论文摘要

 

2017年2月,国务院办公厅印发《关于促进建筑业持续健康发展的意见》,明确提出“推进建筑产业现代化”“推广智能和装配式建筑”“加强技术研发应用”,用科技手段促进建筑产业发展已是大势所趋。对建筑领域信息化落地的最后“一公里”即施工现场来说,通过云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、BIM等先进信息技术与建造技术的深度融合,打造“智慧工地”,对改变传统建造方式、促进建筑企业转型升级具有重要意义。为此,本刊记者采访了中国建筑股份有限公司总工程师毛志兵先生,听听他对“智慧工地”的见解与思考。
 
 
 
施工技术:随着工程信息化管理技术的发展,移动互联网、物联网、大数据等与施工现场管理深度融合,“智慧工地”应运而生。中国建筑工程总公司(以下简称“中国建筑”)是国内建设领域的领军企业,一直把信息化建设作为企业发展的重要支撑。作为“中国建筑”的总工程师,请您谈谈“智慧工地”诞生的背景及其特征。
毛志兵:1956年达特茅斯会议上“人工智能”被首次提出,经历了两次发展高潮。如今的第三次发展浪潮,基于大数据、云计算、物联网、智能化、移动互联网等技术,以深度神经网络为基础,人工智能其智慧已达到一流专家水平。2015年,国家正式印发《中国制造2025》,其核心是通过智能制造技术进一步优化流程,推动我国从“制造大国”向“制造强国”转变,人工智能已融入到各个领域,这是大势所趋。
过去的30年,建筑业基本实现了从手工到数字化的转变,为“智慧工地”的提出和发展奠定了坚实基础。“智慧工地”是人工智能在建筑施工领域的具体体现。回顾国家科技部在建筑领域的立项研究,可以清晰地发现“应用信息技术改造传统建筑业”的发展历程:①在“六五”“七五”期间,伴随着有限元技术应用,国家立项研究 “计算技术的开发”“建筑工程设计软件开发”等,推动了计算机辅助计算技术的普及,将设计人员从繁重而复杂的计算任务中解脱出来,现在各类工程的设计计算已经变得“轻松愉快”了;②在“八五”“九五”期间,依托计算机图形技术,国家立项研究“计算机辅助设计工程应用开发”“CAD工程应用技术开发与示范”等,推动了计算机辅助绘图技术的普及,把设计人员从枯燥而繁杂的绘图任务中解脱出来,实现了“甩图板工程”;③在“十五”“十一五”期间,依托数字技术和互联网技术,国家立项研究“城市规划、建设、管理与服务的数字化工程”“建筑业信息化关键技术研究与应用”等,推动了计算机辅助管理技术的普及,把信息技术应用拓展到了管理领域。
随着信息技术的发展,在工程设计、施工与运行维护的各阶段,以及每阶段的各专业、各环节都在应用软件辅助专业工作。我们在享受信息技术“红利”的同时,也面临信息共享和交换不及时、不准确、协同工作难以开展等问题,不仅造成了大量的人力、物力浪费,而且容易产生风险。为解决信息共享等问题,BIM技术在建筑业得到了快速发展与应用。“十二五”“十三五”期间,住建部重点推进BIM技术的普及应用,在2015年6月发布的《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》中提出了“到2020年末,建筑行业甲级勘察、设计单位以及特级、一级房屋建筑工程施工企业应掌握并实现BIM与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用。以下新立项项目勘察设计、施工、运营维护中,集成应用BIM的项目比率达到90%:以国有资金投资为主的大中型建筑;申报绿色建筑的公共建筑和绿色生态示范小区”的发展目标。目前,全行业正在积极推进BIM技术应用,并取得了良好效果。
信息技术的应用极大地提升了建筑业的技术水平和管理水平,但技术的进步也推高了从业者们的要求和期望,即通过大数据、人工智能、移动互联网、云计算、物联网等新技术的发展提升人类的智慧,这样一来,“智慧建造”“智慧工地”等概念应运而生,其中,“智慧工地”是“智慧建造”的组成部分,是指在施工现场范围内实现“智慧”。
到目前为止,“智慧工地”还没有一个准确的定义。依我个人意见,“智慧工地”可以理解为:充分应用BIM、物联网、大数据、人工智能、移动通讯、云计算及虚拟现实等信息技术与机器人等相关设备,通过人机交互、感知、决策、执行和反馈,实现工程项目施工的智能化,是信息技术、人工智能技术与工程施工技术的深度融合与集成。
2016年住建部发布了《2016—2020年建筑业信息发展纲要》,提出建筑业要增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用能力,建筑业数字化、网络化、智能化取得突破性进展,全面提高建筑业智慧建造的能力。聚焦到施工现场,“智慧工地”就是建立在高度信息化基础上的一种支持对人和物全面感知、施工技术全面智能、工作互通互联、信息协同共享、决策科学分析、风险智慧预控的新型施工手段。它紧紧围绕人、机、料、法、环、策等关键要素,综合运用BIM、大数据、智能化、物联网、移动计算、云计算等信息技术,与施工过程相融合,对工程质量、安全等生产过程及商务、技术等管理过程加以改造升级,使施工管理可感知、可决策、可预测,提高施工现场的生成效率、管理效率和决策能力,实现数字化、精细化、绿色化和智慧化的生产和管理。
施工技术:通过以BIM、云计算、物联网、智能设备、大数据等为代表的当代先进技术的综合应用,建筑施工行业正行驶在“智慧工地”的快车道上,智慧工地的发展经历了哪几个阶段?每个阶段各有何特点?
