智能建造在土木工程施工中的應(yīng)用綜述*

劉占省，孫嘯濤，史國(guó)梁

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124； 2.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

0 引言

建筑業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在國(guó)家建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[1]。近年來(lái)，建筑業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，為我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)。“十三五”期間，建筑業(yè)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了積極作用。隨著土木工程建設(shè)項(xiàng)目的增加，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施得到了進(jìn)一步完善，城市和農(nóng)村的面貌得到了極大改善，城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，人們的居住和出行質(zhì)量得到提高。同時(shí)，一批重大工程項(xiàng)目如港珠澳大橋、京張高速鐵路、北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)等相繼建成。這些建設(shè)條件復(fù)雜、設(shè)計(jì)施工難度大的工程項(xiàng)目的建造，促進(jìn)了我國(guó)土木工程技術(shù)的突破，使我國(guó)的工程建造水平大幅提升，在部分領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[2]。

然而建筑業(yè)在高速發(fā)展的同時(shí)也存在著一些問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，土木工程行業(yè)主要依靠資源要素投入、大規(guī)模投資來(lái)拉動(dòng)發(fā)展[3]。建筑業(yè)信息化、工業(yè)化水平較低，生產(chǎn)方式較為粗放，勞動(dòng)生產(chǎn)率不高，資源消耗大等問(wèn)題較為突出[3]。工程建設(shè)組織方式較為落后，建造過(guò)程中機(jī)械化程度不高，精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、專(zhuān)業(yè)化程度較低。建筑工人素質(zhì)偏低，工人年齡偏高[2]。建筑行業(yè)與先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合程度較低。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化，傳統(tǒng)的建造方式受到了較大沖擊，粗放式的生產(chǎn)方式難以為繼。

隨著全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和我國(guó)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的巨大變化，新常態(tài)下的中國(guó)人口紅利逐漸消失，勞動(dòng)成本不斷升高，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)矛盾不斷顯露[4]。我國(guó)正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)的新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換[4]。根據(jù)十九大報(bào)告，我國(guó)經(jīng)濟(jì)已進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段?！笆奈濉睍r(shí)期，隨著國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化，經(jīng)濟(jì)增速的減緩不可逆轉(zhuǎn)，建筑業(yè)原有的粗放發(fā)展模式將受到巨大挑戰(zhàn)。

新的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，土木建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求是信息化和智能化[3]。智能建造技術(shù)的應(yīng)用有利于建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。本文論述了智能建造的定義和特征，梳理了近年來(lái)國(guó)家和地方關(guān)于智能建造的部分重要政策，并論述了部分在土木工程施工中應(yīng)用較多的智能建造技術(shù)在施工中的應(yīng)用點(diǎn)，以求為土木工程施工中的智能建造技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 智能建造特征

智能建造是信息化、智能化與工程建設(shè)相結(jié)合的新型建造方式。目前對(duì)于智能建造沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。部分學(xué)者提出的關(guān)于智能建造的定義如表1所示。

表1 部分智能建造定義

對(duì)以上智能建造定義進(jìn)行總結(jié)，本文對(duì)智能建造定義如下：智能建造技術(shù)覆蓋建筑工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等建筑物全生命周期的各階段，以土木工程建造技術(shù)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代信息技術(shù)和智能技術(shù)為支撐，以項(xiàng)目管理理論為指導(dǎo)，以智能化管理信息系統(tǒng)為表現(xiàn)形式，通過(guò)構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的孿生模型和雙向映射，對(duì)建造過(guò)程和建筑物進(jìn)行感知、分析和控制，實(shí)現(xiàn)建造過(guò)程的精細(xì)化、高品質(zhì)、高效率的一種土木工程建設(shè)模式。智能建造涉及規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段實(shí)現(xiàn)建筑物全生命期的智能化。智能建造融合了BIM，GIS，IoT、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，它們互相獨(dú)立又互相聯(lián)系，共同構(gòu)成了智能建造的技術(shù)體系，是智能建造的技術(shù)基礎(chǔ)[15]，如圖1所示。智能建造涉及工程建造理論、項(xiàng)目管理理論等，將工程建造相關(guān)理論與新一代信息技術(shù)相結(jié)合，指導(dǎo)新一代信息技術(shù)為土木工程建設(shè)服務(wù)。智能建造通常表現(xiàn)為智能化管理系統(tǒng)，通過(guò)智能化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與工程技術(shù)人員的交互，將感知、分析得到的工程相關(guān)信息展示給工程技術(shù)人員，輔助技術(shù)人員進(jìn)行工程相關(guān)決策和對(duì)工程項(xiàng)目的控制。智能建造利用先進(jìn)的信息技術(shù)，發(fā)展新的建造和管理技術(shù)，使建造過(guò)程從數(shù)字化向智能化發(fā)展，提高建造效率，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息的集成化、智能化、系統(tǒng)化管理，達(dá)到精細(xì)、優(yōu)質(zhì)、高效建造的目標(biāo)。

圖1 智能建造技術(shù)體系

智能建造具有全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制、持續(xù)優(yōu)化的特點(diǎn)[12]。①全面感知 即對(duì)建造過(guò)程、建造物的狀態(tài)等進(jìn)行全面的感知，通過(guò)各種傳感器、智能設(shè)備、智能終端等收集有關(guān)建造物和建造過(guò)程的各種信息和數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等將信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并對(duì)建造數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。智能建造技術(shù)將建造物、建造活動(dòng)、建造過(guò)程需要的設(shè)備、工程管理人員、相關(guān)服務(wù)等進(jìn)行在線連接，使工程管理人員和工程管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取建造物和建造過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)。②真實(shí)分析 即利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)對(duì)采集到的建造過(guò)程和建造物相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，利用有限元計(jì)算、虛擬仿真技術(shù)等對(duì)工程狀態(tài)進(jìn)行仿真分析等，給出自動(dòng)控制所需的結(jié)果或可以輔助管理人員進(jìn)行決策的信息。③實(shí)時(shí)控制 即通過(guò)智能設(shè)備、智能軟件、智能終端等，依據(jù)分析得到的結(jié)果和相關(guān)規(guī)則如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，對(duì)建造過(guò)程、建造工藝、建造流程等進(jìn)行控制，確保實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所預(yù)定的目標(biāo)，包括通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)施工設(shè)備、建筑機(jī)械等進(jìn)行智能化控制、通過(guò)相關(guān)人員對(duì)施工工藝、施工方法等進(jìn)行控制以及對(duì)人員的控制，最終達(dá)到對(duì)整個(gè)施工過(guò)程的全面控制。④持續(xù)優(yōu)化 即通過(guò)前3個(gè)方面的工作，在建造過(guò)程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)智能建造系統(tǒng)本身進(jìn)行不斷優(yōu)化，使系統(tǒng)效率不斷提高。

