什么是智能建造为什么要开展智能建造
智能建造
智能建造是通过计算机技术、网络技术、机械电子技术、建造技术与管理科学的交叉融合，促使建造及施工过程实现数字化设计、机器人主导或辅助施工的工程建造方式，是加快建筑业转型升级，实现建筑业现代化的主导途径。
一、什么是智能建造？
建造是建设工程项目的“制造”全过程，是基于全寿命期考虑的工程立项策划、设计和施工的总称。工程建造与其他工业产品制造一样，必须立足于产品的全生命期的经济技术性能和效益的最大化。
智能建造是面向工程产品全生命期，实现泛在感知条件下建造生产水平提升和现场作业赋能的高级阶段；是工程立项策划、设计和施工技术与管理的信息感知、传输、积累和系统化过程，是构建基于互联网的工程项目信息化管控平台，在既定的时空范围内通过功能互补的机器人完成各种工艺操作，实现人工智能与建造要求深度融合的一种建造方式。
推进智能建造应该着重从3个重点内容着手：
一是构建工程建造信息模型（EngineeringInformationModeling，简称EIM）管控平台，EIM管控平台是针对工程项目建造的全过程、全参与方和全要素的系统化管控而开发的建造过程多源信息自动化管控系统；
二是数字化协同设计，利用现代化信息技术对工程项目的工程立项、设计与施工的策划阶段，进行全专业、全过程、全系统协同策划；
三是机器人施工，在EIM管控平台和建筑信息模型技术的驱动下，机器人代替人完成工程量大、重复作业多、危险环境、繁重体力消耗等情况下的施工作业。
支撑智能建造的基础工作是三维图形描述、图形引擎和平台的开发以及建筑的三维空间描述和真实感表达的系列软件开发。智能建造应特别强调机器人代替人进行现场施工，从而改善建筑业作业形态，逐渐实现施工现场少人化，直至无人化施工。
二、为什么要开展智能建造？
改革开放以来，我国建筑业发展迅速，取得了巨大成绩，随着我国经济由高速增长转向高质量发展阶段，建筑业逐渐进入存量时代，发展面临下列挑战：一是传统管理体制和建造模式相对落后，效率不高。二是劳动密集、现场作业环境差、劳动强度高的情况没有根本改变，产业用工成本高，就业吸引力弱，劳动者老龄化严重。三是行业的信息化水平不高，智能建造推进总体滞后。主要表现为简单搬用外国技术，原创性技术不多，少有自主知识产权的文字和图形处理的基础性软件系统；少有高效实用的人工智能工具和施工现场作业机器人；缺乏切实推动工程项目智能建造有效实施的数字化管控平台，促进行业转型升级的效果不明显。
目前在推动智能建造方面，除了建筑业的信息化水平有较大提升之外，我国已经拥有世界最大的建筑信息模型（BIM）技术应用的体量，在机器人的研制方面也已起步，但我们没有自主知识产权的BIM基础平台和三维图形系统及其引擎。建造信息技术的巨量投入被碎片化，少有在解决智能建造“卡脖子”技术方面的明显突破，智能建造推进面临的挑战非常严峻，应该引起业内的高度重视。
我国一直高度重视信息技术与产业发展间的融合。世界正在进入以信息产业为主导的经济发展时期。我们要把握数字化、网络化、智能化融合发展的契机，以信息化、智能化为杠杆培育新动能，带动建筑业转型升级。
住房和城乡建设部先后发布了《2011~2015年建筑业信息化发展纲要》《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》和《2016~2020年建筑业信息化发展纲要》等文件，要求建筑业企业对大数据、云计算、物联网、3D打印以及智能化等技术进行应用。2020年7月，住房和城乡建设部等多个部门颁发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，进一步明确提出了智能建造与建筑工业化协同发展的智能建造产业体系。
三、如何开展智能建造？
基于目前我国建筑业的现状分析和政策导向，推进智能建造已经成为国家推进建筑业高质量发展的关键举措，建筑业推进智能建造已是大势所趋，重点体现在以下方面：
一是建筑业高质量发展要求的驱使。建筑业要走高质量发展之路，必须做到“四个转变”：从“数量取胜”转向“质量取胜”；从“粗放式经营”转向“精细化管理”；从“经济效益优先”转向“绿色发展优先”；从“要素驱动”转向“创新驱动”。实现这些转变，智能建造是重要手段。
二是工程品质提升的需要。进入新时代，经济发展的立足点和落脚点是最大限度满足人民日益增长的美好生活需要，其中工程品质提升是公众的重要需求。工程品质的“品”是人们对审美的需求；“质”是工艺性、功能性以及环境性的大质量要求。推进智能建造是加速工程品质提升的重要方法。
三是改变建筑业作业形态的有力抓手。建筑业属于劳动密集产业，现场需要大量人工，如何坚持“以人为本”的发展理念，改善作业条件，减轻劳动强度，尽可能多地利用建筑机器人取代人工作业，已经成为建筑业寻求发展的共识。
