《地下空间工程智能建造概论》课件 1-绪论

城市空间工程智能建造概论UrbanspaceengineeringIntroductiontointelligentconstruction1

智能建造是一种有别于传统建造的新理念，它以项目信息门户为共享平台，以建造技术、人工智能和数据技术为手段，面向项目全生命周期，构建项目建设和运营的智能化环境，通过技术集成、信息集成和管理创新，对项目建设全过程实施有效管理。从内涵讲，智能建造是结合全生命周期和精益建造理念，利用先进的信息技术和建造技术，对建造的全过程进行技术和管理的创新，实现建设过程数字化、自动化向集成化、智慧化的变革，进而实现优质、高效、低碳、安全的工程建造模式和管理模式。2

智能建造的基础是现代通用信息技术，包括云计算、大数据、人工智能、物联网等技术，智能化系统有以下七大特征。

一、灵敏感知。作用是像高级动物一样能够灵敏地感知周围环境的变化，传感器技术可以当此重任。

二、高速传输。作用是迅速传递通过感知釆集到的信息，无线网络，特别是移动无线网络技术可以当此重任。

三、精准识别。作用是对采集的原始信息进行识别，确定信息的含义及特定对象的存在，视频识别和音频识别技术可以当此重任。

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四、快速分析。是对大量信息进行快速分析，给出有助于决策的结果，大数据分析技术可以当此重任。

五、优化决策。作用是针对建造过程中的决策环节，给出优化决策方案及其依据，从而辅助决策人员实现建造过程的最大效能。

六、自动控制。作用是利用智能化系统取代人，根据感知到的环境条件，运用优化决策，自动控制生产过程，自动控制技术可以当此重任。

七、替代作业。作用是利用智能化系统替代人从事恶劣环境中的作业，提高工作效率，减少对劳动力的需求，自动化和机器人技术可以当此重任。4518世纪中叶以来，人类历史上先后经历了从机械化、电气化、自动化，现正迈向智能化的四次工业革命。图1-1世界产业革命发生阶段60102工业革命0304轻工业革命1978年改革开放重工业革命90年代末未来产业萌芽改革开放40年毛泽东时代中国工业革命经历了四个阶段。7智能建造的发展经历了数字化建造、信息化建造、智能建造阶段。一、数字化阶建造段

早在1997年，美国著名建筑师弗兰克·盖里在西班牙毕尔巴鄂古根海姆博物馆的设计过程中，通过在计算机上建立博物馆的三维建筑表皮模型进行建筑构型，然后将三维模型数据输送到数控机床中加工成各种构件，最后运送到现场组装成建筑物，这一过程已具备数字化建造的基本雏形。

8二、信息化建造阶段

我国信息化建造的进程逐渐由手工化、机械化向智能化、智慧化的阶段发展。图1-2信息化建造发展阶段二、信息化建造阶段

近30余年我国信息化发展的基本脉络可总结为：办公自动化、互联网、物联网、云计算、大数据、互联网+、智能制造、人工智能、智能+。图1-330余年我国信息化发展简史910二、信息化建造阶段我国建筑工业化历程及建筑工业互联网发展展望：

阶段一：2015年，装配式，1.0时代，装配式主要停留在建筑基本结构与金属构件上。

阶段二：2018年，集成化，2.0时代，核心主要集成服务空间以及设备管线

阶段三：2023年，集成化+框架，3.0时代，所有建筑房间都可以通过装配式组装实现连接使用。

阶段四：2050年，集成化+框架+移动，4.0时代，居住模块与建筑完全实现装配化生产。三、智能建造阶段

智能建造是一种全新的建造和管理方式，它利用智能化技术的交叉融合实现信息融合和全面物联的智能化建造。通过信息技术与建造技术的深度融合以及智能技术的不断更新应用，从项目的全生命周期角度考虑，实现基于大数据的项目管理和决策，以及无处不在的实时感知，最终达到工程建设项目工业化、信息化和绿色化的三化集成与融合，促进建筑产业模式的根本性变革。