2 國(guó)家相關(guān)政策

國(guó)家十分重視土木工程行業(yè)的發(fā)展，國(guó)家和地方都發(fā)布了建筑業(yè)信息化相關(guān)政策，旨在推動(dòng)和促進(jìn)土木工程行業(yè)的信息化、智能化發(fā)展。

早在2003年，我國(guó)發(fā)布了第一個(gè)建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要，提出了在2003—2008年的發(fā)展規(guī)劃。之后在2011年和2016年分別發(fā)布了兩個(gè)建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要，相應(yīng)地提出了2011—2015和2016—2020年的信息化發(fā)展要求[16]。3個(gè)建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要的主要內(nèi)容如圖2所示。

圖2 建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要

2003年和2011年提出的兩個(gè)建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要都將信息化作為更新技術(shù)手段的工具。在2011年提出的信息化發(fā)展綱要中將信息化與管理相結(jié)合，同時(shí)重點(diǎn)提出了企業(yè)的信息化建設(shè)任務(wù)。由于信息技術(shù)發(fā)展的限制，兩個(gè)信息化發(fā)展綱要中均集中于專(zhuān)項(xiàng)信息技術(shù)的應(yīng)用。2016年提出的信息化發(fā)展綱要?jiǎng)t重視建筑工程中全過(guò)程、全方位的信息化應(yīng)用，同時(shí)集成多種信息技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用[17]，相比前兩個(gè)建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要，更加強(qiáng)調(diào)信息化與建筑企業(yè)管理的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)的集成應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，新一代信息技術(shù)給各行各業(yè)帶來(lái)了深刻的影響，極大地提高了信息化水平。這些技術(shù)改變了土木工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段的運(yùn)行模式。國(guó)家十分重視新一代信息技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用，發(fā)布了大量關(guān)于推動(dòng)新一代信息技術(shù)在建筑業(yè)進(jìn)行應(yīng)用的政策。

2020年7月，《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出了推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的原則、目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施，并從7個(gè)方面提出了具體的工作任務(wù)。同時(shí)提出了到2025年、2035年的發(fā)展目標(biāo)[18]。這一政策發(fā)布后，國(guó)家在半年內(nèi)密集發(fā)布多項(xiàng)與智能建造技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的政策(見(jiàn)表2)。同時(shí)，國(guó)家還發(fā)布了一系列配套政策，涉及新時(shí)代建筑產(chǎn)業(yè)工人隊(duì)伍的培育、智能建造技術(shù)典型應(yīng)用案例的征集、智能建造試點(diǎn)工作的開(kāi)展等，以配套政策進(jìn)一步推動(dòng)智能建造技術(shù)的發(fā)展。

表2 智能建造部分國(guó)家政策

2020年7月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》發(fā)布后，各地區(qū)很快進(jìn)行了跟進(jìn)，發(fā)布了一系列關(guān)于促進(jìn)智能建造發(fā)展的政策。一些地區(qū)以“實(shí)施方案”“實(shí)施意見(jiàn)”的形式對(duì)推動(dòng)智能建造和建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的目標(biāo)和行動(dòng)方案進(jìn)行了細(xì)化。各地區(qū)對(duì)照住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部制定的全國(guó)性目標(biāo)提出了更加細(xì)化的本地區(qū)發(fā)展目標(biāo)和相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，多以2025年、2035年為節(jié)點(diǎn)，也有部分地區(qū)以2023年、2030年為節(jié)點(diǎn)。各地方政府制定的發(fā)展目標(biāo)較國(guó)家制定的目標(biāo)更加具體，部分地區(qū)還制定了定量指標(biāo)。地方通常以推進(jìn)BIM、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用為推動(dòng)智能建造技術(shù)發(fā)展的手段，一些地區(qū)將“智慧工地”建設(shè)作為推進(jìn)智能建造應(yīng)用的手段之一。同時(shí)，一些地區(qū)還提出了相關(guān)的激勵(lì)政策，如提前預(yù)售、優(yōu)先推薦評(píng)優(yōu)、將智能建造應(yīng)用情況納入考核體系等，以?xún)?yōu)惠政策和評(píng)獎(jiǎng)評(píng)優(yōu)來(lái)激勵(lì)和引導(dǎo)企業(yè)采用智能建造技術(shù)。部分地區(qū)采用了帶有一定強(qiáng)制性的做法，如在一定規(guī)?；蛑付?lèi)型的建筑工程項(xiàng)目中必須使用BIM技術(shù)等條文，倒逼企業(yè)在建設(shè)工程中采用智能建造技術(shù)。此外，多地區(qū)采取了多部門(mén)聯(lián)合發(fā)布相關(guān)政策的方式，可見(jiàn)在國(guó)家大力推行智能建造技術(shù)的影響下，各地區(qū)也增加了推動(dòng)智能建造發(fā)展的力度。部分省級(jí)政策如表3所示。