四是提升工作效率，推动行业转型升级的必然。目前建筑业劳动生产率不高，主因是缺少建造全过程、全专业、全参与方和全要素协同实时管控的智能建造平台的高效管控，缺少便捷、实用和高效作业的机器人施工。
五是实现“零距离”管控工程项目的利器。推进智能建造充分发挥信息共享优势，借助于互联网和物联网等信息化手段，建造相关方可以便捷使用的工程项目建造管控平台，实现零距离、全过程、实时性的管控工程项目。
“新基建”的提出，为加速推进智能建造提供了难得机遇。“新基建”主要包括第五代移动通信技术基站、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、工业互联网等领域。“新基建”推动了新兴技术的信息基础设施，新兴技术与“旧基建”融合的基础设施和支撑科学研究、技术开发、产品研制的创新基础设施3类基础设施建设。新基建为加速推进智能建造提供了更加完善的基础设施条件，我们务必抓住机遇，努力进取，加速推进智能建造。
四、智能建造可以做什么？
通过智能建造推进，切实实现建筑业转型升级和提质增效，应重点做好如下几个方面的工作：
第一，创建利于工程项目推进智能建造的体制机制。进一步明确政府、行业、企业在推进智能建造过程中的作用和职责，快速形成协同推进之大势，对于促进智能建造至关重要。
第二，推进智能建造，科技研发工作必须先行。智能建造是传统建造技术与现代化技术高度融合的建造方法，其综合性和创新性极强，不能一蹴而就，必须科研工作先行，持续加大科研投入，持续进行科技攻关，方能取得实质性效果。
第三，加快创建EIM管控平台。工程项目的系统化管控是实现建筑业高质量发展的基本要求，创建EIM管控平台，实现工程项目的系统化管控，对于提升建筑业管理水平具有举足轻重的作用，应列入智能建造推进工作的优先选项。
第四，加速建造机器人研制。建立工程总承包企业主导，电子、机械、信息与控制等多专业参与的科技攻关体系，组织多专业进行建造机器人研制的联合攻关，加速施工作业机器人推广使用。
第五，构建面向项目层、企业层、集团层的PRP-ERP-GRP管理系统。智能建造应针对工程项目建造的不同角色，构建政府、业主、设计、总承包和专业分包等相关方共享共用的工程项目智能建造的管控平台；在集团、企业和项目3个层面体现权责分工，聚焦项目策划能力、资源整合能力和过程管控能力提升，进行流程优化和固化，形成围绕工程项目不同管控主体的PRP-ERP-GRP系统，赋能提质增效。
第六，加速专业协同化设计平台构建。构建建筑、结构、水、暖、机电、装饰等多专业协同设计的数字化平台，打破各专业设计分离的现状，从整体层面设计工程产品，达到整体工程质量最优。
第七，研发“工程建造+”，将新型技术融入传统建造技术。智能建造推进更应关注针对施工过程的工艺、工序特点，环境感知要求，融合“大智云物移”等现代化信息技术，形成“质量安全+”“幕墙工程+”“钢筋工程+”等融合技术，以便实现施工的高效化、工艺的精细化和工程的品质化。
第八，重视开发自主知识产权的计算机底层支撑系统、操作系统和办公系统。目前普遍使用的计算机三维图形及其BIM系统、底层操作系统windows以及办公系统office大多源自境外，开发自主可控的支撑智能建造的计算机软件系统，对于提升核心技术能力至关重要。
五、怎么去务实推进智能建造？
智能建造在我国起步较晚，但是目前已具备良好基础，应借助我国大市场的优势，停止作秀，扎实推进，务求实效，改变目前智能建造技术和管理碎片化的开发状态。
第一，加快工程项目管理体制机制的变革，加速推进工程项目总承包模式。推进智能建造需要工程项目立项策划、设计、施工的建造全过程协同进行，呼唤“工程总承包+全过程工程设计咨询服务”的工程项目管理体制机制的加速推进。工程总承包企业应承担“工程总承包负总责”的责任，管理触角向前后延伸；以注册建筑师为主导的工程设计咨询应对建筑全生命期的运行质量、环境适宜性和功能性等承担相应责任。
数字化协同设计是智能建造的基础，务必全力推进。建立“大设计”理念是智能建造推进的充分和必要条件，着力推进土建与机电设备的施工图与专项施工图设计及其深化设计、工程组织设计、工程施工组织设计、工程施工方案设计的“工程项目四个同步设计”。
第二，智能建造应做好顶层设计。推进智能建造应做好顶层设计，整体规划，分步实施。一是研发具有自主知识产权的三维图形系统；二是研发BIM；三是构建基于BIM的EIM管控平台；四是研制人工智能设施，如智能监测设施、功能各异的机器人设施等。
城市建设信息管控平台（CIM）应在城市规划的基础上，集成区域内的建筑、市政、铁路、公路、桥梁、水利等各类工程的EIM管控平台信息。通过EIM管控平台信息合成、累积和过滤而形成。即智能建造是复杂的系统工程，应以行业“提质增效”为导向，整体规划，分步实施，秉承“不求一次成优，但求取得实效”的持续改进思路，为切实提高行业发展质量作出贡献。
