在建筑工业化加速推进的背景下,装配式建筑以其施工高效、质量可控、环境友好等优势,成为响应现代社会发展需求的关键建造模式。与传统现浇建造方式相比,装配式建筑把大量现场湿作业转移到工厂生产环节,通过预制构件生产、运输和现场装配,减少现场人工依赖,提高施工组织的有序性和质量稳定性,也更有利于降低施工过程中的资源消耗和环境影响。但是,其发展仍受限于地方政策、建设成本高、施工中存在的风险等固有挑战。
文章对基于物联网、人工智能、云计算、BIM等技术融合的“数字项目管理平台+装配式智能建造”进行研究,结果表明数字项目管理平台可以实现建造全过程数字化管理,同时减少人为错误、提高工作效率、缩短工期,并且能提高施工现场安全性。研究可为实现建造过程的数字化管理提供参考。从这一意义上看,数字项目管理平台并不是简单的信息化工具叠加,而是把装配式建筑策划、设计、生产、运输、施工、验收等环节纳入同一数据链条,以数字化手段支撑全过程协同和精细管理。
随着中国经济的快速发展,建筑业已成为国民经济的支柱产业,为我国经济持续健康发展提供了有力支撑。但是,传统的施工方法存在时间长、需要大量人工操作、施工质量无法精确保证等问题。近年来,随着装配式建筑技术的逐渐成熟,人们逐渐了解其好处,这也是装配式建筑逐渐成为主流建筑模式的根本原因之一。装配式建筑通过工厂化生产预制构件、现场装配施工,能够在较大程度上减少现场湿作业和人工操作,提高构件尺寸精度和施工质量的可控性,同时也便于施工组织和现场管理。
然而,许多装配式建筑在施工过程中仍面临人工操作精度不足、现场环境协同复杂等一系列问题。构件种类多、接口多、工序衔接紧密,一旦设计、生产、运输和安装之间信息不畅,就容易出现构件不匹配、现场等待、返工调整等情况。智能建造技术应运而生,其以提高装配式建筑施工的效率和质量,成为行业发展的重要驱动力。通过数字化、智能化手段把设计数据、生产数据和现场施工数据连接起来,有助于减少信息断点,提高全过程协同效率。
2020年,住房和城乡建设部印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》(建市[2020]60号)指出建筑业生产方式仍然比较粗放,与高质量发展要求相比还有很大差距。应坚持稳中求进工作总基调,坚持新发展理念,坚持以供给侧结构性改革为主线,围绕建筑业高质量发展总体目标,以大力发展建筑工业化为载体,以数字化、智能化升级为动力,创新突破相关核心技术,加大智能建造在工程建设各环节应用,形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产业体系,提升工程质量安全、效益和品质,有效拉动内需,培育国民经济新的增长点,实现建筑业转型升级和持续健康发展。
这一政策导向表明,智能建造与建筑工业化不是彼此分离的两条路径,而是需要在全产业链层面协同推进。装配式建筑为建筑工业化提供了重要载体,智能建造则为设计、生产、施工和运维的数字化协同提供了技术支撑。两者结合,才能更好发挥装配式建筑在效率、质量和环境方面的优势。
智能建造技术可以通过建筑信息模型(Building Information Model,BIM)将传统的建筑模式转化为智能化、数字化的建筑模式,包括网络技术、虚拟现实技术等手段。BIM技术以三维模型为载体,集成建筑构件的几何信息、材料信息、施工组织信息和管理信息,使设计、生产、施工和验收各环节能够在同一模型基础上协同工作。文章将重点介绍智能建造技术在装配式建筑施工中的应用和实践。从装配式建筑的特点看,BIM技术能够在构件深化设计、预制生产、运输配送、现场吊装和进度协调等环节发挥衔接作用,为数字项目管理平台提供模型基础和数据支撑。
