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專家視角|智慧建造技術體系

一、智慧建造技術體系


智慧建造技術的發展在國外已經得到了普遍的推廣與應用,在國內也正處在推廣應用的火熱階段,這個技術體系分為四個階層,如圖1.24所示:

1)第一層是處于最底層的是新材料、信息通訊技術和生物技術等通用技術,這一層的技術為基礎技術,是上層技術的支撐技術,為更高級的技術提供技術支持;

2)第二個層次是傳感器、3D打印、工業機器人等智能建造裝備和方法,該層為設備、設施技術,使建筑在施工過程中更加智能化;

3)第三層面是廣泛應用了智能建造裝備的智能工廠,在這一層將建筑的一些構件放到工廠里,通過智能建造技術和智能裝備將建筑構件更快更好的制作完成;

4)第四層是處于智慧建造技術系統最高層次的數字物理系統或產業互聯網,這個層面的技術是真正系統層面的應用。

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一、智慧建造技術體

二、智慧建造技術應用


1BIM技術

我國的BIM技術應用剛剛起步,起點較低,但發展速度快,國內大多數大型建筑企業都有非常強烈的應用BIM提升生產效率的意識,并逐漸在一些項目上開展了試點應用,各級政府不斷推出BIM應用推廣的政策,呈現政府和企業雙管齊下,多渠道推動的態勢。目前設計企業應用BIM的主要內容:第一,方案設計:使用BIM技術能進行造型、體量和空間分析外,還可以同時進行能耗分析和建造成本分析等,使得初期方案決策更具有科學性。第二,擴初設計:建筑、結構、機電各專業建立BIM模型,利用模型信息進行能耗、結構、聲學、熱工、日照等分析,進行各種干涉檢查和規范檢查,以及進行工程量統計。第三,施工圖:各種平面、立面、剖面圖紙和統計報表都從BIM模型中得到。第四,設計協同:設計有上十個甚至幾十個專業需要協調,包括設計計劃,互提資料、校對審核、版本控制等。第五,設計工作重心前移:目前設計師50%以上的工作量用在施工圖階段,BIM可以幫助設計師把主要工作放到方案和擴初階段,使得設計師的設計工作集中在創造性勞動上。

目前施工企業應用BIM的主要內容:第一,錯漏碰缺檢查,最大程度減少返工;第二,模擬施工方案,有效協同參建方;第三,三維模型渲染,VR宣傳展示;第四,進行知識管理,降低學習曲線。目前運維階段BIM的應用主要有:第一,空間管理;第二,設施管理;第三,隱蔽工程管理。

a.BIMGIS集成技術

BIM(Building Information System)是隨著信息技術在建筑行業中應用的深入和發展而出現的,是一種將數字化的三維建筑模型作為核心應用于建筑工程的設計、施工等過程中的工作方法。GIS(Geographic Information System)是以測繪測量為基礎,以地理空間數據為操作對象,以計算機編程為平臺的空間分析技術。欲將BIMGIS技術相融合,首先應對兩項技術做深入比較分析,進而探討技術融合的手段,BIM技術與GIS技術的融合并不是簡單的將兩個技術中的功能直接組合這么簡單,需要建立三維城市模型數據交換標準,可將BIM中的數據導入GIS軟件,同時將GIS中的數據應用于BIM中。這樣,BIM數據作為地理信息系統重要的數據源,用來生成數字城市三維模型,而GIS中的數據作為空間數據,可應用于新的建筑信息模型建立時的基本數據。

b.BIMVR集成技術

虛擬現實,也稱作虛擬環境或虛擬真實環境,是一種三維環境技術,集先進的計算機技術、傳感與測量技術、仿真技術、微電子技術等為一體,借此產生逼真的視、聽、觸、力等三維感覺環境,形成一種虛擬世界。虛擬現實技術是人們運用計算機對復雜數據進行的可視化操作,與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比,虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。

BIM技術的理念是建立涵蓋建筑工程全生命周期的模型信息庫,并實現各個階段、不同專業之間基于模型的信息集成和共享。BIM與虛擬現實技術集成應用,主要內容包括虛擬場景構建、施工進度模擬、復雜局部施工方案模擬、施工成本模擬、多維模型信息聯合模擬以及交互式場景漫游,目的是應用BIM信息庫,輔助虛擬現實技術更好地在建筑工程項目全生命周期中應用。