第三，基于工程建造的复杂性，应在工程建造服务、管理、场景和流程再造、创新和固化研究的基础上，会同软件开发商“化整为零”开发若干子系统，在推广应用的基础上持续改进，进而针对不同需求进行相应子系统组合，实现若干子系统的集成“积零为整”，逐渐形成适于工程项目多方协同的系统化管控平台，实现对工程项目实施的全过程、全要素和全参与方管控，最终创建具有我国原创血统的工程项目建造的信息流、物资流、资金流实时管控和运行的系统化工作平台——EIM管控平台。
第四，创新开发思路，创建我国具有自主知识产权的图形系统。现行BIM三维图形输入的参数化设计方法，与我国技术人员熟悉的输入方法不相吻合，普及性差。应该凝聚优势资源，创新开发思路，在我国技术人员熟悉的平面设计方法的基础上开发系统的内设转换软件，自动生成三维空间图形，进行真实感表现，攻克“卡脖子”的三维图形系统的技术难关，研究形成我国具有自主知识产权的三维图形引擎、平台和符合中国建造需求的BIM系统。
第五，加速研制和推广应用人工智能设施，如智能监测设施、功能各异的机器人设施等，特别应围绕工程建造的点多、面广、量大和劳动强度高、作业条件差的工艺工序，构建EIM管控平台与工艺技术联动联控的机器人作业环境，进行机器人研制。
综上所述，智能建造以工程全生命期综合效益最大化为目标，重点关注管理流程再造，重点强调建造过程的质量安全保障和资源系统管控、数字化设计和机器人作业的协同建造方式。让我们携手并进，秉承原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新的方法，注重实效，不懈探索，辛勤耕耘，扎实推进智能建造。
智能建造技术发展现状与未来趋势
叶生文
摘要：面对信息时代的大潮汹涌而来，建筑行业面临着强烈的挑战，智能化建造技术发展异常迅速，在建筑行业技术升级改造中将担负起先锋的角色，推动着建筑业高质量发展，应继续增加人工智能、互联网大数据、物联网、云计算等新技术在建筑全过程应用的集成化与自主创新，加速促进新一代信息科技与建筑工业化技术协作发展趋势，紧紧围绕智能化工程施工、智能制造系统、数字设计，提升建筑工业化与智能建造基本关联性技术和重要关键技术革新研发，提高智能化建设管理水准，加强智能建造上中下游协调工作，为智能建造健康发展营造良好氛围。
关键词：智能建造;技术;趋势
一、智能建造内涵
智能建造是新一代通讯技术与先进设计施工技术深度融合，并贯彻于勘察、设计、施工、运维等工程活动各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自适应等功能的新型建造方式。笔者认为，智能建造是指在建造过程中充分利用信息技术、集成技术和智能技术，构建人机交互建造系统，提升建造产品的品质，实现安全绿色、精益优效的建造方式。智能建造内涵可从以下方面展开：（1）智能建造是设计、生产、施工一体化的建造体系，是建造新思维、新技术和新模式的集成创新，是建造方式的深刻变革。（2）通过“智能+”，提升建造质量和建造产品的品质，实现建造行为精益优效、节能降污，提供安全、绿色、舒适的建造产品。（3）应充分利用智能技术和相关技术，实现建造技术的提升，以BIM技术为核心，将物联网、大数据、人工智能、智能设备、可信计算、云边端协同、移动互联网等新一代信息技术与勘察、规划、设计、施工、运维、管理服务等建筑业全生命周期建造活动的各个环节相互融合，全面提升建造技术的水准。（4）采用智能系统，实施人机协同的施工，通过大数据和人工智能算法，建立智能建造控制平台作为控制大脑，根据信息分析进行判断和决策;构建泛在感知和5G系统作为神经系统，感知信息和传达信息;基于人机协同环境，制定施工技术方案;智能装备、自动化机械和人协同工作，实现建造控制系统的各种指令;最终，实现具有信息深度感知、自主采集与迭代、知识积累与辅助决策、工厂化加工、人机交互、精益管控的建造模式。
二、智能建造关键技术
智能建造即数字技术与工程建造系统深度融合形成的工程建造创新发展模式，其技术体系主要由人工智能、云计算、大数据、BIM等技术支撑搭建而成。
1、人工智能技术。人工智能简称AI，是二十一世纪三大尖端技术之一，研究内容包括：机器学习和知识获取、知识处理系统、智能机器人、自动推理和搜索方法、计算机视觉等。建筑行业中人工智能技术应用已经比较广泛，比如人工智能技术已在建筑工程管理中的施工图生成和施工现场安排、建筑工程预算、建筑效益分析等环节应用，目前比较流行的基于C/S环境开发的建筑施工管理系统，涵盖了施工人员管理、施工进度管理、分包合同管理等方面，使工程管理工作得到了进一步的细化。未来建筑机器人将成重要的建造辅助工具，代替人工完成高层作业等高风险作业任务。
