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新基建，新未来
———从北京冬奥看智能建造
基于数字孪生的智能建造理论体系与方法，“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(jì)的(de)机(jī)器(qì)人(rén)不(bù)分(fēn)昼(zhòu)夜(yè)地(de)工(gōng)作(zuò)着(zhe)，从(cóng)拧(níng)紧(jǐn)螺(luó)丝(sī)到(dào)焊(hàn)接(jiē)钢(gāng)筋(jīn)铁(tiě)骨(gǔ)，有(yǒu)条(tiáo)不(bù)紊(wěn)、高(gāo)效(xiào)严(yán)谨(jǐn)，它(tā)们(men)建(jiàn)造(zào)的(de)不(bù)仅(jǐn)仅(jǐn)是(shì)宏(hóng)伟(wěi)巨(jù)大(dà)的(de)工(gōng)程(chéng)，更(gèng)是(shì)全人(rén)类(lèi)的(de)希(xī)望(wàng)……出(chū)现(xiàn)在(zài)《流(liú)浪(làng)地(de)球(qiú)2》电(diàn)影(yǐng)中(zhōng)的(de)这(zhè)番(fān)场(chǎng)景(jǐng)，如(rú)果(guǒ)有(yǒu)人(rén)告(gào)诉(su)你(nǐ)，它(tā)不(bù)只(zhǐ)是(shì)科(kē)幻(huàn)迷(mí)的(de)美(měi)好(hǎo)想(xiǎng)象(xiàng)，而(ér)是(shì)不(bù)远(yuǎn)的(de)未(wèi)来(lái)将(jiāng)出(chū)现(xiàn)在(zài)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)想呢?
智能新基建，一切皆可能。事实上，在2022年北京冬奥会的场馆建设和改造中，智能建造的“种子”已经生根、发芽，一场建筑业的革命已然来临。
智能建造与数字孪生，新基建新未来
谈到建筑行业，人们常常会想到汗流浃背的工人、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(jú)内(nèi)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，一面是日渐流失的年轻劳动力，传统建筑行业可持续发展的压力空前巨大。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(de)全阶(jiē)段(duàn)，实(shí)现(xiàn)了(le)全产(chǎn)业(yè)链(liàn)数(shù)据(jù)集成(chéng)，能(néng)够(gòu)为(wèi)工(gōng)程(chéng)的(de)全生(shēng)命(mìng)周(zhōu)期(qī)管(guǎn)理(lǐ)提(tí)供(gōng)支(zhī)持(chí)，既(jì)能(néng)大(dà)幅(fú)减(jiǎn)少(shǎo)传(chuán)统(tǒng)建(jiàn)筑(zhù)业(yè)对(duì)人(rén)的(de)依(yī)赖(lài)，显(xiǎn)著(zhe)提(tí)升(shēng)建(jiàn)造(zào)安(ān)全性(xìng)，也(yě)能(néng)提(tí)高(gāo)建(jiàn)筑(zhù)的(de)性(xìng)价(jià)比(bǐ)和(hé)可(kě)靠(kào)性(xìng)，是(shì)建(jiàn)筑(zhù)行(xíng)业(yè)未(wèi)来(lái)发(fā)展(zhǎn)的(de)大(dà)势(shì)所(suǒ)趋(qū)。
然(rán)而(ér)，智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)绝(jué)非(fēi)用(yòng)机(jī)器(qì)代(dài)替(tì)人(rén)类(lèi)那(nà)么(me)简(jiǎn)单(dān)——机(jī)器(qì)人(rén)解(jiě)放(fàng)了(le)人(rén)类(lèi)的(de)双(shuāng)手(shǒu)，但(dàn)又(yòu)是(shì)谁(shuí)在(zài)指(zhǐ)挥(huī)它(tā)们(men)工(gōng)作(zuò)、告(gào)诉(su)它(tā)们(men)我(wǒ)们(men)想(xiǎng)要(yào)一(yī)栋(dòng)怎(zěn)样(yàng)的(de)建(jiàn)筑(zhù)呢(ne)?恰(qià)如(rú)人(rén)类(lèi)行(xíng)动(dòng)靠(kào)大(dà)脑(nǎo)指(zhǐ)挥(huī)一(yī)样(yàng)，在(zài)利(lì)用(yòng)现(xiàn)代(dài)信(xìn)息(xi)技(jì)术(shù)的(de)智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)理(lǐ)论(lùn)体(tǐ)系(xì)中(zhōng)，数(shù)字(zì)孪(luán)生(shēng)技(jì)术(shù)就(jiù)是(shì)它(tā)的(de)大(dà)脑(nǎo)。