目前國外在視頻拍攝、電子游戲等領域已經有了完善的VR產品,在工業設計中谷歌、微軟、索尼等產品逐漸進入工業設計中。歐美知名建筑設計公司目前已在建筑設計模型測試中使用VR技術,英國IVR NATION公司搭建了的VR模型應用于建筑設計,模型真實度達到90%

建筑的全生命周期包括設計、施工和運維等階段,在不同的階段,VR都可能起到一定作用。

設計階段

設計階段VR的應用范疇包括設計本身及設計成果的展示,其中設計包括建筑設計和室內設計。

施工階段

與增強現實相比,虛擬現實在施工中的應用前景相對小一些,但是仍然有不錯的效果,如VR可以幫助施工方預先模擬施工過程,也可以使用建造的虛擬環境對工人進行安全教育、業務流程培訓等。

c.BIM3D打印技術

3D打印技術是一種基于3D模型數據,采用通過分層制造,逐層疊加的方式形成三維實體的技術,即增材制造技術。根據成型的不同,3D打印技術大致可以分為4種,成型類型如表1.9所示。此外,根據材料和打印工藝也可劃分成以下3類:基于混凝土分層噴擠疊加的增材建造方法、基于砂石粉末分層粘合疊加的增材建造方法和大型機械臂驅動的材料三維構造建造方法。3D打印技術涉及信息技術、材料技術和精密機械等多個方面,與傳統行業相比較,3D打印技術不僅能提高材料的利用效率,還能用更短的時間打印出比較復雜的產品。

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BIM—3D技術能否應用的關鍵是需要打破BIM技術與3D打印技術之間的壁壘,將BIM技術與3D打印技術很好地融合,發揮各自的優勢,在應用中創造更大的價值。在研究BIM技術和3D打印技術特點及優勢的基礎上,提出BIM—3D技術融合的運行流程,以期望實現建筑行業工業化的生產流程,促進建筑行業向更好的方向發展。

BIM3D打印的集成應用,主要是在設計階段利用3D打印機將BIM模型微縮打印出來,供方案展示、審查和進行模擬分析;在建造階段采用3D打印機直接將BIM模型打印成實體構件和整體建筑,部分替代傳統施工工藝來建造建筑。BIM3D打印的集成應用,可謂兩種革命性技術的結合,為建筑從設計方案到實物的過程開辟了一條高速公路,也為復雜構件的加工制作提供了更高效的方案。目前,BIM3D打印技術集成應用有三種模式:基于BIM的整體建筑3D打印、基于BIM3D打印制作復雜構件、基于BIM3D打印的施工方案實物模型展示。

基于BIM的整體建筑3D打印。應用BIM進行建筑設計,將設計模型交付專用3D打印機,打印出整體建筑物。

基于BIM3D打印制作復雜構件。傳統工藝制作復雜構件,受人為因素影響較大,精度和美觀度不可避免地會產生偏差,而3D打印機由計算機操控,只要有數據支撐,便可將任何復雜的異型構件快速、精確地制造出來。

基于BIM3D打印的施工方案實物模型展示。用3D打印制作的施工方案微縮模型,可以輔助施工人員更為直觀地理解方案內容,攜帶、展示不需要依賴計算機或其他硬件設備,還可以360度全視角觀察,克服了打印3D圖片和三維視頻角度單一的缺點。

隨著各項技術的發展,現階段BIM3D打印技術集成存在的許多技術問題將會得到解決,3D打印機和打印材料價格也會趨于合理,應用成本下降也會擴大3D打印技術的應用范圍,提高施工行業的自動化水平。雖然在普通民用建筑大批量生產的效率和經濟性方面,3D打印建筑較工業化預制生產沒有優勢,但在個性化、小數量的建筑上,3D打印的優勢非常明顯。隨著個性化定制建筑市場的興起,3D打印建筑在這一領域的市場前景非常廣闊。

d.BIM3D掃描技術

3D掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術,主要用于對物體空間外形、結構及色彩進行掃描,以獲得物體表面的空間坐標,具有測量速度快、精度高、使用方便等優點,且其測量結果可直接與多種軟件接口。3D激光掃描技術又被稱為實景復制技術,采用高速激光掃描測量的方法,可大面積高分辨率地快速獲取被測量對象表面的3D坐標數據,為快速建立物體的3D影像模型提供了一種全新的技術手段。

