周緒紅院士：智能建造關(guān)鍵技術(shù)研究

打印 0條評(píng)論來源：J Intelligent Construction

2023年橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議在江蘇張家港舉行。周緒紅院士（中國(guó)工程院院士、重慶大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)工程研究中心主任）做了題為《智能建造關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展》的分享，本文就分享內(nèi)容及其他網(wǎng)絡(luò)公開資料做了部分內(nèi)容的梳理和解讀，部分觀點(diǎn)來自筆者，供廣大行業(yè)小伙伴鑒閱。

什么是智能建造？

關(guān)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(shù)和工程建造技術(shù)，在工程中利用人工智能技術(shù)完成復(fù)雜建造工作的一種新型生產(chǎn)方式，其重點(diǎn)是人工智能技術(shù)，核心是機(jī)器學(xué)習(xí)、智能計(jì)算技術(shù)與工程技術(shù)相融合。智能建造涵蓋智能化設(shè)計(jì)、智能化生產(chǎn)、智能化施工、智能化運(yùn)維等功能，已逐步應(yīng)用于建筑、橋梁、公路、隧道、機(jī)場(chǎng)、車站、水利、能源工程等領(lǐng)域。智能建造不同于信息化，也不同于一般的自動(dòng)化，其強(qiáng)調(diào)代替人做復(fù)雜的工作，具有人機(jī)交互、自主學(xué)習(xí)、自主分析、自主決策和自主優(yōu)化、判斷、預(yù)警、決策等優(yōu)勢(shì)。

在這里面有一個(gè)很重要的觀點(diǎn)：就是智能建造不僅僅是分析問題、發(fā)現(xiàn)問題，更需要提供問題的解決方案支撐決策。即對(duì)人工智能的應(yīng)用，是對(duì)決策的支撐，就以碰撞檢測(cè)為例，如果只是發(fā)現(xiàn)碰撞點(diǎn)是不夠的，還要結(jié)合行業(yè)知識(shí)和機(jī)器學(xué)習(xí)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(gè)重要支點(diǎn)。這樣就可以逐步降低“人”在事務(wù)決策中的不利影響（是人就會(huì)犯錯(cuò)，智能化發(fā)展的趨勢(shì)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(gè)方面給出了自己的理解：

首先是內(nèi)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(dǎo)致了行業(yè)青壯勞動(dòng)力的短缺。年輕人不愿意到工地上干活了，主要還是因?yàn)?/span>社會(huì)地位低（農(nóng)民工現(xiàn)在逐步改為產(chǎn)業(yè)工人，但本質(zhì)未變）、生產(chǎn)環(huán)境差（高溫、高空、高時(shí)長(zhǎng)）。2、建（構(gòu)）筑物建設(shè)品質(zhì)要求提高。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)文化的需求已經(jīng)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(chǔ)設(shè)施，大眾的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從有沒有到好不好轉(zhuǎn)變，這就對(duì)我們的建設(shè)過程和交付物提出了更高的要求。建筑物朝著更精細(xì)的方向發(fā)展，這就需要我們應(yīng)用更加精密的機(jī)器和更科學(xué)的組織方式來開展我們的生產(chǎn)建造活動(dòng)。3、環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻。建筑業(yè)一直是能耗大戶，在節(jié)能低碳的大趨勢(shì)下如何實(shí)現(xiàn)建造過程的節(jié)能減排也是行業(yè)必須要思考的一個(gè)問題。智能建造的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)極大地減少現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)，減少現(xiàn)場(chǎng)加工的材料損耗并且提高建造效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

其次是外在的需求。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重心從高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)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(chǎn)方式不符合高質(zhì)量發(fā)展要求，綠色化、高質(zhì)量是發(fā)展的核心和最終目標(biāo)，而工業(yè)化是綠色化發(fā)展的重要途徑，因此，中國(guó)必須走新型建筑工業(yè)化之路，推進(jìn)新型工業(yè)化、邁向智能建造是必然趨勢(shì)。

智能建造關(guān)鍵技術(shù)——橋梁智能設(shè)計(jì)研究

橋梁設(shè)計(jì)面臨諸多問題：橋式方案的影響因素很多，需要反復(fù)地調(diào)整方案；2、結(jié)構(gòu)體系、截面形式選擇靈活，建模的工作量大；3、結(jié)構(gòu)的人工優(yōu)化效率極低、主觀性強(qiáng)。怎么解決？我們將橋梁智能設(shè)計(jì)分解成為“結(jié)構(gòu)智能建模”和“結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化”兩項(xiàng)工作。這兩項(xiàng)工作相互關(guān)聯(lián)一體化完成，其中最重要的技術(shù)點(diǎn)是BIM模型與有限元模型之間的數(shù)據(jù)雙向傳遞問題。這個(gè)是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？是通過相互間的數(shù)據(jù)映射來實(shí)現(xiàn)的。

