【作者简介】刘占省，北京工业大学智能建造所副所长、教授。

建筑业是我国国民经济的支柱产业，在国家建设中发挥了重要作用。近年来，建筑业持续快速发展，为我国的基础设施建设做出了重大贡献。“十三五”期间，建筑业对社会经济的发展起到了积极作用。随着土木工程建设项目的增加，我国的基础设施得到了进一步完善，城市和农村的面貌得到了极大改善，城镇化快速推进，人们的居住和出行质量得到提高。同时，一批重大工程项目如港珠澳大桥、京张高速铁路、北京大兴国际机场等相继建成。这些建设条件复杂、设计施工难度大的工程项目的建造，促进了我国土木工程技术的突破，使我国的工程建造水平大幅提升，在部分领域已达到国际先进水平。

然而建筑业在高速发展的同时也存在着一些问题。长期以来，土木工程行业主要依靠资源要素投入、大规模投资来拉动发展。建筑业信息化、工业化水平较低，生产方式较为粗放，劳动生产率不高，资源消耗大等问题较为突出。工程建设组织方式较为落后，建造过程中机械化程度不高，精细化、标准化、信息化、专业化程度较低。建筑工人素质偏低，工人年龄偏高。建筑行业与先进制造技术、信息技术等先进技术的结合程度较低。随着我国经济形势的变化，传统的建造方式受到了较大冲击，粗放式的生产方式难以为继。

随着全球经济形势和我国经济环境的巨大变化，新常态下的中国人口红利逐渐消失，劳动成本不断升高，经济结构矛盾不断显露。我国正在进行产业的新旧动能转换。根据十九大报告，我国经济已进入高质量发展阶段。“十四五”时期，随着国内外经济形势的变化，经济增速的减缓不可逆转，建筑业原有的粗放发展模式将受到巨大挑战。

新的经济形势下，土木建筑行业实现高质量发展的必然要求是信息化和智能化。智能建造技术的应用有利于建筑业实现转型升级，实现建筑业的高质量发展。本文论述了智能建造的定义和特征，梳理了近年来国家和地方关于智能建造的部分重要政策，并论述了部分在土木工程施工中应用较多的智能建造技术在施工中的应用点，以求为土木工程施工中的智能建造技术应用提供参考。

智能建造是信息化、智能化与工程建设相结合的新型建造方式。目前对于智能建造没有一个统一的定义。

本文对智能建造定义如下：智能建造技术覆盖建筑工程的设计、施工、运维等建筑物全生命周期的各阶段，以土木工程建造技术为基础，以现代信息技术和智能技术为支撑，以项目管理理论为指导，以智能化管理信息系统为表现形式，通过构建现实世界与虚拟世界的孪生模型和双向映射，对建造过程和建筑物进行感知、分析和控制，实现建造过程的精细化、高品质、高效率的一种土木工程建设模式。智能建造涉及规划、设计、施工、运维等阶段实现建筑物全生命期的智能化。智能建造融合了BIM,GIS,IoT、互联网、云计算、大数据、人工智能等信息技术，它们互相独立又互相联系，共同构成了智能建造的技术体系，是智能建造的技术基础,如图1所示。智能建造涉及工程建造理论、项目管理理论等，将工程建造相关理论与新一代信息技术相结合，指导新一代信息技术为土木工程建设服务。智能建造通常表现为智能化管理系统，通过智能化管理系统实现与工程技术人员的交互，将感知、分析得到的工程相关信息展示给工程技术人员，辅助技术人员进行工程相关决策和对工程项目的控制。智能建造利用先进的信息技术，发展新的建造和管理技术，使建造过程从数字化向智能化发展，提高建造效率，实现项目信息的集成化、智能化、系统化管理，达到精细、优质、高效建造的目标。

图1 智能建造技术体系

智能建造具有全面感知、真实分析、实时控制、持续优化的特点。①全面感知 即对建造过程、建造物的状态等进行全面的感知，通过各种传感器、智能设备、智能终端等收集有关建造物和建造过程的各种信息和数据，通过物联网、互联网等将信息和数据进行传输，并对建造数据进行存储。智能建造技术将建造物、建造活动、建造过程需要的设备、工程管理人员、相关服务等进行在线连接，使工程管理人员和工程管理系统可以实时获取建造物和建造过程的相关数据。②真实分析 即利用人工智能、大数据分析等信息技术对采集到的建造过程和建造物相关的数据进行分析和处理，利用有限元计算、虚拟仿真技术等对工程状态进行仿真分析等，给出自动控制所需的结果或可以辅助管理人员进行决策的信息。③实时控制 即通过智能设备、智能软件、智能终端等，依据分析得到的结果和相关规则如标准规范等，对建造过程、建造工艺、建造流程等进行控制，确保实现设计所预定的目标，包括通过自动控制技术对施工设备、建筑机械等进行智能化控制、通过相关人员对施工工艺、施工方法等进行控制以及对人员的控制，最终达到对整个施工过程的全面控制。④持续优化 即通过前3个方面的工作，在建造过程中不断积累经验，对智能建造系统本身进行不断优化，使系统效率不断提高。

