新基建，新未来——从北京冬奥看智能建造
新基建(jiàn)，新(xīn)未(wèi)来(lái)
———从(cóng)北(běi)京(jīng)冬(dōng)奥(ào)看(kàn)智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)
基(jī)于(yú)数(shù)字(zì)孪(luán)生(shēng)的(de)智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)理(lǐ)论(lùn)体系与方法，“智能建造理论方法、关键技术研发及在冬奥等工程中的创新应用”项目团队研发出竞速型人工赛道复杂曲面成型智能建造关键技术，创新了冬奥场馆装配化改造及智能化控制关键技术，开发了复杂条件下冬奥等大型工程智能化建造与管理平台。
在距离地球40余万公里的远方，一场浩大的工程始终在如火如荼地进行着，与月球荒凉的表面形成了鲜明对比。
在那里，尽管没有充足的氧气，太阳风暴时而光顾，但三座巨型行星发动机的建造工作从未受到过干扰——数以万计的机器人不分昼夜地工作着，从拧紧螺丝到焊接钢筋铁骨，有条不紊、高效严谨，它们建造的不仅仅是宏伟巨大的工程，更是全人类的希望……出现在《流浪地球2》电影中的这番场景，如果有人告诉你，它不只是科幻迷的美好想象，而是不远的未来将出现在我(wǒ)们(men)的(de)日(rì)常(cháng)生(shēng)活(huó)中(zhōng)、发(fā)生(shēng)在(zài)建(jiàn)筑(zhù)工(gōng)地(de)上(shàng)的(de)真(zhēn)实(shí)画(huà)面(miàn)，你(nǐ)将(jiāng)作(zuò)何(hé)感(gǎn)想(xiǎng)呢(ne)?
智(zhì)能(néng)新(xīn)基(jī)建(jiàn)，一(yī)切(qiè)皆(jiē)可(kě)能(néng)。事(shì)实(shí)上(shàng)，在(zài)2022年(nián)北(běi)京(jīng)冬(dōng)奥(ào)会(huì)的(de)场(chǎng)馆(guǎn)建(jiàn)设(shè)和(hé)改(gǎi)造(zào)中(zhōng)，智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)的(de)“种(zhǒng)子(zi)”已(yǐ)经(jīng)生(shēng)根(gēn)、发(fā)芽(yá)，一(yī)场(chǎng)建(jiàn)筑(zhù)业(yè)的(de)革(gé)命(mìng)已(yǐ)然(rán)来(lái)临(lín)。
智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)与(yǔ)数(shù)字(zì)孪(luán)生(shēng)，新(xīn)基(jī)建(jiàn)新(xīn)未(wèi)来(lái)
谈(tán)到(dào)建(jiàn)筑(zhù)行(xíng)业(yè)，人(rén)们(men)常(cháng)常(cháng)会(huì)想(xiǎng)到(dào)汗流浃背的工人、尘土飞扬的工地。在过去，充足的劳动力市场让传统建筑行业得以顺利运转，但时至今日，在全球生育率锐减和人口老龄化程度加深的夹击下，建筑业也不得不直面眼前的棘手难题。
2022年，一项由国家统计局内蒙古呼和浩特调查队公布的调查数据显示，目前，高龄农民工已成为我国传统建筑业从业者的主力：50岁以上人群中从事建筑、装修的占比为42.7%,而30岁以下群体这一占比仅为15.0%。一面是日益严重的从业者老龄化问题(tí)，一(yī)面(miàn)是(shì)日(rì)渐(jiàn)流(liú)失(shī)的(de)年(nián)轻(qīng)劳(láo)动(dòng)力(lì)，传(chuán)统(tǒng)建(jiàn)筑(zhù)行(xíng)业(yè)可(kě)持(chí)续(xù)发(fā)展(zhǎn)的压力空前巨大。正是在这样的大背景下，以数字化、智能化、信息化为特点的“智能建造”概念应运而生。