毛志兵“智慧工地”的基本特征可以从技术和管理两个层面来描述。
从技术层面上讲,“智慧工地”是以BIM、物联网、移动通讯、大数据、云计算、智能技术和机器人等相关设备为代表的当代先进技术的集成应用,实现人机料的最优配置和利用。从管理层面上讲,通过应用高度集成的信息管理系统,基于物联网的感知和大数据的深度学习系统等支撑工具,“了解”工地的过去,“清楚”工地的现状,“预知”工地的未来,对已发生或可能发生的各类问题,有科学的决策和应对方案。
 “智慧工地”的核心是“智慧”二字,“智慧”有程度上的差异,有“小智慧”“大智慧”的说法。从人工智能技术发展到今天来看,我们可以将“智慧工地”的发展定义为三个阶段,即“感知阶段、替代阶段、智慧阶段”。
“感知阶段”就是借助人工智能技术,起到扩大人的视野、扩展感知能力以及增强人的某部分技能的作用。例如我们借助物联网传感器来感知设备的运行状况、感知施工人员的安全行为等,借助智能机具增强施工人员的技能等。我们现在的“智慧工地”主要就处于这个阶段。
“替代阶段”就是借助人工智能技术,来部分替代人,帮助完成以前无法完成或风险很大的工作。例如,现在正研究和探索智能砌砖机器人、智能焊接机器人等。由于它们的出现和应用,可能某些施工场景将实现全智能化的生产和操作。当然,这种替代是基于给定的应用场景,并假设实现的条件、路径来实现的智能化,智能替代边界条件是严格框定在一定范围内的。
“智慧阶段”就是随着人工智能技术不断发展,借助其“类人”思考能力,大部分替代人在建筑生产过程和管理过程的参与,由一部“建造大脑”来指挥和管理智能机具、设备,完成建筑的整个建造过程,这部大脑具有强大的“知识库”管理和强大的自学能力,也就是“自我进化”能力。人转变为监管“建造大脑”的角色。
“智慧工地”三个阶段,是随着人工智能技术的研发和应用不断发展而循序渐进的过程,不可能一步实现。这需要在“感知阶段”就做好顶层设计工作,在总体设计思路的指导下开展技术的应用和研发,特别要注重建筑信息模型(BIM)、互联网、物联网、云计算、大数据、移动计算和智能设备等软硬件信息技术的集成和应用。只有这样,才能在应用中不断推动施工现场的自动建造、智能化建造以及新型管理模式下的智慧协同,实现建造方式的彻底转变。
此外,从发展阶段来看,有“初级阶段、中级阶段、高级阶段”之分。“智慧工地”从初级阶段到高级阶段的发展需要较长的一段时期,有专家预测“在未来10年或更长时间,将是从数字化到智能化转变的时代”。目前,正是从数字化向智能化发展的过渡期,也可以说是“智慧工地”发展的初期。
国家科技部在“十三五”国家重点专项《绿色建筑及建筑工业化》的研究领域“建筑信息化”中,启动了“绿色施工与智慧建造关键技术研究与示范”研究项目。关于“智慧建造”,项目定位是在“十二五”绿色施工研究基础上,开始启动“智慧建造”研究,探索“互联网+”环境下的智慧建造技术与装备。研究目标是:开展BIM、物联网、大数据、智能化、移动通讯、云计算等信息技术在绿色施工与智慧建造中的集成应用研究,探索研究“互联网+”环境下的智慧建造技术,促进建筑业技术升级、生产方式和管理模式变革,塑造绿色化、工业化、智能化新型建筑业态。用的是“开展”“探索”“促进”等词汇,在程度上都与“初级阶段”相一致。
在“智慧工地”的初级阶段,企业和项目积极探索以BIM、物联网、移动通讯、云计算、智能技术和机器人等相关设备等为代表的当代先进技术的集成应用,并开始积累行业、企业和项目的大数据。在这一阶段,基于大数据的项目管理条件尚未具备。
在“智慧工地”的中级阶段,大部分企业和项目已经熟练掌握了以BIM、物联网、移动通讯、云计算、智能技术和机器人等相关设备等为代表的当代先进技术的集成应用,积累了丰富经验,行业、企业和项目大数据积累已经具备一定规模,开始将基于大数据的项目管理应用于工程实践。
