建筑工程從數(shù)字化建造到智慧

建筑工程從數(shù)字化建造到智慧建造北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司李久林報(bào)告提綱緣起問題正開展國家體育場（鳥巢）的數(shù)字化建造發(fā)展昆明新機(jī)場、北京英特宜家工程的BIM綜合應(yīng)用數(shù)字化建造的現(xiàn)狀與存在的問題基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的智慧建造緣起問題正開展國家體育場（鳥巢）的數(shù)字化建造發(fā)展昆明新機(jī)場、北京英特宜家工程的BIM綜合應(yīng)用數(shù)字化建造的現(xiàn)狀與存在的問題基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的智慧建造工程背景國家體育場（鳥巢）作為2008年北京奧運(yùn)會的主會場，是目前世界上特大跨度體育建筑之一。其結(jié)構(gòu)體系與建筑造型渾然一體，外圍大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)由4.2萬噸扭曲鋼構(gòu)件編織而成，內(nèi)部看臺為異形框架結(jié)構(gòu)，由角度各異的混凝土斜柱組成，屋面采用ETFE和PTFE膜結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外無先例、無相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，工程建造需解決一系列重大技術(shù)難題。（1）三維建模及仿真分析技術(shù)（2）工廠化加工技術(shù)（3）機(jī)械化安裝技術(shù)（4）精密測控技術(shù)（5）結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與健康監(jiān)測技術(shù)（6）信息化管理技術(shù)“鳥巢”采用的六大數(shù)字化建造技術(shù)基于CATIA的三維模型設(shè)計(jì)在國家體育場的設(shè)計(jì)中，國內(nèi)建筑行業(yè)首次引入CATIA軟件，解決了復(fù)雜建筑的空間建模問題。（1）三維建模及仿真分析技術(shù)扭曲構(gòu)件的幾何構(gòu)型與放樣首次提出任意曲面扭曲薄壁箱形構(gòu)件的幾何投影生成法，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的異型構(gòu)件制作軟件。扭曲箱形構(gòu)件扭曲構(gòu)件綜合控制設(shè)計(jì)方法展平放樣圖（1）三維建模及仿真分析技術(shù)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)安裝全過程模擬仿真分析技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)總體安裝方案比選：對整體提升、滑移、分段吊裝高空組拼方案（簡稱散裝法）和局部整體提升等方案進(jìn)行了比選，最終采用78個(gè)支撐點(diǎn)的高空散裝方案。鋼結(jié)構(gòu)安裝過程模擬鋼結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)安裝流程（1）三維建模及仿真分析技術(shù)桁架翻身吊裝過程的應(yīng)力桁架翻身吊裝過程的變形次結(jié)構(gòu)安裝重型吊耳設(shè)計(jì)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)安裝全過程模擬仿真分析技術(shù)鋼構(gòu)件安裝：施工前選擇典型吊裝單元，對構(gòu)件形心和吊耳設(shè)計(jì)、構(gòu)件翻身和吊裝中的應(yīng)力和變形、構(gòu)件安裝臨時(shí)穩(wěn)固措施、構(gòu)件安裝次序等進(jìn)行了模擬分析。（1）三維建模及仿真分析技術(shù)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)安裝全過程模擬仿真分析技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)整體合龍：從主體鋼結(jié)構(gòu)開始安裝到鋼結(jié)構(gòu)整體合龍歷時(shí)近8個(gè)月，需要依據(jù)確定的合龍斷面位置，考慮各種溫度變化情況，計(jì)算合龍斷面處的桿件溫度變形值，以確定具體合龍方式、合龍口預(yù)留間隙大小及合龍口做法。安裝初始溫度溫度變形計(jì)算結(jié)果（1）三維建模及仿真分析技術(shù)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)安裝全過程模擬仿真分析技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)支撐卸載：基于卸載仿真分析結(jié)果，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程整個(gè)卸載過程共分7大步、35小步，從外向內(nèi)進(jìn)行。工況1支撐點(diǎn)反力和以及總反力變化圖（1）三維建模及仿真分析技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)扭曲箱形構(gòu)件多點(diǎn)無模成型加工技術(shù)首創(chuàng)多點(diǎn)成形和計(jì)算機(jī)結(jié)合的無模成形工藝、加工設(shè)備、質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)，高精度完成了扭曲構(gòu)件加工，完美實(shí)現(xiàn)了“鳥巢”建筑造型。多點(diǎn)無模成型設(shè)備計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)扭曲構(gòu)件制作MetroIn工業(yè)三維測量系統(tǒng)（2）工廠化加工技術(shù)預(yù)制看臺板加工安裝技術(shù)（2）工廠化加工技術(shù)機(jī)電設(shè)備安裝（2）工廠化加工技術(shù)模塊式移動草坪安裝（2）工廠化加工技術(shù)鋼柱現(xiàn)場預(yù)拼裝（3）機(jī)械化安裝技術(shù)柱腳滑移安裝采用800噸吊機(jī)安裝鋼構(gòu)件（3）機(jī)械化安裝技術(shù)采用計(jì)算機(jī)控制集群液壓千斤頂同步卸載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)外首例6萬平方米1.4萬噸鋼結(jié)構(gòu)支撐卸載。結(jié)構(gòu)實(shí)測變形量（271mm）與理論計(jì)算變形量（286mm）誤差僅為5.2%，遠(yuǎn)高于國內(nèi)外大跨度工程實(shí)例誤差水平，獲國家級工法。卸載動畫卸載設(shè)備系統(tǒng)（3）機(jī)械化安裝技術(shù)研究應(yīng)用GPS、三維激光掃描儀等先進(jìn)測量儀器，建立了高精度的三維工程控制網(wǎng)，實(shí)施構(gòu)件拼裝、安裝的快速空間放樣定位和實(shí)時(shí)檢測，實(shí)現(xiàn)了偏差的預(yù)控和提前消納。獲2008年中國測繪學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎。鋼結(jié)構(gòu)施工控制網(wǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝三維激光掃描（4）精密測控技術(shù)20合攏結(jié)構(gòu)溫度曲線（5）結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與健康監(jiān)測技術(shù)21理論反力值與千斤頂實(shí)測值應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測值卸載指令及信息傳遞流程圖（5）結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與健康監(jiān)測技術(shù)開發(fā)、建立了5套信息化管理系統(tǒng)。項(xiàng)目信息管理平臺多參與方協(xié)同工作網(wǎng)絡(luò)平臺4D施工管理系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)的鋼結(jié)構(gòu)施工管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視頻攝像系統(tǒng)（6）信息化管理技術(shù)施工對象選取和查看任意選定的構(gòu)件實(shí)體的施工信息查詢建筑工程4D施工管理系統(tǒng)獲2009年華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)一等獎。（6）信息化管理技術(shù)4D施工過程可視化模擬