2、大数据技术。从建造之初的规划、设计到后期的运营等过程中，会产生大量的造价、材料、建筑、工艺等方面的数据，各类数据集合使得建筑行业本身成为一个庞大的数据载体，大数据技术的核心价值即在于挖掘数据潜在价值，为建筑决策提供真实可靠的数据依据。比如在规划阶段，大数据可以根据建筑周边人口密度、人口分布、人口流向等方面，合理划分出商业、住宅等功能区域，作为建筑选址的有力依据;在运维阶段，借助大数据分析则可实现预测、预警、规划和引导，使建筑设备保持安全使用，建筑环境舒适度得到调整。
3、BIM技术。BIM是以三维数字技术为基础，集成工程设计、建造、运维等项目全过程各种相关信息的工程数据模型。BIM技术是建筑业从二维向三维、从图形向数据转换的一次重大技术革命。相比传统的设计和施工建造流程，信息化模型能有效控制建设周期、减少错误发生。而从长远利益看，BIM技术应用的好处则远不止设计和施工阶段，还会惠及将来的建筑物运行、维护和设施管理。对工程的各个参与方来说，可减少错误、缩短工期、降低建设成本。目前BIM技术主要在施工阶段应用较多，主要内容有：三维模型渲染，VR宣传展示;模拟施工方案;错漏碰缺检查，减少返工率等。未来BIM将在设计和运维阶段中发挥出新的作用，比如BIM与GIS技术、BIM与VR技术的集成应用，将为建筑设计带来更丰富的维度信息。
三、工程建设管理中智能建造技术创新应用
随着科技的快速发展，人工智能、物联网及大数据等先进技术应运而生，其凭借更为广泛的应用环境而被各领域及行业所吸引。在这种背景下，建筑行业也在先进工程建造技术中引入新一代技术，设计构造智能建造技术并应用于工程建设管理之中，以推动工程建设各阶段工作更为高效地开展。
1、勘察设计阶段创新应用。工程建设开展前，建设方首先需要聘请专业勘察机构组织开展工程地质勘察，然后根据勘察结果进行相应工程设计。在开展勘察工作时，相应人员需要进行工程地质测绘、勘探、物探、资料内业整编、图表和勘察报告绘制等工作;在开展设计工作时，工作人员需进行方案设计、初步设计和施工图设计。随着智能技术的不断涌现，勘察设计人员能够在开展具体工作时将最新智能技术应用于地质勘察、数据收集分析及设计优化之中，增强勘察设计准确性及全面性。一是深層地质探测。借助雷达等先进探测技术，可以对地质构造和地形条件复杂地区的施工地质状况进行深层探测，对矿物、水文、地质、地形等环境信息自动扫描识别和存储。二是遥感大数据智能解译。基于勘测大数据和遥感观测数据，对施工区域海量的多维度勘察信息进行智能分析，实现有用设计参考数据的快速提取和勘察数据的自动分类等。三是BIM优化设计。利用BIM与GIS集成技术，使BIM模型兼具地理空间数据，经过轻量化融合处理，为线路、桥梁等空间关系复杂的工程设计方案，提供更好的场景化体验和数字化分析工具。
2、施工建造阶段创新应用。施工图设计完成并通过审核后，业主方需聘请专业团队开展具体施工作业。在此阶段，施工团队需合理规划场地布局，准确设计各分项工程建设规划，组织协调物资调控，并对整体工程建设进行全面管控。随着智能技术不断涌现，施工方可充分利用其进行场地布局优化，加强建设物资管控，并对建设过程进行全流程管控。一是基于BIM的场地布局优化。利用BIM模型进行现场施工场地平面布置方案的有效模拟验证，通过模拟过程分析方案的可实施性，预先发现方案中的问题，在方案实施之前将一切不合理的隐患问题排除，合理安排加工场地、生活区、各种临时设施等功能区的位置，模拟选择出最优布置方案，确保施工的顺利进行。二是基于物联网技术强化材料管理。物联网的RFID技术能够快速、实时、准确采集与处理建筑材料信息，将电子标签或RFID芯片在生产阶段植入构件或原材料，采用RFID电子标签的阅读器在材料运输、进场、出入库时对其信息快速读取，并通过物联网进行跟踪和监控，使原料管理更为便捷、准确。三是基于人工智能的作业管理。将人工智能感知系统、可视化监控系统及BIM技术相结合，对施工现场安全隐患和险情进行实时监控，完成智能安全监管及处置;对重点部位自动三维建模，判断工程进度情况，提升工程项目的进度管理，实现工程进度的智能化监控。
3、运营维护阶段创新应用。工程项目建设完成并交付使用后，业主方需要组织开展设备的维护保养，所属区域内卫生、安全的保持，基础设施的维修管理等工作。在智能技术加持下，业主方能够充分利用技术远程监督基础设施及各类设备运转状况，全面监督区域内人员流动情况，从而及时发现存在风险并作出预警。基于大数据与云计算的智能管理平台是该阶段智能建造技术的主要应用成果。基于物联网感知、视频多媒体、BIM、GIS等各类信息，智能检索与实时分析运维阶段海量数据信息，深度挖掘数据参考价值，为运维过程优化和决策提供信息辅助。基于云计算技术，对环境、安全、设备、人员等多维多级建筑运维信息进行云端存储、快速计算、优化处理等操作，为运营单位提供监测、预警等全方位决策分析支持，提高运维和管理效率。
四、智能建造技术发展展望
