建筑全过程数字化智慧建造体系研究与实践

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【 基 金 项 目 】 广 东 省 建 筑 设 计 研 究 院 有 限 公 司 ２０１９ 年 科 技 创 新 项 目 （ 编 号 ： １９ － ０５） 【 作 者 简 介 】 焦 柯 （ １９６８ － ） ， 男 ， 教 授 级 高 工 ， 院 结 构 计 算 专 业 副 总 工 程 师 ， 主 要 从 事 结 构 分 析 软 件 研 发 和 复 杂 结 构 计 算 分 析 工 作 。 建 筑 全 过 程 数 字 化 智 慧 建 造 体 系 研 究 与 实 践 焦 柯 １ 杜 佐 龙 ２ 杨 新 １ 方 速 昌 ２ 庄 志 坚 ３ （ １． 广 东 省 建 筑 设 计 研 究 院 有 限 公 司 ， 广 州 ５１００１０； ２． 中 国 建 筑 第 八 工 程 局 有 限 公 司 ， 上 海 ２００１２０； ３． 广 州 络 维 建 筑 信 息 技 术 咨 询 有 限 公 司 ， 广 州 ５１００４０） 【 摘 要 】 在 数 字 化 设 计 建 造 技 术 发 展 过 程 中 ， 由 于 信 息 架 构 、 管 理 层 级 、 工 作 模 式 的 差 异 ， 在 二 三 维 设 计 成 果 的 施 工 阶 段 承 接 、 安 装 信 息 在 运 维 阶 段 的 承 接 等 方 面 较 难 在 参 建 方 间 形 成 良 性 闭 环 。 本 文 提 出 建 立 以 建 筑 数 字 化 设 计 ＋ 智 慧 建 造 的 集 成 应 用 体 系 ， 以 实 现 生 产 端 至 应 用 端 的 全 产 业 链 集 成 。 在 设 计 环 节 通 过 建 立 现 代 产 业 化 建 筑 设 计 标 准 、 构 件 库 及 配 套 工 具 ， 实 现 数 字 化 标 准 设 计 。 在 生 产 体 环 节 通 过 研 发 与 数 字 化 设 计 成 果 相 配 套 的 工 法 设 备 实 现 数 字 化 成 果 的 直 接 转 化 。 采 用 基 于 离 散 化 的 数 据 管 理 模 式 ， 在 标 准 数 据 共 享 下 采 用 各 阶 段 分 层 独 立 管 理 、 层 间 编 码 互 通 的 方 式 ， 兼 顾 多 平 台 间 的 独 立 性 与 互 通 性 ， 实 现 数 字 化 设 计 成 果 的 全 过 程 无 缝 承 接 与 产 业 链 数 字 化 集 成 。 【 关 键 词 】 数 字 化 建 造 ； 产 业 化 建 筑 ； 集 成 平 台 【 中 图 分 类 号 】 ＴＵ１７ 【 文 献 标 识 码 】 Ａ 【 版 权 声 明 】 文 集 数 据 被 中 国 知 网 重 要 会 议 论 文 全 文 数 据 库 （ ＣＰＣＤ） 收 录 ， 被 本 刊 录 用 并 在 中 国 知 网 网 络 首 发 正 式 出 版 ， 严 禁 侵 权 转 载 。 引 言 经 过 多 年 数 字 化 设 计 建 造 全 过 程 工 程 实 践 ， 三 维 ＢＩＭ 相 关 技 术 已 逐 步 成 熟 ， 多 个 应 用 难 点 通 过 集 中 攻 关 已 取 得 一 定 的 成 果 。 如 在 设 计 阶 段 ， 通 过 三 维 ＢＩＭ 平 台 及 二 次 开 发 ［ １］ ， 能 完 成 满 足 加 工 精 度 的 建 造 信 息 模 型 。 在 钢 结 构 建 造 过 程 ， 通 过 焊 接 机 器 人 ， 实 现 焊 接 、 上 下 料 、 磨 削 抛 光 等 作 业 应 用 ［ ２］ ， 并 通 过 定 制 化 的 控 制 系 统 数 据 衔 接 ， 实 现 构 件 深 化 模 型 的 精 细 化 建 造 。 