表3 智能建造部分地方政策

對(duì)于智能建造技術(shù)相關(guān)的各種新一代信息技術(shù)，國(guó)家和一些地方城市出臺(tái)了相關(guān)的專(zhuān)項(xiàng)政策。劉占省等梳理了近年來(lái)關(guān)于BIM、物聯(lián)網(wǎng)、3D打印、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的重要國(guó)家級(jí)政策，表明國(guó)家對(duì)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展十分重視，對(duì)智能建造和新一代信息技術(shù)的扶持力度不斷加大[15]。

3 智能建造技術(shù)在土木工程施工中的應(yīng)用

智能建造的技術(shù)體系包括BIM，GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G、三維掃描、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)。智能建造技術(shù)體系中各種技術(shù)相輔相成，共同完成智能化的工程項(xiàng)目管理過(guò)程。

本文選取土木工程施工過(guò)程中應(yīng)用較多的BIM，GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、三維掃描、智能裝備與建筑機(jī)器人等技術(shù)，對(duì)施工中的技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)進(jìn)行綜述。

3.1 BIM技術(shù)應(yīng)用

建筑信息模型(building information modeling，BIM)，是對(duì)建設(shè)工程及其相關(guān)設(shè)施的物理和功能特征的數(shù)字化表述[19]。BIM以三維模型的形式表達(dá)建筑設(shè)施，可將建筑設(shè)計(jì)信息可視化。BIM模型是內(nèi)部存儲(chǔ)著關(guān)于建筑工程全部信息的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。這些隱藏在三維模型背后的信息使BIM模型不僅僅是一個(gè)三維可視化的工具，而是可在建筑工程全生命期內(nèi)提供關(guān)于建筑的各種信息的數(shù)據(jù)源。BIM三維可視化的特性在施工中的很多場(chǎng)景下都得到了應(yīng)用。同時(shí)BIM作為建筑信息數(shù)據(jù)庫(kù)，與其他智能建造技術(shù)相結(jié)合提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在智能建造體系中有不可或缺的地位。在現(xiàn)有的各種BIM軟件中可進(jìn)行BIM的基本應(yīng)用，但更多擴(kuò)展應(yīng)用通常通過(guò)對(duì)BIM信息模型或BIM軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，或者通過(guò)另行開(kāi)發(fā)的BIM應(yīng)用平臺(tái)，與其他技術(shù)相結(jié)合的方式來(lái)完成。本節(jié)僅論述BIM技術(shù)可獨(dú)立完成的應(yīng)用點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 BIM技術(shù)應(yīng)用

深化設(shè)計(jì)方面，BIM三維可視化的特性解決了二維圖紙?jiān)诮Y(jié)構(gòu)空間關(guān)系表達(dá)上的困難，因此廣泛用于復(fù)雜構(gòu)造、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)等的深化設(shè)計(jì)，如鋼結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土節(jié)點(diǎn)等[20]。在裝配式結(jié)構(gòu)中BIM技術(shù)用于PC構(gòu)件或鋼構(gòu)件的拆分工作，生成的深化設(shè)計(jì)成果還可與工廠設(shè)備對(duì)接進(jìn)行數(shù)字化加工。二次結(jié)構(gòu)施工中可應(yīng)用BIM進(jìn)行排磚優(yōu)化、洞口預(yù)留、用量統(tǒng)計(jì)等[21]。BIM還提供碰撞檢測(cè)功能，用于在施工之前消滅各種建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的沖突問(wèn)題，避免因沖突而發(fā)生變更和返工。

質(zhì)量控制方面，可在BIM模型中以“按圖釘”的方式標(biāo)記質(zhì)量檢查信息，將質(zhì)量檢查信息化[22]。馬智亮等依據(jù)國(guó)家施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，將施工質(zhì)量驗(yàn)收屬性關(guān)聯(lián)到三維實(shí)體元素上，利用算法在BIM中自動(dòng)生成驗(yàn)收任務(wù)[23-24]。

安全管理方面，也可以“按圖釘”方式標(biāo)記安全風(fēng)險(xiǎn)信息。BIM可作為建筑信息三維可視化的平臺(tái)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)對(duì)人員、設(shè)備、環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的分析、判斷和預(yù)警。通過(guò)安全設(shè)施模型的建立，可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)施如臨邊防護(hù)欄桿等的設(shè)置。施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)可通過(guò)施工模擬進(jìn)行預(yù)判，輔助安全措施的制定。BIM還可在三維空間中模擬各工序的空間占用，結(jié)合人工智能模型對(duì)并行作業(yè)中的空間沖突進(jìn)行預(yù)測(cè)[25]。

4D-BIM的第四維度為時(shí)間維度，可用于表示工程項(xiàng)目隨時(shí)間的變化情況。將進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中，將進(jìn)度計(jì)劃落實(shí)到每個(gè)構(gòu)件上，可進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，對(duì)整個(gè)工程的進(jìn)度安排進(jìn)行展示。還可以三維可視化的方式查看施工形象進(jìn)度，分析項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度的偏差[26]。

5D-BIM的第五維度為成本維度。BIM模型可進(jìn)行工程量計(jì)算，得到構(gòu)件明細(xì)表、工程量明細(xì)表等報(bào)表，也可算出人工、材料、機(jī)械的用量，進(jìn)而算出成本。將進(jìn)度與成本相結(jié)合，可得到人工、材料、機(jī)械、資金等的消耗隨時(shí)間的變化[27]，輔助采購(gòu)和預(yù)算計(jì)劃的制定，也可通過(guò)掙值分析研究項(xiàng)目的進(jìn)度和成本情況[28]。BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的工期、價(jià)格、成本等信息可作為工程結(jié)算的參考[29]。

在施工方案編制過(guò)程中，對(duì)施工方案相關(guān)部位和施工設(shè)備建立高精度的BIM模型，可以視頻或動(dòng)畫(huà)的形式展示施工方案。將模擬成果用于三維可視化交底，提高交底效率和準(zhǔn)確度。建立建筑物、施工機(jī)具、臨時(shí)設(shè)施等的施工現(xiàn)場(chǎng)BIM模型，通過(guò)場(chǎng)景漫游、碰撞檢查等方式，確定現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)施的布局并可視化地進(jìn)行調(diào)整，可提高施工場(chǎng)地利用效率[27]。