3D激光掃描技術可有效完整地記錄工程現場復雜的情況,通過與設計模型進行對比,直觀地反映出現場真實的施工情況,為工程檢驗等工作帶來巨大幫助。同時,針對一些古建類建筑,3D激光掃描技術可快速準確地形成電子化記錄,形成數字化存檔信息,方便后續的修繕改造等工作。此外,對于現場難以修改的施工現狀,可通過3D激光掃描技術得到現場真實信息,為其量身定做裝飾構件等材料。BIM3D掃描集成,是將BIM模型與所對應的3D掃描模型進行對比、轉化和協調,達到輔助工程質量檢查、快速建模、減少返工的目的,可解決很多傳統方法無法解決的問題。

BIM3D激光掃描技術的集成,越來越多地被應用在建筑施工領域,在施工質量檢測、輔助實際工程量統計、鋼結構預拼裝等方面體現出較大價值。

上海中心大廈項目引入大空間3D激光掃描技術,通過獲取復雜的現場環境及空間目標的3D立體信息,快速重構目標的3D模型及線、面、體、空間等各種帶有3D坐標的數據,再現客觀事物真實的形態特性。同時,將依據點云建立的3D模型與原設計模型進行對比,檢查現場施工情況,并通過采集現場真實的管線及龍骨數據建立模型,作為后期裝飾等專業深化設計的基礎。BIM3D掃描技術的集成應用,不僅提高了該項目的施工質量檢查效率和準確性,也為裝飾等專業深化設計提供了依據。

e.BIM與智能全站儀技術

施工測量是工程測量的重要內容,包括施工控制網的建立、建筑物的放樣、施工期間的變形觀測和竣工測量等內容。

近年來,外觀造型復雜的超大、超高建筑日益增多,測量放樣主要使用全站型電子速測儀(簡稱全站儀)。隨著新技術的應用,全站儀逐步向自動化、智能化方向發展。智能型全站儀由馬達驅動,在相關應用程序控制下,在無人干預的情況下可自動完成多個目標的識別、照準與測量,且在無反射棱鏡的情況下可對一般目標直接測距。

BIM與智能型全站儀集成應用,是通過對軟件、硬件進行整合,將BIM模型帶入施工現場,利用模型中的三維空間坐標數據驅動智能型全站儀進行測量。二者集成應用,將現場測繪所得的實際建造結構信息與模型中的數據進行對比,核對現場施工環境與BIM模型之間的偏差,為機電、精裝、幕墻等專業的深化設計提供依據。同時,基于智能型全站儀高效精確的放樣定位功能,結合施工現場軸線網、控制點及標高控制線,可高效快速地將設計成果在施工現場進行標定,實現精確的施工放樣,并為施工人員提供更加準確直觀的施工指導。此外,基于智能型全站儀精確的現場數據采集功能,在施工完成后對現場實物進行實測實量,通過對實測數據與設計數據進行對比,檢查施工質量是否符合要求。

與傳統放樣方法相比,BIM與智能型全站儀集成放樣,精度可控制在3毫米以內,而一般建筑施工要求的精度在1~2厘米,遠超傳統施工精度。傳統放樣最少要兩人操作,BIM與智能型全站儀集成放樣,一人一天可完成幾百個點的精確定位,效率是傳統方法的6~7倍。

目前,國外已有很多企業在施工中將BIM與智能型全站儀集成應用進行測量放樣,而我國尚處于探索階段,只有深圳市城市軌道交通9號線、深圳平安金融中心和北京望京SOHO等少數項目應用。未來,二者集成應用將與云技術進一步結合,使移動終端與云端的數據實現雙向同步;還將與項目質量管控進一步融合,使質量控制和模型修正無縫融入原有工作流程,進一步提升BIM應用價值。

23D打印技術

3D打印(3Dimensional Printing)自問世以來便受到了廣泛關注,它不同于普通打印機以墨水和紙張為主進行生產工作,而是以金屬、陶瓷、塑料、砂等實實在在的原材料進行生產工作。隨著時代的發展,綠色建筑生態建筑環保建筑等這些新興理念在建筑領域得到了廣泛的宣傳,通過3D打印技術生產出來的產品能夠滿足建筑領域的使用。它不僅滿足國家提出的產業轉型的要求,更是為我國建筑業發展指明了方向。