在 装 配 式 建 造 构 件 加 工 制 造 过 程 ， 采 用 ３Ｄ 打 印 技 术 已 具 有 一 定 的 实 用 性 ［ ３］ 。 在 数 字 化 建 造 过 程 中 ， 计 算 机 技 术 贯 穿 始 终 ， 从 计 算 机 辅 助 设 计 、 建 模 到 计 算 机 辅 助 建 造 、 施 工 ， 虚 拟 数 据 成 为 作 业 主 线 。 其 中 冲 压 成 型 、 数 控 切 割 等 技 术 手 段 早 已 广 泛 应 用 于 各 个 行 业 ， 但 属 于 碎 片 化 应 用 ， 独 立 解 决 项 目 的 个 别 基 本 问 题 。 同 时 ， 具 体 工 程 实 施 周 期 通 常 持 续 数 年 ， 由 于 参 与 企 业 和 人 员 在 时 间 维 度 不 连 贯 ， 不 同 参 与 方 对 成 果 应 用 需 求 各 异 ， 导 致 较 难 直 接 承 接 设 计 成 果 进 行 加 工 、 制 造 、 装 配 ， 也 无 法 充 分 发 挥 数 字 化 精 细 化 设 计 建 造 的 优 势 。 本 文 通 过 广 泛 统 筹 各 专 业 各 阶 段 的 数 字 化 成 果 与 实 用 方 法 ， 通 过 规 范 化 的 数 字 设 计 建 造 技 术 及 落 地 化 的 施 工 设 备 ， 实 现 工 程 建 设 全 过 程 信 息 的 一 体 化 集 成 ， 实 现 现 代 先 进 建 造 实 践 ， 实 现 了 建 设 流 程 的 规 范 化 ， 提 高 了 工 程 质 量 与 经 济 性 。 １ 数 字 化 设 计 施 工 集 成 体 系 基 于 目 前 行 业 多 参 与 方 、 多 工 种 协 作 发 展 模 式 ， 本 文 提 出 一 种 设 计 — 建 造 — 交 付 运 维 全 过 程 数 字 化 衔 接 集 成 体 系 。 该 体 系 的 核 心 ， 是 通 过 全 过 程 需 求 反 馈 与 关 键 节 点 双 向 串 联 ， 建 立 现 代 产 业 化 设 计 体 系 ， 建 立 与 数 字 化 设 计 相 适 应 的 先 进 制 造 工 法 与 生 产 管 理 手 段 ， 建 立 设 计 手 段 与 生 产 手 段 的 信 息 化 协 同 平 台 ， 通 过 数 字 化 交 付 实 现 运 维 阶 段 承 接 ， 形 成 实 施 全 过 程 的 信 息 化 集 成 和 全 产 业 链 信 息 闭 环 ， 关 键 节 点 串 联 模 式 见 图 １ 所 示 。 该 体 系 的 主 要 组 成 有 ： （ １） 数 字 化 设 计 体 系 ， 含 适 用 于 产 业 化 建 造 的 建 筑 设 计 方 法 、 构 件 库 、 户 型 组 合 库 、 项 目 设 计 管 理 体 系 、 模 型 数 据 标 准 等 ； ３７ — — 建筑全过程数字化智慧建造体系研究与实践 图 １ 数 字 化 集 成 体 系 关 键 节 点 串 联 模 式 （ ２） 智 慧 建 造 生 产 体 系 ， 含 与 数 字 化 设 计 成 果 相 适 应 的 定 位 放 样 、 数 字 化 吊 装 、 ３Ｄ 打 印 、 产 业 化 施 工 工 法 等 ； （ ３） 产 业 链 集 成 应 用 ， 含 数 字 化 预 拼 装 、 设 计 深 化 平 台 、 智 慧 工 地 与 多 方 管 理 平 台 、 智 能 加 工 运 输 及 物 联 追 踪 协 同 管 理 平 台 等 ； （ ４） 建 筑 全 周 期 运 维 ， 含 施 工 模 型 交 付 标 准 与 运 维 信 息 转 换 标 准 、 数 字 化 运 维 架 构 与 应 用 软 硬 件 平 台 等 。 