所谓智能建造，是指在建造过程中充分利用智能技术和相关技术，借助物联网、大数据、BIM(建筑信息模型)等先进的信息技术，通过应用智能化系统，提高建造过程的智能化水平。它涵盖了建筑工程从设计到生产再到施工的全阶段，实现了全产业链数据集成，能够为工程的全生命周期管理提供支持，既能大幅减少传统建筑业对人的依赖，显著提升建造安全性，也能提高建筑的性价比和可靠性，是建筑行业未来发展的大势所趋。
然而，智能建造绝非用机器代替人类那么简单——机器人解放了人类的双手，但又是谁在指挥它们工作、告诉它们我们想要一栋怎样的建筑呢?恰如人类行动靠大脑指挥一样，在利用现代信息技术的智能建造理论体系中，数字孪生技术就是它的大脑。
数字孪生，顾名思义即数字化“双胞胎”,是在某个系统或者设备上被创造出来的数字版“克隆体”。作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，数字孪生模型可与人工智能、物联网等发生多级互联，能够实现高逼真度行为仿真。对于智能系统来说，分析、推理和决策的前提是数据，而后者则基于感知和建模。在智能建造理论体系中，没有数字孪生技术对现实条件的准确模型化描述，那么“智能建造”也将是无源之水、无根之木。
随着BIM技术在建筑领域的应用与发展，将数字孪生技术融入智能建造理论体系既是一种升级，也成为行业发展的一种必然。
众所周知，一栋建筑从无到有，需要建筑师、结构师、机电暖通工程师和排水工程师等多方的共同努力。在这样一个需要团队协作的大工程中，如何避免不同团队的方案“打架”,防止在施工纠正设计缺陷等“马后炮”现象?很大程度上，BIM技术在建筑行业的应用与普及解决了这些问题。它通过建立虚拟的工程三维模型，利用数字技术仿真模拟建筑物所具有的真实信息，为模型提供完整的、与实际一致的工程信息库。借助它，人们可以对施工进程中的各项问题进行充分的预(yù)测(cè)，排(pái)除(chú)“潜(qián)在(zài)隐(yǐn)患(huàn)”,使(shǐ)整(zhěng)体(tǐ)工(gōng)程(chéng)达(dá)到(dào)最(zuì)优(yōu)解(jiě)。
相(xiāng)比(bǐ)之(zhī)下(xià)，数(shù)字(zì)孪(luán)生(shēng)技(jì)术(shù)要(yào)比(bǐ)BIM技(jì)术(shù)“视(shì)野(yě)更(gèng)开(kāi)阔(kuò)”,所(suǒ)考(kǎo)虑(lǜ)的(de)维(wéi)度(dù)也(yě)更(gèng)多(duō)——BIM技(jì)术(shù)关注(zhù)的(de)只(zhǐ)是(shì)三(sān)维(wéi)空(kōng)间(jiān)，而(ér)数(shù)字(zì)孪(luán)生(shēng)技(jì)术(shù)则(zé)是(shì)将(jiāng)空(kōng)间(jiān)与(yǔ)时(shí)间(jiān)也(yě)纳(nà)入(rù)了(le)其(qí)中(zhōng)。举(jǔ)例(lì)来(lái)说(shuō)，如(rú)果(guǒ)《流(liú)浪(làng)地(de)球(qiú)2》中(zhōng)图(tú)恒(héng)宇(yǔ)能(néng)够(gòu)在(zài)图(tú)丫(yā)丫(yā)生(shēng)前(qián)为(wèi)其(qí)打(dǎ)造(zào)一(yī)尊雕像，那么BIM就是这尊雕像，而MOSS系统中的数字生命版就是她的孪生模型。换而言之，在传感器、人工智能等现代化信息(xi)技(jì)术(shù)的加持下，孪生模型具备了“成长”的能力，能够形成更多实时反馈的大数据，可以为人工智能的精准分析和决策提供更多的科学依据。
纵观全球，工程建造(zào)正(zhèng)面(miàn)临(lín)着(zhe)数(shù)字(zì)化(huà)转(zhuǎn)型(xíng)和(hé)智(zhì)能(néng)化(huà)升级，智能建造亦成为现代建筑领域最前沿的发展方向之一。对于正在加速从劳动密集型向技术密集型转型的中国建筑行业而言，研发基于数字孪生技术的智能建造理论体系和方法也是大势所趋。