▲发展现状与瓶颈,装配式智能建造面临哪些现实制约
最近几年中,在各级政府和众多企业的共同努力下,装配式建筑取得了显著的进步。政策支持力度不断加大,试点示范项目逐步增多,预制构件生产能力和施工技术水平也有所提升。然而,在蓬勃发展的同时,装配式建筑也遇到了许多发展瓶颈,这在一定程度上限制了其进一步推广。装配式建筑不是简单地把现浇改成预制,而是涉及设计、生产、运输、施工和管理的系统性变革。若相关制度、成本机制和现场管理能力不能同步跟进,装配式建筑的优势就难以充分释放。
〔1〕政策协同不足,地方政策与装配式建筑发展不协调
虽然各级政府在推动当地装配式建筑发展方面,确实提供了丰富的优惠政策和资金支持,但也不能忽略一些政策在执行过程中的阻碍作用,它们可能影响装配式建筑的发展进程。比如税务方面的问题,对于预制混凝土构件来说,其被视为商品并需缴纳13%的增值税,但相较之下,很多建筑原料的税率为3%或更低,这对小型公司而言是一个巨大的压力,从而构成了一道推广装配式建筑的壁垒;与传统建造方式不同,装配式建筑设计、生产、运输、施工安装具有整体协调性特征,而现行的行政管理制度,对各环节分别管理,这对装配式建筑全产业链集成控制是不利的。
从政策执行层面看,装配式建筑涉及设计审图、构件生产、运输许可、现场吊装和验收等多个管理环节,如果各环节政策口径不统一、管理衔接不顺畅,企业就不得不在不同环节之间反复协调,增加时间和沟通成本。税务负担和行政管理的碎片化,容易削弱企业采用装配式建造方式的积极性,也会影响全产业链协同优势的发挥。
〔2〕管理制度不健全,信息流通慢,真实性待保障
装配式建筑包含了众多重要步骤,如策划、设计、生产、施工、验收、运营和保养。这些步骤之间的信息传递效率和质量极其关键。但各环节仍主要采用独立运行模式,导致信息流通速度慢,影响整体效率。更严重的是,为了应对检查,未经授权篡改信息,进一步削弱了信息的真实性和可靠性。信息在环节之间传递不畅,可能造成设计变更未及时传导到生产环节、生产偏差未及时反馈到现场安装、现场问题未及时回溯到设计和生产责任环节。
为此,迫切需要深化与BIM技术的整合,积极探索与区块链技术的结合,优化信息传输过程,提高各环节之间的协调效率,确保信息的完整性和真实性。BIM技术可以提供统一模型和数据载体,区块链技术则有助于增强数据记录的可追溯性和不可篡改性,两者结合能够为装配式建筑全过程信息管理提供更可靠的技术支撑。管理制度不健全不仅影响效率,也会增加质量追溯和责任界定的难度,因此需要通过技术手段和管理机制同步完善。
〔3〕成本压力突出,建设成本高,初始投资大
许多企业在预制施工领域面临着技术不成熟、缺乏专业的预制施工队伍和管理体系需要改进的挑战,这使得他们在实践中不断尝试和犯错,并付出了高昂的成本。同时,预制构件生产基地的建设需要巨大的资本投资,模具成本高,使各部件的摊销成本相对较高。行业数据显示,装配式建筑每平方米建设成本较传统现浇建筑要高出600多元。成本偏高并非单一环节造成,而是设计深化、构件生产、模具投入、运输配送、现场吊装和施工管理等多环节共同作用的结果。在规模效应尚未充分形成、标准化程度不够高的情况下,预制构件生产成本和摊销成本难以下降,企业初期投入压力较大。
随着人们对建筑产品绿色环保要求的不断提升,装配式建筑因符合绿色建造的特性得到行业重视。但其成本偏高,发展受到限制。如图1所示,在构件制作费和构件运输费这两个项目上,装配式建筑和传统建筑的费用差异最为明显。装配式建筑的构件制作费和构件运输费占比约为26.47%,传统建筑为0。这表明装配式建筑在预制构件的制作和运输方面投入了大量成本。