可以天、周、月為時(shí)間單位，按不同的時(shí)間間隔對施工進(jìn)度進(jìn)行正序模擬或逆序模擬，形象反映施工計(jì)劃和實(shí)際進(jìn)度。體育場混凝土結(jié)構(gòu)的4D模擬體育場鋼結(jié)構(gòu)的4D模擬場地布置可隨施工進(jìn)度動態(tài)變化，查詢并顯示不同階段的場地布置狀況。混凝土結(jié)構(gòu)階段場地布置鋼結(jié)構(gòu)階段場地布置施工場地4D模擬基于4D信息模型的施工期時(shí)變結(jié)構(gòu)和支撐體系的安全分析自動由4D信息模型生成結(jié)構(gòu)分析模型。支撐及模板的快速三維建模進(jìn)行施工期時(shí)變結(jié)構(gòu)與支撐體系任意時(shí)間點(diǎn)的力學(xué)分析計(jì)算和安全性能評估。

ANSYS接口文件4個(gè)典型時(shí)間點(diǎn)的結(jié)構(gòu)分析一層支撐體系有限元分析結(jié)果施工過程的沖突分析與管理

進(jìn)度沖突利用4D進(jìn)度管理功能，動態(tài)展現(xiàn)各施工段的實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃的對比關(guān)系，分析偏差，提出預(yù)警。資源沖突指定任意日期，自動計(jì)算所需人力、材料、機(jī)械、成本，與預(yù)算進(jìn)行對比分析和預(yù)警。成本沖突

根據(jù)清單計(jì)價(jià)和實(shí)際進(jìn)度計(jì)算實(shí)際費(fèi)用；動態(tài)分析任意時(shí)間點(diǎn)的成本及其影響關(guān)系，繪制成本費(fèi)用分析曲線。