智能建造關(guān)鍵技術(shù)——橋梁智能檢測(cè)與預(yù)拼裝

大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁為什么要預(yù)拼裝？大家應(yīng)該都知道，大型的鋼結(jié)構(gòu)在工廠加工出來以后，都需要在工廠進(jìn)行預(yù)拼裝，以防止構(gòu)件誤差（或者錯(cuò)誤）導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)返工。但大型橋梁（或者復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)建筑物）預(yù)拼裝都需要占用非常大的場(chǎng)地，通常都不能完整地實(shí)現(xiàn)預(yù)拼裝，往往采用單元模塊化的方式預(yù)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(xiàng)目實(shí)施的成本。同時(shí)，因?yàn)檎麄€(gè)流程需要從工程預(yù)拼裝——拆卸——工地現(xiàn)場(chǎng)安裝的流程，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的是施工期也有一定的影響。

那么，基于BIM模型的預(yù)拼裝就可以很好地解決這個(gè)問題。要實(shí)現(xiàn)電腦上的預(yù)拼裝，首先就需要對(duì)生產(chǎn)出來的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行精確建模（物理構(gòu)件的數(shù)字化），這里就用到了多尺度點(diǎn)云掃描技術(shù)。多尺度點(diǎn)云掃描采集構(gòu)件數(shù)據(jù)，是通過陸地式掃描儀掃描構(gòu)件的整體尺寸，局部細(xì)節(jié)采用手持式掃描儀掃描螺栓孔細(xì)部尺寸。通過統(tǒng)一坐標(biāo)系將不同精細(xì)度的模型整合成完整構(gòu)件，然后在電腦中進(jìn)行虛擬拼裝。同時(shí)，我們也需要把設(shè)計(jì)BIM模型和掃描的點(diǎn)云模型進(jìn)行擬合對(duì)比，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)——制造——建造的一體化。

智能建造關(guān)鍵技術(shù)——施工質(zhì)量與安全的智能檢測(cè)

施工質(zhì)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(hù)、臨時(shí)用電安全、臨邊安全防護(hù)、機(jī)械設(shè)備安全防護(hù)等等，而且現(xiàn)場(chǎng)跨工種工序多、人員密集，不安全因素非常多。當(dāng)前主要采用的檢測(cè)方式往往是通過人工的方式來實(shí)現(xiàn)的，這樣就導(dǎo)致了檢測(cè)效率低、及時(shí)性差并且無法實(shí)現(xiàn)完全覆蓋等問題。基于此，團(tuán)隊(duì)采用了“檢測(cè)目標(biāo)智能采集”加“智能檢測(cè)”相融合的方式，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)施自動(dòng)采集收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后通過智能分析的方式完成“質(zhì)量智能檢測(cè)”和“安全智能檢測(cè)”工作。

智能建造關(guān)鍵技術(shù)——智能建造機(jī)器人

機(jī)器人是人類生產(chǎn)生活的重要工具和應(yīng)對(duì)人口老齡化的得力助手，同時(shí)也是新興技術(shù)的重要載體和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵裝備。在制造與施工中，我們希望機(jī)器人能代替人類干“危、繁、臟、重”等高風(fēng)險(xiǎn)的事情，以確保工程更加安全、高效和環(huán)保。團(tuán)隊(duì)采用的技術(shù)路線為 3個(gè)硬件模塊（即底盤選型、機(jī)械臂選型、執(zhí)行器研發(fā)）與3個(gè)軟件模塊（即構(gòu)圖與定位、路徑規(guī)劃與自主避障、建模與控制）相結(jié)合的形式。

發(fā)展智能建造，是當(dāng)前建筑業(yè)突破發(fā)展瓶頸、增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵所在，要著重注意以下兩點(diǎn)：一是發(fā)展智能建造必須堅(jiān)持產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，建立以大型建筑業(yè)央企、國(guó)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(xié)同創(chuàng)新體系；二是發(fā)展智能建造必須多學(xué)科交叉融合，團(tuán)隊(duì)中既要有掌握傳統(tǒng)土木建筑知識(shí)的專業(yè)技術(shù)人才，又要有精通人工智能算法、物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)、云計(jì)算、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、智能制造和先進(jìn)設(shè)備等方面知識(shí)的其他技術(shù)人才，才能共同承擔(dān)這項(xiàng)多學(xué)科交叉的研究工作。