3D打印技術應用的十分廣泛,在建筑領域中如果有完整的規范,它將有替代傳統建筑方法的趨勢。隨著信息資源的共享交流加快,許多方面都與國際逐漸接軌,因此人們在生活許多方面都有越來越多的要求,在建筑領域也不例外,新型的建筑設計要求越發復雜化,3D打印技術促進了建筑領域的發展也成為了現在必不可少的新工具。

3D打印技術在建筑領域的應用主要分為兩個方面:建筑設計階段和工程施工階段。建筑設計階段主要是制作建筑模型,在這個階段設計師可以將虛擬模型直接打印為建筑模型;工程施工階段主要是利用3D打印技術建造建筑,通過油墨即可快速完成工作。這樣節省能耗,有利于推進城市化進程和城鎮化建設。

a.設計階段的應用

對建筑工程而言,設計工作永遠占有主要的地位,并且會對后續的建造、驗收、使用等,產生持續的影響。3D打印技術在建筑領域的設計階段應用后,整體上取得了非常好的成績。首先,設計工作結合3D打印技術后,能夠對很多的創意想法進行分析,提高了多種不同建筑類型的可行性,對現實的施工產生了較強的指導作用。其次,在運用該項技術后,能夠對部分特殊設計,提前做出有效的預估,獲得最直觀的感受,設定好相應的輔助措施,彌補不足與缺失,確保建筑工程在最終可以得到較高的成績。

b.施工階段的應用

在建筑領域當中,施工階段是具體的執行階段,此時應用3D打印技術時,就必須考慮到客觀上的影響,主觀上的訴求則需要放在第二位。與以往工作不同的是,現下很多建筑工程,不僅在要求上非常高,同時在工期方面比較緊張,想要又好又快的完成工作,施工單位承擔的工作壓力是比較大的。有效應用3D打印技術以后,建筑工程的施工階段獲得了很大的轉變。

c.3D打印在建筑工程領域的前景

災后重建

3D打印建筑的成本比傳統建筑低,它十分適用于貧困群體居住和緊急安置住房,因此具有一定的需求層面。3D打印建筑建設時間短,20h可以打印出來一所300m2的房屋,在自然災害等突發狀況發生后十分適用。

建造造型多樣的建筑

3D打印建筑解決了傳統建筑的單一外觀問題,現在已經可以建造出曲面造型。設計師在未來可以通過想象創造建筑,在改變建筑結構形式的同時也為建筑領域的發展增添了新的活力。

功能強大的打印設備

未來的3D打印機可能變成將建筑物的管道、墻面抹灰、裝飾等多種功能合而為一的多功能打印機,因此建筑物的處理上具有更大的靈活性。同時,遠程操作功能若使用在3D打印機上,那么人工耗時又會有一定的降低。總之,隨著技術的不斷完善,3D打印建筑將變得越來越便利。

3)物聯網技術

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分,也是信息化時代的重要發展階段。其英文名稱是:“Internet of thingsIoT。顧名思義,物聯網就是物物相連的互聯網。這有兩層意思:其一,物聯網的核心和基礎仍然是互聯網,是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡;其二,其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間,進行信息交換和通信,也就是物物相息。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術,廣泛應用于網絡的融合中,也因此被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網是互聯網的應用拓展,與其說物聯網是網絡,不如說物聯網是業務和應用。因此,應用創新是物聯網發展的核心,以用戶體驗為核心的創新2.0是物聯網發展的靈魂。

施工階段是一個長期而復雜的生產過程,參與單位眾多、生產要素與管理要素眾多、露天工作易受多種因素與周圍環境影響。基于經驗規劃和執行項目工作采用人工搜集數據信息并監控管理項目管理工作紛繁交錯,管理人員不堪其苦。將自動化定位跟蹤技術引入施工監控管理領域,并且針對多種不同自動化定位跟蹤技術的屬性特點和不同領域的需求,為決策者的技術選擇提供決策支持,也為施工項目的參與者提供科學的監控管理方法,這是運用物聯網技術進行智慧建造的第一步,如圖1.25所示。


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? ? 近來,條形碼技術也逐漸應用于土木建筑業,比如可以應用于施工現場建筑材料的跟蹤,方便管理者加強對材料的管理,減少浪費還可以用條形碼制成施工人員的工作卡,方便對現場工作人員的控制和管理,如圖1.26所示。

