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周緒紅院士:智能建造關(guān)鍵技術(shù)研究

編者按

日前,第七屆世界智能大會(huì)“美麗中國(guó)(天津)·數(shù)字住建與高質(zhì)量發(fā)展大會(huì)”在津舉行。來(lái)自全國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)行業(yè)的主管領(lǐng)導(dǎo)、院士、知名專(zhuān)家、學(xué)者、企業(yè)家齊聚天津,聚焦數(shù)字住建、城市更新等前沿技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)等熱點(diǎn)問(wèn)題,交流分享最新研發(fā)成果,總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),探討發(fā)展新趨勢(shì)、新挑戰(zhàn)和新機(jī)遇,為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展匯聚新動(dòng)能。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑雜志社全媒體現(xiàn)編發(fā)部分專(zhuān)家、企業(yè)家的演講要點(diǎn),以饗讀者。

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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(chē)站、水利、能源工程等領(lǐng)域。智能建造不同于一般的自動(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)。

近些年,隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快,建筑業(yè)發(fā)展進(jìn)入瓶頸期,傳統(tǒng)管理體制和建造模式效率不高,粗放型生產(chǎn)方式已不符合高質(zhì)量發(fā)展要求,建筑業(yè)推進(jìn)智能建造已是大勢(shì)所趨。在此背景下,我們要牢牢把握數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合發(fā)展的契機(jī),以建筑信息化、工業(yè)化為基礎(chǔ),推動(dòng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。


智能設(shè)計(jì)研究


高層建筑智能設(shè)計(jì)


當(dāng)前的高層建筑設(shè)計(jì)工作常分以下3個(gè)步驟:建筑師構(gòu)思建筑方案,采用CAD軟件繪圖;結(jié)構(gòu)師根據(jù)建筑方案在分析軟件中建模;結(jié)構(gòu)師使用軟件進(jìn)行分析,并人工調(diào)整優(yōu)化。但在實(shí)際操作中,該流程存在建筑繪圖耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)建模工作量大、結(jié)構(gòu)的人工優(yōu)化效率低等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題,我們開(kāi)展了建筑方案智能生成、結(jié)構(gòu)智能建模和結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化三項(xiàng)智能設(shè)計(jì)研究:在建筑方案智能生成階段,AI通過(guò)學(xué)習(xí)優(yōu)秀建筑師的思想和經(jīng)驗(yàn),生成不同風(fēng)格、不同需求的多種建筑方案;在結(jié)構(gòu)智能建模階段,建筑圖紙被自動(dòng)讀取,結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件自動(dòng)生成,荷載自動(dòng)計(jì)算,也就是結(jié)構(gòu)模型自動(dòng)生成;在結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化階段,對(duì)模型的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件截面等進(jìn)行智能優(yōu)化,力求有效提升高層建筑設(shè)計(jì)效率。

在具體實(shí)施過(guò)程中,我們將智能設(shè)計(jì)劃分為兩個(gè)模塊。一是建筑智能設(shè)計(jì)模塊,基于建筑先驗(yàn)知識(shí)以及優(yōu)秀范例等,以建筑功能和風(fēng)格為導(dǎo)向,采用深度學(xué)習(xí)、智能優(yōu)化算法平臺(tái)、圖像處理、圖論理論技術(shù),一次生成多個(gè)建筑方案,并進(jìn)行存儲(chǔ)。二是結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)模塊,通過(guò)給予明確的遺傳算法、多目標(biāo)優(yōu)化算法,強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法和使用并行計(jì)算技術(shù),使結(jié)構(gòu)得以?xún)?yōu)化。同時(shí),我們開(kāi)發(fā)了高層住宅智能設(shè)計(jì)軟件(Demo),建筑方案設(shè)計(jì)可由1~2天縮短至0.5小時(shí),結(jié)構(gòu)建模與優(yōu)化由5天縮短至20小時(shí),其中工程師工作時(shí)間約3小時(shí),大大提高了工作效率,節(jié)約了項(xiàng)目成本,取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。


預(yù)制構(gòu)件智能深化設(shè)計(jì)與制造一體化


當(dāng)前的預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)和制造面臨深化設(shè)計(jì)效率低、出錯(cuò)率高;設(shè)計(jì)軟件不能進(jìn)行鋼筋和預(yù)埋件等零件的智能避障;模具廠(chǎng)家過(guò)度設(shè)計(jì),用鋼量高、成本高等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題,我們將預(yù)制構(gòu)件和模具劃分為構(gòu)件智能設(shè)計(jì)模塊和模具智能設(shè)計(jì)模塊,將系統(tǒng)計(jì)算后生成的各類(lèi)信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸至工廠(chǎng)進(jìn)行預(yù)制制造。其中,在構(gòu)件智能設(shè)計(jì)模塊中,最重要的環(huán)節(jié)為智能避障計(jì)算,它能避開(kāi)各預(yù)埋件和鋼筋之間的相互碰撞,生成BIM模型、CAD詳圖和數(shù)字化制造信息?;诖耍覀冄邪l(fā)了預(yù)制樓梯一鍵出圖智能深化設(shè)計(jì)軟件,解決了預(yù)制樓梯設(shè)計(jì)效率低、模具成本高、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息割裂等問(wèn)題。


