1. 绪论
1.1. 装配式建筑智慧建造的内涵及技术路线
装配式建筑智慧建造是指在传统建造方式基础上，以BIM、物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术为支撑，对建造生产全过程的规划设计、生产制造、施工安装等进行智能化管理，提高装配式建筑设计与生产、施工与管理的协同程度，实现对装配式建筑建造过程的可视化、智能化管理[1]。
建筑信息模型(BIM)技术是一种数字化工具，用于表示建筑、基础设施和设备的物理和功能特性。该技术通过使用三维模型来管理建筑项目中的信息，为各参与方提供更高效、准确和全面的项目信息管理方式。
智能化管理是指利用现代信息技术，特别是人工智能、大数据、物联网、云计算等手段，对组织或系统的运营、决策、资源配置等方面进行高效、精准、自动化和智能化的管理模式。
装配式建筑智慧建造技术路线的目标是实现装配式建筑从设计到生产全过程的智能化管理，包括：
1) 数字化设计：在BIM (建筑信息模型)技术支持下，实现对设计方案的优化决策；
2) 基于BIM的构件级装配式生产：通过数字化手段，实现构件级构件的精细化生产；
3) 基于BIM和物联网技术的建筑产品生产：通过物联网技术，实现对工程建造全过程中不同专业领域生产要素的一体化管理；
4) 基于BIM和云计算技术的施工管理：通过BIM和云计算技术，实现工程项目在设计阶段对施工方案进行优化决策；
5) 基于BIM和人工智能技术的工程运维管理：通过BIM和云计算技术，实现工程项目在交付使用后对使用过程中产生的海量数据进行高效管理。
装配式建筑智慧建造技术路线涉及到多个领域和行业，包括：BIM、物联网、云计算、大数据等信息技术，以及工程勘察设计、施工安装等建筑行业的各环节。同时，建筑信息模型(BIM)是装配式建筑智慧建造过程中关键的数字化集成平台，是实现智慧建造的重要基础[2]。
1.2. 装配式建筑工业化与信息化、数字化
装配式建筑工业化与信息化、数字化的关系：装配式建筑工业化是一个大概念，工业化是基础，信息化、数字化是手段和方法，两者是一个有机整体。装配式建筑工业化包括产品研发设计、构件生产与制作、现场施工、部品部件安装以及运营维护等环节。
1) 产品研发设计环节：包括结构设计与部品部件的研发。其中，结构设计主要包括结构概念设计、结构方案比选与优化；部品部件的研发则主要包括构件生产工艺选择与优化、构件预制工艺研究、构件运输及存放工艺研究以及部品部件生产现场装配工艺研究等。
2) 构件生产与制作环节：包括预制混凝土构件生产、钢结构构件生产以及木结构构件生产。其中，预制混凝土构件的主要生产环节包括：组模、布筋、布置埋件(如机电末端、吊点等)、混凝土浇筑、养护、脱模和成品检验；钢结构构件的生产则涵盖了预制构件连接件的生产，以及预制构件与钢结构件的装配。
3) 现场施工环节：包括装配式建筑施工方案优化、装配式建筑施工管理、装配式建筑施工过程控制和现场检查等。
4) 运营维护环节：包括智能运维管理。通过大数据分析技术，实现对建筑产品运维质量与效率的动态监测，为建筑产品智慧运维提供技术支持；通过大数据分析技术，实现建筑产品智能安防。
基于BIM技术的数字化协同建造是实现装配式建筑智慧建造的重要手段，通过BIM技术整合规划设计、生产制造和施工安装等全产业链的数据，为装配式建筑智慧建造提供重要支撑[3][4]。
1.3. 智能建造技术与建筑行业发展现状
自2016年以来，我国建筑业从智能制造、智能建造与建筑工业化协同发展到建筑业全面数字化转型，再到智能建造技术的应用与推广，行业变革正在加速。
在技术层面，我国建筑行业正加速从机械化、自动化、数字化向智能化转型。2018年9月，住建部等7部委联合发布《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，提出要大力推进信息化、工业化深度融合，重点推进建筑机器人、BIM技术等在设计、施工中的应用，大力发展装配式建筑；同时建立健全智能建造标准体系[5]。
在政策层面，我国政策法规和标准体系逐步完善。2017年国务院办公厅印发《关于促进建筑业持续健康发展的意见》，2018年6月住建部出台了《智能建造与新型建筑工业化协同发展行动计划(2018~2020年)》，对未来一段时期的智能建造和新型建筑工业化协同发展作出部署[6][7]。