11三、智能建造阶段

实现智能建造，必须先满足以下条件：

（1）有一个信息化平台驱动；

（2）实现互联网传输；

（3）进行数字化设计；

（4）机器人要能够代替人完成全部或部分施工，机器人完成的作业越多，智能建造的水平就越高。1213三、智能建造阶段智能建造实施目标即在建设项目全生命周期中将要实施的主要价值和相应的应用。智能建造实施目标可分为以下四部分。（1）集成化。主要包括两方面，一方面是应用系统一体化，另一方面是生产过程一体化；

（2）精细化。同样包括两方面，一方面是管理对象细化到每一个部品部件，另一方面另一方面是施工细化到工序，通过严格的流程化、管理前置化降低风险。三、智能建造阶段

（3）智能化。首先，在管理过程中，通过系统取代部分人，包含代替人去决策，或者辅助人的决策。另外就是作业层，可以有类人工厂和现场的作业，实现智慧化。

（4）最优化。一是要有最优化的设计方案，二是要有最优化的作业计划，三是要有最优化的运输计划，以求到最短运输路径。14

三、智能建造阶段“AI+智慧建筑”是指以人工智能理论、技术、产业为核心驱动力的超智能建筑。该建筑具备八大特征：实施感知、高效传输、自主控制、自主学习、智能决策、自组织协同、自寻优进化、个性化定制。“AI+智慧建筑”中的AI不仅指人工智能，从产业形态上来讲，还包括对AI形成支撑的新一代信息技术——大数据、云计算、物联网、移动互联网、工业互联网、现代通信、区块链、量子计算等相关业态。15近年来，我国的地下工程建设迅猛发展，在地下工程建造技术及装备研发方面取得了重大突破。地下空间开发利用的智能化需求日益强烈。地下空间智能技术应用水平还不够高。实现地下工程建造与运维全链路智能是“网络+数字”时代的必然选择。

城市地下综合管廊在当今城市建设重要性日益提升。16

地下空间利用是社会生产力和城市发展到一定阶段而产生的客观需求。

一个国家或城市所处的自然地理环境和地缘政治环境对其开发利用地下空间的动因、重点、规模、强度等都有显著影响。这些因素构成了地下空间发展的背景和条件。

我国国情出发，这种宏观背景可概括为以下六方面：

（1）人口众多

（4）能源短缺

（2）土地资源匮乏（5）环境污染

（3）水资源的储存（6）灾害威胁

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如何在节约资源能源和保护环境的前提下，实现我国城市建设与可持续发展，进行地下空间合理开发和综合利用至关重要，也是中国城市化和城市现代化的必由之路。

图1-4、图1-5为美国波士顿城市地下空间更新改造的实例。1959年建成时的波士顿中央大街交通顺畅，后因家庭汽车普及，地面道路交通长时间严重拥堵，不得不斥巨资实施BigDig大开挖工程，进行地下空间开发恢复地面绿色植被，实现城市更新。18图1-4波士顿1959年建成的中央大街图1-5实施Big

Dig地下空间开发改造后大街恢复为绿地的状态1920

施工建造阶段是工程项目全寿命周期中持续阶段最长、工序最多阶段。基于BIM技术下的工程项目信息管理模式，可以从时间、工序、空间等多个维度对工程进行多算对比，以保证对整个工程项目的动态化控制管理。

将BIM技术应用到城市地下工程建设中，可显著提升设计精细化、施工安全化、后期运营条理化，提高设计施工质量和效率，降低工程造价和劳动强度，强化各参建方的协作，利于工程的后期智能运维，同时BIM技术也是工程建设信息化发展的必然趋势。21

随着我国城市地下空间建设的显著增长，特别是城市地铁隧道建设的快速发展，新的问题和挑战也不断涌现。例如，密集的城市空间，狭窄的建设范围，敏感的相邻结构，生态环境保护。

面对上述问题，要在发展基础技术的同时利用新技术、新方法和智能手段解决新的挑战，实现智能建造。就是将新一代信息与通信技术相结合，深入融合先进的设计施工技术，贯穿于工程勘察、设计、施工、验收、运行维护等各个环节，产生具有自我感知、自我学习、自我适应、自我决策功能的智能建造与运维模式。22