数(shù)字(zì)孪(luán)生(shēng)，顾(gù)名思(sī)义(yì)即(jí)数(shù)字(zì)化(huà)“双(shuāng)胞(bāo)胎(tāi)”,是(shì)在(zài)某(mǒu)个(gè)系(xì)统(tǒng)或(huò)者(zhě)设(shè)备(bèi)上(shàng)被(bèi)创(chuàng)造(zào)出(chū)来(lái)的(de)数(shù)字(zì)版(bǎn)“克(kè)隆(lóng)体(tǐ)”。作(zuò)为(wèi)一(yī)种(zhǒng)充(chōng)分(fēn)利(lì)用(yòng)模(mó)型(xíng)、数(shù)据(jù)、智(zhì)能(néng)并(bìng)集成(chéng)多(duō)学(xué)科(kē)的(de)技(jì)术(shù)，数(shù)字(zì)孪(luán)生(shēng)模(mó)型(xíng)可(kě)与(yǔ)人(rén)工(gōng)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测，排除“潜在隐患”,使整体工程达到最优解。
相比之下，数字孪生技术要比BIM技术“视野更开阔”,所考虑的维度也更多——BIM技术关注的只是三维空间，而数字孪生技术则是将空间与时间也纳入了其中。举例来说，如果《流浪地球2》中图恒宇能够在图丫丫生前为其打造一尊雕像，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技术的加持下，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，工程建造正面临着数字化转型和智能化升级，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，国家13部委联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》,指出建筑业信息化程度较低，迫切需要利用现代信息新技术升级传统建造方式。2022年，住房和城乡建设部印发《“十四五”住房和城乡建设科技发展规划》,提出要加快智能建造与新型建筑工业化协同发展，指出我国迫切需要利用现代信息新技术，实现建造数字化和智能化。
在这一背景下，作为展现中国国家形象、促进国家发展、振奋民族精神的重要国际赛事，2022年北京冬奥会将“科技冬奥”列为重要目标，对场馆建设及升级改造也有了更高的标准。为此，以北京北控京奥建设有限公司、北京工业大学、中建一局集团建设发展(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(yán)究(jiū)院(yuàn)有(yǒu)限(xiàn)责(zé)任(rèn)公(gōng)司(sī)等(děng)为(wèi)代(dài)表(biǎo)的(de)研(yán)发(fā)团(tuán)队(duì)，开(kāi)拓(tà)创(chuàng)新(xīn)、锐(ruì)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(gōng)了(le)重(zhòng)要(yào)借(jiè)鉴(jiàn)。
高(gāo)效(xiào)又(yòu)绿(lǜ)色(sè)的(de)“水(shuǐ)-冰(bīng)转(zhuǎn)换(huàn)”技(jì)术(shù)
除(chú)了(le)“科(kē)技(jì)冬(dōng)奥(ào)”,“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(guó)冰(bīng)雪(xuě)运(yùn)动(dòng)发(fā)展(zhǎn)相(xiāng)对(duì)迟(chí)缓(huǎn)，不(bù)仅(jǐn)冬(dōng)季(jì)项(xiàng)目(mù)场(chǎng)地(de)设(shè)施(shī)建设及(jí)规(guī)划(huà)尚(shàng)不(bù)完(wán)善(shàn)，数(shù)量(liàng)少(shǎo)、规(guī)模(mó)小(xiǎo)、服(fú)务(wu)水(shuǐ)平(píng)不(bù)高(gāo)，而(ér)且(qiě)相(xiāng)关场(chǎng)馆(guǎn)的(de)核(hé)心(xīn)建(jiàn)造(zào)技(jì)术(shù)也(yě)较(jiào)为(wèi)匮(kuì)乏(fá)。如(rú)何(hé)高(gāo)效(xiào)、安(ān)全、绿(lǜ)色(sè)地(de)实(shí)现(xiàn)水(shuǐ)立(lì)方(fāng)的(de)“水(shuǐ)一(yī)冰(bīng)”转(zhuǎn)换(huàn)，成(chéng)为(wèi)研(yán)究(jiū)人(rén)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(kě)反(fǎn)复(fù)转(zhuǎn)换(huàn)改(gǎi)造(zào)”存(cún)在(zài)较(jiào)大(dà)区(qū)别(bié)。