2020年，国(guó)家(jiā)13部(bù)委(wěi)联(lián)合(hé)印(yìn)发(fā)《关于(yú)推(tuī)动(dòng)智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)与(yǔ)建(jiàn)筑(zhù)工(gōng)业(yè)化(huà)协(xié)同(tóng)发(fā)展(zhǎn)的(de)指(zhǐ)导(dǎo)意(yì)见(jiàn)》,指(zhǐ)出(chū)建(jiàn)筑(zhù)业(yè)信(xìn)息(xi)化(huà)程(chéng)度(dù)较(jiào)低(dī)，迫(pò)切(qiè)需(xū)要(yào)利(lì)用(yòng)现(xiàn)代(dài)信(xìn)息(xi)新(xīn)技(jì)术(shù)升(shēng)级(jí)传(chuán)统(tǒng)建(jiàn)造(zào)方(fāng)式(shì)。2022年(nián)，住(zhù)房(fáng)和(hé)城(chéng)乡(xiāng)建(jiàn)设(shè)部(bù)印(yìn)发(fā)《“十(shí)四(sì)五(wǔ)”住(zhù)房(fáng)和(hé)城(chéng)乡(xiāng)建(jiàn)设(shè)科(kē)技(jì)发(fā)展(zhǎn)规(guī)划(huà)》,提(tí)出(chū)要(yào)加(jiā)快(kuài)智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)与(yǔ)新(xīn)型(xíng)建(jiàn)筑(zhù)工(gōng)业(yè)化(huà)协(xié)同(tóng)发(fā)展(zhǎn)，指(zhǐ)出(chū)我(wǒ)国(guó)迫(pò)切(qiè)需(xū)要(yào)利(lì)用(yòng)现(xiàn)代(dài)信(xìn)息(xi)新(xīn)技(jì)术(shù)，实(shí)现(xiàn)建(jiàn)造(zào)数(shù)字(zì)化(huà)和(hé)智(zhì)能(néng)化(huà)。
在(zài)这(zhè)一(yī)背(bèi)景(jǐng)下(xià)，作(zuò)为(wèi)展(zhǎn)现(xiàn)中(zhōng)国(guó)国(guó)家(jiā)形(xíng)象(xiàng)、促(cù)进(jìn)国(guó)家(jiā)发(fā)展(zhǎn)、振(zhèn)奋(fèn)民(mín)族(zú)精(jīng)神(shén)的(de)重(zhòng)要(yào)国(guó)际(jì)赛(sài)事(shì)，2022年(nián)北(běi)京(jīng)冬(dōng)奥(ào)会(huì)将(jiāng)“科(kē)技(jì)冬(dōng)奥(ào)”列(liè)为(wèi)重(zhòng)要(yào)目(mù)标(biāo)，对(duì)场(chǎng)馆(guǎn)建(jiàn)设(shè)及(jí)升(shēng)级(jí)改(gǎi)造(zào)也(yě)有(yǒu)了(le)更(gèng)高(gāo)的(de)标(biāo)准(zhǔn)。为(wèi)此(cǐ)，以(yǐ)北(běi)京(jīng)北(běi)控(kòng)京(jīng)奥(ào)建(jiàn)设(shè)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)、北(běi)京(jīng)工(gōng)业(yè)大(dà)学(xué)、中(zhōng)建(jiàn)一(yī)局(jú)集团(tuán)建(jiàn)设(shè)发(fā)展(zhǎn)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)、上(shàng)海(hǎi)宝(bǎo)冶(yě)集团(tuán)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)和(hé)北(běi)京(jīng)市(shì)建(jiàn)筑(zhù)工(gōng)程(chéng)研究院有(yǒu)限(xiàn)责任公司等为代表的研发团队，开拓创新、锐意进取，首次提出融合数字孪生、人工智能和物联网等现代信息技术的智能建造理论体系和方法，建立了智能建造五维模型，提出了基于数字孪生的智能建造方法，构建了考虑时空演化的装配式建筑施工过程数字孪生建模理论，提出了智能建造管理理念、技术路径和实现方法，解决了建造中信息混乱、技术庞杂、不易集成应用的难题，更为包括北京冬奥会、北京环球影城等诸多大型工程的高精度、高质量建造奠定了智能建造理论基础。
