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数字建造 智慧未来
日期: 2019年06月10日 来源: 中国建设报 【文字大小: 【打印】【关闭】

编者按:数字技术驱动的新浪潮之下,建筑的“数字化”“智慧化”成为了建筑产业转型升级的核心引擎,驱动着建筑产业的变革与创新发展。为此,本刊特辟专版邀请中国工程院院士丁烈云,清华大学建筑学院教授徐卫国,南通三建控股集团董事局主席黄裕辉,上海建工集团技术总监、上海建工四建集团总工程师张铭共同分享相关经验与智慧,给广大企业以借鉴。

智能建造推动建筑产业变革

□ 丁烈云

  建筑业是我国国民经济的支柱产业和重要引擎。但是,当前建筑业的发展水平,还无法满足我国国民经济与社会高质量发展战略需求。新一轮科技革命,为产业变革与升级提供了历史性机遇。全球主要工业化国家均因地制宜地制定了以智能制造为核心的制造业变革战略,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,彻底改变碎片化、粗放式的工程建造模式。

  所谓智能建造,是新一代信息技术与工程建造融合形成的工程建造创新模式:即利用以“三化”(数字化、网络化和智能化)和“三算”(算据、算力、算法)为特征的新一代信息技术,在实现工程建造要素资源数字化的基础上,通过规范化建模、网络化交互、可视化认知、高性能计算以及智能化决策支持,实现数字链驱动下的工程立项策划、规划设计、施(加)工生产、运维服务一体化集成与高效率协同,不断拓展工程建造价值链、改造产业结构形态,向用户交付以人为本、绿色可持续的智能化工程产品与服务。

  智能建造不仅仅是工程建造技术的变革创新,更将从产品形态、建造方式、经营理念、市场形态以及行业管理等方面重塑建筑业。

  产品形态:从实物产品到“实物+数字”产品。智能建造所交付的工程产品,不仅局限于实物工程产品,还伴随着一种新的产品形态——数字化(智能化)工程产品。借助“数字孪生”技术,实物产品与数字产品有机融合,形成“实物+数字”复合产品形态,通过与人、环境之间动态交互与自适应调整,实现以人为本、绿色可持续的目标。

  生产方式:从工程施工到“制造-建造”。实现规模化生产与满足个性化需求相统一的大规模定制,是人类生产方式进化的方向。如果说智能制造是致力于推动制造业从规模化生产向大规模定制方向发展,那么智能建造则强调在发挥工程建造个性化生产优势的基础上,充分汲取制造业大规模生产的理论技术成果,推行“制造-建造”生产方式,走出一条与智能制造路径不同、却又殊途同归的创新之路。

  经营理念:从产品建造到服务建造。在经济服务化转型的大背景下,智能建造提供的集成与协同机制,一方面使得真正以用户个性化服务需求为驱动的工程建造成为可能,另一方面也会使得更多的技术、知识性服务价值链融合到工程建造过程中;技术、知识型服务将在工程建造活动中发挥越来越重要的价值,进而形成工程建造服务网络,推动工程建造向服务化方向转型。

  市场形态:从产品交易到平台经济。当前,平台经济模式正在席卷全球。智能建造将不断拓展、丰富工程建造价值链,越来越多的工程建造参与主体将通过信息网络连接起来,在以“迈特卡夫定律”为特征的网络效应驱使下,工程建造价值链将得以不断重构、优化,催生出工程建造平台经济形态,大幅降低市场交易成本,改变工程建造市场资源配置方式,丰富工程建造的产业生态,实现工程建造的持续增值。

  行业管理:从行政监督到数字化治理。加快推进社会治理现代化,是实现“两个一百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴中国梦的战略考量。智能建造将以开放的工程大数据平台为核心,推动工程行业管理理念从“单向监管”向“共生治理”转变,管理体系从“封闭碎片化”向“开放整体性”发展,管理机制从“事件驱动”向“主动服务”升级,治理能力从以“经验决策”为主向以“数据驱动”为主提升。

  大力发展智能建造,推动建筑产业变革,是一个复杂而艰巨的历史性征程,当前还面临着诸多的认知误区和实践挑战,需要“政、产、学、研”各界人士不断解放思想、提升认知、群策群力、协同攻关、积极实践,才能持续推动我国工程建造高质量发展,不断向全球工程建造强国迈进。


走向建筑工业的“智能建造”

