周緒紅院士：智能建造關鍵技術研究

2023年橋梁學術會議在江蘇張家港舉行。周緒紅院士（中國工程院院士、重慶大學鋼結構工程研究中心主任）做了題為《智能建造關鍵技術研究進展》的分享，本文就分享內容及其他網絡公開資料做了部分內容的梳理和解讀，部分觀點來自筆者，供廣大行業(yè)小伙伴鑒閱。

什么是智能建造？

關于智能建造的定義，周院士給了自己的理解：智能建造是融合新一代信息技術和工程建造技術，在工程中利用人工智能技術完成復雜建造工作的一種新型生產方式，其重點是人工智能技術，核心是機器學習、智能計算技術與工程技術相融合。智能建造涵蓋智能化設計、智能化生產、智能化施工、智能化運維等功能，已逐步應用于建筑、橋梁、公路、隧道、機場、車站、水利、能源工程等領域。智能建造不同于信息化，也不同于一般的自動化，其強調代替人做復雜的工作，具有人機交互、自主學習、自主分析、自主決策和自主優(yōu)化、判斷、預警、決策等優(yōu)勢。

在這里面有一個很重要的觀點：就是智能建造不僅僅是分析問題、發(fā)現問題，更需要提供問題的解決方案支撐決策。即對人工智能的應用，是對決策的支撐，就以碰撞檢測為例，如果只是發(fā)現碰撞點是不夠的，還要結合行業(yè)知識和機器學習提出優(yōu)化的建議，這才是智能建造不同于傳統(tǒng)信息化的一個重要支點。這樣就可以逐步降低“人”在事務決策中的不利影響（是人就會犯錯，智能化發(fā)展的趨勢就是逐步取代人類低端的思考過程），提升決策的效率和正確率。

為什么發(fā)展智能建造？

同樣，為什么要發(fā)展智能建造？我們從兩個方面給出了自己的理解：

首先是內在的需求。土木交通發(fā)展遇到了發(fā)展的瓶頸：1、人口老齡化導致了行業(yè)青壯勞動力的短缺。年輕人不愿意到工地上干活了，主要還是因為社會地位低（農民工現在逐步改為產業(yè)工人，但本質未變）、生產環(huán)境差（高溫、高空、高時長）。2、建（構）筑物建設品質要求提高。隨著社會經濟的發(fā)展，人們對物質文化的需求已經不僅局限于吃飽穿暖的階段，無論是傳統(tǒng)的民用建筑還是公共基礎設施，大眾的評判標準已經從有沒有到好不好轉變，這就對我們的建設過程和交付物提出了更高的要求。建筑物朝著更精細的方向發(fā)展，這就需要我們應用更加精密的機器和更科學的組織方式來開展我們的生產建造活動。3、環(huán)境保護形勢嚴峻。建筑業(yè)一直是能耗大戶，在節(jié)能低碳的大趨勢下如何實現建造過程的節(jié)能減排也是行業(yè)必須要思考的一個問題。智能建造的發(fā)展可以實現極大地減少現場的濕作業(yè)，減少現場加工的材料損耗并且提高建造效率，實現節(jié)能降耗的目標。

其次是外在的需求。隨著中國經濟發(fā)展重心從高速發(fā)展轉向高質量發(fā)展轉換，傳統(tǒng)建筑業(yè)粗放式的發(fā)展模式也需要隨之改變。粗放型生產方式不符合高質量發(fā)展要求，綠色化、高質量是發(fā)展的核心和最終目標，而工業(yè)化是綠色化發(fā)展的重要途徑，因此，中國必須走新型建筑工業(yè)化之路，推進新型工業(yè)化、邁向智能建造是必然趨勢。