建筑业是我国国民经济的支柱产业和重要引擎，我国建筑业也迫切需要制定工业化与信息化相融合的智能建造发展战略，深入推进人工智能技术与工程建造技术的深度融合，强化智能建造的基础共性技术、关键核心技术和卡脖子技术的研发。目前智能建造中长期发展战略缺失，智能建造技术体系尚不完整，技术路线图还不清晰，关键和共性技术研究成果及已开发的智能化建造产品尚不能满足向市场广泛推行应用的条件。需要对智能建造做出科学布局，制定和出台中长期发展实施规划，全面布局智能建造的技术规范和标准，加强应用基础研究，为智能建造提供理论技术支撑，做好政策引领、科技支撑、关键技术、工程应用四个层面的顶层设计，构建开放协同的智能建造创新体系和应用环境。
在建造信息技术方面，充分发挥BIM技术核心作用，以三维数字技术为基础，建立工程项目规划、勘察、设计、建造、运维、废弃的全生命周期协同与互用的信息模型和建造平台;拓展BIM的外延应用，将BIM技术与三维扫描、构件部件的工厂化生产、增材制造、虚拟现实（VR/AR）、大数据、云平台、物联网、人工智能、GIS、智慧城市的深度整合，构建工程建造的数字孪生世界;強化BIM数据底层数据研究，研发国产自主可控的BIM技术与软件，避免国外封锁引起的卡脖子现象;高度重视建造信息安全，推动区块链等新技术的集成与创新应用，构筑建造信息安全的防火墙。在建造智能理论跨学科、应用基础研究方面，应加快工程活动认知规律的理论、方法和技术的研究，推动基于工程建造场景的案例推理、分布式人工智能、多源数据挖掘的技术攻关，研究工程建造的智能规划、智能设计、智能生产、智能施工和智能决策的关键技术。
在新材料、新结构、新装备等方面，研发高性能、轻质和高耐久的混凝土;研发高强、高塑性和高韧性的建造钢材;研发具有自我诊断、破坏预告、自我调节、自我修复以及可重复利用的智能建造材料;基于工程建造需求，面向传感、驱动、修复和控制四大功能，研发光导材料、压电材料、电（磁）流变液、形状记忆材料、磁致伸缩材料、智能高分子材料;研发网络化、智能化的摄像头、RFID、激光扫描仪、红外感应器、无人机等建造感知设备;大力发展具备人机协调、自然交互、混凝土3D打印机等建筑机器人技术;进一步提升混凝土泵送机、自动升降机、自动盾构机等的自动化与机械化水平。在施工现场方面，研发构件部件工厂批量生产、现场拼装的施工技术和施工方法;推进工艺流程数字化和建筑机器人应用;研发各种面向人机协同的建造场景的施工方法、施工技术建设智慧工地，实现建造工地的智能管控，积极开展智能建造技术研发和实践。
五、结语
智能建造技术的各项人才短缺问题已经极为严重，智能建造包含的各项技术的高端人才极为匮乏，严重影响了我国智能建造技术的应用及发展。建筑行业已经开始了新的技术革命。在信息时代的发展过程中，一个结合信息技术的建筑行业正在形成，越来越先进的信息技术为建筑行业创造更加高速发展的平台，这些最新的智能建造技术将设计、施工、管理等各方数据整合起来，形成一种新型建筑方式，为建筑施工过程和运维过程的信息化、智能化的转型，提供了强有力的技术支持，有利于更好、更加全面地发展智能建造技术。
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新中国成立前，设计方法多采用图解法计算衬砌内力，未考虑地层弹性约束，衬砌计算按容许应力校核衬砌截面的抗拉与抗压强度。
图解法计算衬砌内力
施工方法采用人工开挖、木支撑，永久衬砌则用砖、石或混凝土，作业断面小、施工危险性高，效率低。
新中国成立初期至20世纪60年代，隧道设计依据前苏联的普氏地层压力理论进行内力计算。
普氏地层压力理论计算模型
20世纪50年代中期，隧道施工工序及衬砌支护方式采用上下导坑先拱后墙法，对一些围岩较完整的隧道采用漏斗棚架先墙后拱法。
上下导坑先拱后墙法
漏斗棚架先墙后拱法
1956年，我国自行设计和建造的宝成铁路建成通车，全线隧道304座，施工中克服了线路地形复杂、运输不便和施工干扰等困难，显示出我国该时期的施工技术水平。
新技术应用方面，50年代后期开始试用正、反台阶开挖法和遥感技术。1959年，铁路勘测设计部门在西康线越岭方案草测中采用航测遥感技术进行地质调绘，提高了信息化技术在隧道建设中的应用。
钻爆法
20世纪60—70年代初，铁路隧道多沿用早期设计理论及方法，随着隧道工程增多，不同水文地质条件隧道设计可供类比工程越来越多。1972年，原铁道部提出以围岩稳定性为主要依据的铁路隧道围岩分类法，得出以六级围岩分类为基础的铁路隧道围岩压力计算公式，1975年纳入《铁路工程技术规范：第三篇：隧道》，至此结束我国铁路部门袭用普氏地层压力理论及以地层坚固性系数的围岩分类法历史。