3.2 GIS技術(shù)應(yīng)用

BIM技術(shù)主要反映建筑物本身的各種信息，但通常不能反映建筑物周邊環(huán)境的信息。地理信息系統(tǒng)(GIS)作為地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，能以直觀的地理圖形方式獲取、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示與地理位置相關(guān)的各種數(shù)據(jù)，可反映真實(shí)的地理環(huán)境信息[30]，但不能反映建筑物單體的信息。因此，GIS技術(shù)和BIM技術(shù)常結(jié)合使用。在BIM與GIS結(jié)合使用的過(guò)程中，BIM模型提供工程結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息，從微觀角度反映工程結(jié)構(gòu)單體信息，GIS提供地理環(huán)境信息，從宏觀角度反映建筑周邊環(huán)境、地形、地質(zhì)等地理信息，二者互為補(bǔ)充，可同時(shí)顯示宏觀與微觀的信息，同時(shí)提供了從空間地理數(shù)據(jù)處理的角度進(jìn)行分析的途徑[31-32]。BIM和GIS進(jìn)行集成的方法有3種：以BIM為平臺(tái)將GIS數(shù)據(jù)加載到BIM軟件中，在BIM平臺(tái)中進(jìn)行各種應(yīng)用；以GIS為平臺(tái)將BIM數(shù)據(jù)加載到GIS平臺(tái)中；通過(guò)另行開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用平臺(tái)，載入BIM數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM和GIS數(shù)據(jù)的各種應(yīng)用[33]。由于BIM技術(shù)以IFC文件為基礎(chǔ)，GIS以CityGML文件為基礎(chǔ)，二者數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不同，存在BIM和GIS數(shù)據(jù)的互通和互操作問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)用軟件來(lái)完成二者之間數(shù)據(jù)的融合，以避免BIM與GIS集成應(yīng)用時(shí)數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題[31]。GIS技術(shù)在施工中的應(yīng)用包括BIM+GIS聯(lián)合應(yīng)用以及對(duì)GIS特有的地理信息數(shù)據(jù)及空間分析等功能的應(yīng)用，如圖4所示。

圖4 GIS技術(shù)應(yīng)用

BIM+GIS在工程項(xiàng)目中可用于質(zhì)量、進(jìn)度、安全、成本等方面的管理，如施工模擬、進(jìn)度追蹤、安全風(fēng)險(xiǎn)管理、人員管理、設(shè)備管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等[33-34]。但與單純應(yīng)用BIM技術(shù)有所不同的是，在進(jìn)行這些工作的時(shí)候考慮了GIS提供的地理空間信息，特別是對(duì)于與周邊地理環(huán)境緊密相關(guān)的線性工程、水利水電工程、地下空間工程等工程類(lèi)型。施工方案模擬方面，有基于BIM+GIS的隧道施工組織精細(xì)化模擬，結(jié)合GIS城市數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)和BIM地下空間數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工模擬等[31,35]。進(jìn)度管理方面，結(jié)合BIM與GIS可進(jìn)行項(xiàng)目本身及項(xiàng)目周?chē)h(huán)境的可視化的表達(dá)，通過(guò)GIS模型顏色顯示進(jìn)度信息[30]。安全風(fēng)險(xiǎn)管理方面，GIS技術(shù)已應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)、大壩可視化安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)、高填方工程監(jiān)測(cè)等[37-39]。BIM與GIS的集成與融合應(yīng)用十分適合線性工程的統(tǒng)一管理，如通過(guò)將BIM模型、遙感影像、數(shù)字高程模型等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了鐵路工程建設(shè)的統(tǒng)一管理，從宏觀、中觀、微觀尺度進(jìn)行鐵路工程從線路周邊地形地貌到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的統(tǒng)一管理[40]。

GIS可提供工程周?chē)匦?、管線、道路、既有建筑物等空間地理數(shù)據(jù)，并通過(guò)空間分析等手段對(duì)空間地理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體應(yīng)用包括：通過(guò)GIS平臺(tái)查看BIM模型和施工現(xiàn)場(chǎng)影像[41]，展示地形地貌、拆遷范圍[42]、周邊環(huán)境；通過(guò)對(duì)平整度、地貌地質(zhì)等分析輔助選擇適合施工的區(qū)域輔助場(chǎng)地踏勘[43]；輔助選擇施工臨時(shí)設(shè)施的位置[44]；通過(guò)集成BIM和GIS技術(shù)整合施工所需材料和材料供應(yīng)商信息以可視化監(jiān)控供應(yīng)鏈的狀態(tài)[45-46]；結(jié)合GPS和GIS追蹤大壩工程現(xiàn)場(chǎng)施工人員位置和移動(dòng)情況用于人工消耗量的統(tǒng)計(jì)[47]；通過(guò)地理信息系統(tǒng)查看工程周?chē)延泄艿赖仍O(shè)施，檢查新建工程與既有管線之間的沖突情況，為管線改移等提供參考，減小工程對(duì)城市的影響[48]。

