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                  周緒紅院士:智能建造關鍵技術研究

                  編者按

                  日前,第七屆世界智能大會“美麗中國(天津)·數字住建與高質量發展大會”在津舉行。來自全國住房和城鄉建設行業的主管領導、院士、知名專家、學者、企業家齊聚天津,聚焦數字住建、城市更新等前沿技術、發展趨勢等熱點問題,交流分享最新研發成果,總結實踐經驗,探討發展新趨勢、新挑戰和新機遇,為行業轉型升級和高質量發展匯聚新動能。住房和城鄉建設部建筑雜志社全媒體現編發部分專家、企業家的演講要點,以饗讀者。

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                  智能建造是融合新一代信息技術和工程建造技術,在工程中利用人工智能技術完成復雜建造工作的一種新型生產方式,其重點是人工智能技術,核心是機器學習、智能計算技術與工程技術相融合。智能建造涵蓋智能化設計、智能化生產、智能化施工、智能化運維等功能,已逐步應用于建筑、橋梁、公路、隧道、機場、車站、水利、能源工程等領域。智能建造不同于一般的自動化,其強調代替人做復雜的工作,具有人機交互、自主學習、自主分析、自主決策和自主優化、判斷、預警、決策等優勢。

                  近些年,隨著我國城市化進程不斷加快,建筑業發展進入瓶頸期,傳統管理體制和建造模式效率不高,粗放型生產方式已不符合高質量發展要求,建筑業推進智能建造已是大勢所趨。在此背景下,我們要牢牢把握數字化、網絡化、智能化融合發展的契機,以建筑信息化、工業化為基礎,推動建筑業轉型升級。


                  智能設計研究


                  高層建筑智能設計


                  當前的高層建筑設計工作常分以下3個步驟:建筑師構思建筑方案,采用CAD軟件繪圖;結構師根據建筑方案在分析軟件中建模;結構師使用軟件進行分析,并人工調整優化。但在實際操作中,該流程存在建筑繪圖耗費時間長、結構建模工作量大、結構的人工優化效率低等問題。針對這些問題,我們開展了建筑方案智能生成、結構智能建模和結構智能優化三項智能設計研究:在建筑方案智能生成階段,AI通過學習優秀建筑師的思想和經驗,生成不同風格、不同需求的多種建筑方案;在結構智能建模階段,建筑圖紙被自動讀取,結構受力構件自動生成,荷載自動計算,也就是結構模型自動生成;在結構智能優化階段,對模型的結構體系、構件截面等進行智能優化,力求有效提升高層建筑設計效率。

                  在具體實施過程中,我們將智能設計劃分為兩個模塊。一是建筑智能設計模塊,基于建筑先驗知識以及優秀范例等,以建筑功能和風格為導向,采用深度學習、智能優化算法平臺、圖像處理、圖論理論技術,一次生成多個建筑方案,并進行存儲。二是結構智能設計模塊,通過給予明確的遺傳算法、多目標優化算法,強化學習方法和使用并行計算技術,使結構得以優化。同時,我們開發了高層住宅智能設計軟件(Demo),建筑方案設計可由1~2天縮短至0.5小時,結構建模與優化由5天縮短至20小時,其中工程師工作時間約3小時,大大提高了工作效率,節約了項目成本,取得了顯著的技術經濟效益和社會效益。


                  預制構件智能深化設計與制造一體化


                  當前的預制構件深化設計和制造面臨深化設計效率低、出錯率高;設計軟件不能進行鋼筋和預埋件等零件的智能避障;模具廠家過度設計,用鋼量高、成本高等問題。為解決這些問題,我們將預制構件和模具劃分為構件智能設計模塊和模具智能設計模塊,將系統計算后生成的各類信息通過物聯網傳輸至工廠進行預制制造。其中,在構件智能設計模塊中,最重要的環節為智能避障計算,它能避開各預埋件和鋼筋之間的相互碰撞,生成BIM模型、CAD詳圖和數字化制造信息?;诖?,我們研發了預制樓梯一鍵出圖智能深化設計軟件,解決了預制樓梯設計效率低、模具成本高、設計與生產環節信息割裂等問題。