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采用RFID無線射頻識別技術)和無線傳感器網絡技術,在關鍵控制點布置傳感器,監測各控制點的狀態信息,如垂直度、位移、荷載、應力等,然后將監控信息發送到安全分析與預警模塊進行安全分析。在此,RFID給每個傳感器提供了一個ID,包括傳感器的監測項目、生產廠家等,在某個傳感器監測的項目發生異常情況時,安全管理人員可以拿著手持讀寫器很方便的找到出現異常的位置,及時地采取相應措施。

a.聯網的優勢

實現智能生產


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在德國工業4.0”中,通過信息物理系統(CPS),如圖1.27所示,實現工廠/車間的設備傳感和控制層的數據與企業信息系統融合,使得生產大數據傳到云計算數據中心進行存儲、分析,形成決策并反過來指導生產。

具體而言,生產線、生產設備都將配備傳感器,抓取數據,然后經過無線通信連接互聯網,傳輸數據,對生產本身進行實時監控。而生產所產生的數據同樣經過快速處理、傳遞,反饋至生產過程中,將工廠升級成為可以管理和自身調整的智能網絡,使得工業控制和管理最優化,對有限資源進行最大限度使用,從而降低工業和資源的配置成本,使得生產過程能夠高效地進行。

過去,設備運行過程中,其自然磨損本身會使產品的品質發生一定的變化。而由于信息技術、物聯網技術的發展,現在可以通過傳感技術,實時感知數據,知道產品出了什么故障,哪里需要配件,使得生產過程中的這些因素能夠被精確控制,真正實現生產智能化。因此,在一定程度上,工廠/車間的傳感器所產生的大數據直接決定了工業4.0”所要求的智能化設備的智能水平。

此外,從生產能耗角度看,設備生產過程中利用傳感器集中監控所有的生產流程,能夠發現能耗的異常或峰值情況,由此能夠在生產過程中不斷實時優化能源消耗。同時,對所有流程的大數據進行分析,也將會整體上大幅降低生產能耗。

實現大規模定制

大數據是制造業智能化的基礎,其在制造業大規模定制中的應用包括數據采集、數據管理、訂單管理、智能化制造、定制平臺等,核心是定制平臺。定制數據達到一定的數量級,就可以實現大數據應用。通過對大數據的挖掘,實現流行預測、精準匹配、時尚管理、社交應用、營銷推送等更多的應用。同時,大數據能夠幫助制造業企業提升營銷的針對性,降低物流和庫存的成本,減少生產資源投入的風險。

利用這些大數據進行分析,將帶來倉儲、配送、銷售效率的大幅提升和成本的大幅下降,并將極大地減少庫存,優化供應鏈。同時,利用銷售數據、產品的傳感器數據和供應商數據庫的數據,制造業企業可以準確地預測全球不同市場區域的商品需求。由于可以跟蹤庫存和銷售價格,所以制造業企業便可節約大量的成本。

目前我國工程建筑行業的許多單位都已建立自己的網絡和一批應用軟件的信息中心。但由于沒有統一規劃,或者各子系統開發的間隔時間長,大部分工程建筑企業在進行信息管理軟件的開發時采用的技術互不相同,導致功能模塊之間相對獨立,數據不能共享,彼此之間處于信息孤島的陰影,無法真正實現計算資源、存儲資源、軟件資源、數據資源的共享。

因此從大數據與工程建筑行業結合的必要性來看,如果工程建筑行業電商能夠為用戶提供相應的數據云,實現數據共享,解決信息孤島問題,將會大大提高工程建筑行業的效率。

4)人工智能技術

人工智能(Artificial Intelligence,簡稱AI)是計算機學科的一個分支,二十世紀七十年代以來被稱為世界三大尖端技術之一(空間技術、能源技術、人工智能),也被認為是二十一世紀(基因工程、納米科學、人工智能)三大尖端技術之一。除了計算機科學以外,人工智能還涉及信息論、控制論、自動化、仿生學、生物學、心理學、數理邏輯、語言學、醫學和哲學等多門學科。人工智能學科研究的主要內容包括:知識表示、自動推理和搜索方法、機器學習和知識獲取、知識處理系統、自然語言理解、計算機視覺、智能機器人、自動程序設計等方面。