智能監(jiān)測(cè)與預(yù)拼裝


鋼結(jié)構(gòu)智能數(shù)字化尺寸檢測(cè)和預(yù)拼裝


實(shí)體預(yù)拼裝是保證空間關(guān)聯(lián)構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)能夠精準(zhǔn)安裝的有效措施,但存在胎架和人力成本高、場(chǎng)地占用大以及效率低等不足。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,實(shí)體預(yù)拼裝正逐漸被虛擬預(yù)拼裝所代替。

虛擬預(yù)拼裝是對(duì)所有生產(chǎn)的構(gòu)件實(shí)施三維激光掃描,并將得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸至云端,在專(zhuān)用軟件中進(jìn)行智能處理、點(diǎn)云配準(zhǔn)、構(gòu)件尺寸檢測(cè)和智能預(yù)拼裝,從而達(dá)到精度分析的一種方法。在多尺度點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí),針對(duì)較大尺寸的構(gòu)件,我們使用陸地式三維激光掃描儀進(jìn)行掃描;在螺栓孔細(xì)部等精細(xì)化部分,我們則使用手持式三維激光掃描儀進(jìn)行掃描,掃描結(jié)果均在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。在此基礎(chǔ)上,我們研發(fā)了智能數(shù)字化尺寸檢測(cè)和預(yù)拼裝系統(tǒng)(Demo),避免了實(shí)體預(yù)拼裝存在的問(wèn)題。該項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用于重慶陸海國(guó)際中心(在建)、重慶兩江新區(qū)寨子路鋼拱橋、重慶郭家沱長(zhǎng)江大橋、重慶雙堡特大橋(在建)等項(xiàng)目中,有效減少了實(shí)體預(yù)拼裝工作量,縮短了工期、提高了質(zhì)量、降低了成本。

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房屋智能數(shù)字化尺寸檢測(cè)


當(dāng)前的房屋尺寸質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)較為落后,多為人工持尺檢測(cè)方式,不僅數(shù)據(jù)難以全面測(cè)量、效率低、人力投入成本高,而且手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)容易錯(cuò)記、漏記,影響檢測(cè)結(jié)果的精確性。因此,我們采用三維激光掃描、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和智能算法相結(jié)合的手段,將房屋掃描后的數(shù)據(jù)以可視化的形式呈現(xiàn)出來(lái),并形成實(shí)測(cè)實(shí)量報(bào)告,實(shí)現(xiàn)房屋尺寸質(zhì)量的智能檢測(cè)。


施工質(zhì)量與安全的智能檢測(cè)


在目前的建筑工程施工質(zhì)量與安全檢測(cè)中,依然存在諸多問(wèn)題,如人工檢測(cè)效率低、不能全范圍檢測(cè)、及時(shí)性差、人為判斷標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、人力成本高等。面對(duì)這些問(wèn)題,我們提出通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)的智能采集和智能檢測(cè),來(lái)有效提升施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量和安全管控的及時(shí)性、全面性和準(zhǔn)確性。技術(shù)路線(xiàn)包括智能檢測(cè)和檢測(cè)算法優(yōu)化兩個(gè)環(huán)節(jié),首先將施工現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)在云端進(jìn)行目標(biāo)預(yù)處理、繼而采用智能檢測(cè)算法生成缺陷信息、行為信息和警報(bào)信息三類(lèi)信息,并將信息存儲(chǔ)與管理,然后對(duì)比人為判斷和智能檢測(cè)的結(jié)果,對(duì)檢測(cè)算法進(jìn)行優(yōu)化迭代,以降低漏檢率和誤檢率。我們研制出了一款施工質(zhì)量與安全智能檢測(cè)軟件——拍可測(cè)(PicCheck),可解決傳統(tǒng)檢測(cè)方式效率低、及時(shí)性及準(zhǔn)確性差、檢測(cè)不全面、人力成本高等問(wèn)題。


智能建造機(jī)器人


機(jī)器人是人類(lèi)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(lèi)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。我們采用的技術(shù)路線(xiàn)為3個(gè)硬件模塊(即底盤(pán)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。我們與深圳卓蟻科技有限公司共同研發(fā)了ALC墻板搬運(yùn)機(jī)器人,其可實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化作業(yè),具備墻板搬運(yùn)、自動(dòng)定位和導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障防撞等功能,提高了墻板搬運(yùn)效率,降低了施工成本。

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ALC 墻板搬運(yùn)機(jī)器人樣機(jī)


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(kāi)發(fā)商、制造企業(yè)和高校及科研院所參與的跨專(zhuān)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(zhuān)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。


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