)展，涵蓋裝配式產(chǎn)業(yè)鏈上各參與方的智能建造平臺建設(shè)正是響應(yīng)協(xié)同發(fā)展的一種解決方案和有效實(shí)踐。

1 平臺創(chuàng)建的原因

目前國內(nèi)逐步重視BIM 技術(shù)的應(yīng)用，但是并沒有改變國內(nèi)基本的建筑行業(yè)狀況，業(yè)主、設(shè)計院和施工方的信息傳遞均以傳統(tǒng)方式為主。建筑行業(yè)內(nèi)主要以圖紙為媒介進(jìn)行信息交流傳遞，而BIM 則依托信息模型和信息應(yīng)用技術(shù)平臺進(jìn)行信息傳遞。在此背景下，裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈智能建造平臺（以下簡稱平臺）通過建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一平臺和統(tǒng)一管理，依托BIM技術(shù)和信息技術(shù)，打通裝配式項(xiàng)目設(shè)計、生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、運(yùn)維、監(jiān)管全過程，實(shí)現(xiàn)裝配式產(chǎn)業(yè)“標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化、集成化、智能化”目標(biāo)（圖1）。平臺建設(shè)過程中設(shè)立了統(tǒng)一的應(yīng)用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為產(chǎn)業(yè)鏈各方順利使用鋪平了道路。

圖1 省市級裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈智能建造平臺

2 設(shè)計賦能

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化大幅度降低成本的核心手段之一，國內(nèi)專家學(xué)者對裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化做了一定的研究。王昌興提出應(yīng)大力支持部品零部件的批量化發(fā)展，而部品零件的批量化首先得是標(biāo)準(zhǔn)化。張守峰提出在建筑工業(yè)化中，標(biāo)準(zhǔn)化是前提，可以提升工程建設(shè)效率和經(jīng)濟(jì)效益。葉浩文等認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計不等于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，需要將一系列標(biāo)準(zhǔn)的基本單位通過模數(shù)協(xié)調(diào)、模塊組合等方式形成多樣化的建筑產(chǎn)品。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)部品部件庫首頁

圖3 裝配式建筑設(shè)計系統(tǒng)

圖4 圖審系統(tǒng)

平臺標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立是通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)部品部件庫打通裝配式建筑設(shè)計、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維、監(jiān)管各個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置。通過制訂適用于裝配式建筑全過程的BIM 數(shù)據(jù)交付標(biāo)準(zhǔn)和構(gòu)件分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范裝配式建筑全生命周期的BIM模型創(chuàng)建、交付和分類存儲，指導(dǎo)裝配式建筑各相關(guān)方在設(shè)計、報建、生產(chǎn)、施工等各環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，滿足數(shù)據(jù)交換過程中的完備性和準(zhǔn)確性。

平臺基于云服務(wù)建立開放的參數(shù)化預(yù)制部品部件BIM 模型數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，形成產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)據(jù)信息通道，滿足大型裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件BIM 模型的互聯(lián)網(wǎng)采集、存儲和智能檢索，使標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件成為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝的基礎(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一系統(tǒng)上的跨專業(yè)、多用戶互操作及數(shù)據(jù)集成更新。

圖5 效率對比

2.2 智能化設(shè)計系統(tǒng)

平臺企業(yè)側(cè)提供專業(yè)的裝配式建筑設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于BIM 技術(shù)涵蓋全專業(yè)全流程，實(shí)現(xiàn)裝配式設(shè)計智能化構(gòu)件拆分、裝配率計算、全專業(yè)協(xié)同設(shè)計、構(gòu)件深化與詳圖設(shè)計、碰撞檢查、材料統(tǒng)計等功能，如圖3所示。同時可以調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化部品部件庫，設(shè)計數(shù)據(jù)直接接力到生產(chǎn)加工設(shè)備，有效提高設(shè)計效率，降低成本。

軟件操作簡單，運(yùn)行速度較快，計算結(jié)果準(zhǔn)確。提升設(shè)計質(zhì)量，無縫對接線上圖審系統(tǒng)（圖4），審查報告一鍵生成，問題檢查情況反饋信息一目了然。比如某單體建筑經(jīng)過線上網(wǎng)審系統(tǒng)生成審查報告，實(shí)現(xiàn)自動檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)5 處不滿足規(guī)范要求，16 處存在一般性錯誤。

一體化設(shè)計，避免二次深化設(shè)計帶來的錯漏碰缺。PKPM-BIM 深化設(shè)計數(shù)據(jù)直接生成BOM 生產(chǎn)數(shù)據(jù)，用于構(gòu)件加工生產(chǎn)，設(shè)計、生產(chǎn)數(shù)據(jù)一體化。利用智能設(shè)計軟件為設(shè)計企業(yè)賦能，設(shè)計效率大幅提升，設(shè)計圖紙一鍵生成，有效降低設(shè)計周期。深化設(shè)計投入人員數(shù)量比傳統(tǒng)減少50%以上，施工圖設(shè)計周期縮減60%以上。