建筑产业的高质量发展和现代化方向，一定是沿着建筑工业化的方向，模块化组装，工厂化生产，向着数字化、信息化、智能化的方向变革。另外，中国的人口结构、社会环境和资源要素正在发生变化，倒逼建筑业必须通过数字化、信息化、智能化的方式来替代原来对资源人口红利的依赖。由此可见，以绿色低碳为理念，通过工业化，数字化、标准化、一体化为支撑，采取系统的方法，为建筑行业创造了更高的价值是建筑行业的趋势。本项目以装配式建筑数字信息技术为支撑，涵盖了设计、生产和施工等多个环节，围绕智能建造展开建筑工程优化设计、精细化管理的创新研究，提高生产效率、实现信息共享，推动建筑行业的转型升级。
2. 智能建造技术的项目介绍
2.1. 项目介绍
本工程位于廊坊市开发区，和平路与花园道交口东北侧，工程名称花园丽景2#楼，建筑面积约7827 m2，地下2层，地上18层，结构体系为装配式钢筋混凝土剪力墙结构，房屋总高度52.4 m，室内外高差为0.3 m。项目采用预制混凝土外墙板、内墙板、预制混凝土叠合板、预制楼梯、预制阳台。本工程设计使用年限50年，安全等级为二级，抗震设防烈度8度，抗震设防类别为标准设防。住宅楼为全装配式剪力墙结构，标准户型基本单元及基本间为模数化、标准化和系列化。其中地下部分采用现浇钢筋混凝土；地上1、2层为现浇，地上3层至顶层为标准层采用预制构件，见图1。
Figure 1.2nd floor 3D structural model
图1.2#楼三维结构模型
2.2. 依据设计规范和图集(部分)
1) 《民用建筑设计通则》GB50352；
2) 《装配式混凝土结构建筑技术规程》GBT51231-2016；
3) 《建筑抗震设计规范(2016年版)》GB50011-2010；
4) 《混凝土结构设计规范(2015年版)》GB50010-2010；
5) 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010；
6) 《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008；
7) 《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2018；
8) 《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008；
9) 《建筑结构荷载规范》GB50009-2012；
2.3. BIM技术在本项目的主要应用
2.3.1. BIM应用目标
项目将基于BIM技术的全面应用，融合智能建造相关技术，为设计、生产、施工进行指导。
设计阶段BIM应用目标：通过BIM显著提高设计质量，确保设计效果，减少后期变更，同时通过BIM加强建设对设计方的管控力度。
生产阶段BIM应用目标：落实BIM深化设计成果，将BIM用于指导生产和现场安装。
施工阶段BIM应用目标：通过BIM模型对施工组织方案进行模拟与研讨，优化施工组织方案，消除现场各专业施工的冲突。通过可视化模拟与交底提高沟通效率，提升施工质量，实现精细化的施工进度、成本与安全管理。
2.3.2. BIM应用范围
项目整体BIM应用范围及目标见表1。
Table 1.The overall BIM application scope and objectives of the project
表1.项目整体BIM应用范围及目标
| 设计阶段 |
| 序号 |
应用点名称 |
应用点选择原因 |
应用点预期目标 |
| 1 |
设计阶段BIM模型创建 |
业主方要求 |
设计阶段以构件拆分的形式进行BIM模型搭建，直观的体现装配区域，为后续施工阶段BIM应用奠定基础。辅助图纸优化工作，避免因大的设计缺陷造成施工变更和返工。 |
| 生产阶段 |
| 2 |
基于BIM模型预制构件深化设计及生产 |
解决工程重难点 |
实现用装配式预制构件深化设计成果指导生产与安装。 |
| 施工阶段 |
| 3 |
辅助施工方案及工艺模拟 |
解决工程重难点 |
以BIM方式表达、推敲、验证场地部署、施工方案、跨专业工序的合理性，形成指导正式施工的BIM模拟成果。 |
| 4 |
辅助施工平面管理 |