人工智能技術與建筑行業各專業領域知識相結合,使得人工智能技術在建筑行業中取得了非常廣泛的應用。已有許多專家系統、決策支持系統應用在建筑行業取得了很好的經濟效益和社會效益。

a.人工智能在建筑規劃中的應用

傳統的建筑施工管理,主要依賴于手工記錄施工相關流程以及代寫論文,人工繪制施工平面布置圖。隨著人工智能技術的發展和廣泛應用,綜合利用運籌學、數理邏輯學以及人工智能等技術手段進行建筑施工現場管理的方法已經得到廣泛應用。基于C/S環境架構研發的建筑企業工地管理應用系統,涵蓋了工地管理的方方面面,主要包括員工管理模塊、分包合同管理模塊、固定資產管理模塊、供應商管理模塊和財務管理模塊、施工日志管理模塊、員工考勤管理模塊與工資掛鉤細化了對分包商和供應商的管理,更加有效地控制材料進出,供應商和分包商以及員工的管理真正實現了工地物流、資金流和業務流三流合一。本系統采用強大的數據庫,具有穩定的性能、極強的數據存儲和處理能力、便捷的升級和維護服務等優點。針對工地人員復雜的特點,系統設置了嚴格的權限管理功能,確保了數據的安全性。

b.人工智能技術在建筑結構中的應用

隨著地質災害的不斷發生以及其所造成的嚴重危害,建筑結構控制與結構健康診斷就顯得尤為重要。傳統的結構系統辨識方法普遍存在難于在線識別,只適用于線性結構系統辨識、抗噪聲能力差等。近年來,隨著人工智能技術的應用,出現了人工神經網絡的結構系統辨識方法,利用模糊神經網絡強大的非線性映射能力與學習能力,以實測的結構動力響應數據建立起結構的動力特性模型。模糊神經網絡可以非常精確地預測結構在任意動力荷載作用下的動力響應,因此可以用于結構振動控制與健康診斷中,同時還可以隨時加入其它辨識方法總結出的規則,且可以做成硬件實現,具有很強的可擴展性與實用性。

人工智能技術在國內也展開了一些應用,如安徽建筑工業學院、西安交通大學等都在建筑結構領域建立了不同的專家系統。大連理工大學李守巨等運用LM神經網絡對建筑結構()結點損傷進行識別,通過測量位移來預測()結點損傷。北京交通大學鞠彥忠等采用ART2神經網絡對建筑結構損傷進行識別,采用前三階頻率和模態振型向量來預測結構損傷。沈陽工業大學楊璐等用神經網絡對簡支梁結構損傷進行預測,以受損前后一階、二階、三階、四階、五階、六階固有頻率的變化率作為輸入參數來預測損傷情況。重慶大學王波等依據我國《混凝土結構耐久性評定標準》(草案)開發了用于現役混凝土結構耐久性評估的專家系統應用軟件。其應用表明,將框架、人工神經網絡與產生式表示方法相結合進而建立神經網絡專家系統的方式是可行、有效的。

c.人工智能技術在建筑施工中的應用

人工智能技術在建筑施工中的應用主要集中在混凝土強度分析的工作中。一般來說,28天抗壓強度是衡量混凝土自身性能的重要指標,如果能夠提前對混凝土的28天強度值進行預測,工作人員就可以采取相應的措施對其進行控制,進而提高混凝土的質量。

在人工神經網絡技術應用于混凝土性能預測方面,我國天津大學的張勝利將傳統的BP網絡模型的預測結果與3種不同輸入模型的RBF網絡預測結果進行了比較和分析,最終證明了RBF網絡模型具有較強的泛化能力和極高的預測精確度,是一種新論文聯盟型的、有效的分析商品混凝土性能的方法。

d.人工智能技術在建筑工程管理中的應用

人工智能技術已應用于施工圖生成和施工現場安排、建筑工程預算、建筑效益分析等。工作人員在以往開展建筑工程施工管理工作的時候,主要是依靠手寫、手繪的方式來完成有關施工檔案的記錄和施工平面圖的繪制,而隨著人工智能技術在建筑領域里應用范圍的不斷擴大,綜合采用數理邏輯學、運籌學、人工智能等手段來進行施工管理已經得到了認可和普及。目前比較流行的基于C/S環境開發的建筑施工管理系統,已經涵蓋了包括分包合同管理、施工人員管理、原材料供應商管理、固定資產管理、企業財務管理、員工考勤管理、施工進度管理等方方面面,使對供應商和分包商的管理工作得到了進一步的細化,從而使原材料的進離場、分包商及員工管理工作更加科學、準確、快捷,實現了資金流、物資流、業務流的有機結合。