其 中 ， 在 产 业 化 生 产 建 造 环 节 ， 通 过 研 发 三 维 深 化 软 件 、 模 型 轻 量 化 软 件 、 施 工 运 维 模 型 转 换 软 件 ， 实 现 设 计 ＋ 建 造 的 成 果 资 源 衔 接 ， 解 决 多 方 项 目 管 理 的 问 题 。 在 复 杂 构 件 、 复 杂 空 间 关 系 、 复 杂 地 形 设 计 与 建 造 过 程 ， 研 究 基 于 三 维 扫 描 、 ＢＩＭ 高 精 度 放 样 、 ３Ｄ 打 印 的 解 决 方 案 ， 改 变 传 统 粗 放 、 修 补 式 的 工 程 建 造 模 式 ， 实 现 精 细 高 效 建 造 ， 提 高 建 造 质 量 与 品 质 。 在 资 源 整 合 与 科 学 管 理 环 节 ， 施 工 阶 段 通 过 与 数 字 化 ＢＩＭ 设 计 成 果 的 无 缝 承 接 ， 对 建 造 过 程 进 度 、 质 量 、 成 本 进 行 动 态 管 控 ， 实 现 工 程 建 造 各 方 数 据 有 效 共 享 和 高 效 协 同 管 理 ， 对 建 造 过 程 进 度 、 质 量 、 成 本 进 行 动 态 管 控 ， 实 现 工 程 建 造 各 方 数 据 有 效 共 享 、 高 效 协 同 ， 助 推 设 计 施 工 各 方 深 度 融 合 。 本 文 基 于 多 个 工 程 总 承 包 项 目 ， 在 设 计 建 造 全 过 程 通 过 需 求 的 正 负 反 馈 ， 整 合 产 业 链 多 个 环 节 数 字 化 成 果 的 全 过 程 应 用 ， 建 立 起 较 为 完 善 的 标 准 机 制 、 建 造 工 法 与 平 台 软 件 ， 经 工 程 实 践 验 证 ， 取 得 较 大 的 经 济 效 益 ， 并 在 工 程 建 设 质 量 、 多 方 沟 通 协 调 、 绿 色 节 能 建 造 等 方 面 都 有 所 提 升 。 ２ 数 字 化 设 计 体 系 随 着 建 筑 功 能 的 日 益 复 杂 和 建 造 水 平 的 日 益 提 升 ， 通 过 符 合 需 求 的 技 术 整 合 形 成 数 字 化 设 计 体 系 是 目 前 设 计 行 业 信 息 化 中 后 段 的 着 力 点 。 本 文 针 对 现 代 产 业 化 的 建 筑 设 计 相 关 方 法 理 论 及 实 践 ， 提 出 目 前 设 计 体 系 中 的 四 大 主 要 环 节 并 针 对 各 环 节 形 成 相 应 的 技 术 集 成 实 现 。 （ １） 现 代 产 业 化 建 筑 设 计 原 则 、 设 计 标 准 ， 解 决 了 满 足 现 代 人 居 要 求 的 产 业 化 设 计 理 论 与 设 计 原 则 ， 见 图 ２， 通 过 满 足 产 业 化 需 求 的 模 组 化 设 计 和 信 息 互 通 原 则 ， 为 后 续 生 产 体 系 奠 定 数 字 化 的 信 息 基 础 。 图 ２ 符 合 产 业 化 生 产 体 系 的 弹 性 组 合 套 型 设 计 方 法 （ ２） 建 立 适 用 于 产 业 化 建 造 的 各 类 建 筑 一 体 化 节 点 构 造 、 图 纸 表 达 与 实 施 。 在 工 程 实 践 过 程 中 ， 防 水 、 保 温 、 装 饰 层 的 建 造 整 合 ， 利 用 数 字 化 技 术 进 行 装 饰 工 程 的 深 化 设 计 ， 对 板 缝 节 点 、 板 材 穿 管 节 点 、 板 材 固 定 连 接 节 点 、 吊 顶 灯 具 节 点 等 各 种 交 接 节 点 进 行 深 化 ， 实 现 工 厂 的 准 确 预 制 加 工 ， 最 大 程 度 发 挥 总 承 包 单 位 对 资 源 整 合 能 力 ， 有 效 发 挥 集 成 建 造 的 优 势 。 （ ３） 数 字 化 设 计 的 设 计 方 法 、 成 果 三 维 表 达 方 式 、 项 目 协 同 与 信 息 交 互 、 软 件 及 辅 助 工 具 研 发 ， 通 过 数 字 化 技 术 进 行 设 计 原 则 的 封 装 ， 为 长 效 应 用 与 多 元 应 用 提 供 支 持 。 针 对 协 同 、 建 模 、 拆 分 、 计 算 、 出 图 的 技 术 解 决 方 案 ， 建 立 建 筑 工 程 信 息 模 型 制 图 、 交 付 与 应 用 标 准 ， 总 结 形 成 全 过 程 成 套 技 术 标 准 。 将 装 配 式 构 件 详 图 集 成 到 部 品 库 中 进 行 三 维 模 型 建 模 ， 实 现 了 二 维 图 纸 与 三 维 模 型 的 统 一 ， 为 设 计 与 施 工 各 阶 段 建 筑 信 息 应 用 提 供 了 重 要 技 术 支 撑 。 （ ４） 针 对 全 过 程 正 向 设 计 和 数 据 共 享 ， 编 制 适 用 企 业 项 目 的 管 理 标 准 和 技 术 标 准 ， 解 决 企 业 在 推 广 ＢＩＭ 技 术 中 控 制 设 计 质 量 和 提 高 标 准 化 程 度 的 问 题 ， 解 决 企 业 数 字 化 设 计 项 目 管 理 和 模 型 标 准 问 题 ， 提 升 数 字 化 设 计 的 质 量 和 效 率 。 ３ 智 慧 建 造 生 产 体 系 在 现 代 化 建 造 过 程 中 ， 针 对 高 难 度 、 高 精 度 节 点 施 工 技 术 ， 本 文 也 展 开 了 相 应 的 施 工 工 法 实 践 与 ３８ — — 第八届 ＢＩＭ 技术国际交流会暨新产品展览会———工程项目全生命期协同应用创新发展 论文集 ２０２１·深圳 研 制 ， 研 究 适 用 于 现 代 信 息 技 术 的 先 进 工 法 。 上 述 新 型 工 法 有 效 承 接 了 数 字 化 设 计 成 果 ， 并 在 新 型 工 业 化 建 造 中 ， 通 过 信 息 化 管 理 平 台 进 行 一 体 化 集 成 ， 实 现 数 字 化 三 维 设 计 ＋ 先 进 工 法 ＋ 施 工 管 理 平 台 三 者 相 结 合 ， 解 决 实 施 问 题 ， 具 体 包 括 以 下 两 个 内 容 ： （ １） 基 于 ３Ｄ 打 印 的 现 代 先 进 加 工 装 备 及 其 生 产 体 系 针 对 工 业 化 建 造 的 模 式 ， 本 文 研 制 ＲＣ 柱 、 ＲＣ 梁 、 ＲＣ 节 点 的 ３Ｄ 打 印 的 新 型 建 筑 工 业 化 建 造 设 备 ， 并 通 过 配 套 的 数 字 化 下 料 、 吊 装 定 位 、 测 量 等 辅 助 软 硬 件 设 备 、 编 制 工 艺 流 程 通 用 标 准 和 平 台 ， 实 现 了 数 字 化 成 果 与 建 造 的 统 一 ， 在 某 多 层 住 宅 中 开 展 应 用 试 点 ， 见 图 ３。 图 ３ 构 件 ３Ｄ 打 印 及 数 字 化 装 配 （ ２） 数 字 化 的 总 承 包 管 理 体 系 及 工 艺 管 理 平 台 在 传 统 计 划 管 控 下 难 以 实 现 较 大 体 量 和 复 杂 结 构 多 体 系 、 多 部 门 的 联 动 ， 同 时 工 程 参 建 各 方 工 程 项 目 管 理 人 员 、 各 专 业 分 包 、 建 设 单 位 难 以 高 效 沟 通 ， 对 施 工 时 间 与 施 工 成 本 的 控 制 造 成 较 大 负 面 影 响 ， 不 利 于 进 度 、 质 量 、 安 全 的 高 效 有 序 管 理 。 