在(zài)缺(quē)乏(fá)可(kě)借(jiè)鉴(jiàn)的(de)国(guó)内(nèi)外(wài)项(xiàng)目(mù)经(jīng)验(yàn)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)，由(yóu)北(běi)京(jīng)北(běi)控(kòng)京(jīng)奥(ào)建(jiàn)设(shè)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)和(hé)北(běi)京(jīng)工(gōng)业(yè)大(dà)学(xué)研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)组(zǔ)成(chéng)的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队开拓性地将智能建造和装配式技术相结合，建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(yào)有(yǒu)泳(yǒng)池(chí)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。水立方是游泳场馆，泳池中需(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(wèi)制(zhì)冰(bīng)提(tí)供(gōng)条件。其次是机电系统快速改造问题。与支撑(chēng)结(jié)构(gòu)类(lèi)似(shì)，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(jī)电(diàn)系(xì)统(tǒng)绿(lǜ)色(sè)环(huán)保(bǎo)需(xū)求(qiú)。水(shuǐ)立(lì)方(fāng)特(tè)殊(shū)的(de)半(bàn)透(tòu)明(míng)表(biǎo)面(miàn)，为(wèi)场(chǎng)馆(guǎn)同(tóng)时(shí)保(bǎo)证(zhèng)稳(wěn)定(dìng)的(de)温(wēn)湿(shī)条(tiáo)件(jiàn)和(hé)节(jié)能(néng)带(dài)来(lái)了(le)不(bù)小(xiǎo)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(pèi)式(shì)高(gāo)精(jīng)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(lián)调(diào)的(de)智(zhì)慧(huì)调(diào)控(kòng)平(píng)台(tái)，研(yán)发(fā)了(le)冰(bīng)壶(hú)比(bǐ)赛(sài)的(de)“空(kōng)气(qì)毯(tǎn)”和(hé)“空(kōng)气(qì)墙(qiáng)”技(jì)术(shù)，实(shí)现(xiàn)了(le)温(wēn)湿(shī)度(dù)分(fēn)区(qū)域、多(duō)区(qū)域智(zhì)能(néng)控(kòng)制(zhì)，解(jiě)决(jué)了(le)国(guó)家(jiā)游(yóu)泳(yǒng)中(zhōng)心(xīn)由(yóu)高(gāo)温(wēn)高(gāo)湿(shī)向(xiàng)低(dī)温(wēn)低(dī)湿(shī)转(zhuǎn)变(biàn)与(yǔ)调(diào)控(kòng)的(de)难(nán)题(tí)，填(tián)补(bǔ)了(le)国(guó)内(nèi)外(wài)游(yóu)泳(yǒng)场(chǎng)馆(guǎn)“水(shuǐ)—冰(bīng)”环(huán)境(jìng)转(zhuǎn)换(huàn)的(de)空(kōng)白(bái)，同(tóng)时(shí)在(zài)最(zuì)大(dà)限(xiàn)度(dù)上(shàng)降(jiàng)低(dī)了(le)场(chǎng)馆(guǎn)电(diàn)耗(hào)，满(mǎn)足(zú)了(le)北(běi)京(jīng)冬(dōng)奥(ào)对(duì)绿(lǜ)色(sè)、低(dī)碳(tàn)、可(kě)持(chí)续(xù)的(de)要(yào)求(qiú)。
在(zài)冬(dōng)奥(ào)会(huì)这(zhè)个(gè)舞(wǔ)台(tái)，中(zhōng)国(guó)建(jiàn)筑(zhù)业(yè)向(xiàng)世(shì)界(jiè)展(zhǎn)现(xiàn)了(le)智(zhì)能(néng)建(jiàn)造(zào)的(de)无(wú)限(xiàn)可(kě)能(néng)。新(xīn)基(jī)建(jiàn)，新(xīn)未(wèi)来(lái)，属于智能建造的新时代正等待人们挖掘更多的可能。