另外,建筑施工管理系統的數據庫也非常強大,具有極為強勁的數據處理和儲存能力,不僅性能穩定,升級和日常維護也非常快捷方便。另外,針對建筑施工人流復雜、密集的特點,系統還相應設置了權限管理功能,保障了施工管理數據的安全和準確性。

5)虛擬現實技術

對于虛擬現實,只要稍微對新事物有點興趣的人都不會太陌生。它與多媒體、網絡一起被認為是三大最有發展前途的計算機技術。它的英文名字是“Virtual Reality”,簡稱VR

虛擬現實:計算機科學的分支,通過可以響應用戶移動并提供實時感覺回饋的裝置來進行交互式三維建模和三維仿真的技術。虛擬現實軟件使用戶沉浸在通過使用交互設備來仿真的計算機生成的環境中。虛擬現實系統最大的特點在于它與用戶的直接交互性。在系統中,用戶可以直接控制對象的各種參數,而系統也可以實時的向用戶反饋對應的信息。

a.在工程結構分析中的應用

工程結構在各種荷載作用下的反應,當結構特殊且荷載復雜時,必須要訴諸模型試驗方能準確測出力學性能。這時,將虛擬現實技術引用在力學測試試驗中,大大簡化了實施試驗的器材和時間,并且能夠反復操作,精確地記錄每一組試驗數據,并加以匯總比較。不僅如此,傳統的力學試驗無法避免地受到外界的氣流、摩擦力的影響,不僅試驗數據有誤差,而且無法看清試驗過程。而通過計算機平臺就能輕松地解決上述問題,不僅能將外界因素導致的誤差消除,還能回放試驗過程,供測試人員仔細分析。

b.在模擬施工過程中的應用

工程項目施工是一個動態過程,涉及工序甚多,并且工序間環環相扣,某一環節間始料未及的錯誤往往牽連整個工程效率和質量,因此在正式施工啟動之前,模擬工程工作顯得至關重要。虛擬現實技術則為工程模擬提供了絕好的技術支持。一項工程在競標期間,就可以將相關數據輸入系統,由高度智能化的系統為工程作出施工方案預覽,并計算出實施該方案的成本,為施工單位報價提出有力參考。如此一來,便可以使施工單位掌握工程的主動權,搶先競爭對手一步給出最萬無一失的施工方案和最實惠的報價,提高了企業的市場競爭力和處理業務的效率。

c.在工程測量方面的應用

傳統土木工程學中的工程測量包括高程測量、角度測量和距離測量等,具體工作十分繁瑣,無論是數據記錄、數據分析還是圖紙繪制工作都需要耗費大量的人力物力和時間。而虛擬現實技術則能提供高效的測量模式,只需要數位工作人員就可以通過計算機模擬平臺操作,全面高效地管理測量數據,并作出分析通過數據分析,系統能夠發現測量中的錯誤,并糾正誤差,大大提高了測量的效率,為企業節約了時間成本和人工成本。

d.在工程管理方面的應用

要想保證企業運營的高效,必須嚴抓管理工作,這一點在建筑行業表現得尤為明顯。通過虛擬現實技術平臺,管理人員不用親赴施工現場,僅在計算機平臺就可以對施工現場的人員考勤進行明細查看,同時通過視頻監控,檢查相關人員是否上崗前嚴格遵守安全規范。此外,管理人員還能根據數據分析來查看當前的施工進程,從全局上把控施工進度,不延誤工期,不產生額外的人工費用,保障企業的經濟利益不受損。

e.虛擬現實技術在建筑領域的發展以及在建筑規劃中的發展前景

建筑物的設計是受一系列因素所影響的,既包括設計者的知識水平和生活閱歷,也受其設計經驗和空間思維等的限制。同一件建筑設計品,不同的設計者在外觀和藝術審美上也是不盡相同的,但是通過利用虛擬現實的技術可以以三維的形式通過用戶的可聽可視可觸的感官,一方面能使設計者更加有效的發揮其設計的靈感也能讓客戶在身臨其境中提出自己的一些看法和觀點,為設計工作提供便利,也節省了時間和人力資源,有提高建筑是優化設計的目的。對于任何一項建筑工程來說,規劃是非常重要的一項工作,需要考慮地形地質、氣候氣象等諸多的因素,但是在現行的規劃工作的所用的數據庫存在著很大的缺陷,例如規劃信息的存儲和查詢系統不夠完善,規劃的輔助表現集成系統科技化程度低,其主要的表現形式還停留在二維圖片上,且數字化程度高但可視化水平低。

