周绪红院士：智能建造关键技术研究

2023年桥梁学术会议在江苏张家港举行。周绪红院士（中国工程院院士、重庆大学钢结构工程研究中心主任）做了题为《智能建造关键技术研究进展》的分享，本文就分享内容及其他网络公开资料做了部分内容的梳理和解读，部分观点来自笔者，供广大行业小伙伴鉴阅。

什么是智能建造？

关于智能建造的定义，周院士给了自己的理解：智能建造是融合新一代信息技术和工程建造技术，在工程中利用人工智能技术完成复杂建造工作的一种新型生产方式，其重点是人工智能技术，核心是机器学习、智能计算技术与工程技术相融合。智能建造涵盖智能化设计、智能化生产、智能化施工、智能化运维等功能，已逐步应用于建筑、桥梁、公路、隧道、机场、车站、水利、能源工程等领域。智能建造不同于信息化，也不同于一般的自动化，其强调代替人做复杂的工作，具有人机交互、自主学习、自主分析、自主决策和自主优化、判断、预警、决策等优势。

在这里面有一个很重要的观点：就是智能建造不仅仅是分析问题、发现问题，更需要提供问题的解决方案支撑决策。即对人工智能的应用，是对决策的支撑，就以碰撞检测为例，如果只是发现碰撞点是不够的，还要结合行业知识和机器学习提出优化的建议，这才是智能建造不同于传统信息化的一个重要支点。这样就可以逐步降低“人”在事务决策中的不利影响（是人就会犯错，智能化发展的趋势就是逐步取代人类低端的思考过程），提升决策的效率和正确率。

为什么发展智能建造？

同样，为什么要发展智能建造？我们从两个方面给出了自己的理解：

首先是内在的需求。土木交通发展遇到了发展的瓶颈：1、人口老龄化导致了行业青壮劳动力的短缺。年轻人不愿意到工地上干活了，主要还是因为社会地位低（农民工现在逐步改为产业工人，但本质未变）、生产环境差（高温、高空、高时长）。2、建（构）筑物建设品质要求提高。随着社会经济的发展，人们对物质文化的需求已经不仅局限于吃饱穿暖的阶段，无论是传统的民用建筑还是公共基础设施，大众的评判标准已经从有没有到好不好转变，这就对我们的建设过程和交付物提出了更高的要求。建筑物朝着更精细的方向发展，这就需要我们应用更加精密的机器和更科学的组织方式来开展我们的生产建造活动。3、环境保护形势严峻。建筑业一直是能耗大户，在节能低碳的大趋势下如何实现建造过程的节能减排也是行业必须要思考的一个问题。智能建造的发展可以实现极大地减少现场的湿作业，减少现场加工的材料损耗并且提高建造效率，实现节能降耗的目标。

其次是外在的需求。随着中国经济发展重心从高速发展转向高质量发展转换，传统建筑业粗放式的发展模式也需要随之改变。粗放型生产方式不符合高质量发展要求，绿色化、高质量是发展的核心和最终目标，而工业化是绿色化发展的重要途径，因此，中国必须走新型建筑工业化之路，推进新型工业化、迈向智能建造是必然趋势。

智能建造关键技术——桥梁智能设计研究

桥梁设计面临诸多问题：桥式方案的影响因素很多，需要反复地调整方案；2、结构体系、截面形式选择灵活，建模的工作量大；3、结构的人工优化效率极低、主观性强。怎么解决？我们将桥梁智能设计分解成为“结构智能建模”和“结构智能优化”两项工作。这两项工作相互关联一体化完成，其中最重要的技术点是BIM模型与有限元模型之间的数据双向传递问题。这个是怎么实现的呢？是通过相互间的数据映射来实现的。

智能建造关键技术——桥梁智能检测与预拼装

大型钢结构桥梁为什么要预拼装？大家应该都知道，大型的钢结构在工厂加工出来以后，都需要在工厂进行预拼装，以防止构件误差（或者错误）导致的现场返工。但大型桥梁（或者复杂的钢结构建筑物）预拼装都需要占用非常大的场地，通常都不能完整地实现预拼装，往往采用单元模块化的方式预拼装，就算这样也往往需要占用大量的厂房和土地资源，抬高了项目实施的成本。同时，因为整个流程需要从工程预拼装——拆卸——工地现场安装的流程，对整个项目的是施工期也有一定的影响。

那么，基于BIM模型的预拼装就可以很好地解决这个问题。要实现电脑上的预拼装，首先就需要对生产出来的结构构件进行精确建模（物理构件的数字化），这里就用到了多尺度点云扫描技术。多尺度点云扫描采集构件数据，是通过陆地式扫描仪扫描构件的整体尺寸，局部细节采用手持式扫描仪扫描螺栓孔细部尺寸。通过统一坐标系将不同精细度的模型整合成完整构件，然后在电脑中进行虚拟拼装。同时，我们也需要把设计BIM模型和扫描的点云模型进行拟合对比，实现设计——制造——建造的一体化。

智能建造关键技术——施工质量与安全的智能检测

施工质量和安全涉及到非常多的方面，从模板工程、钢筋工程、混凝土工程、砌体工程等方面，涉及人员安全防护、临时用电安全、临边安全防护、机械设备安全防护等等，而且现场跨工种工序多、人员密集，不安全因素非常多。当前主要采用的检测方式往往是通过人工的方式来实现的，这样就导致了检测效率低、及时性差并且无法实现完全覆盖等问题。基于此，团队采用了“检测目标智能采集”加“智能检测”相融合的方式，通过多源异构数据的实施自动采集收集现场数据，然后通过智能分析的方式完成“质量智能检测”和“安全智能检测”工作。

智能建造关键技术——智能建造机器人

机器人是人类生产生活的重要工具和应对人口老龄化的得力助手，同时也是新兴技术的重要载体和现代产业的关键装备。在制造与施工中，我们希望机器人能代替人类干“危、繁、脏、重”等高风险的事情，以确保工程更加安全、高效和环保。团队采用的技术路线为 3个硬件模块（即底盘选型、机械臂选型、执行器研发）与3个软件模块（即构图与定位、路径规划与自主避障、建模与控制）相结合的形式。

发展智能建造，是当前建筑业突破发展瓶颈、增强核心竞争力、实现高质量发展的关键所在，要着重注意以下两点：一是发展智能建造必须坚持产学研结合，建立以大型建筑业央企、国企或民企牵头，软件开发商、制造企业和高校及科研院所参与的跨专业、跨行业协同创新体系；二是发展智能建造必须多学科交叉融合，团队中既要有掌握传统土木建筑知识的专业技术人才，又要有精通人工智能算法、物联网、通信技术、云计算、机器人、计算机、智能制造和先进设备等方面知识的其他技术人才，才能共同承担这项多学科交叉的研究工作。

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