国家十分重视土木工程行业的发展，国家和地方都发布了建筑业信息化相关政策，旨在推动和促进土木工程行业的信息化、智能化发展。

早在2003年，我国发布了第一个建筑业信息化发展纲要，提出了在2003—2008年的发展规划。之后在2011年和2016年分别发布了两个建筑业信息化发展纲要，相应地提出了2011—2015和2016—2020年的信息化发展要求。3个建筑业信息化发展纲要的主要内容如图2所示。

图2 建筑业信息化发展纲要

2003年和2011年提出的两个建筑业信息化发展纲要都将信息化作为更新技术手段的工具。在2011年提出的信息化发展纲要中将信息化与管理相结合，同时重点提出了企业的信息化建设任务。由于信息技术发展的限制，两个信息化发展纲要中均集中于专项信息技术的应用。2016年提出的信息化发展纲要则重视建筑工程中全过程、全方位的信息化应用，同时集成多种信息技术进行综合应用,相比前两个建筑业信息化发展纲要，更加强调信息化与建筑企业管理的结合，强调信息技术的集成应用。

近年来，随着计算机技术的快速进步，新一代信息技术给各行各业带来了深刻的影响，极大地提高了信息化水平。这些技术改变了土木工程项目设计、施工、运维各阶段的运行模式。国家十分重视新一代信息技术在建筑业的应用，发布了大量关于推动新一代信息技术在建筑业进行应用的政策。

2020年7月，《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》提出了推动智能建造与建筑工业化协同发展的原则、目标、重点任务和保障措施，并从7个方面提出了具体的工作任务。同时提出了到2025年、2035年的发展目标。这一政策发布后，国家在半年内密集发布多项与智能建造技术应用相关的政策。同时，国家还发布了一系列配套政策，涉及新时代建筑产业工人队伍的培育、智能建造技术典型应用案例的征集、智能建造试点工作的开展等，以配套政策进一步推动智能建造技术的发展。

对于智能建造技术相关的各种新一代信息技术，国家和一些地方城市出台了相关的专项政策。刘占省等梳理了近年来关于BIM、物联网、3D打印、人工智能、大数据、云计算等技术的重要国家级政策，表明国家对相关技术的发展十分重视，对智能建造和新一代信息技术的扶持力度不断加大。

智能建造的技术体系包括BIM,GIS、物联网、人工智能、虚拟现实、大数据、云计算、5G、三维扫描、区块链、数字孪生等新一代信息技术。智能建造技术体系中各种技术相辅相成，共同完成智能化的工程项目管理过程。

本文选取土木工程施工过程中应用较多的BIM,GIS、物联网、人工智能、虚拟现实、三维扫描、智能装备与建筑机器人等技术，对施工中的技术应用点进行综述。

3.1BIM技术应用

建筑信息模型(building information modeling, BIM),是对建设工程及其相关设施的物理和功能特征的数字化表述。BIM以三维模型的形式表达建筑设施，可将建筑设计信息可视化。BIM模型是内部存储着关于建筑工程全部信息的一个数据库。这些隐藏在三维模型背后的信息使BIM模型不仅仅是一个三维可视化的工具，而是可在建筑工程全生命期内提供关于建筑的各种信息的数据源。BIM三维可视化的特性在施工中的很多场景下都得到了应用。同时BIM作为建筑信息数据库，与其他智能建造技术相结合提供数据基础，在智能建造体系中有不可或缺的地位。在现有的各种BIM软件中可进行BIM的基本应用，但更多扩展应用通常通过对BIM信息模型或BIM软件进行二次开发，或者通过另行开发的BIM应用平台，与其他技术相结合的方式来完成。本节仅论述BIM技术可独立完成的应用点，如图3所示。

