建筑全过程数字化智慧建造体系研究与实践

　　【摘要】在数字化设计建造技术发展过程中，由于信息架构、管理层级、工作模式的差异，在二三维设计成果的施工阶段承接、安装信息在运维阶段的承接等方面较难在参建方间形成良性闭环。本文提出建立以建筑数字化设计＋智慧建造的集成应用体系，以实现生产端至应用端的全产业链集成。在设计环节通过建立现代产业化建筑设计标准、构件库及配套工具，实现数字化标准设计。在生产体环节通过研发与数字化设计成果相配套的工法设备实现数字化成果的直接转化。采用基于离散化的数据管理模式，在标准数据共享下采用各阶段分层独立管理、层间编码互通的方式，兼顾多平台间的独立性与互通性，实现数字化设计成果的全过程无缝承接与产业链数字化集成。

　　【关键词】数字化建造；产业化建筑；集成平台

　　引言

　　经过多年数字化设计建造全过程工程实践，三维ＢＩＭ相关技术已逐步成熟，多个应用难点通过集中攻关已取得一定的成果。如在设计阶段，通过三维ＢＩＭ平台及二次开发［１］，能完成满足加工精度的建造信息模型。在钢结构建造过程，通过焊接机器人，实现焊接、上下料、磨削抛光等作业应用［２］，并通过定制化的控制系统数据衔接，实现构件深化模型的精细化建造。在装配式建造构件加工制造过程，采用３Ｄ打印技术已具有一定的实用性［３］。

　　１数字化设计施工集成体系

　　基于目前行业多参与方、多工种协作发展模式，本文提出一种设计—建造—交付运维全过程数字化衔接集成体系。该体系的核心，是通过全过程需求反馈与关键节点双向串联，建立现代产业化设计体系，建立与数字化设计相适应的先进制造工法与生产管理手段，建立设计手段与生产手段的信息化协同平台，通过数字化交付实现运维阶段承接，形成实施全过程的信息化集成和全产业链信息闭环，关键节点串联模式见图１所示。该体系的主要组成有：

　　（１）数字化设计体系，含适用于产业化建造的建筑设计方法、构件库、户型组合库、项目设计管理体系、模型数据标准等；

　　（２）智慧建造生产体系，含与数字化设计成果相适应的定位放样、数字化吊装、３Ｄ打印、产业化施工工法等；

　　（３）产业链集成应用，含数字化预拼装、设计深化平台、智慧工地与多方管理平台、智能加工运输及物联追踪协同管理平台等；

　　（４）建筑全周期运维，含施工模型交付标准与运维信息转换标准、数字化运维架构与应用软硬件平台等。

　　２数字化设计体系

　　随着建筑功能的日益复杂和建造水平的日益提升，通过符合需求的技术整合形成数字化设计体系是目前设计行业信息化中后段的着力点。本文针对现代产业化的建筑设计相关方法理论及实践，提出目前设计体系中的四大主要环节并针对各环节形成相应的技术集成实现。

　　（１）现代产业化建筑设计原则、设计标准，解决了满足现代人居要求的产业化设计理论与设计原则，见图２，通过满足产业化需求的模组化设计和信息互通原则，为后续生产体系奠定数字化的信息基础。

　　（２）建立适用于产业化建造的各类建筑一体化

　　节点构造、图纸表达与实施。在工程实践过程中，防水、保温、装饰层的建造整合，利用数字化技术进行装饰工程的深化设计，对板缝节点、板材穿管节点、板材固定连接节点、吊顶灯具节点等各种交接节点进行深化，实现工厂的准确预制加工，最大程度发挥总承包单位对资源整合能力，有效发挥集成建造的优势。

　　（３）数字化设计的设计方法、成果三维表达方式、项目协同与信息交互、软件及辅助工具研发，通过数字化技术进行设计原则的封装，为长效应用与多元应用提供支持。针对协同、建模、拆分、计算、出图的技术解决方案，建立建筑工程信息模型制图、交付与应用标准，总结形成全过程成套技术标准。将装配式构件详图集成到部品库中进行三维模型建模，实现了二维图纸与三维模型的统一，为设计与施工各阶段建筑信息应用提供了重要技术支撑。

　　（４）针对全过程正向设计和数据共享，编制适用企业项目的管理标准和技术标准，解决企业在推广ＢＩＭ技术中控制设计质量和提高标准化程度的问题，解决企业数字化设计项目管理和模型标准问题，提升数字化设计的质量和效率。

　　３智慧建造生产体系

　　在现代化建造过程中，针对高难度、高精度节点施工技术，本文也展开了相应的施工工法实践与研制，研究适用于现代信息技术的先进工法。上述新型工法有效承接了数字化设计成果，并在新型工业化建造中，通过信息化管理平台进行一体化集成，实现数字化三维设计＋先进工法＋施工管理平台三者相结合，解决实施问题，具体包括以下两个内容：