GIS的另一個(gè)重要應(yīng)用是地質(zhì)信息的管理和應(yīng)用。在地下空間工程、隧道工程、水利工程等工程中，地質(zhì)情況是影響工程設(shè)計(jì)施工的重要因素[31]。利用GIS中的地質(zhì)模型信息，可進(jìn)行施工中邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[49]、隧道定位、病害查詢(xún)、地質(zhì)預(yù)報(bào)[33]、地質(zhì)監(jiān)測(cè)[38]、地質(zhì)剖面的獲取和應(yīng)用[50]等。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為“連接物品的網(wǎng)絡(luò)”，承擔(dān)著從現(xiàn)實(shí)世界收集信息和控制現(xiàn)實(shí)世界的各種物品的工作[51]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可對(duì)施工過(guò)程中產(chǎn)生的大量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和動(dòng)態(tài)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中產(chǎn)生的各種信息和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取和匯總；對(duì)施工過(guò)程中的各種控制指令進(jìn)行下達(dá)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化施工設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。現(xiàn)實(shí)世界信息的采集一般通過(guò)二維碼、RFID、定位標(biāo)簽、視頻攝像機(jī)、各種傳感器等自動(dòng)化采集技術(shù)，或以人工錄入的形式進(jìn)行。數(shù)據(jù)的傳輸通過(guò)電纜、LoRa、窄帶物聯(lián)網(wǎng)、WiFi、藍(lán)牙、4G/5G等有線或無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行。物聯(lián)網(wǎng)是智能建造系統(tǒng)中的“神經(jīng)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)智能建造體系中的前端感知和終端執(zhí)行[52]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在施工中通常用于對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)人員、機(jī)械、材料、施工方法、施工環(huán)境等要素的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，如圖5所示。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

人員管理方面，通過(guò)具有RFID芯片的安全帽等可穿戴設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)施工人員身份管理、定位追蹤、安全預(yù)警等功能[53-54]。機(jī)械管理方面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)控，如追蹤機(jī)械設(shè)備的分布狀況和運(yùn)動(dòng)軌跡、對(duì)塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)和作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)控、盾構(gòu)油液狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)等[54-57]。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也可用于遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化的施工設(shè)備。材料管理方面，通過(guò)二維碼、RFID、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，在預(yù)制構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)、堆放、出堆、吊裝等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的追蹤和管理[58]。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)施工材料的定位和管理，簡(jiǎn)化材料的收發(fā)和庫(kù)內(nèi)盤(pán)點(diǎn)。施工方法管理方面，可實(shí)現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)如高支模架體穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性、受施工影響既有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、工地非法入侵檢測(cè)、個(gè)人防護(hù)裝備使用情況等[59-63]。施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)如混凝土施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)、混凝土強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、混凝土振搗質(zhì)量監(jiān)測(cè)、大體積混凝土澆筑溫度信息采集等[64-67]。施工過(guò)程控制如預(yù)制構(gòu)件吊裝控制、施工數(shù)據(jù)采集等[68-71]。環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)各種傳感器和有線或無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行噪聲、揚(yáng)塵等環(huán)保監(jiān)控、遠(yuǎn)程視頻采集、基坑變形監(jiān)測(cè)等[72]。

3.4 人工智能技術(shù)應(yīng)用

人工智能技術(shù)的應(yīng)用是智能建造中“智能”的體現(xiàn)之一，在智能建造中起到“大腦”的作用。人工智能技術(shù)以智能算法為載體，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的多源多維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的智能監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和控制。人工智能技術(shù)在施工中有以下應(yīng)用，如圖6所示。

圖6 人工智能技術(shù)應(yīng)用

進(jìn)度管理方面，可利用人工智能技術(shù)進(jìn)行施工進(jìn)度的自動(dòng)生成、優(yōu)化和預(yù)測(cè)，如利用基于人工智能的推理模型來(lái)預(yù)測(cè)項(xiàng)目的生產(chǎn)力、利用進(jìn)化模糊支持向量機(jī)預(yù)測(cè)變更引起的生產(chǎn)力損失、利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)—長(zhǎng)短時(shí)記憶模型估計(jì)工程竣工進(jìn)度、基于圖像識(shí)別的施工進(jìn)度的自動(dòng)識(shí)別等[73-76]。

質(zhì)量管理方面，人工智能技術(shù)可進(jìn)行施工過(guò)程控制和施工質(zhì)量智能檢測(cè)。對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行控制以保證質(zhì)量，如預(yù)應(yīng)力拉索的智能張拉、預(yù)測(cè)滲透注漿中水泥漿的結(jié)漿性能、預(yù)測(cè)大體積混凝土澆筑時(shí)的溫度和溫度應(yīng)力變化、混凝土智能養(yǎng)護(hù)等[77-81]。利用人工智能方法對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行檢查，如混凝土表面裂縫檢測(cè)、混凝土振動(dòng)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等[82,66]。

安全管理方面，人工智能技術(shù)的應(yīng)用集中于安全風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和安全措施的檢查方面，如施工機(jī)械操作員的疲勞作業(yè)檢測(cè)、施工中不安全行為預(yù)警、安全帽佩戴檢測(cè)、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等[83-88]。

成本管理方面包括施工成本的預(yù)測(cè)和控制，如工程造價(jià)估算、機(jī)械數(shù)量的合理安排、輔助制定進(jìn)度計(jì)劃和資源配置方案等[89-91]。

人工智能技術(shù)可用輔助現(xiàn)場(chǎng)施工，如塔式起重機(jī)的自動(dòng)化規(guī)劃、施工過(guò)程中變形情況的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)、隧道圍巖的自動(dòng)分級(jí)、施工機(jī)械位置和姿態(tài)的確定、機(jī)械工作參數(shù)的預(yù)測(cè)等[92-97]。

3.5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是一種計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可在其中創(chuàng)建和瀏覽虛擬世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)屏幕查看所不能達(dá)到的沉浸式體驗(yàn)，使信息的表達(dá)更加直觀，有利于非專(zhuān)業(yè)人員快速理解設(shè)計(jì)意圖。在土木工程中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)，通常以BIM模型等為基礎(chǔ)，導(dǎo)入到專(zhuān)用的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中并制作成動(dòng)畫(huà)等形式，體驗(yàn)者通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡等專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行體驗(yàn)。但虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求較高，且需要專(zhuān)用軟件和專(zhuān)用設(shè)備，限制了虛擬現(xiàn)實(shí)在土木工程施工中的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用主要在于應(yīng)用其沉浸式體驗(yàn)的特點(diǎn)，其具體應(yīng)用點(diǎn)如圖7所示。