3 生產(chǎn)賦能

在生產(chǎn)階段提供裝配式智慧工廠管理平臺，數(shù)字化生產(chǎn)是建筑工業(yè)化體系的重要一環(huán)。通過統(tǒng)一的BIM 協(xié)同平臺，加強(qiáng)構(gòu)件廠與裝配式設(shè)計和裝配式施工現(xiàn)場之間的協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)目、多工廠之間協(xié)同生產(chǎn)，從而達(dá)到降低成本、優(yōu)化庫存、提高效率和應(yīng)變能力、減少人為操作失誤和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)。

圖6 裝配式智慧工廠管理平臺

圖7 指導(dǎo)生產(chǎn)

基于PKPM-PC 設(shè)計軟件一鍵出圖后，項(xiàng)目可直接將BIM 模型、深化圖紙等設(shè)計成果直接導(dǎo)入企業(yè)側(cè)生產(chǎn)系統(tǒng)，自動生成構(gòu)件清單、物料清單等生產(chǎn)BOM數(shù)據(jù)，無需人工統(tǒng)計和錄入，并極大程度的保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。同時，通過系統(tǒng)可直接顯示全樓BIM 模型、預(yù)制構(gòu)件模型和生產(chǎn)加工圖紙等設(shè)計信息，直接精準(zhǔn)指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖8 構(gòu)件信息采集錄入

根據(jù)生產(chǎn)計劃，每一塊構(gòu)件在生產(chǎn)前都會生成一張專屬的構(gòu)件二維碼標(biāo)簽，生產(chǎn)管理人員在隱蔽檢查、澆筑、成品檢驗(yàn)等各個階段，可直接通過PDA、手機(jī)等移動設(shè)備掃碼后完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。智慧工廠系統(tǒng)實(shí)時更新各階段生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并與政府側(cè)平臺實(shí)時對接，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)全過程監(jiān)管透明化和構(gòu)件信息可追溯化。系統(tǒng)集成傳感器、射頻識別（RFID）、二維碼識別等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與模臺、蒸養(yǎng)窯、攪拌機(jī)、布料機(jī)等工廠各類設(shè)備的對接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動傳輸、設(shè)備自動控制，推進(jìn)工廠構(gòu)件生產(chǎn)智能化。

生產(chǎn)系統(tǒng)可實(shí)時統(tǒng)計構(gòu)件生產(chǎn)狀態(tài)，每一塊構(gòu)件具體處于待產(chǎn)中、生產(chǎn)中還是已入庫、已出庫等狀態(tài)，在系統(tǒng)中一目了然。同時，生產(chǎn)系統(tǒng)對項(xiàng)目生產(chǎn)完成進(jìn)度和工廠每日生產(chǎn)信息進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計，并通過BIM模型進(jìn)行可視化展示。工廠管理人員能直觀、動態(tài)的了解到項(xiàng)目整體生產(chǎn)進(jìn)度和工廠產(chǎn)能情況。

圖9 生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時查看

生產(chǎn)系統(tǒng)從各類原材料采購和半成品生產(chǎn)加工的管控入手，嚴(yán)格把控材料入庫和材料出庫的審批，實(shí)行集中采購、限額領(lǐng)料。倉庫管理人員可通過系統(tǒng)實(shí)時掌握生產(chǎn)材料的庫存和使用情況，有效避免錯領(lǐng)、多領(lǐng)、缺貨等情況導(dǎo)致的生產(chǎn)成本增加與浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)成本管理的精細(xì)化。

智慧工廠管理平臺以工廠生產(chǎn)管理為重點(diǎn)，向上下游整合裝配式建筑設(shè)計、材料、生產(chǎn)、施工等環(huán)節(jié)，通過“建筑+互聯(lián)網(wǎng)”的形式助推產(chǎn)業(yè)鏈條內(nèi)資源的優(yōu)化配置，為建筑業(yè)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和市場的結(jié)合提供了公共平臺。

4 施工賦能

裝配式混凝土建筑現(xiàn)場施工經(jīng)常面臨許多問題。其中有些問題影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量，例如構(gòu)件拼縫不平齊、水平度和垂直度調(diào)整不到位等；有些問題導(dǎo)致工期拖延，例如堆場安排不合理、施工組織不當(dāng)?shù)?；有些問題導(dǎo)致成本增加，例如起重機(jī)型號選擇過大等。通過BIM 系統(tǒng)、構(gòu)件模型數(shù)據(jù)和施工現(xiàn)場的智慧工地相關(guān)技術(shù)，可以有效解決這些問題，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑施工過程中堆場優(yōu)化、吊裝模擬和管理、構(gòu)件可視化預(yù)拼裝及安裝流程模擬、進(jìn)度協(xié)同和管控、基于物聯(lián)網(wǎng)的質(zhì)量監(jiān)管（圖10）等。

智慧施工管理系統(tǒng)可將項(xiàng)目整體施工流程及裝配化施工工序通過3D 模擬施工的方式進(jìn)行演示，現(xiàn)場管理人員和施工人員在系統(tǒng)中可隨時查看施工模擬動畫和施工專項(xiàng)方案，清晰直觀的了解關(guān)鍵工序和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的控制要點(diǎn)，并及時對施工方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，有效避免了傳統(tǒng)施工中在實(shí)際操作時才能發(fā)現(xiàn)問題的弊端，對提高施工質(zhì)量、減少安全風(fēng)險、降低返工率有較大幫助。