虛擬現實技術在建筑設計中的應用研究對于建筑設計領域的發展來講有著十分重大的意義,然而,在建筑設計中應用虛擬現實技術,是一項比較復雜的且涉及到多個方面的研究,在研究時必定會遇到多種多樣的困難。因此,在今后的建筑領域的發展中,要加強對虛擬現實技術的重視和研究,并且要從虛擬現實技術的多個方面,從建筑設計的多個角度進行研究和分析,從而研究出更好、更有效的能夠促使虛擬現實技術在建筑設計中實現的方法和措施。家族企業莫坦森建設也是美國最大的私營建筑公司之一,這家公司設計了自己的虛擬現實軟件,以用于建筑項目。該公司正在使用HTC Vive進行計劃和管理,例如,在幫助醫院設計手術室時,他們會通過VR向外科醫生顯示手術室的布局,以確保一切工具和設備都位于可觸范圍之內。莫坦森建設同時還在探索增強現實技術,他們正在工地測試DAQRI的智能頭盔,把諸如管道工程這樣的內部元素投影到建筑物墻壁上。


三、未來智慧建造技術發展方向



1)智能穿戴設備將成重要裝備

智能穿戴設備,是可以直接穿在身上或整合到衣服、配件上的一種便攜式設備,借助軟件支持以及數據交互、云端交互來實現強大的功能。智能穿戴設備將成為建筑工人的重要單兵裝備,與施工環境緊密結合,為建筑施工帶來很大轉變。

智能穿戴設備在施工中的應用主要包括:智能手環可用于對現場施工人員的跟蹤管理;佩戴智能眼鏡,可將虛擬模型畫面與工程實體對比分析,及時發現并糾正問題;智能口罩上的粒子傳感器可實時監測施工作業區域空氣質量,并把定位資料和采集到的信息傳到手機上應用并共享;借助穿戴的運動攝像裝置,可記錄現場質量驗收過程等。

2)移動智能終端將成重要工具

智能終端,具有接入互聯網能力,通常搭載各種操作系統,根據用戶需求定制各種功能。常見的智能終端包括移動智能終端、車載智能終端、智能電視等。施工現場的移動智能終端正在向實用化、集成化方向發展,是智慧建造技術平臺向生產一線延伸的重要工具。

移動智能終端在施工中的應用主要包括:配合相應的項目管理系統,實時查閱施工規范標準、圖紙、施工方案等;可直接展示設計模型,向現場施工人員進行設計交底;加強施工質量、安全的過程管理,實時確認分部分項形象進度,輔助分部分項質量驗收;可現場對施工質量和安全文明施工情況進行檢查并拍照,將發現的問題和照片匯總后生成整改通知單下發給相關責任人,整改后現場核查并拍照比對;可在模型中手動模擬漫游,通過樓層、專業和流水段的過濾來查看模型和模型信息,并隨時與實體部分進行對比。同時,還可提前模擬作業通道是否保持暢通、各種設施和材料的存放是否符合安全衛生和施工總平面圖的要求等。

3)建筑機器人將成輔助工具

建筑機器人在施工中的應用主要包括:全位置焊接機器人,可用于超高層鋼結構現場安裝焊接作業,提高焊接質量,確保施工安全;超高層外表面噴涂機器人,不僅可以解決高空作業安全問題,還可提高施工速度和精度;大型板材安裝機器人,可用于大型場館、樓堂殿宇、火車站、機場裝飾用大理石壁板、玻璃幕墻、天花板等的安裝作業,無需搭建腳手架,由兩名操作工人即可完成大范圍移動作業。

云機器人是云計算與機器人學的結合。機器人本身不需要存儲所有資料信息或具備超強的計算能力,只是在需要時連接相關服務器并獲得所需信息。例如:機器人拍攝周圍環境照片并上傳到服務器端,服務器端檢索出類似的照片,并計算出機器人的行進路徑以避開障礙物,同時將這些信息儲存起來,方便其他機器人檢索。所有機器人可以共享數據庫,減少了開發人員的開發時間,還可以通過云計算實現自我學習。


技術分析

關于智慧建造技術分析的詳細介紹請見表格1.10

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作者:毛志兵 李云貴 郭海山等

來源:《建筑工程新型建造方式》

責編:皮諾


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