圖7 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

施工安全方面，通過(guò)建立虛擬現(xiàn)實(shí)安全體驗(yàn)館，基于BIM模型呈現(xiàn)逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在其中模擬安全事故的情景，并展示安全事故中錯(cuò)誤和正確的操作，使施工人員身臨其境地感受安全事故的危害，幫助施工人員規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)，提高安全生產(chǎn)和自我保護(hù)的意識(shí)[98]。

技術(shù)指導(dǎo)方面，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以更直觀地對(duì)施工操作過(guò)程進(jìn)行展示，可使非專(zhuān)業(yè)人員更快地掌握操作要領(lǐng)，提高技術(shù)指導(dǎo)的效率。目前虛擬現(xiàn)實(shí)已應(yīng)用于施工技術(shù)交底、大型機(jī)械操作培訓(xùn)、建筑設(shè)備安裝指導(dǎo)等方面[99-102]。

虛擬展示方面，結(jié)合BIM技術(shù)，可身臨其境地查看設(shè)計(jì)成果、工藝工法等，使體驗(yàn)者獲得更加直觀的感受。利用施工工藝的精細(xì)化BIM模型可創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)工藝樣板，具有不受場(chǎng)地限制、節(jié)省施工用地、節(jié)省樣板費(fèi)用、可重復(fù)利用等特點(diǎn)[103]。虛擬樣板間通過(guò)建立工程完工后的高精度模型，在模型中進(jìn)行虛擬漫游，提前體驗(yàn)工程完工后的效果[99]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可用于查看設(shè)計(jì)成果，在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中查看BIM模型[104]。

協(xié)同決策方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更加直觀的成果展示，并可多人同時(shí)進(jìn)行查看，便于進(jìn)行協(xié)同工作。虛擬現(xiàn)實(shí)可用于施工場(chǎng)地布局規(guī)劃工作，可進(jìn)行碰撞檢測(cè)、施工現(xiàn)場(chǎng)布局場(chǎng)景評(píng)估等[105]。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)提供的交互式沉浸環(huán)境，項(xiàng)目相關(guān)人員可與三維模型進(jìn)行交互，進(jìn)行協(xié)同深化設(shè)計(jì)[65]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可用于施工監(jiān)控，在虛擬環(huán)境中查看不同時(shí)間和不同空間中工程的施工進(jìn)度情況。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中查看進(jìn)度模擬成果和實(shí)際施工進(jìn)度，可直觀展示項(xiàng)目形象進(jìn)度[99]。也可對(duì)某一重點(diǎn)施工過(guò)程的施工情況進(jìn)行查看[106]。

3.6 三維掃描技術(shù)應(yīng)用

三維掃描技術(shù)以激光測(cè)距的原理為基礎(chǔ)，快速獲取物體表面大量而密集的點(diǎn)的坐標(biāo)等信息，相當(dāng)于一個(gè)高速測(cè)量的全站儀，其成果表現(xiàn)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維掃描具有非接觸、高速測(cè)量、高精確度、高密度、穿透性、全自動(dòng)等特點(diǎn)[107]。三維掃描可用于建筑物等的逆向工程，通過(guò)掃描工程實(shí)體獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型，與由模型通過(guò)加工制造得到工程實(shí)體的過(guò)程相反[108]。與全站儀相比，三維掃描儀可自動(dòng)化地快速測(cè)量海量點(diǎn)的坐標(biāo)，在常規(guī)方法需要較多控制點(diǎn)的異形結(jié)構(gòu)測(cè)量中，可大大提高測(cè)量的效率。同時(shí)，與理想化的設(shè)計(jì)模型不同，點(diǎn)云模型真實(shí)反映了掃描對(duì)象的狀態(tài)，包含了制造誤差、施工誤差、結(jié)構(gòu)變形等信息。三維掃描技術(shù)的應(yīng)用，主要是對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和點(diǎn)云模型的應(yīng)用。三維掃描技術(shù)在施工中的具體應(yīng)用點(diǎn)如圖8所示。

圖8 三維掃描技術(shù)應(yīng)用

深化設(shè)計(jì)方面，以先期施工的土建等部分的點(diǎn)云模型為依據(jù)得到修正的BIM模型，進(jìn)行機(jī)電、幕墻等的深化設(shè)計(jì)，可減少因施工誤差引起的碰撞[108-109]。預(yù)制鋼構(gòu)件的點(diǎn)云模型可用于逆向建立構(gòu)件三維模型，可在虛擬預(yù)拼裝時(shí)考慮加工誤差[110]。

變形監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)定期連續(xù)的掃描工作可獲得被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間的幾何信息，進(jìn)而獲取被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變形情況?；庸こ讨校S掃描技術(shù)已應(yīng)用于基坑本身的變形和基坑周邊建筑沉降等的監(jiān)測(cè)[111-112]。主體結(jié)構(gòu)施工中，可用于施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)，如鋼結(jié)構(gòu)建筑的變形監(jiān)測(cè)、公路擋土墻位移監(jiān)測(cè)等[113-115]。在隧道工程中，可通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)隧道斷面變化的情況，進(jìn)而進(jìn)行圍巖變形的監(jiān)測(cè)[110]。

質(zhì)量檢查方面，通過(guò)點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)BIM模型的對(duì)比，可在軟件中測(cè)量出實(shí)際結(jié)構(gòu)和圖紙間的誤差。應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件的幾何質(zhì)量檢測(cè)，施工過(guò)程中安裝精度的檢查[107]，施工誤差如平整度和垂直度、預(yù)埋件安裝位置、幕墻板塊安裝等的測(cè)量[107,117-121]。高精度的三維掃描還可用于缺陷的檢查，如外保溫系統(tǒng)空鼓、脫落缺陷，混凝土表面剝落缺陷的檢測(cè)等[122-124]。在質(zhì)量檢查的同時(shí)，還可利用逆向建模的方法建立與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的模型，進(jìn)行有限元分析以考察結(jié)構(gòu)的受力變化[125-126]。