智能建造關鍵技術——橋梁智能設計研究

橋梁設計面臨諸多問題：橋式方案的影響因素很多，需要反復地調整方案；2、結構體系、截面形式選擇靈活，建模的工作量大；3、結構的人工優(yōu)化效率極低、主觀性強。怎么解決？我們將橋梁智能設計分解成為“結構智能建模”和“結構智能優(yōu)化”兩項工作。這兩項工作相互關聯一體化完成，其中最重要的技術點是BIM模型與有限元模型之間的數據雙向傳遞問題。這個是怎么實現的呢？是通過相互間的數據映射來實現的。

智能建造關鍵技術——橋梁智能檢測與預拼裝

大型鋼結構橋梁為什么要預拼裝？大家應該都知道，大型的鋼結構在工廠加工出來以后，都需要在工廠進行預拼裝，以防止構件誤差（或者錯誤）導致的現場返工。但大型橋梁（或者復雜的鋼結構建筑物）預拼裝都需要占用非常大的場地，通常都不能完整地實現預拼裝，往往采用單元模塊化的方式預拼裝，就算這樣也往往需要占用大量的廠房和土地資源，抬高了項目實施的成本。同時，因為整個流程需要從工程預拼裝——拆卸——工地現場安裝的流程，對整個項目的是施工期也有一定的影響。

那么，基于BIM模型的預拼裝就可以很好地解決這個問題。要實現電腦上的預拼裝，首先就需要對生產出來的結構構件進行精確建模（物理構件的數字化），這里就用到了多尺度點云掃描技術。多尺度點云掃描采集構件數據，是通過陸地式掃描儀掃描構件的整體尺寸，局部細節(jié)采用手持式掃描儀掃描螺栓孔細部尺寸。通過統(tǒng)一坐標系將不同精細度的模型整合成完整構件，然后在電腦中進行虛擬拼裝。同時，我們也需要把設計BIM模型和掃描的點云模型進行擬合對比，實現設計——制造——建造的一體化。

智能建造關鍵技術——施工質量與安全的智能檢測

施工質量和安全涉及到非常多的方面，從模板工程、鋼筋工程、混凝土工程、砌體工程等方面，涉及人員安全防護、臨時用電安全、臨邊安全防護、機械設備安全防護等等，而且現場跨工種工序多、人員密集，不安全因素非常多。當前主要采用的檢測方式往往是通過人工的方式來實現的，這樣就導致了檢測效率低、及時性差并且無法實現完全覆蓋等問題?；诖耍瑘F隊采用了“檢測目標智能采集”加“智能檢測”相融合的方式，通過多源異構數據的實施自動采集收集現場數據，然后通過智能分析的方式完成“質量智能檢測”和“安全智能檢測”工作。

智能建造關鍵技術——智能建造機器人

機器人是人類生產生活的重要工具和應對人口老齡化的得力助手，同時也是新興技術的重要載體和現代產業(yè)的關鍵裝備。在制造與施工中，我們希望機器人能代替人類干“危、繁、臟、重”等高風險的事情，以確保工程更加安全、高效和環(huán)保。團隊采用的技術路線為 3個硬件模塊（即底盤選型、機械臂選型、執(zhí)行器研發(fā)）與3個軟件模塊（即構圖與定位、路徑規(guī)劃與自主避障、建模與控制）相結合的形式。

發(fā)展智能建造，是當前建筑業(yè)突破發(fā)展瓶頸、增強核心競爭力、實現高質量發(fā)展的關鍵所在，要著重注意以下兩點：一是發(fā)展智能建造必須堅持產學研結合，建立以大型建筑業(yè)央企、國企或民企牽頭，軟件開發(fā)商、制造企業(yè)和高校及科研院所參與的跨專業(yè)、跨行業(yè)協同創(chuàng)新體系；二是發(fā)展智能建造必須多學科交叉融合，團隊中既要有掌握傳統(tǒng)土木建筑知識的專業(yè)技術人才，又要有精通人工智能算法、物聯網、通信技術、云計算、機器人、計算機、智能制造和先進設備等方面知識的其他技術人才，才能共同承擔這項多學科交叉的研究工作。

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