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建筑施工智能化现状与展望

2021-04-19 205 上传者：管理员

摘要：目前，中美竞争激烈，建筑行业作为支柱产业需要承担更重要的社会责任。中国老龄化问题日益严峻，建筑施工智能化是解决该问题的根本途径。本文总结了现阶段建筑施工智能化的应用情况，对建筑施工智能化可能引发的一些问题进行深入分析，并对建筑施工智能化引发的问题提出相关建议，展望了建筑施工智能化的发展方向。建筑施工智能化将引发巨大变革，也面临挑战。

关键词：
3D打印
5G
人工智能
建筑施工
机器人
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国办发[2017]19号文中提出“建筑业是国民经济的支柱产业”。但与建筑业较为发达的国家相比，中国建筑业对国民经济的贡献水平较低，仍有提升的潜力和空间[1]。当今，世界各国竞争激烈，建筑企业需要承担更重要的社会责任。建筑行业属劳动密集型行业，施工人员复杂，比如:模板支设、钢筋绑扎、混凝土浇筑等需要大量人员共同作业。由于施工场地空间有限，施工机械设备多，交叉作业，施工周期长，作业环境复杂多变，因此建筑施工过程事故多发，带来巨大的人员伤亡和财产损失[2]。建筑行业是国民经济发展的支撑行业，由于我国老龄化问题日益严峻，劳动力是保障建筑行业稳定发展的重要手段，人口老龄化造成劳动者的生产效率降低，安全隐患增加，施工周期延长、施工成本增加[3]，给国民经济产生的负面影响不言而喻。建筑施工企业必须直面人口老龄化的严峻考验，加速实现建筑施工整个过程的智能化。

2018年2月6日资诚联合会计师事务所(PwC)全球同步发布《AI机器人真的会偷走我们的工作吗?自动化对工作之潜在影响》研究报告中指出，全球逾20万名劳工的工作任务和技术，自动化对各个产业劳工的冲击在2030年代中期，将达到30%。最可能被自动化取代的产业前3名依次是运输与仓储业(52%)、制造业(45%)和建筑业(38%)。建筑行业改革迫在眉睫。2020年两会上，人工智能第三次写入政府工作报告。全国政协委员杨国强《关于建立完善建筑机器人政策标准体系加快建筑业转型升级的提案》中指出，科学技术发展到今天，用机器人建房子的条件已经具备，应加快研发应用智能建筑机器人，像生产汽车一样准确地建房子。2020年7月28日，住房和城乡建设部等13部门联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，指出在建造全过程加大建筑信息模型(BIM)、互联网、物联网、大数据、云计算、移动通信、人工智能、区块链[4]。建筑施工智能化，提高现场各模块的管理水平;全方位准确识别不安全因素，提高施工安全性;机器替代人工，从根本上解决了房屋安全和质量问题，提高劳动生产率，节约成本，缓解我国老龄化问题[5]。

作为一名建筑从业者，更坚信建筑施工智能化是必然的发展趋势，同时清醒地认识到建筑施工智能化可能引发的问题，并对建筑施工智能化未来的发展充满信心。

1、建筑施工智能化的概述

人工智能(ArtificialIntelligence,AI)提出于1956年，涉及计算机科学、控制论、信息论、神经心理学、哲学、语言学等学科，是一门综合性的边缘学科[6]。人工智能，是指在机器(计算机、机器人等)实现超越人类的感知、认知、决策、行动等智能行为。目前，人工智能已经进入了大数据驱动的深度神经网络阶段，不再需要去构建很多规则和数据，深度学习能从标注的海量数据里面学习到一些规则和特征[7]。

按人工智能技术发展轨迹划分，建筑施工智能化分为感知、替代和智慧3个阶段。第一阶段是感知设备运行情况、施工人员的行为等，有助于增强施工人员的技能;第二阶段是AI部分替代人，完成人类无法完成以及风险很大的工作，替代是在人类制作的框架中严格执行的;第三阶段是智慧阶段，借助AI类人的思考能力，由部分建造大脑来指挥和管理，具有自我进化能力[8]。

2、建筑施工智能化的现状

目前，人工智能已经广泛应用于建筑行业的各个领域，如建筑规划和结构、建筑工程管理、水电气暖、建筑材料等[9]。人工智能广泛应用于建筑施工的各个环节，包括施工前期，AI审图;采用人工智能手段，精确测算、决策辅助，提前制定最优化的工程进度、进行成本、空间、人力、设备、材料设计，设定不可预见的问题，根据问题调整相应施工进度，制定诸多方案，以指导实际施工。建筑施工过程中，智能化主要包括以下三方面:

2.15G智慧工地

第五代移动通信(5G)具有高速率、大带宽、低延时、高可靠等特性，现已应用于建筑施工全程，弥补了施工管理中的不足，有效降低施工现场安全事故的发生。

5G的关键技术“移动边缘计算(MEC)”，是利用无线接入网络，就近提供用户所需服务，加速网络中内容、服务及应用的快速下载，让消费者享有不间断的高质量网络。由于传统建筑工地使用一个1080p摄像头，流量一天约50G，费用每个月达数万元，但MEC可以达到“0”流量，提高巡检工作效率[10]。有效提高施工现场危险区域的管理，一方面需要全面识别施工现场容易造成严重后果的危险区域，进行分级管控;另一方面是结合信息化技术，对进入或即将进入危险区域的施工人员进行实时预警[11]。

将传统的施工管理模式和智慧物联网技术相结合，将现场部署的传感器、激光雷达、高清摄像机、GPS等设备采集的数据，通过数据服务控制子系统返回给指挥中心，通过分析、预警、应答、处理，项目管理人员对目标、资金成本、进度、质量安全及风险有直观全面的了解，做出决策分析[12]。

2.2建筑3D打印

建筑3D打印技术提出于2004年，该技术利用分层堆积原理，采用工业机器人逐层重复铺设材料层，构建自由形式建筑。3D打印设备是由一个巨型的三维挤出机械构成。与传统的建筑施工方式相比，3D打印建筑技术降低了材料、人工、设备、制造等成本，同时实现了一体设计与一体成型[13]。3D打印可以严格按照设计要求，任意设计墙体结构。具有施工工期短，材料成本低，墙体自重轻，低噪声、无粉尘等优势，可显著提升建筑效率，缩短工期，做到节能减排[14]。目前3D打印建筑主要用于打印建筑的墙体，只适用于应急性建筑和临时性建筑。

2.3建筑机器人

建筑机器人的研究起源于日本，1982年日本清水公司开发的一台耐火材料喷涂机器人，被认为是首台建筑施工机器人，同公司的多功能行走车可以修平和磨光砼楼板表面，并自动躲避墙壁和立柱。1994年，德国制造了墙体砌筑机器人，1996年，制造了混凝土施工机器人。2014年，新加坡开发了地瓷砖铺设机器人。我国建筑机器人研究起步较晚，但在政府、高校、科研院所、企业的共同努力下，发展迅速，如哈尔滨工业大学制造的遥控壁面爬行机器人;山东矿业大学制造的喷浆机器人;河北工业大学开发的室内板材安装机器人等，都在建筑施工现场得到应用[15]。

高度智能化机器人可以很轻松地深入到建筑行业各种恶劣的环境中，如铺设钢筋混凝土预制板、外墙干挂石材等繁重、危险的施工。机器人是程序化设定的硬件，其优势表现在高强度、高效率、误差率小等，可以实现建筑工地零伤亡、高标准、高效益，并从根本上解决房子的安全和质量问题，显著提高劳动生产率，节约成本。如北京奥运场馆“鸟巢”和“中国第一高楼”上海中心的钢结构施工中，均使用了建筑焊接机器人;以港珠澳大桥为代表，中国桥梁已实现智能化建造;以京张、郑万高铁为代表，中国高铁智能建造水平世界一流;以上海中心大厦为代表，中国超高层建筑已全面进入智能化建造阶段[4]。

目前，建筑机器人的研发主要包括三个层次，第一层次是现有机械改造，对于广泛使用的挖掘机、推土机、压路机、渣土车等机械进行改造，实现远程遥控操作，自主导航，无人驾驶等，这是建筑施工智能化的一条捷径;第二层次是对即有机器人的应用，如传感器、无人机、视觉技术等应用于建筑施工各个环节，这是现阶段建筑施工智能化程度的有效途径;第三个层次是推动建筑专业机器人的研发，这是未来的发展方向[16]。

3、建筑施工智能化带来的问题与展望

3.1建筑施工智能化带来的问题

3.1.1劳务就业问题

人工智能代替人类参与建筑施工，会使一些人失去介入施工过程的机会，原本由人完成的工作，变为由机器完成，通过大数据分析后进行决策。传统建筑施工人员的身份发生转变，一部分人成为辅助优化人工智能的训练者、交互设计师等，另一部分人无法适应新的工作岗位，被迫失业。建筑施工智能化导致的失业问题，是影响社会稳定的重要因素[17]。