图3 BIM技术应用

3.2GIS技术应用

BIM技术主要反映建筑物本身的各种信息，但通常不能反映建筑物周边环境的信息。地理信息系统(GIS)作为地理信息数据库，能以直观的地理图形方式获取、存储、管理、分析、显示与地理位置相关的各种数据，可反映真实的地理环境信息,但不能反映建筑物单体的信息。因此，GIS技术和BIM技术常结合使用。在BIM与GIS结合使用的过程中，BIM模型提供工程结构的相关信息，从微观角度反映工程结构单体信息，GIS提供地理环境信息，从宏观角度反映建筑周边环境、地形、地质等地理信息，二者互为补充，可同时显示宏观与微观的信息，同时提供了从空间地理数据处理的角度进行分析的途径。BIM和GIS进行集成的方法有3种：以BIM为平台将GIS数据加载到BIM软件中，在BIM平台中进行各种应用；以GIS为平台将BIM数据加载到GIS平台中；通过另行开发的专用平台，载入BIM数据和GIS数据，并实现对BIM和GIS数据的各种应用。由于BIM技术以IFC文件为基础，GIS以CityGML文件为基础，二者数据标准不同，存在BIM和GIS数据的互通和互操作问题，需要开发专用软件来完成二者之间数据的融合，以避免BIM与GIS集成应用时数据丢失等问题。GIS技术在施工中的应用包括BIM+GIS联合应用以及对GIS特有的地理信息数据及空间分析等功能的应用，如图4所示。

图4 GIS技术应用

3.3物联网技术应用

物联网技术作为“连接物品的网络”,承担着从现实世界收集信息和控制现实世界的各种物品的工作。物联网技术可对施工过程中产生的大量信息进行实时感知和动态采集，并将采集到的数据和信息进行实时传输，实现现场施工过程中产生的各种信息和数据的实时获取和汇总；对施工过程中的各种控制指令进行下达，实现自动化施工设备的实时控制。现实世界信息的采集一般通过二维码、RFID、定位标签、视频摄像机、各种传感器等自动化采集技术，或以人工录入的形式进行。数据的传输通过电缆、LoRa、窄带物联网、WiFi、蓝牙、4G/5G等有线或无线通信技术进行。物联网是智能建造系统中的“神经系统”,实现智能建造体系中的前端感知和终端执行。物联网技术在施工中通常用于对施工现场人员、机械、材料、施工方法、施工环境等要素的在线实时监测和控制，如图5所示。

图5 物联网技术应用

3.4人工智能技术应用

人工智能技术的应用是智能建造中“智能”的体现之一，在智能建造中起到“大脑”的作用。人工智能技术以智能算法为载体，对施工现场的多源多维数据进行分析，总结数据中隐含的规律，进而实现对施工过程的智能监测、预测、优化和控制。人工智能技术在施工中有以下应用，如图6所示。

图6 人工智能技术应用

3.5虚拟现实技术应用

虚拟现实(VR)是一种计算机仿真系统，可在其中创建和浏览虚拟世界。虚拟现实技术可以实现通过屏幕查看所不能达到的沉浸式体验，使信息的表达更加直观，有利于非专业人员快速理解设计意图。在土木工程中应用虚拟现实技术时，通常以BIM模型等为基础，导入到专用的虚拟现实软件中并制作成动画等形式，体验者通过虚拟现实眼镜等专用设备进行体验。但虚拟现实技术对计算机的配置要求较高，且需要专用软件和专用设备，限制了虚拟现实在土木工程施工中的应用。虚拟现实技术的应用主要在于应用其沉浸式体验的特点，其具体应用点如图7所示。

图7 虚拟现实技术应用

3.6三维扫描技术应用

三维扫描技术以激光测距的原理为基础，快速获取物体表面大量而密集的点的坐标等信息，相当于一个高速测量的全站仪，其成果表现为点云数据。三维扫描具有非接触、高速测量、高精确度、高密度、穿透性、全自动等特点。三维扫描可用于建筑物等的逆向工程，通过扫描工程实体获得的点云数据建立三维模型，与由模型通过加工制造得到工程实体的过程相反。与全站仪相比，三维扫描仪可自动化地快速测量海量点的坐标，在常规方法需要较多控制点的异形结构测量中，可大大提高测量的效率。同时，与理想化的设计模型不同，点云模型真实反映了扫描对象的状态，包含了制造误差、施工误差、结构变形等信息。三维扫描技术的应用，主要是对获得的点云数据和点云模型的应用。三维扫描技术在施工中的具体应用点如图8所示。

图8 三维扫描技术应用

3.7智能装备及建筑机器人

建筑施工的无人化、少人化意味着在施工过程中采用自动化的施工设备和技术。智能装备和建筑机器人可自动执行建筑施工工作，可以按计算机程序或人类的指令工作，代替或协助人完成施工任务。在智能建造体系中，建筑机器人用于控制指令的执行。

在预制工厂中，预制构件生产具有制造业工厂生产的特点，生产环境较为简单，为智能制造技术的应用提供了便利，智能装备和智能机器人已广泛应用于预制构件生产工厂等场景，实现了预制生产的自动化。然而在现场施工中，建筑机器人通常面临现场计量不完善、公差较大、工件不确定性较大等问题，这与制造机器人十分不同。与制造业另外一点不同在于建筑业施工现场采用产品不动、设备移动的生产方式，而施工现场较为恶劣的环境为智能设备和建筑机器人的移动制造了困难。对于传统的施工过程，建筑机器人的研发需要理解施工步骤背后的物理原理，且不同工序之间施工环境、施工方法、质量要求等存在很大差异，一般需要对不同施工过程研发专用机器人。这些问题对施工现场智能设备和机器人的应用带来了挑战，因此目前智能装备和建筑机器人在施工现场的应用不多，大部分施工过程仍以人工作业为主。建筑机器人和智能装备在施工中的应用如图9所示。