解决工程重难点 |
项目建立场布模型，使管理人员更加直观的对建设施工状况以及需求进行施工现场布置。 |
| 5 |
模型轻量化辅助现场综合管理 |
项目自身需求 |
通过可视化模拟与交底提高沟通效率，提升施工质量，实现精细化的施工进度、成本与安全管理。 |
| 创新应用点 |
| 6 |
基于装配式管理系统的预制构件全过程智能管理 |
解决工程重难点 |
在深化预制构件设计的基础上，辅助管理人员实施掌握现场全部装配式构件的实时状态，辅助管理人员更加科学的进行决策，提升决策效率，尽可能避免因人为因素导致的构件安装位置错误、吊装安排不合理等情况发生，实现降本增效目的。 |
整体装配式结构具有构件体量大、种类繁多、安装管理难度大等难点，如何通过信息化手段，将构件的深化设计、工厂预制加工、全过程物联网跟踪管理等工作进行有效串联是项目关注的重难点。为此项目拟采用预制构件工业化生产、预埋芯片构件与平台关联、以及基于平台的预制构件全过程物联网监控等应用，实现装配式预制构件全过程智能管理，提升施工质量及现场信息化管理水平，减少不必要的返工拆改，贯彻落实提质增效目标。
本文从工程项目中节选预制构件墙板、楼板设计、生产预制叠合板工艺流程为研究对象，采用BIM模型等信息技术，对相关施工工艺进行模拟，此举有效推动了工程质量监督与线上监管的融合，规范了施工现场主要操作人员的质量行为，提升了监管部门数据检索、资源共享和问题溯源的整体效能。
3. 装配式结构设计
3.1. 标准层预制构件整体拆分布置图
标准层预制构件整体拆分三维布置图如图2所示。
Figure 2.Three-dimensional layout drawing of the overall split of prefabricated components on the standard layer
图2.标准层预制构件整体拆分三维布置图
标准层预制构件竖向构件拆分平面布置图如图3所示。
Figure 3.Schematic diagram of the split layout of prefabricated vertical components on the standard floor
图3.标准层预制竖向构件拆分布置平面示意图
标准层水平构件拆分布置图(叠合板拆分布置)如图4所示。
Figure 4.Schematic diagram of the split arrangement of horizontal members of the standard layer
图4.标准层水平构件拆分布置示意图
标准层水平构件拆分布置平面图如图5所示。
Figure 5.Floor plan of the split layout of the horizontal members of the standard layer
图5.标准层水平构件拆分布置平面图
3.2. 预制楼板拆分原则
预制楼板根据周圈连接不同，分为单向叠合板和双向叠合板。本项目采用双向叠合板。
根据国标图集《桁架钢筋混凝土叠合板》15G366-1所提供的叠合板示例。可以得到：
1) 单块双向叠合板最大底板宽度在1200~2400 mm间，并符合300 mm的倍数，最大开间长度不超过6000 mm，即定为预制构件厂模台能生产的叠合板最大尺寸。
2) 板的宽度和长度标准模数均为300 mm。但实际上工程板的拆分并不是严格按照标准模数拆分，而是根据工程实际需要和与预制构件厂商议预制叠合板的尺寸是否能够生产。
3) 板厚取用130 mm，叠合板厚度取60 mm，即60 mm预制厚度加70 mm现浇厚度。
由于该剪力墙结构房间比较规整，基本上为大开间板且左右及上下板块之间具有对称型，总结出如下双向板拆板原则：
1) 叠合板模数化设计，上下开间宽度一致，所以在拆分时在满足板宽 ≤ 2400 mm的前提下尽量让板块更少并且板块尺寸宽度一致。
2) 当板短边a = 2400~4800，长边b = a~8000 mm，一般以长边为支座比较经济，板在安全的前提下，让力的传递路线最短，这样比较经济。所以一般每块板的宽度可为：b/2或b/3，在满足板宽 ≤ 2400时尽量让板块更少。