60年代起钻爆法应用并推广，从早期的人工手把钎、锤击凿孔，用火雷管逐个引爆单个药包，发展到用凿岩台车或多臂钻车钻孔，应用毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等技术，现在仍然是世界上应用最广的施工工法。同期，隧道钻爆机械化施工和隧道衬砌作业机械化在国内初步应用。1964年，在川黔、贵昆及成昆铁路西南大三线建设中开始使用凿岩机钻孔台车、衬砌模板台车等施工机械。1965年初，成昆铁路关村坝隧道采用喷水冲洗、加设锚杆及挂网等措施，防止岩爆灾害。
丰沙线落坡岭隧道围岩较好地段，试验采用全断面开挖法，并在围岩稳定性好的隧道工程中推广应用。整个60年代，原铁道部组织西南铁路建设大会战，建成贵昆、成昆、京原以及东川、镜铁山、嫩林、盘西、水大等铁路，共修建隧道1113座。
在隧道施工工序及衬砌支护方式创新方面，60年代在成昆线、70年代在枝柳线部分隧道采用反台阶先墙后拱法。70—80年代后期，正台阶开挖先墙后拱法基本取代了先拱后墙法。
在新技术应用方法方面，70年代末期，铁路系统锚喷支护和新奥法研究课题重点转向软弱破碎围岩，并研究在软弱破碎围岩条件下，实现大断面开挖的一系列新技术、新工艺。1981年，衡广铁路复线大瑶山双线隧道开工建设；1987年，大瑶山隧道贯通，全长14295m，是我国20世纪最长的双线铁路隧道，当时名列世界第10位。该隧道是我国铁路隧道技术进步的里程碑，在隧道施工中，首次引进并试验了国外最先进的“新奥法”施工技术，组织研发、自主创新的深孔光面爆破、喷锚支护、监控量测等10余项配套技术，解决40余项技术难题，达到国际先进水平，实现大断面快速安全施工，结束了中国人不能自主修建10km以上特长隧道的历史。
在机械应用上，采用当时国内外最先进的大型机械，建起了钻爆、支护、装运3条主要工序机械化作业线，使我国隧道建设由手抬肩扛、手持风钻的原始落后状态，跨越到大型机械化作业行列。
AtlasTH286型四臂全液压凿岩台车
20世纪90年代以来，原铁道部制定了铁路隧道喷锚构筑法技术规则，形成有中国特色的隧道修建新方法，湿喷混凝土技术、工艺及湿喷机开始应用，自进式锚杆支护技术开始发展，浅埋暗挖法进一步发展，由台阶法演变为单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）。自21世纪起，我国隧道建设者相继攻克了特长隧道断裂带挤压变形、高压富水充填溶腔、断裂带、特殊围岩地层大变形、湿陷性黄土地区、膏溶角砾岩地段、水下隧道建设以及第三系砂泥岩地层围岩特性和安全控制技术难题。相继建成了兰新二线乌鞘岭特长隧道、宜万铁路多座岩溶隧道、郑西客运专线湿陷性黄土地区隧道、石太高铁太行山隧道、青藏铁路西格二线新关角隧道、兰渝铁路胡麻岭隧道。大量机械装备得以自主生产和应用，跻身世界大型隧道施工机械制造强国。
隧道掘进机工法
隧道掘进机在我国习惯按照适用的软硬地层区分为盾构与TBM2种。
我国盾构始于1953年阜新煤矿，当前盾构开挖隧道已是城市地铁隧道的主要施工方法。在铁路隧道领域，2007年广深港铁路狮子洋隧道采用4台直径11.18m泥水盾构施工，克服了高水压、地质环境复杂等技术难题；2015年浩吉铁路白城隧道为克服工程地质难题创新性提出“大断面马蹄形的土压平衡盾构方法”，我国铁路山岭隧道首次采用盾构法施工，解决了隧道圆形断面轨下空间过大、空间利用率低的问题，为非圆形断面由钻爆法施工调整为盾构法施工提供参考。
大断面马蹄形的土压平衡盾构机
2017年京张高铁清华园隧道采用2台直径12.2m的盾构机掘进，创新采用轨下预制箱涵结构，有效保障了线路开通。
我国自1964年开始TBM设备的研发和施工，半个多世纪以来，TBM发展分自力更生、国外承包、国外引进、自主施工联合生产与研发创新4个阶段。由于TBM开挖隧道多为圆形，因此多应用于矿业和水利水电系统。
90年代，针对不良地质隧道，在设计、施工、防灾减灾、信息化、机械化方面技术进步显著。西康铁路西秦岭Ⅰ线隧道首次采用TBM和整块预制仰拱技术，是我国铁路隧道修建技术一个新的里程碑。20世纪以来，宁西铁路桃花铺1号隧道与磨沟岭隧道、南疆铁路中天山隧道、兰渝铁路西秦岭隧道在刀盘刀具高效设计、扩挖设计、隐藏式超前钻机设计、集成式支护系统设计、超前地质预报技术等方面取得了长足发展。
隐藏式超前钻机结构示意图
隧道智能建造概念与核心
隧道智能建造概念
隧道智能建造（TIBS）为IBS在隧道范畴内的具体延伸与实践，是基于信息化技术，通过对“地-隧-机-信-人”及内外部环境的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，高效综合利用铁路隧道的移动、固定、空间、时间和人力资源，实现隧道建设、运维全生命周期的高度信息化、自动化、智能化，打造更安全可靠、经济高效的新一代隧道建造技术体系。
隧道智能建造核心