28基于過程模擬和資源優(yōu)化的4D施工模擬緣起問題正開展國家體育場（鳥巢）的數(shù)字化建造發(fā)展昆明新機(jī)場、北京英特宜家工程的BIM綜合應(yīng)用數(shù)字化建造的現(xiàn)狀與存在的問題基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的智慧建造工程背景昆明新機(jī)場是十一五期間唯一批準(zhǔn)新建的大型樞紐機(jī)場。航站樓總建筑面積43.54萬m2,分七大區(qū)組成，地上四層、地下三層。其機(jī)電系統(tǒng)包括強(qiáng)電、弱電、行李系統(tǒng)等數(shù)十個(gè)專業(yè)，具有龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。涉及多專業(yè)交叉、并行施工，施工難度大。昆明新機(jī)場機(jī)電設(shè)備安裝工程應(yīng)用架構(gòu)昆明新機(jī)場機(jī)電設(shè)備安裝工程基于BIM的4D施工管理系統(tǒng)在已有4D施工管理系統(tǒng)（4D-GCPSU）的基礎(chǔ)上，針對機(jī)電設(shè)備安裝工程特點(diǎn)定制開發(fā)，支持宏觀、微觀（精細(xì)）和系統(tǒng)示意圖等多層次的4D施工模擬與動態(tài)管理。昆明新機(jī)場機(jī)電設(shè)備安裝工程機(jī)場航站樓運(yùn)維信息管理系統(tǒng)將BIM和GIS技術(shù)有機(jī)結(jié)合，解決了BIM和GIS的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)集成。33房間信息管理與查詢運(yùn)維管理系統(tǒng)主界面昆明新機(jī)場機(jī)電設(shè)備安裝工程綜合施工技術(shù)知識管理平臺知識管理平臺實(shí)現(xiàn)了工程施工所需的信息、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料的便捷查詢和調(diào)用，支持知識的積累和共享。該項(xiàng)目成果經(jīng)鑒定達(dá)到國際領(lǐng)先水平，獲云南省科技進(jìn)步獎。昆明新機(jī)場機(jī)電設(shè)備安裝工程工程背景北京英特宜家購物中心工程是由英特宜家購物中心集團(tuán)投資的，集百貨、超市、時(shí)尚、家電、運(yùn)動、餐飲、娛樂影院等全方位消費(fèi)功能為一體的超級購物中心，與大興區(qū)地鐵四號線西紅門站連接，總占地面積約17.2萬平方米，單層面積達(dá)9萬多平方米，總建筑面積約51萬平方米，地下三層、地上結(jié)構(gòu)分為7個(gè)獨(dú)立的建筑，大部分三層，局部四層。樓與樓之間通過58個(gè)鋼連橋連接。北京英特宜家購物中心工程BIM工作思路BIM建模工作建立建筑結(jié)構(gòu)BIM模型建立機(jī)電管線BIM模型典型機(jī)房建模多專業(yè)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)建模各專業(yè)空間碰撞檢查4D施工動態(tài)管理4D進(jìn)度管理4D資源管理4D場地管理施工過程可視化項(xiàng)目綜合管理系統(tǒng)合同管理/變更管理進(jìn)度/質(zhì)量/安全管理文檔及信息管理統(tǒng)計(jì)報(bào)表/事件追蹤施工方法及工藝存檔審核管理及權(quán)限獲2013年全國BIM大賽一等獎北京英特宜家購物中心工程BIM建模建筑物結(jié)構(gòu)體系（柱、墻、梁、板、基礎(chǔ)）、二次結(jié)構(gòu)墻、門窗、電梯、扶梯、樓梯所有公共區(qū)域空調(diào)、排煙風(fēng)管，空調(diào)水管，排水管，雨水管，給水中水管，電氣橋架地上四層+屋頂層，建筑面積約50.8萬平方米北京英特宜家購物中心工程復(fù)雜機(jī)房機(jī)電建模復(fù)雜節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)-大型風(fēng)管北京英特宜家購物中心工程復(fù)雜節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)-走廊吊頂復(fù)雜節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)-支吊架北京英特宜家購物中心工程碰撞檢查提前發(fā)現(xiàn)并解決專業(yè)內(nèi)以及專業(yè)間的沖突本部分工作根據(jù)項(xiàng)目總包部對業(yè)主的承諾提前完成相關(guān)工作碰撞點(diǎn)5000多處北京英特宜家購物中心工程4D施工動態(tài)管理動態(tài)直觀地展示施工過程，進(jìn)度情況一目了然。關(guān)鍵路徑節(jié)點(diǎn)當(dāng)前施工節(jié)點(diǎn)動態(tài)施工進(jìn)度展示整體工程量完成情況施工節(jié)點(diǎn)詳細(xì)信息北京英特宜家購物中心工程4D系統(tǒng)與項(xiàng)目綜合管理系統(tǒng)雙向集成同步項(xiàng)目管理系統(tǒng)填報(bào)的實(shí)際進(jìn)度，將便捷遠(yuǎn)程的信息填報(bào)與本地施工模擬相結(jié)合。自動將模擬結(jié)果推送到基于BIM的項(xiàng)目管理系統(tǒng)，方便遠(yuǎn)程了解工程總體進(jìn)展北京英特宜家購物中心工程北京英特宜家購物中心工程WBS過濾和進(jìn)度分析通過不同的條件控制WBS顯示的精細(xì)程度，便于用戶查看北京英特宜家購物中心工程前置任務(wù)分析：用戶可查詢?nèi)我馊蝿?wù)的所有前置任務(wù)及其施工單位、完成情況等信息，輔助多單位之間的交流和協(xié)作，防止返工、窩工等問題發(fā)生。滯后分析：當(dāng)某一任務(wù)延誤后，4D系統(tǒng)會自動分析后續(xù)任務(wù)受到影響，提醒管理者有針對性地管控進(jìn)度，保證工期。前置任務(wù)分析及滯后分析經(jīng)過“鳥巢”、昆明新機(jī)場、北京英特宜家等項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)以4D-CAD為代表的BIM應(yīng)用：從單機(jī)版到局域網(wǎng)版、廣域網(wǎng)版；應(yīng)用范圍從結(jié)構(gòu)到機(jī)電、運(yùn)維，為全生命期BIM應(yīng)