3) 拆分板时，尽量避免隔墙在板接缝处。预制板接缝处应变集中、裂缝宽度较大，接缝处受弯承载力略有降低，所以接缝处应当避免受集中荷载。设计时要注意双向板整体式接缝和单向板分离式接缝的区别。
3.3. 预制墙板拆分原则
预制楼板根据周圈连接不同，分为单向叠合板和双向叠合板。本项目采用双向叠合板。
根据国标图集《预制混凝土剪力墙外墙板》15G365-1和《预制混凝土剪力墙内墙板》15G365-2所提供的预制墙板示例，可以得到：
1) 块墙板最长长度4500 mm，即定为预制构件厂模台所能生产的墙板最大尺寸。
2) 墙板的长度模数为300 mm，所以本次墙板设计拆分按照300 mm的模数进行拆分。
除以上原则之外，结合本项目的剪力墙布置特点，总结本项目基本墙常规拆分原则：1) 楼梯处、电梯井的剪力墙宜现浇。2) 装配式剪力墙结构，L、T形等外部或内部剪力墙中墙身长度 ≥ 800 mm时，墙身(非阴影区)一般预制，但边缘构件范围现浇。外隔墙(带梁)一般为现浇。3) 外墙或内墙垂直方向一侧有剪力墙与之垂直相交时，如果满足起吊重量，可将隔墙连成一块，方便吊装与施工。4) 预制外墙外挂墙板之间应留出20 mm间隙。
3.4. 预制率检查
1) 根据《河北省装配式建筑评价标准》DB13(J)/8321-2019第3.0.5装配式建筑应同时满足下列要求：
a) 主体结构部分评价分值不低于20分；
b) 围护墙和内隔墙部分评价分值不低于10分；
c) 采用全装修；
d) 装配率不低于50%。
2) 装配率计算应根据表4.0.1中评价项分值按下式计算：
式中：P——装配率，%；
Q1——主体结构指标实际得分值；
Q2——围护墙和内隔墙指标实际得分值；
Q3——装修和设备管线指标实际得分值；
Q4——评价项目中缺少的评价项分值总和；
Q——加分项得分值。
3.5. 预制率计算结果
预制率计算结果见表2。
Table 2.Prefabrication rate calculation results
表2.预制率计算结果
| 装配式建筑评分表 |
| 评价项 |
评价要求 |
评价分值 |
最低分值 |
实际比例 |
实际得分 |
主体结构
(50分) |
柱、支撑、承重墙、
延性墙板等竖向构件 |
35% ≤ 比例 ≤ 80% |
20~30* |
20 |
65.9% |
30.0 |
梁、板、楼梯、阳台、
空调板等构件 |
70% ≤ 比例 ≤ 80% |
10~20* |
76.3% |
18 |
围护墙和
内隔墙
(20分) |
非承重围护墙非砌筑 |
比例 ≥ 80% |
5 |
10 |
- |
0.0 |
围护墙与保温、隔热、
装饰一体化 |
50% ≤ 比例 ≤ 80% |
2~5* |
82 |
5 |
| 内隔墙非砌筑 |
比例≥50% |
5 |
72 |
5 |
| 内隔墙与管线、装修一体化 |
50% ≤ 比例 ≤ 80% |
2~5* |
- |
0.0 |
装修和
设备管线
(30分) |
全装修 |
- |
6 |
6 |
|
6 |
| 干式工法楼面、地面 |
比例 ≥ 70% |
6 |
- |
- |
0.0 |
| 集成厨房 |
70% ≤ 比例 ≤ 90% |
3~6* |
- |
0.0 |
| 集成卫生间 |
70% ≤ 比例 ≤ 90% |
3~6* |
- |
0.0 |
| 管线分离 |
50% ≤ 比例 ≤ 70% |
4~6* |
- |
0.0 |
|
|
|
|
|
|
64 |
3.6. 基于BIM模型预制构件深化设计
装配式建筑拆分布置图需要结合预制构件深化设计图一同使用，预制构件深化设计包括对预制构件尺寸的设计、对预制构件内钢筋布置的设计、对预埋配件的类型、尺寸及安放位置的设计，同时在预制构件生产时预埋高频芯片。装配式构件运输及施工过程管理及匹配难度高，通过同一PC编码与BIM模型对应构件匹配并获取生产全过程信息。
针对预制外墙板、预制内墙板、叠合楼板、预制楼梯、预制空调板、预制阳台板等内容，在设计BIM模型上对模型进行拆分，并进行装配式构件二次深化设计(见图6)。深化设计过程中，结合各专业模型来调整结构预留洞位置、在管综一次深化的基础上，结合一次深化后的机电模型，搭建预留孔洞、预埋件的BIM模型，检查原结构预留孔洞、预埋件定位，是否准确，与构件或设备是否存在碰撞，以外墙为例:具体内容包含斜支撑预埋套筒、外防护架连接件孔洞、模板安装螺栓孔洞、圈边龙骨链接件套筒、预留木砖深化、墙边企口深化等。确保结构预留预埋与深化成果的对应性。提高了项目质量、优化资源配置、控制成本、加快施工进度等。