3.1.2思维方式问题

人工智能应用于建筑施工的各个环节，建筑施工人员开始无条件地相信系统的判断和决定，不愿意动脑，丧失发现问题、解决问题的能力，缺乏敏感性、创造性，不愿意承担责任，过分依赖机器。就像过分依赖计算器的学生，其主动思维能力和计算能力会明显下降。过分依赖网络的学生，其在写作中的想象能力也会明显下降。

3.1.3环保问题

低碳环保的发展理念，是实现建筑施工的智能化基础[18]。建筑3D打印应用的材料，主要是高标号水泥和玻璃纤维，而玻璃纤维对人体呼吸系统有害，高标号水泥回收困难，其强度等性能等特性也不达标[19]。

3.2建筑施工智能化的展望

3.2.1综合性人才的培养

虽然智能机器人不受外界影响，可不间断、不出错地工作，但需要在人工设定的框架中工作，只有程序精准，机器才不会犯错，机器犯错即是大错，会造成不可预料的后果。解决该问题根源是人。广大建筑施工人员必须正确认识人工智能技术的重要性，主动转变自身的思想认识和工作理念，有针对性地参加人工智能技术的学习与实践。需从根本上改变人类的知识结构，在全社会范围内，在幼儿、中小学阶段普及人工智能的教育，提高大众对人工智能的认识，激发整个民族的人工智能创造能力。

3.2.2人工智能自主研发的能力

推动人工智能技术发展需要夯实基础，坚持走独立研发路线，将自主权牢牢掌握在自己手里。只有政府主导，企业跟进，企校合作，才能在全球竞争激烈的人工智能竞争中，突出重围，不受任何禁锢。在政府扶持下，加大科研支持和力度，鼓励更多的专业人才从事建筑智能化技术的创新研究，以实现我国建筑智能化技术独立，并处于世界领先地位。

3.2.3建筑施工智能化的普及

目前，建筑施工智能化在中国建筑行业的普及度不高，智能化没有在所有建筑项目施工过程中得到应用，智能化并没有贯穿建筑施工的各个环节，各环节之间并没有真正建立起有效的相互协调沟通的机制，影响了智能化的高效性。建筑施工智能化是未来建筑行业信息化发展的一个重要方向，它的普及，需要国家政策、行业标准等多方面的监管。需要建筑施工各个环节之间建立有效的协调机制，实现整体性。国家主导、企业配合，推广建筑施工智能化。

4、结论

在人工智能技术不断发展的今天，人类的生活方式不断发生改变，人工智能技术成为建筑行业的重要突破口，应用于建筑行业必将带来新的发展机遇和挑战，推动建筑行业的革新和转型。建筑施工智能化，使建筑施工从劳动密集型向技术、知识、管理密集型转变。建筑施工智能化，使建筑施工更安全、高效、高收益，推动了建筑行业的良性循环和产业升级。建筑施工智能化具有美好的前景，是解决人力资源短缺问题，构建节约型社会，实现人与自然和谐发展的必然选择。传统建筑工地与智能化的融合并非一朝一夕就能实现，需要直面并克服在人员、材料、工艺、技术标准、质监管控等多方面的困难。从根本上改变传统建筑业还有很长的路要走，需要全社会的共同努力。

参考文献：

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[2]郭红领,于言滔,刘文平,等.BIM和RFID在施工安全管理中的集成应用研究[J].工程管理学报,2014,(4):87-92.

[3]张婧,沈良峰,张微巍,朱安娜.老龄化视角下我国传统建筑行业转型升级发展研究[J].价值工程,2020,39(21):81-83.

[4]袁蓉生.向智能建造转型[J].施工企业管理,2020,(11):56-58.

[5]郑杰,吴世永,毕小青.人工智能在建筑行业的应用分析[J].中国市场,2019,(35):54-58.

[6]陈晋.人工智能技术发展的伦理困境研究[D].吉林大学,硕士论文,2013.

[7]李世鹏.人工智能的发展现状和趋势[J].视听界,2019,(05):5-9.

[8]毛志兵.推进智慧工地建设助力建筑业的持续健康发展[J].工程管理学报,2017,31(5):80-84.

[9]王波,蒋鹏,卿晓霞.人工智能技术及其在建筑行业中的应用[J].微型机与应用,2004,(08):4-7.

[10]王卿,肖光华.5G移动边缘计算技术在建筑施工管理中的应用[J].技术应用,27(9):66-67.

[11]王伟,吕山可,张雨果,等.基于BIM与机器视觉技术结合的建筑施工危险区域入侵预警研究[J].安全与环境工程,2020,27(2):196-203.