進(jìn)度檢查方面，三維掃描技術(shù)以其快速逆向建模的特點(diǎn)為快速數(shù)量統(tǒng)計(jì)提供了有效途徑，如施工現(xiàn)場(chǎng)土方量等工程量的統(tǒng)計(jì)，還可與BIM結(jié)合確定各個(gè)施工階段的工作量[127-128]。通過(guò)低精度的3D掃描設(shè)備可快速建立4D竣工BIM模型，通過(guò)連續(xù)的定期掃描檢查施工進(jìn)度[129]。

進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)的改造修復(fù)等工作時(shí)，三維掃描技術(shù)可在設(shè)計(jì)圖紙缺失的情況下對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)原，通過(guò)逆向工程的方法得到既有結(jié)構(gòu)的BIM模型[130-131]?？⒐y(cè)量中，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速逆向建模中也有應(yīng)用三維掃描技術(shù)[132]。

3.7 智能裝備及建筑機(jī)器人

建筑施工的無(wú)人化、少人化意味著在施工過(guò)程中采用自動(dòng)化的施工設(shè)備和技術(shù)。智能裝備和建筑機(jī)器人可自動(dòng)執(zhí)行建筑施工工作，可以按計(jì)算機(jī)程序或人類(lèi)的指令工作，代替或協(xié)助人完成施工任務(wù)[133]。在智能建造體系中，建筑機(jī)器人用于控制指令的執(zhí)行。

在預(yù)制工廠中，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)具有制造業(yè)工廠生產(chǎn)的特點(diǎn)，生產(chǎn)環(huán)境較為簡(jiǎn)單，為智能制造技術(shù)的應(yīng)用提供了便利，智能裝備和智能機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工廠等場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制生產(chǎn)的自動(dòng)化。然而在現(xiàn)場(chǎng)施工中，建筑機(jī)器人通常面臨現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量不完善、公差較大、工件不確定性較大等問(wèn)題，這與制造機(jī)器人十分不同[134]。與制造業(yè)另外一點(diǎn)不同在于建筑業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)采用產(chǎn)品不動(dòng)、設(shè)備移動(dòng)的生產(chǎn)方式，而施工現(xiàn)場(chǎng)較為惡劣的環(huán)境為智能設(shè)備和建筑機(jī)器人的移動(dòng)制造了困難。對(duì)于傳統(tǒng)的施工過(guò)程，建筑機(jī)器人的研發(fā)需要理解施工步驟背后的物理原理，且不同工序之間施工環(huán)境、施工方法、質(zhì)量要求等存在很大差異，一般需要對(duì)不同施工過(guò)程研發(fā)專(zhuān)用機(jī)器人。這些問(wèn)題對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和機(jī)器人的應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因此目前智能裝備和建筑機(jī)器人在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用不多，大部分施工過(guò)程仍以人工作業(yè)為主[135]。建筑機(jī)器人和智能裝備在施工中的應(yīng)用如圖9所示。

圖9 智能裝備和建筑機(jī)器人

在工廠加工階段，建筑部品部件生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化程度已大大提高。自動(dòng)化火焰切割設(shè)備、焊接機(jī)器人、智能化鋼筋加工設(shè)備、混凝土澆筑機(jī)器人、PC構(gòu)件加工流水線等自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了鋼構(gòu)件、預(yù)制混凝土構(gòu)件等預(yù)制部品部件的自動(dòng)化生產(chǎn)，將部分現(xiàn)場(chǎng)施工的工序轉(zhuǎn)移到了工廠中[136-138]。

對(duì)現(xiàn)有的施工機(jī)械進(jìn)行智能化改造是實(shí)現(xiàn)土木工程施工自動(dòng)化的途徑之一。目前已有對(duì)推土機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、壓路機(jī)等設(shè)備進(jìn)行智能化改造，增加自動(dòng)控制模塊，結(jié)合BIM、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械的自動(dòng)控制，工人無(wú)需操作或僅進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作即可完成相應(yīng)的施工過(guò)程。例如公路工程中使用的路面無(wú)人智能化集群施工技術(shù)，使用智能化的攤鋪機(jī)、壓路機(jī)等協(xié)同進(jìn)行路面鋪設(shè)；盾構(gòu)施工中可實(shí)現(xiàn)混凝土自動(dòng)布料、澆筑情況監(jiān)控、自動(dòng)化振搗等功能的智能化襯砌臺(tái)車(chē)；在鐵路工程中使用的智能化整平機(jī)、智能化鋪軌機(jī)等[139-141]。

已有部分施工工序通過(guò)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用設(shè)備的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)或人機(jī)協(xié)作的施工方式。在工地測(cè)量和測(cè)設(shè)中，自動(dòng)化的測(cè)量機(jī)器人已經(jīng)較為成熟，可依據(jù)移動(dòng)設(shè)備的指令或BIM模型，自動(dòng)指向放樣方位或追蹤并指導(dǎo)棱鏡移動(dòng)直至到達(dá)放樣點(diǎn)，已用于地下管線、高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)工程、水電工程等的放樣定位工作[142-145]。在隧道工程中，盾構(gòu)施工也向著自動(dòng)化智能化方向發(fā)展，如換刀工序中換刀機(jī)器人的使用實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)換刀，完全代替人工換刀，避免了盾構(gòu)換刀過(guò)程中工人的安全風(fēng)險(xiǎn)[146]。房建工程中，根據(jù)施工工藝的不同，在混凝土布料、地面抹平、砌磚、鉆孔、地面研磨等工序已有相應(yīng)類(lèi)型的智能機(jī)器人投入現(xiàn)場(chǎng)使用[147-148]。