隧道智能建造的核心是以数字化资源为核心和基础，以智能化施工装备为工具，以网络化信息传输、信息化经营管理为抓手，以现代化监控量测为辅助，实现建造运维全过程的信息化、自动化、无人化或少人化智能理念。在勘察设计方面，以BIM+GIS技术为核心，综合应用物联网、大数据、人工智能等信息技术，依托智能化装备，实现基础三维实体模型全生命周期信息再现的自动化动态设计。
在工程施工方面，依托协同管理平台，指挥智能化施工装备进行隧道修建及四电工程施工，基于物联网的智能管理平台自动传输检测信息、自动评价施工质量、自动评估安全性、自动反馈工程对策、自动记录物料信息，实施动态反馈施工过程。在建设管理方面，基于BIM技术，融合设计、施工、物资、质量评价等平台于一体，以智能化建造为驱动，建立涵盖管理单位、建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等的标准化铁路隧道管理模式，全过程数字化管理，多专业协同管控，形成安全、经济、高效与可普适推广的创新性管理体制。
隧道智能建造技术
总体架构
近年来铁路隧道采用掘进机开挖的隧道中，多类型智能大断面盾构应用也较为广泛，但掘进机工法存在地质适应性较差、不适宜中短距离隧道施工、断面适应性差、设备购置及使用成本高等特点，一定时期内铁路隧道仍将多数采用钻爆法施工建造。因此，着重围绕钻爆法建造工艺开展铁路隧道智能建造研究。
铁路隧道智能建造是一个系统工程，其体系架构由智能装备、智能感知、数据资源、智能决策和智能管控5个层级构成。
总体架构
智能感知连接智能装备与后台各类服务器，通过多样化、泛在化的采集方式，
实现数据的自动读取与快速传输。从2013年开始，在中国国家铁路集团有限公司（原中国铁路总公司）领导下，依托铁路BIM联盟，中国铁道科学研究院集团开始铁路工程管理平台建设与应用，数据资源是建造实现智能化的基础，归类归一化的海量数据可为智能决策提供基础支撑。智能决策是智能建造的大脑，多种人工智能学习方法的综合应用，保障决策结果的准确性和有效性。智能管控集中体现智能建造的精髓与能动性、互动性，是全生命周期智能建造过程的集中展示与运用。
技术体系框架
作为智能高铁智能建造技术体系框架的专业细分，隧道智能建造技术体系框架从上之下含3个领域、5个方向、26项创新。
隧道勘察设计领域包含基于GIS工程勘察、基于BIM工程设计2个方向。基于GIS工程勘察方向涵盖空天地一体化隧道地质勘察预报、基于GIS的智能化量测、隧址范围内地形地貌全要素信息获取与快速处理、隧道工程地质和环境综合勘察与基于隧址范围内综合地质信息的勘察判释6项创新内容。基于BIM工程设计涵盖BIM建模、围岩自动分级与爆破参数自动优化、设计参数智能化选择与修正、协同设计、三维图纸存档与数字化设计交付、基于AI虚拟现实与BIM技术的建造过程展示7项创新内容。
隧道工程施工领域包含土基于BIM的土建工程施工1个方向。土建工程施工方向涵盖围岩监控量测与超前地质预报、洞内循环作业优化与有害气体检测、火工品管理与人员定位、钻爆法与掘进机法施工监控的自适应控制、智能工装施工状态实时感知与动态调控、预制装配式衬砌结构施工监控与自适应控制6项创新内容。隧道建设管理领域主要是基于BIM的虚拟建造1个方向。涵盖全过程数字化管理、“地-隧-机-信-人”智能建造协同管控与可视化远程控制系统、考虑全生命周期的成本控制3个项创新内容。
关键技术难题及实现方法
根据铁路隧道智能建造技术体系，隧道智能建造涉及以下关键技术难题：
（1）铁路隧道工程地质环境信息综合勘察判释
工程地质环境信息勘查判释是隧道设计施工的基础和前提。隧道智能建造要求针对不同结构化信息存在异步性、矛盾性特点，提出结构化、半结构化与非结构化信息的特征识别方法，规避庞杂数据融合分析过程中伴随的冲突矛盾问题，建立表征隧道地质信息的多源异构信息数据库。建立“信息格式化-深度挖掘-融合分析”隧道多源异构信息融合分析理论与方法，为隧道智能勘察设计、施工和管理提供理论基础和精细化的地质支撑。
（2）自动化围岩分级、爆破参数优化及设计参数选择
隧道智能建造的理论技术及隧道长期安全稳定要求对施工期工装、围岩及支护结构协同作用机理进行深度剖析。研究“机械-围岩-支护”动力耦合模型，给出满足工程安全的极限变形值，建立基于深、浅层隧道围岩结构稳定性的荷载效应分析模型，推导围岩压力计算公式，并确定预测荷载、基本荷载及结构支护荷载计算方法。基于人工智能匹配技术，建立设计参数智能化动态优化选择系统，根据隧道围岩评价结果，进行隧道钻爆设计、支护结构设计自适应调节，确定爆破设计参数、支护结构类型及参数。提高智能施工装备条件下支护设计对围岩的自主适应性，为高效施工提供科学依据。
（3）铁路隧道型谱化智能装备施工状态实时感知与动态调控技术
机械装备施工期间会采集、收集多类型大量数据。基于大数据挖掘技术，研究隧道施工参数与装备故障的关联规律，提出智能施工装备故障远程在线监测与诊断方法。实现施工故障状态的感知识别与自动调控，建立“地质智能评价—自适应设计—智能装备作业—过程动态调节—故障实时反馈”的施工状态实时感知与动态调控体系。
