中国人民大学通州校区学部楼项目智能建造技术

王俊鹏，刘俊杰，张 裕，刘占省，罗安家，卫红然

(1.中铁建工集团有限公司，北京 100160；

2.北京工业大学，北京 100124)

目前建筑行业信息化程度较低，生产方式较落后，资源利用率较低，机械设备利用率不高，建筑工人文化素养偏低、年龄偏高、专业化程度较低，建筑产业与信息化、智能化制造技术融合水平较低[1]，在智能建造领域发展较慢。

土木建筑行业应用智能化与数字化技术是实现更高质量发展的必然要求。智能建造技术结合新兴技术能有效提高建筑行业的智能化程度，推动建筑行业升级转型，进入高质量发展模式[2]。刘占省等[3]对国内外智能建造技术做相应总结，同时归纳国内相关政策法规对智能建造发展的支持，为我国智能建造发展方向提供正确指引。蒋小锐等[4]实现了智能建造技术在大跨地下车站中的应用，搭建基于BIM的信息一体化统一平台，可实现三维集成设计，同时在项目智能施工、智能监测等方面做相应探讨和研究总结。王可飞等[5]结合当前时代背景与信息技术，总结智能建造的相应技术，并提出以BIM为中心的智能化技术在铁路工程项目建设全生命周期中的应用。本文结合各位专家学者的研究成果，以中国人民大学通州校区学部楼为例，结合BIM+智能化技术，助力整个项目施工阶段的智能化升级[6]。

中国人民大学通州校区学部楼项目位于北京城市副中心0902街区6011地块，包含学部楼基础工程、结构工程、给排水工程及相应装饰装修工程(见图1)。总建筑面积30 540m2，其中地上建筑面积15 540m2，地下建筑面积15 000m2，项目总计划工期628d。

图1 项目效果

1)本工程建筑面积92 030m2，有效工期仅1.5年，存在工期紧、施工质量与安全文明施工要求高、可用于施工的场地非常有限、立体交叉作业多、管理协调难度大、分部分项工程较多等难题。且因疫情影响，多次配合政府停工进行现场封控，在工期紧张的情况下加大工程进度压力。

2)基坑西侧、南侧邻近综合管廊，开挖深度达12.03m，属深基坑工程，地质环境复杂，深基坑开挖难度大，安全要求高。且施工场地狭小，现场部分区域无施工道路，通行受限，存在较多交叉施工工序，多个工序无法同时进行，部分施工区域不具备施工条件，影响施工进度，易延误工期。同时，开挖深基坑时，会影响周围土体，引起不均匀沉降。

3)本项目结构复杂，地上主体为钢框架结构，地下采用钢筋混凝土框架结构。地上部分包含5栋单体，地下3层为整体地下室。钢结构构件包括焊接箱形钢柱、焊接H型钢梁等，存在钢结构节点施工复杂、外墙集水坑钢筋密集、安装效率低、安装精度不高等问题，且实施方案选择不准确，无法给后期施工提供准确依据。

4)地下2层除停车库外，还有配电室、机房等设备专用房，机电管线量大，其中大多处于走廊位置，走廊未安装吊顶，宽度最小处仅1.7m，管线布置复杂，空间净高压力大。

5)该校区地处北京城市副中心，为响应北京市副中心“十四五规划”和“2035远景目标”纲要中关于打造数字孪生城市的要求，需推广智能建造技术，提高建设智能化程度。

3.1 智能建造技术概述

智能建造技术是信息数字化技术结合项目建造形成的新型建造模式，基于项目要素资源的信息化与数字化内容，采用标准化建立模型、可视化交互认知、精确化计算分析及智能化决策，在数字化链条驱动中进行立项规划、施工建造、运维服务于一体的整合与高度协同集成[7]，同时实现绿色环保。因此，智能建造施工通过对建筑项目整个过程进行标准化建模，在数字链驱动过程中完成建筑工程全生命周期的建造与服务模式，以提升建造过程和资源利用效率，交出高性价比的工程产品，实现建筑工程项目全生命周期集成和可持续建造。

3.2 智能建造技术特点

在节能减排大背景下，从可持续发展角度来看，工程建造产品要融入生态环境保护中。通过智能建造模式，一定程度上提高项目规划设计、施工管理及智慧运维运用中的资源利用率，同时提高工作效率，该全生命周期管理模式使工程资源价值得到充分利用与实现，最大程度减少对环境的危害。智能建造利用BIM技术，实现工程建造全过程、各要素间及各主体间的信息集合，实现数字化管理模式[8]。

4.1 BIM+AR技术

该工程开发了以AR技术为基础的可视化平台。BIM模型建成后，导入UNITY 3D中进行加工、处理，流程如图2所示。利用AR软件对关键部位进行可视化交底，将三维模型以虚拟现实状态呈现给技术与施工人员，进行沉浸式施工交底。利用虚拟现实技术对施工人员进行场景体验检查和安全培训。每个施工人员可通过手机AR程序进行及时传达，并可看到组装物件的虚拟正确位置，保证施工质量。