在“智慧工地”的高级阶段,技术层面以BIM、物联网、移动通讯、大数据、云计算、智能技术和机器人等相关设备等为代表的当代先进技术的集成应用已经普及,管理层面则通过应用高度集成的信息管理系统和基于大数据的深度学习系统等支撑工具,全面实现“了解”工地的过去,“清楚”工地的现状,“预知”工地的未来,对已发生或可能发生的各类问题,有科学的决策和应对方案等“智慧工地”发展目标。
施工技术:“智慧工地”顺应建筑行业的发展趋势,是围绕项目全生命周期建立的一整套信息化系统,您认为当前应如何避免“智慧工地”沦为简单的新科技手段的罗列和堆砌。
毛志兵:为避免“智慧工地”沦为简单的新科技手段的罗列和堆砌,建议从政策指导、示范引导、软件系统支撑等多方面采取措施。
1)政府应组织制定《推进“智慧工地”发展指导意见》等政策和相关标准,掌控“智慧工地”发展进程和节奏,避免“冒进”或“迟疑不前”。
2)鼓励企业开展“智慧工地”示范工程建设,树立样板,分享经验,避免低水平重复。
3)鼓励软件企业研发高水平的“智慧工地”应用软件系统,支撑“智慧工地”健康发展。
4)项目管理目前一般为“法人管项目”和“项目部管项目”两个层面,“智慧工地”作为企业信息化的重要组成部分,重点是施工现场信息化。但是“智慧工地”不能孤立存在,应与企业采购、项目管理等系统深度集成,是企业级管理系统数据来源,只有把这两部分有机结合,才能最大程度上避免科技手段的罗列和堆砌。
5)在具体实施过程中,应注重前期策划工作,做好施工组织设计。要本着“技术实用、成本合理”的原则来实施“智慧工地”建设。要注意不同项目的差异化需求,统筹规划,深入研究,求真务实。同时要注重简化智能设备的接入,数据的采集、转换、存储,降低使用成本,降低准入门槛。在具体应用上要注重场景化合理,切实解决施工现场的痛点及风险防范。
施工技术:工程建造进入大数据时代,传统的施工模式终将被淘汰,代表绿色、智能和宜居的智慧建筑必将成为建筑行业发展的方向。您认为如何通过“智慧工地”实现绿色建造和生态建造?
毛志兵:绿色建造和生态建造是工程建设的目标,而“智慧工地”是实现绿色建造和生态建造的手段。绿色建筑设计和绿色施工指标体系中都有“通过科学管理和技术进步”要求,实施“智慧工地”的核心就是提升“科学管理和技术水平”,实施“智慧工地”的过程就是实现绿色建造和生态建造的过程。
智慧建筑首先要从设计做起,运用新型环保材料和绿色施工工艺,从源头抓起。在建造阶段,“智慧工地”是实现智慧建筑的实施平台和过程载体,主要利用物联网、移动互联网、大数据等技术,对施工现场节能、节材、节水、节地及环境保护方面进行控制、管理与评价,以期达到资源节约与环境保护的目的。在环境监测方面,通过采集施工现场噪声、扬尘、温湿度、污水排放等数据,使管理人员及时了解施工现场环境状态和问题,以便采取有效应对措施,如喷淋系统联动,当PM2.5或温度超过一定阈值时,自动启动喷淋系统进行降尘、降温。进行雨水回收利用,最大程度节约水资源。另外,还有一个有待重视的领域——建筑垃圾管理。我国建筑垃圾年产量近3亿吨,加强建筑垃圾资源化利用已成为城市管理的重要议题。我们可以充分利用GIS、物联网等技术,对施工现场建筑垃圾的申报、分类识别、自动计量及动态跟踪等进行实时监控,力争做到建筑垃圾减量化、资源化、无害化,实现节能减排的目标,促进绿色施工。
今后,随着“智慧工地”应用的不断深入和各方数据的不断累积,下一步可以运算大数据、云计算等实现精准化管理和风险预警,进一步支撑绿色建造和生态建造。
施工技术:“智慧工地”是建筑业信息化与工业化融合的有效载体,如何通过“智慧工地”的稳步推进实现建筑产业现代化?