　　（１）基于３Ｄ打印的现代先进加工装备及其生产体系针对工业化建造的模式，本文研制ＲＣ柱、ＲＣ梁、ＲＣ节点的３Ｄ打印的新型建筑工业化建造设备，并通过配套的数字化下料、吊装定位、测量等辅助软硬件设备、编制工艺流程通用标准和平台，实现了数字化成果与建造的统一，在某多层住宅中开展应用试点，见图３。

　　（２）数字化的总承包管理体系及工艺管理平台在传统计划管控下难以实现较大体量和复杂结构多体系、多部门的联动，同时工程参建各方工程项目管理人员、各专业分包、建设单位难以高效沟通，对施工时间与施工成本的控制造成较大负面影响，不利于进度、质量、安全的高效有序管理。

　　４设计体系与生产体系的一体化集成

　　在工程实践过程中，设计成果与建造过程管理的有机结合是充分发挥工程总承包价值的体现，也是集成体系的核心所在。因此，通过采用深化模型＋数据表的形式，能有效地将建造数据正向传递至下游，建立中心化协同管理平台，配合施工阶段采用虚拟样板、机电安装综合管线数字化模拟与加工等多个技术进行研究，实现复杂管线建造、数字化放样与智能加工、数字预拼装与施工模拟等全方位保障技术，研发配套软件，为实现复杂工程建设提供技术支撑，典型应用有设计建造的数字化管理集成和全过程虚拟孪生集成。４??１设计建造数字化管理集成高度集成化是建筑产业化的一大特点，在运用数字化技术进行建筑设计、加工、施工的整个过程中，模型信息如何有效地传递到后续工业化生产体系中，是建筑产业化的一大要点。

　　４.２设计建造的全过程虚拟孪生集成

　　随着经济技术发展与建筑工程复杂程度日益提高，不可避免地出现一些超高层、大型复杂、结构施工困难、建筑造型独特的建筑，此类项目的建筑施工是一个高度动态的过程，采用传统的设计方法无法考虑施工过程中可能出现的各类情况。采用设计建造过程数字化模拟分析，可以对现场施工进行提前预演，其意义在于：

　　（１）发现施工过程中可能出现的最不利工况以及各类安全隐患，并及时给出解决方案，从而保障建筑施工阶段的安全可靠；

　　（２）指导现场施工找平、构件下料切割尺寸、组立组装矫正等工艺流程；

　　（３）设立施工关键阶段的预警值；

　　（４）数字化施工模拟分析与现场建造过程的实时监测数据进行对比，为施工现场的建筑安全和工人安全保驾护航。本文在大疆天空之城超高层建筑塔楼项目中，通过物联网技术进行工地现场的数据采集，并对其进行数据处理，最终通过智能算法实现对人、机、料、法、环等各要素的精细化管理，实现对有效数据的智能处理，为项目各要素的精细管理提供依据（图６）。

　　５数字化建造平台集成研发

　　目前在工程建造分阶段均有各类型的数字化平台，然而在实际工程实践中，无论在流程层面、权限层面还是数据层面，平台之间均存在不同程度的断层。本文认为，工程建设的复杂程度决定了多平台有其必要性，但平台整合对工程推进的作用有限。因此，本文提出采用标准化数据体系，通过设计协同施工，将具有共性的数字化成果通过ＢＩＭ模型实现统一。除此以外，采用基于离散化的数据管理模式，各阶段数据采用多个独立分层维护，层间采用基于ＩＤ互通的方式，兼顾多平台间的独立性与互通性。基于该模式，本文主要围绕设计深化平台、集成管理平台、物联管理平台开展相应的应用实践。

　　总结

　　本文针对设计—建造—运维三阶段中的产业化设计方法逻辑、数字化加工、数据标准及转换等关键应用环节，通过工程总承包等方式进行需求反馈与集成，联合设计—建造—运维提出并完善了全过程数字化集成应用体系，在工程实践中，将目前建筑ＢＩＭ应用从点状应用进一步铺开，形成串联多方、涵盖多专业多工种的带状、面状工程实践应用，取得了一定的经济效益和社会价值。

　　参考文献

　　［１］焦柯，杨远丰，周凯旋，等．基于ＢＩＭ的全过程结构设计方法研究［Ｊ］．土木建筑工程信息技术，２０１５，７（５）：１?７．

　　［２］王田苗，陶永．我国工业机器人技术现状与产业化发展战略［Ｊ］．机械工程学报，２０１４，５０（９）：１?１３．

　　［３］肖绪文，田伟，苗冬梅．３Ｄ打印技术在建筑领域的应用［Ｊ］．施工技术，２０１５，４４（１０）：７９?８３．

　　［４］方速昌，张世宏，吴键，等．基于ＢＩＭ技术的电缆敷设安装施工技术［Ｊ］．施工技术，２０１８，４７（Ｓ４）：９８６?９８９．

　　［５］杨新，焦柯．基于ＢＩＭ的装配式建筑协同管理系统ＧＤＡＤ?ＰＣＭＩＳ的研发及应用［Ｊ］．土木建筑工程信息技术，２０１７，９（３）：１８?２４

　　焦柯１杜佐龙２杨新１方速昌２庄志坚３

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