4 總結(jié)與展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、智能建造理念的提出和推廣，BIM，GIS、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)已大量應(yīng)用于土木工程施工過(guò)程中。這些新一代信息技術(shù)極大地提升了土木工程施工的信息化水平，在一定程度上改變了施工管理的方式，使土木工程施工趨向數(shù)字化、智能化管理。信息技術(shù)的應(yīng)用還擴(kuò)展了施工管理人員的能力，實(shí)現(xiàn)了一些原本人工難以完成的工作，同時(shí)提高了施工和管理的效率。信息技術(shù)帶來(lái)的另一個(gè)改變是在一定程度上消除了信息孤島，使施工過(guò)程中產(chǎn)生的信息在工程參與各方之間快速流轉(zhuǎn)，使得施工各參與方能夠更快地對(duì)工程中出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行反應(yīng)。智能建造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)的“智能感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制”，實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程的智能化閉環(huán)管理。

然而智能建造尚處于發(fā)展的初級(jí)階段，智能建造技術(shù)仍不能滿足建筑業(yè)信息化、智能化轉(zhuǎn)型的要求。具體表現(xiàn)可總結(jié)如下。

1)智能建造技術(shù)仍以單點(diǎn)應(yīng)用為主，其應(yīng)用點(diǎn)較為零散，集成度不高。目前智能建造技術(shù)在施工中的應(yīng)用多聚焦于某一施工過(guò)程或施工管理的某一方面，也有部分項(xiàng)目采用了具有一定集成度的智能化管理平臺(tái)，將部分施工管理流程信息化。但是目前仍少見(jiàn)集成度較高的智能化施工管理系統(tǒng)。

2)現(xiàn)有施工管理流程與方法存在不適應(yīng)智能建造技術(shù)的方面。在推行智能建造技術(shù)的同時(shí)，也帶來(lái)了新的管理流程和管理方法，但目前建筑業(yè)仍采用傳統(tǒng)的管理方式對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行管理，智能建造技術(shù)有時(shí)會(huì)與現(xiàn)行管理規(guī)定等發(fā)生沖突，導(dǎo)致管理人員在采用智能建造技術(shù)的同時(shí)保留傳統(tǒng)的管理模式，造成了浪費(fèi)和冗余，智能建造技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)在一定程度上被抵消。

3)智能建造技術(shù)對(duì)于施工過(guò)程的感知和分析已有較多應(yīng)用，但智能化裝備和建筑機(jī)器人的應(yīng)用僅限于部分施工工作，大部分施工工作仍由人工進(jìn)行。同時(shí)由于不同施工工作使用的工藝不同，需對(duì)每一種工藝研發(fā)專(zhuān)用機(jī)器人，使得建筑機(jī)器人的應(yīng)用較為緩慢。

展望智能建造技術(shù)及其工程應(yīng)用的發(fā)展，可在以下幾個(gè)方面取得新的進(jìn)展。

1)智能建造技術(shù)應(yīng)用的高度集成化。隨著智能建造技術(shù)的發(fā)展，智能建造技術(shù)的局部應(yīng)用將不斷增多。可在大量局部應(yīng)用的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)集成化的智能建造管理平臺(tái)，將施工管理全過(guò)程納入平臺(tái)之中，不僅為施工管理人員提供統(tǒng)一入口，同時(shí)有利于進(jìn)一步消除信息孤島，使信息更加流暢地在工程各參與方之間流轉(zhuǎn)，提高施工管理的效率。

2)管理模式和管理制度的變革。智能建造技術(shù)的應(yīng)用將帶來(lái)管理模式等的變化，未來(lái)可通過(guò)創(chuàng)新管理模式，建立與智能建造技術(shù)相適應(yīng)的管理流程和管理制度，使技術(shù)發(fā)展與管理變革形成合力，鼓勵(lì)更多的建筑企業(yè)采用新的技術(shù)和管理模式。同時(shí)，隨著智能建造技術(shù)進(jìn)一步消除信息孤島，參建各方在工程建設(shè)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將進(jìn)一步透明化，將為工程建設(shè)管理模式帶來(lái)更加徹底的變革。

3)推動(dòng)建筑機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用。可通過(guò)已經(jīng)較為成熟的數(shù)據(jù)采集技術(shù)采集施工過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，分析施工工藝背后的規(guī)律和原理?？蛇M(jìn)一步研發(fā)適合機(jī)器人自動(dòng)化施工的施工工藝，對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改變，從而將更多的施工工作自動(dòng)化。

4)加強(qiáng)多學(xué)科聯(lián)合。智能建造技術(shù)的發(fā)展不僅涉及傳統(tǒng)的土木工程，還涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)、管理等多個(gè)學(xué)科。智能建造技術(shù)的發(fā)展需要由多個(gè)學(xué)科進(jìn)行合作，充分利用不同學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)智能建造新技術(shù)的研發(fā)。

智能建造是土木工程行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展的重要手段。智能建造技術(shù)將隨著信息技術(shù)的進(jìn)步而獲得更大的發(fā)展。智能建造技術(shù)將整合建設(shè)工程各階段和各參與方，減少和消除信息壁壘，實(shí)現(xiàn)建筑物全生命期的高質(zhì)量管理。

展望未來(lái)，智能建造不僅僅是一項(xiàng)通用技術(shù)，也將會(huì)成為信息化社會(huì)中人類(lèi)建造和改造世界的方法論之一。智能建造還將成為支撐社會(huì)建設(shè)智能化和產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的發(fā)展范式，智能化設(shè)計(jì)、智能化施工、智能化運(yùn)維等智能化建筑技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)社會(huì)建設(shè)的智能化轉(zhuǎn)型，自動(dòng)化工業(yè)、自動(dòng)化農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化、智能化技術(shù)將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化轉(zhuǎn)型。同時(shí)，“模型+機(jī)理”是智能建造落地的關(guān)鍵所在，構(gòu)建分領(lǐng)域、分行業(yè)的包含機(jī)理模型、信息驅(qū)動(dòng)模型、物理實(shí)體、邏輯對(duì)象的智能建造模型全景圖譜將助力智能建造技術(shù)的落地應(yīng)用，真正發(fā)揮智能建造的價(jià)值。