                  智能監測與預拼裝


                  鋼結構智能數字化尺寸檢測和預拼裝


                  實體預拼裝是保證空間關聯構件在現場能夠精準安裝的有效措施,但存在胎架和人力成本高、場地占用大以及效率低等不足。隨著計算機技術和三維測量技術的發展和應用,實體預拼裝正逐漸被虛擬預拼裝所代替。

                  虛擬預拼裝是對所有生產的構件實施三維激光掃描,并將得到的三維點云數據傳輸至云端,在專用軟件中進行智能處理、點云配準、構件尺寸檢測和智能預拼裝,從而達到精度分析的一種方法。在多尺度點云數據采集時,針對較大尺寸的構件,我們使用陸地式三維激光掃描儀進行掃描;在螺栓孔細部等精細化部分,我們則使用手持式三維激光掃描儀進行掃描,掃描結果均在計算機上實時顯示。在此基礎上,我們研發了智能數字化尺寸檢測和預拼裝系統(Demo),避免了實體預拼裝存在的問題。該項技術已成功應用于重慶陸海國際中心(在建)、重慶兩江新區寨子路鋼拱橋、重慶郭家沱長江大橋、重慶雙堡特大橋(在建)等項目中,有效減少了實體預拼裝工作量,縮短了工期、提高了質量、降低了成本。

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                  房屋智能數字化尺寸檢測


                  當前的房屋尺寸質量檢測技術較為落后,多為人工持尺檢測方式,不僅數據難以全面測量、效率低、人力投入成本高,而且手動記錄數據容易錯記、漏記,影響檢測結果的精確性。因此,我們采用三維激光掃描、物聯網、云計算和智能算法相結合的手段,將房屋掃描后的數據以可視化的形式呈現出來,并形成實測實量報告,實現房屋尺寸質量的智能檢測。


                  施工質量與安全的智能檢測


                  在目前的建筑工程施工質量與安全檢測中,依然存在諸多問題,如人工檢測效率低、不能全范圍檢測、及時性差、人為判斷標準不統一、人力成本高等。面對這些問題,我們提出通過檢測目標的智能采集和智能檢測,來有效提升施工現場質量和安全管控的及時性、全面性和準確性。技術路線包括智能檢測和檢測算法優化兩個環節,首先將施工現場采集到的數據在云端進行目標預處理、繼而采用智能檢測算法生成缺陷信息、行為信息和警報信息三類信息,并將信息存儲與管理,然后對比人為判斷和智能檢測的結果,對檢測算法進行優化迭代,以降低漏檢率和誤檢率。我們研制出了一款施工質量與安全智能檢測軟件——拍可測(PicCheck),可解決傳統檢測方式效率低、及時性及準確性差、檢測不全面、人力成本高等問題。


                  智能建造機器人


                  機器人是人類生產生活的重要工具和應對人口老齡化的得力助手,同時也是新興技術的重要載體和現代產業的關鍵裝備。在制造與施工中,我們希望機器人能代替人類干“危、繁、臟、重”等高風險的事情,以確保工程更加安全、高效和環保。我們采用的技術路線為3個硬件模塊(即底盤選型、機械臂選型、執行器研發)與3個軟件模塊(即構圖與定位、路徑規劃與自主避障、建模與控制)相結合的形式。我們與深圳卓蟻科技有限公司共同研發了ALC墻板搬運機器人,其可實現全流程自動化作業,具備墻板搬運、自動定位和導航、路徑規劃、自動避障防撞等功能,提高了墻板搬運效率,降低了施工成本。

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                  ALC 墻板搬運機器人樣機


                  發展智能建造,是當前建筑業突破發展瓶頸、增強核心競爭力、實現高質量發展的關鍵所在,要著重注意以下兩點:一是發展智能建造必須堅持產學研結合,建立以大型建筑業央企、國企或民企牽頭,軟件開發商、制造企業和高校及科研院所參與的跨專業、跨行業協同創新體系;二是發展智能建造必須多學科交叉融合,團隊中既要有掌握傳統土木建筑知識的專業技術人才,又要有精通人工智能算法、物聯網、通信技術、云計算、機器人、計算機、智能制造和先進設備等方面知識的其他技術人才,才能共同承擔這項多學科交叉的研究工作。


                  來源:建筑雜志社   版權歸原作者原出處所有,如涉及版權問題聯系我們,立即刪除