毛志兵:建筑产业现代化涵盖的范畴非常广泛,包括技术和管理现代化、生产方式和装备现代化、工人队伍现代化等。
建筑产业现代化的核心是借助工业化思维,推广智能和装配式建筑,即通过标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用,实现建筑产品像制造飞机、汽车一样的装配化生产制造,推动建造方式的创新,提高建筑产品的品质,这与“智慧工地”的特点高度契合。“智慧工地”通过对当代先进信息技术和人工智能设备的集成应用,与工业化建造方式及机械化、自动化和智能化装备相结合,有效提升工程项目建设的技术和管理水平,这是推进建筑产业现代化的最佳手段,但需要将“智慧”理念贯穿到设计、生产、施工全过程。
标准化设计要以BIM技术为支撑,在预制构件深化设计阶段,应用BIM技术建立起丰富的预制构件资源库,提高深化设计效率,为预制加工提供详细的预制构件模型。在预制加工阶段,应用BIM模型建立起设计、深化设计和预制加工三者间的信息流桥梁,实现信息共享。在生产制造过程中利用BIM模型,采用智能制造技术进行精确加工,在预制工厂、运输和施工现场之间,应用物联网技术(包括条码、芯片、RFID等)对预制构件的加工信息、库存信息、运输信息和现场堆放信息进行有效管理。在现场安装阶段,充分利用物联网、BIM、移动应用等技术及智能化装配机器人,研发和应用预制装配式施工现场生产系统,为施工管理提供统一的协同中心、数据中心和业务中心,突破地域、时间界限,对施工现场的各种生产要素进行合理配置与优化,畅通产业链各参与方之间在各阶段、各环节的信息渠道,实现信息共享,提升协同效率,提高建造效率与效益。
施工技术:最后,请您谈谈“中国建筑”目前在“智慧工地”领域取得了哪些应用成果,以及您本人对“智慧工地”未来发展的展望。
毛志兵: “中国建筑”十分关注建筑业未来生产方式改革,将“绿色建造、智慧建造、建筑工业化”列为企业“十三五”科技发展规划三大科研主攻方向,我们把“智慧工地”作为“智慧建造”的重要研究内容之一,从顶层设计、技术攻关、人才培养入手,持续加大研发投入和示范推广力度,完成了一批示范工程项目,积累了一系列成功经验和研究成果。
 “中国建筑”从集团层面进行顶层设计,整体推进“智慧工地”建设。首先,“智慧工地”是企业信息化的重要组成部分,其自动采集、产生的数据将提供给企业级项目管理系统,为企业管理提供真实、基础的第一手数据,为企业管理服好务。其次,为项目生产服好务,“智慧工地”包含智慧管理、智慧生产、智慧监控和智慧服务等4个方面。智慧管理包括进度计划管理、任务自动分配、资源组织、知识积累与传承等,重点在项目生产管理工作。智慧生产,是指智能化的生产设备,包括焊接机器人、抹灰机器人等,这方面还相对滞后,需要重点突破。智慧监控则是运用各种传感器、摄像头智能分析等技术,对项目质量、安全进行监控。智慧服务是整合现场及社会资源,为项目部管理人员、建筑工人提供专属、个性化的工作、生活服务。最后,“智慧工地”还要进一步深化应用BIM技术,将实际生产数据与BIM模型有机联系在一起,共同发挥作用。
BIM技术的普及应用是“智慧工地”建设的基础,“中国建筑”在BIM技术集成应用研究和工程实践中起步早、成效显著。截至2016年底,“中国建筑”已有3000多个项目在不同程度上应用了BIM技术,已有20000多人通过系统的BIM培训,成为具有BIM应用技能的专业人才,为全面推进“智慧工地”建设奠定了坚实基础。“中国建筑”正在负责“十三五”国家重点专项《绿色建筑及建筑工业化》研究领域中“建筑信息化”的重点研究项目和“绿色施工与智慧建造关键技术研究与示范”的研究工作,从理论体系、标准体系和应用模式等方面系统开展“智慧设计”“智慧工地”研究。由“中国建筑”总部牵头,组织开发“中国建筑云平台”“中国建筑智慧工地”应用系统,支撑各级子企业的“智慧工地”实践。同时,由“中国建筑”承建的北京中国尊项目、北京腾讯总部项目、天津周大福金融中心项目、武汉绿地中心项目、珠海横琴国际金融中心项目、郑州奥体中心项目等一批示范工程项目,都不同程度地践行了BIM、物联网、移动通讯、大数据、云计算、智能技术和机器人等“智慧工地”技术和设备的集成应用。
科技支撑发展,创新引领未来。建筑业改革发展在不断创新,但核心业务没有变,那就是项目。围绕项目开展生产经营、技术研发和管理活动是建筑业的业态特点,工地现场是项目成功交付的重要环节,也是建筑业信息化落地的最后“一公里”。只有把现代信息技术和人工智能技术渗透到项目管理之中,使“智慧工地”成为建造技术升级、生产方式转变和管理模式变革的重要载体,才能为实现中国建筑转型升级和持续健康发展做出积极贡献,助“中国建造”立于世界建筑业未来发展潮头。
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