图2 BIM+AR技术流程

4.2 BIM+MR技术

在项目中融合BIM与MR技术，采用HoloLens设备，通过智能手机、平板等展示三维模型，可辅助设计人员讨论复杂节点与精确构件的深化细节，提高模拟真实性。将建筑项目相关信息整合到虚拟模型场景中，实现模型多种维度下的信息联合，可同时进行可视化交底指导。施工前，将整个施工过程输入计算机软件中，进行三维数字化模拟，便于施工人员了解现场施工环境及流程，同时规避相应风险。

4.3 BIM+3D打印技术

结合BIM与3D打印技术，如图3所示，可实现建筑构件或节点的打印模拟演示。在BIM建模软件中，Revit软件可实现任意构件的三维演示，需重点分析钢结构梁柱构件及连接的复杂节点，以及根据BIM模型施工的节点拼装焊接，通过三维动画图，便于后期施工交底。拆分BIM模型得到相应节点及构件参数信息后，利用3D打印机打印等比例构件，结合BIM模型节点设计处理构件，组合完成钢结构节点要求。本项目利用2项技术打印出相应构件模型，如图4所示，能有效降低施工难度，提升建筑物结构合理性，施工人员也可了解施工流程，有效降低安全风险。

图3 BIM与3D打印融合机理

图4 3D打印模型

5.1 航拍点云扫描技术应用

利用无人机搭载的点云扫描技术在地形地貌勘测中具有高精度、可视化等特点，可同时获得较大的数据量，更加完整地扫描一块地形。本项目使用无人机对场地表面进行寻迹航拍后，将航拍数据进行三维处理，得到三维地形表皮模型，并导入Civil 3D及GIS软件中分析高程坐标，形成DEM高程模型文件，以提供更准确的场地情况，同时将场地模型文件结合BIM技术，合理布置施工场地，实现更加精准的施工材料运输路径规划。项目管理人员也可定期掌握整个施工场地现场情况，提高施工效率。

5.2 施工质量检测智能机器人应用

1)结构腐蚀检测

本项目采用空中飞行智能机器人检测钢结构腐蚀情况，机器人通过扫描混凝土或钢结构外观进行检测，因此，利用智能机器人可取代质量检查员检测钢结构腐蚀情况，为智能检测提供硬件基础，在检测作业中，利用该设备可实现远程检测，并智能化识别缺陷位置、种类，有效降低人工质量检测存在的误差，降低安全隐患，提高检测全面性、准确性，降低检测人工成本，提高作业效率及检测智能化程度。同时基于云计算，提高数据访问能力，并整合数据，避免重复计算[9]。

2)放样定位

施工人员通过放样机器人结合建筑物BIM模型，采集、整理现场定位点数据，通过操作平台选取BIM模型中所需的放样点，进而指挥机器人发射红外激光自动照准实现精准点位，将现场实体对应BIM虚拟模型。在桩基点和地脚螺栓定位时进行控制点定位并测量相应地形，同时校核钢结构安装质量。在机电管道安装施工中，放样机器人可协助设备支架安装定位，提高安装精度。

3)空间尺寸校核

本项目采用实测实量机器人测量室内建筑墙体平整度、垂直度，全墙数据无死角，一键式生成数据表格，可实现实测实量、快速上墙的目的，自动汇总数据信息，一键统计墙体垂直度和平整度的合格率，为控制工程质量做好基础。

5.3 基于数字孪生的绿色施工管理

在双碳战略背景下，建筑业引入绿色施工，利用基于数字孪生的绿色施工管理技术，从环境保护、资源节约利用、节能角度介绍智能技术的应用[10]。

5.3.1绿色智慧管理平台

基于数字孪生的绿色智慧管理平台，通过现场环境监测设备及BIM智慧管理平台，可精确监控温湿度、PM2.5、PM10、噪声、扬尘等环境指标，一旦指标超过规定监测范围，平台将自动提醒。同时与智能喷淋联动，进行喷淋工作，实现绿色文明施工。

5.3.2资源节约利用

在项目材料管理中，利用数字孪生技术控制成本与进度的同时，利用BIM合理规划、统计工程量，避免材料浪费，实现节材与材料资源利用。根据工程进度规划，可合理安排材料进场，降低存货。对复杂节点构造进行模拟，可避免由于返工造成的浪费，如图5所示。根据现场临时用水量，可合理制定管径、管路，同时，利用BIM模型模拟管线走向，进行合理排布。通过智能物联网水表管控现场用水量，实现智能工地雨水回收及屋面喷水降温控制。

图5 节材与资源利用

5.3.3节能与能源利用

基于数字孪生技术分析水能循环、风能流动、自然光能照射等性能，模拟建筑物光照情况、风环境等，可合理布局场地及建筑。同时，利用智能化监测电表实时监测现场用电量。监控能源消耗，自动分析能源使用情况并生成报告，对建筑进行合理设计、规划，实现节能减排。

我国智能建造技术发展速度较缓慢，且起步较晚，目前处于探索和萌芽阶段，与发达国家存在一定差距。本项目依据相应工程经验，对BIM+技术、三维扫描技术、机器人技术等应用进行介绍，分析技术优点，总结相应技术的应用模式与方法。但智能建造技术的应用种类还有所欠缺，如数字孪生技术的应用也相对较少，区块链技术应用也不成熟，未来要更好地整合智能建造技术，助力建筑业智能化升级。