用打下基礎(chǔ)；由進(jìn)度管理為主的4D到進(jìn)度+成本的5D、以及更

多方面應(yīng)用的nD方向發(fā)展。小結(jié)緣起問題正開展國家體育場（鳥巢）的數(shù)字化建造發(fā)展昆明新機(jī)場、北京英特宜家工程的BIM綜合應(yīng)用數(shù)字化建造的現(xiàn)狀與存在的問題基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的智慧建造非線性建筑大量涌現(xiàn)。以國家體育場（鳥巢）鳳凰衛(wèi)視傳媒中心（鳳巢）、梅溪湖國際藝術(shù)中心等為代表的一大批建筑，由各種不規(guī)則曲線、曲面組成的建筑體。大型公共建筑發(fā)展趨勢綠色建筑已成為城市建設(shè)領(lǐng)域節(jié)能減排的重要內(nèi)容，建筑物全生命期從規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程建造與運(yùn)營的全過程實(shí)現(xiàn)低碳具有重要意義，特別是大型公共建筑往往單體能耗大，節(jié)能效果和示范意義更大。大型公共建筑發(fā)展趨勢大型公共建筑“工廠化”已取得了較大發(fā)展，“像造汽車一樣造房子”逐漸由夢想變成現(xiàn)實(shí)。建造信息：258mx227m，7.1萬座位12萬立方米的混凝土、2萬噸的鋼材高峰期超過20臺塔吊僅2年6個(gè)月就完成建造德國安聯(lián)球場大型公共建筑發(fā)展趨勢（1）底層數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、大量重復(fù)建模、參建方之間無法實(shí)現(xiàn)信息的有效流轉(zhuǎn)與協(xié)同工作。規(guī)劃決策階段設(shè)計(jì)階段施工階段運(yùn)維階段設(shè)計(jì)任務(wù)書施工圖紙竣工資料設(shè)計(jì)BIM施工BIM運(yùn)維BIM數(shù)字化建造存在的問題（2）工程項(xiàng)目中的大量的人、材、物信息還未實(shí)現(xiàn)自動數(shù)據(jù)化，無法有效地融入信息化管理系統(tǒng)。數(shù)字化建造存在的問題（3）以項(xiàng)目為載體的信息化建設(shè)與應(yīng)用，缺乏頂層設(shè)計(jì)和可持續(xù)性。數(shù)字化建造存在的問題（4）施工現(xiàn)場還存在大量的手工作業(yè)，工業(yè)化程度低。施工測量支模板剔鑿樁頭綁扎鋼筋澆筑混凝土鋼結(jié)構(gòu)焊接墻體砌筑數(shù)字化建造存在的問題（5）從綠色建筑的性能化分析到綠色施工管理，以及建成后的能耗監(jiān)控等綠色建筑的全生命期管理都需要研究相應(yīng)的技術(shù)。綠色設(shè)計(jì)能耗分析風(fēng)環(huán)境分析。。。綠色施工虛擬拼裝工藝優(yōu)化。。。綠色運(yùn)維能耗監(jiān)控應(yīng)急預(yù)警。。。數(shù)字化建造存在的問題緣起問題正開展國家體育場（鳥巢）的數(shù)字化建造發(fā)展昆明新機(jī)場、北京英特宜家工程的BIM綜合應(yīng)用數(shù)字化建造的現(xiàn)狀與存在的問題基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的智慧建造工程設(shè)計(jì)與仿真工廠化加工精密測控自動化安裝動態(tài)監(jiān)測信息化管理智慧建造的內(nèi)涵：智慧建造是一種新興的工程建造模式，它是建立在高度的信息化、工業(yè)化和社會化基礎(chǔ)上的一種信息融合、全面物聯(lián)、協(xié)同運(yùn)作、激勵(lì)創(chuàng)新的工程建造模式。智慧建造平臺物聯(lián)網(wǎng)移動互聯(lián)網(wǎng)BIM(+GIS)大數(shù)據(jù)關(guān)于“智慧建造”的思考云計(jì)算關(guān)于“智慧建造”的思考5大支撐技術(shù)2.