（4）铁路隧道智能建造自适应控制理论
隧道智能建造全生命周期是一个动态过程，提出与铁路隧道智能化建造匹配的自适应控制系统设计方法，比较各种自适应控制算法的性能，并应用于机械装备自动控制、监控量测数据传输处理、多源异构信息融合分析、各类建筑材料性能比选及适配。
（5）“地-隧-机-信-人”智能建造协同管控与可视化远程控制系统
采用计算机AI、VR与BIM信息化技术，构建三维隧道及围岩环境信息化模型，研发可实现信息存储查询、三维可视化、工程水文地质信息再现、设计施工监测数据实时反馈、安全风险实时感知的智慧隧道建造基础平台。针对机械化、信息化、人机结合等方面在铁路隧道建造过程中的应用，在保质量、保安全、重效率、节能耗、重环保的前提下，研发铁路隧道智能建造协同管控与可视化远程控制系统。
发展趋势
2017年《中国制造2025》指导文件全面部署实施制造强国战略，以推进智能制造为主攻方向，为隧道智能建造所需关键大型智能机械装备研发，提供了方向与支撑。
空天地一体化隧道地质勘察预报
隧道建设，地勘先行。当前地质勘查多依赖人工，可靠性差、效率低、周期长、时效性差。近年来拉林、郑万铁路等在建项目及即将开工的川藏铁路雅安—林芝段都面临多类型严峻的不良地质考验，综合采用POS（PositionandOrientationSystem）数码航空影像、高分辨率卫星影像、雷达影像、机载LIDAR（激光雷达）、无人机摄影及倾斜摄影、三维激光扫描及超前千米级水平钻机等综合测量技术，形成空天地一体化的测绘多技术融合勘测方案，有利于及时提供施工各阶段数字化地质资料，在质量、工期和安全保证等方面为隧道建造提供有力的基础数据保障。
空天地一体化隧道地质勘察预报
多功能集成化隧道施工大机装备
当前，隧道施工一般采用钻孔、装药、爆破、出渣、钢拱架支护、混凝土注浆、锚杆加固等一系列专用机械装备组合施工，面临工序多、装备多等问题。自掌子面沿开挖区间线性布置开始，多工序作业冲突以及设备的更换移动等造成时间浪费，极大影响作业效率。将凿岩台车、混凝土湿喷机、钢拱架台车、吊车、注浆泵、积（除）尘器、破碎锤（剪）、排风管组合为一体的多功能工程台车并统一集管控是新的发展方向，可改善作业环境、提高安全性和作业效率，降低成本和易于维护。
集成化多功能隧道工程台车示意图
基于BIM的智能隧道设计施工解决方案当前基于BIM技术的铁路工程建设管理创新与实践已有相当的积累。针对当前铁路隧道工程建设中进度管理、安全管理、合同管理、物资管理及成本管理系统相互独立，各系统之间信息交流非电子化等问题，借助BIM可视化、协调性和模拟性的优势，将上述5个方面系统融合为基于BIM的统一管理平台，进一步完善BIM在施工和运维不同阶段下可视化交底、“三维-二维-三维”图纸管理、虚拟超前建造、施组、过程进度管理以及监控量测可视化等典型功能模块解决方案，为施工分析、工艺工序、资源配置、施组计划、施工模拟、图纸校验、监控量测等提供技术支持。
全断面预制装配式新型隧道支护结构体系智能建造
相对于隧道传统建造方法，预制装配式技术以其标准化设计、工厂化生产、装配化施工、智能化管理等特点得到工程界的认可与推广，其绿色、智能、标准化管理、智能化施工等优势对于促进铁路隧道智能建造技术发展大有裨益。新建京张铁路清华园隧道（长6.02km）是我国第1座采用轨下预制装配式工艺的高速铁路盾构隧道，新建郑万铁路罗家山隧道横洞都采用了预制装配式轨下拼装结构，在结构构件材质、规格型式、连接方式与接口设计参数等方面进行了探索与实践，同时建立了铁路隧道底部预制装配式结构理论分析框架，一定程度上促进了装配式技术在铁路隧道领域的发展。
预制装配式隧道新型支护体系示意图
值得说明的是，既有研究成果对于预制装配式隧道智能建造全过程所涉及的全面感知、泛在互联、融合处理、头脑智慧等特征体现尚不充分，对于预制装配式隧道智能建造、追踪感知、运输、拼装、监测检测等技术尚未深入系统研究，尚未搭建完备的智能建造关键技术体系。因此，在充分考虑项目研究系统性、适用性和前瞻性的基础上，研究并推广应用隧道预制装配式结构构件智能建造及全生命周期在线监测检测关键技术，可加快既有科研成果付诸实践，串联并贯通科研设计、生产制造、运输拼装、监测检测全链条，促进研究成果验证并转化、落地、推广。
专业化隧道建造运维全生命周期信息技术难题解决服务
针对隧道建设分布范围广、参建单位多、工程类型多样、技术发展不均衡等特点，以及工业机器人、3D打印、工业物联网、云计算、工业大数据、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能等技术的综合应用，可组建多专业协同的科研队伍开展多层级专业化专门性技术服务。
多层级专业化专门性技术服务返回搜狐，查看更多