Figure 6.Fine modeling of prefabricated prefabricated components
图6.装配式预制构件精细建模
4. 生产预制构件工艺流程智能化研究
4.1. 应用场景
装配预制构件深化设计后，需要在生产企业完成批量生产，生产企业对生产过程实现智能化管理，具有效益高、质量优、消耗低、人工省、环境好等优势，实现部品部件的柔性化、精益化生产。
生产端信息数据包含生产过程、质量追溯、交付过程等方面，同时管理部门则在汇总生产端数据的基础上，拓展到资源匹配服务方面，包括产品质量管理、产品追溯管理、专项技术培训管理等服务模块，重点对行业内产品的全生命周期质量数据形成追溯体系。
生产端利用互联网思维、信息化手段，开发出操作便捷化、管控一体化、车间数字化、生产精益化、堆场智能化、质量一贯化的生产管理系统，全过程、多维度一体化集中管理，实现了工厂车间的数字化、透明化、可视化、在线化和可溯化。
4.2. 应用过程
以钢筋桁架楼承板生产线为例，企业从粗放生产模式向自动化精益生产模式转变。桁架楼承板具有标准化程度高、重量轻、吊装运输难度小、楼板整体性好、施工速度快、无需二次抹灰、综合造价低等优势，产品的市场需求日益广泛。然而传统的手工生产方式较为落后，生产过程中的焊接、打孔、组装等工序依赖大量人工，生产效率低，生产环境差，无法实现楼承板的规模化生产现代的楼承板配套生产线将先进的工业技术与前沿的建筑技术相融合，设备占地小、投资少、自动化程度高，大大降低了部品的生产成本。
4.2.1. 案例实施情况
1) 原有手工作业模式。原来生产需要依靠大量人工组装生产，需要人工焊接，打孔、翻板等。人力用量大，人工成本高，以石家庄钢筋桁架楼承板厂为例，各工位人数共计40人以上；生产效率低，日产量最大800 m2；人工错误率高，劳动强度大；生产占地大，生产管理困难，窝工情况严重；环境污染，粉尘无法回收；无法跟上工程建设进度，影响企业信誉，降低企业总体收入。
2) 现有自动化作业模式。首先优化产线布局。通过合理的产线布局，以输送系统为核心，各工位顺次布置，通过各工序的节拍优化，实现各工位统一步调联动生产。楼承板整线占地仅为长60 m，宽10 m，生产线占地大幅减少，人工成本大大降低，以石家庄钢筋桁架楼承板厂为例，各工位人数由40人减至10人。
4.2.2. 解决的实际问题
1) 实现了建筑施工由现场建造向工厂制造的转变。楼板传统现浇施工工艺较复杂，施工中需要模板切割、支立安装、钢筋铺设、模板拆除等作业，人工劳动繁复，工作环境恶劣，不利于安全生产。钢筋桁架楼承板生产线通过将先进的工业装备替代繁重的人工作业，减少了传统施工现场的模板和钢筋工程量。
2) 提升了部品质量和生产效率。国内现有技术的装配式楼板生产线多以手工或半自动生产方式为主，生产过程中钢筋绑扎、弹线定位、打孔拧钉、人工翻转等需要大量工人，产品质量参差不齐。楼承板生产线通过研发集成多项工业和信息领域先进技术，减少生产用工，有力保证了产品质量和生产效率。
5. 结论
我们认识到现阶段在土木工程领域，装配式建筑和智慧施工是两个备受关注的发展方向。装配式建筑以其高效、节省成本和环保等优势，吸引了越来越多的关注和投入。首先，装配式建筑能够在短时间内完成大量施工任务，提高了工程的进度和效率。其次，通过工厂化生产，能够减少现场施工对环境的影响，减少了噪音、污染等问题，更加符合可持续发展的理念。同时，装配式建筑也提高了建筑质量和安全性，减少了施工中的人为失误，为工程的可靠性提供了保障。
另一方面，智慧施工则是土木工程领域不可或缺的一环。随着科技的不断发展，智能化、自动化的施工方法和技术正日益成熟和普及。通过引入智能设备、传感器技术、人工智能等，可以实现对施工过程的精准监控和管理，提高了施工的效率和质量。作为土木工程专业的学生，我们需要不断学习和掌握这些新技术，不断提升自己的技能水平，以适应未来土木工程领域的发展需求。
基金项目
北华航天工业学院校级一流课程建设“钢结构基本原理”项目资助(JY-2024-05)。
NOTES
*共同一作。
#通讯作者。