一、城市地下空间工程智能建造新进展

（一）智能勘察

勘察阶段对于地下空间工程有着至关重要的作用。地下空间智能建造的工程地质勘察是结合场地、周边环境、工程特点及智能建造方案制定勘察方案和实施细则，建立全面反映场地工程地质和岩土工程相关信息的勘察模型。勘察设备一般可采用无人机航拍设备、智能钻探设备、智能原位测试设备、智能视频监控设备等；勘察手段可采用综合地质勘察方法。23图1-6

智能化勘察设计图下图为任军辉等学者提出的新基建背景下的智能勘察设计图。24

智能勘察采用多种勘察设计新技术与新基建技术体系，实现勘察设计一体化、智能化，推动数字基建孪生综合体建设与智能化协同，从而实现基于“多测合一”到全体系的数据链信息协同。智能勘察设计体系建设包括数据层、处理技术层、业务服务层、应用解决方案等4方面，涉及智能勘察设计体系建设、行业布局与转型发展。

25（二）智能规划设计

地下工程种类繁多，如：地下建筑，地下综合体，地下商业街，地下轨道交通等。在设计时应考虑地下工程的自身特点，结合BIM、GIS、神经网络等新兴技术进行针对性的应用，在地铁隧道、综合管廊及其他城市地下工程的智能设计、智能建造及智能运维中科学应用BIM等新兴技术。26BIM一体化设计平台的作用体现为以下五个方面。图1-7

BIM一体化设计27（三）智能施工

近年来，城市轨道交通、地下道路、地下综合管廊隧道等施工技术取得了显著进步。隧道施工逐渐由传统的人工操作向机械化施工转变，从单工序施工机械化到全工序机械化施工。

为提升地铁盾构工程智能化水平，解决地铁施工穿越复杂风险源的管控难题，研发了地铁盾构施工智能管控平台系统。以北京地铁工程为例。28图1-8

地铁智慧盾构施工系统图1-9

盾构工程穿越风险源的三维智能管控29（四）智能监测

隧道运维智能化检测设备主要包括轨道机器人、无人机、激光雷达、电子传感器、智能图像等。近年来，机器人隧道巡检系统已逐步在国内外推广使用。

三维激光扫描仪的推广应用提升了自动化监测效率和监测精度。例如，深圳轨道交通2号线利用三维激光扫描仪对地铁隧道进行沉降监测，分析计算得到实际隧道与设计的偏差，比传统方式精度更高。30（五）智能维运

为解决地下工程由于其隐蔽性导致运维管理的问题，应当综合运用大数据、云计算、物联网、人工智能等技术，构建数字化管理平台。

随着数字化智能感知技术的迅速发展，依托5G技术的“物联网感知设备”、“高频交通大数据雷达”、“高清低延时视频传输技术”，可实现对地下工程危险的空间分析及预测。31未来我国城市地下空间的发展运维主要基于以下四点技术方案：（1）AR、VR等多种新技术的设计与施工；（2）基于BIM技术、GIS技术、视频融合技术建立地质信息与地下工程的三维可视化模型；（3）基于数字化传感、微机电（MEMS）、北斗等感知技术的地下工程监测；（4）基于物联网、5G通讯、大数据与神经网络、人工智能等技术的地下空间建设信息数据的传输与分析。32

我国智能建造技术的未来发展，仍面临不少短板与瓶颈，主要体现在以下

四方面。

面向全产业链一体化工程软件方面。

面向智能工地的工程物联网方面。在“人、机、料、法、环、品”全面监管还存在短板。

面向人机共融的智能化工程机械方面。智能化工程机械所必要的元器件方面仍落后于国际先进水平

面向智能决策的工程大数据技术方面。我国该领域的自主研发及应用深度和广度不足。33我国智能建造尚处于发展的初级阶段，仍难以满足建筑业信息化、智能化转型的要求。具体表现如下：030201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。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。智能化装备和建筑机器人的应用仅限于部分施工作业。34