在進(jìn)度監(jiān)測方面，通過掃描構(gòu)件二維碼標(biāo)識，施工現(xiàn)場管理人員可將構(gòu)件從進(jìn)場直至施工完成的各階段數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，并同步反饋至施工系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)更新。另一方面，施工系統(tǒng)將進(jìn)度信息與BIM 模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可視化展示項(xiàng)目進(jìn)度與完成狀態(tài)。同時，系統(tǒng)還可將實(shí)際進(jìn)度與計劃進(jìn)度進(jìn)行動態(tài)對比，使項(xiàng)目管理人員能更直觀的了解項(xiàng)目進(jìn)度偏差，并及時發(fā)布進(jìn)度預(yù)警。

圖10 裝配式建筑智能施工管理系統(tǒng)

圖11 3D 模擬施工

通過聯(lián)動現(xiàn)場監(jiān)控、機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測及重大危險源監(jiān)測等設(shè)備，將現(xiàn)場信息實(shí)時采集傳輸?shù)绞┕は到y(tǒng)中，企業(yè)管理人員可遠(yuǎn)程實(shí)時掌握現(xiàn)場情況，監(jiān)管現(xiàn)場安全文明施工，對及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，排查重大危險源、降低安全事故發(fā)生率有較大幫助。

5 政府管理賦能

政府側(cè)平臺依托于裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立，省市內(nèi)裝配式企業(yè)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交付要求，將企業(yè)側(cè)平臺與政府側(cè)平臺無縫對接，實(shí)現(xiàn)政府側(cè)對裝配式項(xiàng)目設(shè)計、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維、監(jiān)管各環(huán)節(jié)的管理監(jiān)督。

政府側(cè)平臺的建設(shè)為裝配式產(chǎn)業(yè)的監(jiān)督和發(fā)展提供了創(chuàng)新型服務(wù)。首先，政府側(cè)平臺縱向?qū)崿F(xiàn)了省、市、縣三級住建部門的監(jiān)管應(yīng)用，橫向與發(fā)改、工信、科技、財政等省級有關(guān)部門數(shù)據(jù)共享，成功搭建全省裝配式產(chǎn)業(yè)網(wǎng)格化監(jiān)管體系。其次，政府側(cè)平臺與省智慧住建平臺融合，在不改變其他系統(tǒng)業(yè)務(wù)辦理的情況下，抓取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，加強(qiáng)政府?dāng)?shù)據(jù)的資源整合和標(biāo)準(zhǔn)化管理。

第三，裝配式產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)和公共服務(wù)平臺可以將項(xiàng)目建造全流程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)提取和傳送到政府公共平臺，形成裝配式產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用于全方位分析全省裝配式項(xiàng)目、企業(yè)、體系和產(chǎn)能的動態(tài)情況，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置和效益最大化，助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展的科學(xué)決策。

第四，裝配式項(xiàng)目質(zhì)量監(jiān)管和追溯平臺全方位、便捷高效地對裝配式建筑全生命周期質(zhì)量管控點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，可以追溯到質(zhì)量問題發(fā)生的源頭，對相關(guān)責(zé)任單位或人員追責(zé)，減少乃至杜絕項(xiàng)目質(zhì)量問題的發(fā)生。

裝配式建筑全過程質(zhì)量追溯和監(jiān)管系統(tǒng)可以將項(xiàng)目核心質(zhì)量信息實(shí)時上傳到政府側(cè)平臺，形成項(xiàng)目質(zhì)量監(jiān)管和追溯數(shù)據(jù)，有利于業(yè)主維權(quán)，同時將質(zhì)量監(jiān)管信息和供應(yīng)商、承包商的信用體系關(guān)聯(lián)，可以增強(qiáng)行業(yè)自律性，提高業(yè)主滿意度。

結(jié)語

裝配式建筑全產(chǎn)業(yè)鏈智能建造平臺為參與各方提供了強(qiáng)大的賦能體系。對設(shè)計方，智能化標(biāo)準(zhǔn)化快速方案設(shè)計、一鍵出圖使效率大幅提升。同時可以直接對接政府審查平臺，一鍵交付審查。對生產(chǎn)方，直接對接設(shè)計信息快速安排生產(chǎn)，獲取施工進(jìn)度信息，合理排布生產(chǎn)計劃，避免堆場壓力，同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)無人或少人工廠生產(chǎn)。對施工方，可以實(shí)時了解工廠生產(chǎn)進(jìn)度，智能優(yōu)化構(gòu)件堆場，動態(tài)更新施工進(jìn)度。對政府，可以實(shí)現(xiàn)全過程信息實(shí)時監(jiān)管，過程留痕可追溯，同時提供大數(shù)據(jù)分析，動態(tài)報警的能力。

圖12 裝配式建筑全過程質(zhì)量追溯和監(jiān)管系統(tǒng)

圖13 裝配式產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)和公共服務(wù)平臺

圖14 裝配式質(zhì)量監(jiān)管和追溯平臺