图9 智能装备和建筑机器人

随着计算机技术的发展、智能建造理念的提出和推广，BIM,GIS、人工智能、物联网等新一代信息技术已大量应用于土木工程施工过程中。这些新一代信息技术极大地提升了土木工程施工的信息化水平，在一定程度上改变了施工管理的方式，使土木工程施工趋向数字化、智能化管理。信息技术的应用还扩展了施工管理人员的能力，实现了一些原本人工难以完成的工作，同时提高了施工和管理的效率。信息技术带来的另一个改变是在一定程度上消除了信息孤岛，使施工过程中产生的信息在工程参与各方之间快速流转，使得施工各参与方能够更快地对工程中出现的各种情况进行反应。智能建造技术可实现对工程建设的“智能感知、真实分析、实时控制”,实现了施工过程的智能化闭环管理。

然而智能建造尚处于发展的初级阶段，智能建造技术仍不能满足建筑业信息化、智能化转型的要求。具体表现可总结如下。

1)智能建造技术仍以单点应用为主，其应用点较为零散，集成度不高。目前智能建造技术在施工中的应用多聚焦于某一施工过程或施工管理的某一方面，也有部分项目采用了具有一定集成度的智能化管理平台，将部分施工管理流程信息化。但是目前仍少见集成度较高的智能化施工管理系统。

2)现有施工管理流程与方法存在不适应智能建造技术的方面。在推行智能建造技术的同时，也带来了新的管理流程和管理方法，但目前建筑业仍采用传统的管理方式对工程项目进行管理，智能建造技术有时会与现行管理规定等发生冲突，导致管理人员在采用智能建造技术的同时保留传统的管理模式，造成了浪费和冗余，智能建造技术带来的优势在一定程度上被抵消。

3)智能建造技术对于施工过程的感知和分析已有较多应用，但智能化装备和建筑机器人的应用仅限于部分施工工作，大部分施工工作仍由人工进行。同时由于不同施工工作使用的工艺不同，需对每一种工艺研发专用机器人，使得建筑机器人的应用较为缓慢。

展望智能建造技术及其工程应用的发展，可在以下几个方面取得新的进展。

1)智能建造技术应用的高度集成化。随着智能建造技术的发展，智能建造技术的局部应用将不断增多。可在大量局部应用的基础上开发集成化的智能建造管理平台，将施工管理全过程纳入平台之中，不仅为施工管理人员提供统一入口，同时有利于进一步消除信息孤岛，使信息更加流畅地在工程各参与方之间流转，提高施工管理的效率。

2)管理模式和管理制度的变革。智能建造技术的应用将带来管理模式等的变化，未来可通过创新管理模式，建立与智能建造技术相适应的管理流程和管理制度，使技术发展与管理变革形成合力，鼓励更多的建筑企业采用新的技术和管理模式。同时，随着智能建造技术进一步消除信息孤岛，参建各方在工程建设中产生的数据将进一步透明化，将为工程建设管理模式带来更加彻底的变革。

3)推动建筑机器人的研发和应用。可通过已经较为成熟的数据采集技术采集施工过程中产生的各种数据，分析施工工艺背后的规律和原理。可进一步研发适合机器人自动化施工的施工工艺，对传统工艺进行改变，从而将更多的施工工作自动化。

4)加强多学科联合。智能建造技术的发展不仅涉及传统的土木工程，还涉及机械、电子、计算机、信息技术、管理等多个学科。智能建造技术的发展需要由多个学科进行合作，充分利用不同学科的优势，促进智能建造新技术的研发。

智能建造是土木工程行业转型升级和高质量发展的重要手段。智能建造技术将随着信息技术的进步而获得更大的发展。智能建造技术将整合建设工程各阶段和各参与方，减少和消除信息壁垒，实现建筑物全生命期的高质量管理。

展望未来，智能建造不仅仅是一项通用技术，也将会成为信息化社会中人类建造和改造世界的方法论之一。智能建造还将成为支撑社会建设智能化和产业自动化转型的发展范式，智能化设计、智能化施工、智能化运维等智能化建筑技术将进一步推动社会建设的智能化转型，自动化工业、自动化农业等产业自动化、智能化技术将推动产业的自动化转型。同时，“模型+机理”是智能建造落地的关键所在，构建分领域、分行业的包含机理模型、信息驱动模型、物理实体、逻辑对象的智能建造模型全景图谱将助力智能建造技术的落地应用，真正发挥智能建造的价值。