常 规 协 同 管 理 软 件 中 仅 做 到 计 划 与 模 型 互 通 ， 仍 无 法 高 效 应 用 于 实 际 ， 需 要 专 职 ＢＩＭ 人 员 手 动 进 行 模 型 更 新 管 理 ， 模 型 更 新 的 管 控 与 利 用 也 只 限 于 专 职 ＢＩＭ 人 员 ， 其 他 管 理 人 员 难 以 监 管 流 程 模 型 可 能 与 现 场 实 际 的 偏 差 ， 也 失 去 了 协 同 管 理 的 意 义 。 另 外 ， 因 需 要 专 人 维 护 进 行 手 动 更 新 ， 这 大 大 增 加 了 重 复 工 作 量 且 时 效 性 较 差 。 本 文 针 对 上 述 应 用 需 求 ， 建 立 总 承 包 管 理 平 台 ， 采 用 物 料 追 踪 等 系 列 功 能 ， 一 方 面 承 接 设 计 阶 段 的 交 付 模 型 ， 并 进 行 编 码 转 换 与 施 工 阶 段 适 应 性 重 划 分 ； 另 一 方 面 ， 二 维 码 功 能 的 模 型 构 件 作 为 工 程 中 的 信 息 载 体 ， 通 过 对 模 型 构 件 （ 材 料 ） 的 跟 踪 使 建 筑 施 工 流 程 与 各 追 踪 节 点 一 一 对 应 ， 紧 密 关 联 。 同 时 ， 对 模 型 构 件 标 以 不 同 颜 色 区 分 不 同 的 进 度 状 态 ， 也 可 对 各 构 件 的 施 工 时 间 、 施 工 状 态 进 行 查 看 管 理 。 ４ 设 计 体 系 与 生 产 体 系 的 一 体 化 集 成 在 工 程 实 践 过 程 中 ， 设 计 成 果 与 建 造 过 程 管 理 的 有 机 结 合 是 充 分 发 挥 工 程 总 承 包 价 值 的 体 现 ， 也 是 集 成 体 系 的 核 心 所 在 。 因 此 ， 通 过 采 用 深 化 模 型 ＋ 数 据 表 的 形 式 ， 能 有 效 地 将 建 造 数 据 正 向 传 递 至 下 游 ， 建 立 中 心 化 协 同 管 理 平 台 ， 配 合 施 工 阶 段 采 用 虚 拟 样 板 、 机 电 安 装 综 合 管 线 数 字 化 模 拟 与 加 工 等 多 个 技 术 进 行 研 究 ， 实 现 复 杂 管 线 建 造 、 数 字 化 放 样 与 智 能 加 工 、 数 字 预 拼 装 与 施 工 模 拟 等 全 方 位 保 障 技 术 ， 研 发 配 套 软 件 ， 为 实 现 复 杂 工 程 建 设 提 供 技 术 支 撑 ， 典 型 应 用 有 设 计 建 造 的 数 字 化 管 理 集 成 和 全 过 程 虚 拟 孪 生 集 成 。 ４ １ 设 计 建 造 数 字 化 管 理 集 成 高 度 集 成 化 是 建 筑 产 业 化 的 一 大 特 点 ， 在 运 用 数 字 化 技 术 进 行 建 筑 设 计 、 加 工 、 施 工 的 整 个 过 程 中 ， 模 型 信 息 如 何 有 效 地 传 递 到 后 续 工 业 化 生 产 体 系 中 ， 是 建 筑 产 业 化 的 一 大 要 点 。 目 前 数 字 化 建 造 主 要 向 ３Ｄ 可 视 化 、 三 维 快 速 成 型 、 逆 向 三 维 扫 描 等 方 向 快 速 发 展 。 较 为 先 进 的 ＢＩＭ 数 字 软 件 ， 不 仅 包 括 了 原 材 料 的 管 控 ， 还 包 括 了 节 点 的 质 量 标 准 、 验 收 标 准 ， 每 一 个 流 程 都 在 数 字 化 建 造 管 控 体 系 内 得 以 实 现 。 数 字 化 建 造 打 破 了 以 往 建 筑 蓝 图 的 束 缚 。 例 如 管 道 长 度 、 内 径 、 外 径 等 数 字 可 以 直 接 读 取 ， 各 种 管 线 的 立 体 设 计 一 目 了 然 ， 不 会 在 施 工 时 才 发 现 管 线 交 叉 、 碰 撞 ， 减 少 了 设 计 失 误 带 来 的 成 本 。 本 文 参 考 传 统 制 造 业 信 息 化 工 业 化 的 相 关 做