目前，数智化技术远难以满足地下工程建设需求。城市地下空间工程建设还存在以下问题：（1）前期规划不合理

1）缺乏统筹规划，前期地下空间开发与地面建设不够协调，与城市规划很少衔接。

2）资源破坏严重，地下空间开发可逆性较差。（2）绿色安全、低碳环保要求高在传统地下工程建造施工的过程中，忽略对环境的影响。城市地下工程的设计施工和运维必须秉持绿色、安全、可持续化发展这一最重要的理念。010235

目前正处于信息技术革命时期，城市地下工程智能建造在以下方面需要进一步提升：设计精细化。采用超长水平地质钻与深地高精度物探等先进设备对地质条件进行精细化勘探。施工智能化。通过多维度、多方向、多模式、动态等全域感知与回馈、递进矫正寻优求协同。监管信息化。采用无人机、机器人、三维激光扫描、光纤传感等技术对大型岩土工程进行监测。36

图1-10城市地下空间发展历程1.城市地下空间发展历程

基于国内外城市地下空间的调研，通过功能、形态和效益等方面的分析，可将城市地下空间的发展历程划分为下图所示的四个阶段。37

1.0阶段，地下空间建设是以市政功能需求为导向，旨在解决城市快速发展引起的基础设施服务能力不足问题。

2.0阶段的地下空间又称为“功能地下空间”。在2.0阶段，地下空间以地下交通建设为主体，以带动沿线城市地下空间的综合发展为目标。

3.0阶段的地下空间又称为“交通地下空间”。在3.0阶段，地下空间以优化地表环境质量为主体，并实现单点空间的集约化、规模化利用。

4.0阶段的地下空间又称为“智慧地下空间”。4.0阶段是以城市立体化综合利用、人与自然和谐发展为目标的智慧型地下空间。

382.城市地下空间建设发展趋势

城市地下空间应向城市地下综合体与地面建筑一体化方向发展。图1-11

城市地下空间工程的一体化建设39

图1-13武汉光谷广场综合体工程以下为几个城市地下综合体与地面建筑一体化开发的典型案例。40图1-14深圳大运枢纽综合体

深圳第四代枢纽更是提供了以人为本、将枢纽城市综合体与所在片区融合协同温馨的一揽子解决方案，形成智慧枢纽。41

根据居民安全、便捷、高效和舒适的现实需求，地下空间建设应该从制式、运量和速度目标转向于从城市总体需求、经济基础、土地集约利用尤其是地下空间效能最大化的利用、城市空间、综合交通的协同来思考城市轨道交通。

实现安全、高效、便捷交通的同时，塑造环境优美、绿色宜居和有文脉的城市空间——处处体现以人为本，进而实现社会、生态和经济三方面可持续发展。

42图1-15地下生态城市构想

谢和平院士提出的地下生态城市构想如下图所示。431.绿色施工技术绿色循环低碳发展是当今时代科技革命和产业变革的方向，是最有前途的发展方向。

绿色施工技术应着眼于建筑全生命周期，在保证工程质量和安全的前提下，在工程建造全过程中利用科学管理和绿色技术，最大限度地节约资源能源和保护环境，选用绿色建材、实施绿色施工、建造绿色建筑。

44图1-16

基于空气质量监测数据的智能施工决策

下图给出了在施工过程中根据空气质量进行智能施工决策的示例。452.信息化、数字化技术

随着计算机技术的发展、各类算法的出现及其愈加广泛应用，现阶段国内外研究方向主要集中在算法简化设计层面。图1-17

数字化、信息化技术在智慧建造中的应用463.城市地下工程智能化施工技术

城市地下空间工程典型的近接施工技术包括：

（1）地层冻结组合系统技术、盾构下穿控制精细技术、重叠隧道与桩基组合下穿建筑群技术、超近距离矩形顶管技术等。

（2）施工新技术。重点研究复杂地质条件下地下施工控制技术以及环境生态保护措施；城市地下工程重点研究新型机械化施工、绿色施工技术以及环境协同技术。47

4.城市地下空间智慧化发展方向

城市轨道交通技术的总体发展原则是更融合、更绿色、更智慧、更高效、更安全。主要技术发展方