InternetofThings1.BIM（+GIS）5.

BigData3.CloudComputingBIM（+GIS）是工程建造全過程信息的最佳傳遞載體，它是實(shí)現(xiàn)智慧建造的數(shù)據(jù)支撐。BIM的核心任務(wù)是解決信息共享問題。智慧建造BIM（+GIS）大數(shù)據(jù)云計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)是以感知為目的，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)可以解決人、機(jī)、料等工程信息自動數(shù)據(jù)化的問題。

物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算是一種利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、按需、便捷地訪問共享資源池的計(jì)算模式。它突破了計(jì)算機(jī)性能和地域的限制。云計(jì)算推動工程建造的社會化。

大數(shù)據(jù)分析是指對大量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從中獲得新的價(jià)值。大數(shù)據(jù)分析使工程建造從“數(shù)字化建造”向“智慧建造”

邁進(jìn)。移動互聯(lián)網(wǎng)4.MobileInternet移動互聯(lián)網(wǎng)通過將移動通訊與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等結(jié)合，提供了實(shí)時(shí)交換信息的途徑，擺脫了空間和時(shí)間的束縛。

關(guān)于“智慧建造”的思考6大典型應(yīng)用場景智慧建造深化設(shè)計(jì)及優(yōu)化工廠化加工精密測控自動化安裝動態(tài)監(jiān)測信息化管理機(jī)電管綜鋼結(jié)構(gòu)深化幕墻深化精裝排布混凝土預(yù)制構(gòu)件鋼結(jié)構(gòu)加工幕墻龍骨、玻璃加工機(jī)電設(shè)備、管線施工現(xiàn)場精準(zhǔn)定位復(fù)雜形體放樣測量機(jī)器人實(shí)景逆向工程模架系統(tǒng)的爬升鋼結(jié)構(gòu)的滑移、卸載自動安裝機(jī)器人施工期變形監(jiān)測施工期溫度監(jiān)測施工期應(yīng)力監(jiān)測建筑健康監(jiān)測項(xiàng)目OA系統(tǒng)企業(yè)ERP系統(tǒng)云協(xié)同管理系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)智慧建造的6大特征12345建筑業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，是從智慧化的角度詮釋建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化。智慧建造是創(chuàng)新的建造形式，不僅創(chuàng)新建筑技術(shù)本身，而且創(chuàng)新建造組織形式，甚至整個(gè)建筑產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈。智慧建造是一個(gè)開放、不斷學(xué)習(xí)的系統(tǒng)，它從實(shí)踐過程中不斷汲取信息、自主學(xué)習(xí)，形成新的知識。智慧建造是以人為本的，它不僅把人從繁重的體力勞動中解放出來，而且更多地汲取人類智慧，把人從繁重的腦力勞動中解放出來。智慧建造是社會化的，它克服傳統(tǒng)建筑業(yè)無法發(fā)揮工業(yè)化大生產(chǎn)的規(guī)模效益的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)小批量、單件高精度建造、實(shí)現(xiàn)精益建造，而且能夠?qū)崿F(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”在建筑業(yè)的疊加效應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。關(guān)于“智慧建造”的思考6智慧建造有助于創(chuàng)造一個(gè)和諧共生的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。智慧建造使復(fù)雜的建造過程透明化，有助于創(chuàng)造全生命期、多參與方的協(xié)同和共享，形成合作