构件制作和运输是装配式建筑成本结构中的重要组成部分,运输距离、构件尺寸、装载效率和现场堆放条件都会影响运输费用。若构件生产基地布局不合理或运输组织不精细,运输成本可能进一步上升。因此,降低装配式建筑成本,既要靠标准化设计和规模化生产摊薄模具与制作成本,也要靠合理的产业布局和运输组织减少运输费用。
〔4〕现场施工风险,堆放、吊装与临时定位管理难度大
与传统的施工方法相比,装配式建筑涉及的安全因素更加复杂。这包括PC构件堆放的安全性、塔吊运行过程中的风险防治、构件吊装的安全性和临时定位的稳定性。同时,由于施工人员不熟悉新技术,可能出现的操作安全问题也不容忽视,这进一步增加了装配式建筑的安全管理难度。PC构件体积大、重量大,堆放场地承载力、支垫方式和堆放层数都需严格控制;塔吊运行涉及吊装半径、起重量和群塔作业协调;构件吊装和临时定位需要保证连接可靠、支撑稳定,任何一个环节管理不到位都可能带来安全风险。
装配式建筑在施工效率、质量控制和环境影响方面表现较优越,而传统建筑更依赖于劳动力和现场施工,对施工进度管理和质量控制要求较高。装配式建筑的优势建立在设计、生产、运输和施工协同的基础上,如果现场管理跟不上,构件供应、吊装顺序和工序衔接出现脱节,其效率和质量优势也会受到影响。因此,装配式建筑现场施工既要关注吊装、堆放和临时支撑等直接安全风险,也要通过数字化管理手段加强计划协同和过程控制。
▲数字项目管理平台,以BIM为核心的全过程管理支撑
数字项目管理平台是指将物联网、人工智能、云计算、大数据等现代化技术深度融合,以及将工程智能等技术应用于建筑施工,实现智能化、数字化、标准化施工方法。在这项技术中,BIM技术是核心。BIM技术是一种数字设计和施工,可以整合各种施工信息(如材料、设备施工过程等),实现信息共享和协调管理的技术。该技术可以通过模型应用优化施工计划,实现模型和部件的准确匹配。BIM技术可以控制整个施工过程,避免施工过程中的错误。对于装配式建筑而言,BIM模型不仅是设计成果的表达,也是构件生产、运输和安装的数据基础。通过模型可以提前发现构件碰撞、接口冲突和安装顺序问题,减少现场返工和材料浪费。
数字项目管理平台,对施工现场管理进行优化,针对施工进度计划、项目模型预览、变更签证等施工现场具体管理措施进行升级、提效。数字项目管理平台集合系统管理、流程管理、BIM+技术管理、质量管理、安全管理等现场管理各方面于一体,通过统一平台集成各方信息于一体,便于各部门的管理以及工作调整。平台把进度、质量、安全、技术和流程管理集中在同一信息环境中,使项目各参与方能够围绕同一套数据开展工作,减少信息重复录入和口径不一致的问题。对于装配式建筑来说,平台还可以把构件生产计划、运输安排、现场吊装顺序和进度计划关联起来,帮助管理人员提前发现供应与施工之间的不匹配,及时调整计划和资源配置。
数字项目管理平台的操作人员应具备广泛的知识,能够整合不同学科的知识,而不仅仅是简单的积累,特别是要注意提高信息技术的技能。智能建造的本质仍然是“建设”。在追求智能的同时,要牢牢把握工程建设资源的要素。智能建造中的装配式建筑可以避免环境污染,大大提高施工现场的安全系数,保证施工质量和速度。数字化平台的价值最终要落到工程建设的质量、安全、进度和效益上,不能为了数字化而数字化。操作人员既要懂装配式建筑的设计、生产和施工逻辑,也要具备信息技术应用能力,才能把平台功能与现场管理需求真正结合起来。通过数字项目管理平台与装配式智能建造的融合,建造全过程管理可以逐步实现数据贯通、过程留痕、协同高效,为减少人为错误、提高工作效率、缩短工期和提升施工现场安全性提供支撑。