在北京冬奥会的场馆建设中，研究人员在智能建造理论体系和方法的指导下，同时建立了冬奥场馆信息多元异构数据库，研发了基于北斗精准定位的雪上场馆状态感知、信息融合的云监测技术和竣工交付系统，开发了复杂山地条件下冬奥场馆智能建造平台，实现了工程信息化和智能化管理，并在国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心以及速滑馆的建造施工中进行了示范应用，不仅支撑了场馆建设的精细化、智慧化，实现了智慧建造中国标准和国际范例，更为今后同类项目建造和智能化管理提供了重要借鉴。
高效又绿色的“水-冰转换”技术
除了“科技冬奥”,“绿色冬奥”也是2022年北京冬奥会的重要理念之一。为此，国家游泳中心提出了将游泳场馆改造为冰壶赛场的设想。然而由于我国冰雪运动发展相对迟缓，不仅冬季项目场地设施建设及规划尚不完善，数量少、规模小、服务水平不高，而且相关场馆的核心建造技术也较为匮乏。如何高效、安全、绿色地实现水立方的“水一冰”转换，成为研究人员亟待解决的技术难题。
此前，加拿大蒙特利尔奥林匹克游泳馆和美国芝加哥公园区游泳馆都有将游泳场馆改造为冰上运动赛场的成功经验，但两者采取的都是永久性改造，与北京冬奥提出的“可反复转换改造”存在较大区别。在缺乏可借鉴的国内外项目经验条件下，由北京北控京奥建设有限公司和北京工业大学(xué)研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)组(zǔ)成(chéng)的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)开(kāi)拓(tà)性(xìng)地(de)将(jiāng)智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)和(hé)装(zhuāng)配(pèi)式(shì)技(jì)术(shù)相(xiāng)结(jié)合(hé)，建(jiàn)立了一套完整的技术体系，使水立方成为能够在游泳、冰上赛场以及其他业态下快速转换的多功能场馆。
事实上，对于研究人员而言，想要实现“一馆两用”绝非“滴水成冰”那么简单——作为游泳馆时，场馆需要有泳池环境，并保持高温、高湿的环境；作为冰场时，场馆需要将泳池临时填平，并保持赛场的低温、低湿环境。这两大需求给场馆改造提出了一系列技术难题：首先是下部支撑结构快速装拆问题。水立方是游(yóu)泳(yǒng)场(chǎng)馆(guǎn)，泳(yǒng)池(chí)中(zhōng)需(xū)设(shè)有(yǒu)足(zú)够(gòu)刚(gāng)度(dù)的(de)支(zhī)撑(chēng)结(jié)构(gòu)，在(zài)泳(yǒng)池(chí)填(tián)平(píng)后(hòu)才(cái)能(néng)为制冰提供条件。其次是机电系统快速改造问题。与支撑结构类似，游泳馆对高温、高湿环境的要求与冰场低温、低湿条件恰好相反，这对场馆机电系统的快速高效改造提出了较高要求。最后是机电系统绿色环保需求。水立方特殊的半透明表面，为场馆同时保证稳定的温湿条件和节能带来了不小挑战。
针对以上问题，研究人员创新地提出了冰上比赛可转换装配式高精度支撑结构体系，通过分析计算，用预制混凝土+钢结构的方式解决了这一难题，创新了可移动制冰系统与环境转换智能调控技术，研发了可快速安装的模块化制冰系统，实现了冰场随同转换，大幅提升了改造效率，填补了游泳场馆快速搭建制冰系统的技术空白。
与此同时，研究人员还开发了可多系统参数联调的智慧调控平台，研发了冰壶比赛的“空气毯”和“空气墙”技术，实现了温湿度分区域、多区域智能控制，解决了国家游泳中心由高温高湿向低温低湿转变与调控的难题，填补了国内外游泳场馆“水—冰”环境转换的空白，同时在最大限度上降低了场馆电耗，满足了北京冬奥对绿色、低碳、可持续的要求。
在冬奥会这个舞台，中国建筑业向世界展现了智能建造的无限可能。新基建，新未(wèi)来(lái)，属(shǔ)于智能建造的新时代正等待人们挖掘更多的可能。