□ 徐卫国

  当前建筑工业存在着一些问题,如从设计到施工各环节之间衔接不当而造成浪费;施工工地的环境污染;由于误差或施工质量问题造成能源的浪费;劳动力成本的快速上升导致人工劳动密集型的建筑构件加工及施工成本越来越高。种种问题迫使建筑工业进行升级改造。建筑工业的升级方向何在?其实,建筑工业的发展同时面临机遇,被称作工业4.0 的智能制造正在蓬勃兴起,这就意味着“数字建造”、进而“智能建造”成为必然。

  智能建造作为经济及社会发展战略,在多种行业已经有了长足的推进,建筑行业也开始探索智能建造:如使用工业机器臂进行建筑构件加工及建筑现场施工。包括机器臂切削各种材料成型、机器臂叠层或空间打印构件、机器臂热线切割泡沫作为模具、机器臂多臂协同编织物件。在施工现场,机械臂自动砌筑墙体、机械臂绑扎钢筋、机械臂焊接作业、机械臂喷抹工作等等,这些自动或智能加工和建造项目可以提升建筑质量,可以大大节省加工及建造过程中人力成本的付出,可以提高复杂形体加工的精度和效率。更重要的是智能建造可以把工人从繁重的体力劳动中解放出来,进一步实现社会的平等与公平。

  清华大学(建筑学院)-中南置地数字建筑中心研发的“机器臂自动砌筑系统”与国际国内现有砌砖系统不同,首次把机器臂自动砌砖与砂浆打印结合在一起,形成全自动砌砖及3D打印砂浆一体化智能建造系统;并在世界上首次把“自动砌筑系统”运用于实际施工现场,建成一座“砖艺迷宫花园”。在迷宫花园的设计及砌筑打印过程中,首先在犀牛软件里生成曲面墙体并布置砖块,接着设计出机械臂运动轨迹,并使用KUKA|PRC语言将其导出为机械臂可识别的程序语句;机械臂的动作包括用真空吸盘取砖、在指定位置放砖、翻转机械臂前端、根据砖块排布在砖面上打印砂浆等几个操作,运动轨迹命令中整合了机械臂对气泵等外部设备发出的控制指令,并经过避障设计;在程序中模拟后,由PRC导出程序用于机械臂执行,从而实现从数字模型到实际建造物的精确转化;这一自动砌筑系统的实际工作过程只需两人进行操作,一人控制键盘及程序输入,另一人准备砖块及砂浆材料,可大大减少人工的投入。

  西班牙建筑师高迪在18世纪开始巴塞罗那圣家族教堂的设计施工时,一直通过绘制图纸并配合手工制作石膏模型来推敲方案并指导建设,前后共40余年,只建成了一个耳堂和四个塔楼之一,相当于整个工程量的五分之一。20世纪70年代末开始,圣家族教堂的建设运用了数字技术,将数字测量、数字建模、传统工艺与机器臂数字建造技术相结合,大大加快了建设进度。在构件设计、加工、建造过程中,先用3D打印构件的小比例石膏模型作为参考,经设计师确认打印出的参考模型无误后,再将构件模型设计文件输入到数控设备系统中,然后操纵机械臂对复杂的石材构件进行切割或雕刻加工,该建筑的大部分石材构件都是在工厂通过数控机器臂进行加工完成。

  随着建筑相关行业及相关学科如智能制造、材料科学、环境技术的迅速发展,特别是目前大数据、云计算、人工智能、互动技术、虚拟及增强现实技术的不断开发,数字建造又无时不在寻求与这些新兴的科学与技术相结合,引领着建筑行业向着新的方向拓展,从而形成新的数字建造产业网链。在这一产业网链中,房屋建筑的全过程及各专业将充分利用数字技术实现建造目标。房屋建筑的全过程包括设计阶段、构件加工阶段、施工阶段、全寿命周期的物业管理阶段等;房屋建筑的各专业包括建筑设计专业、结构设计专业、水暖电设计专业、施工组织管理专业等,以及相关行业如材料及配送、构件加工、施工机械、物业管理等。数字建造产业网链的特点在于“全过程”自始至终,以及“各专业”相互之间具有连续且共享的数字流,它从建筑方案设计开始,是经过后续阶段及各专业不断添加、修改、反馈、优化的建筑信息;以此数字流为依据,房屋建筑的物质性建造依靠互联网及物联网、CNC(计算机数字控制机床)数控设备、3D打印等智能机械,实现高精度、高效率、环保性的房屋建造与运维服务。

数字化建造助推建筑企业 创新转型发展

□ 张 铭

  上海建工的数字化建造技术最初是从利用BIM(建筑信息模型)技术进行深化设计、管线综合开始的,现在这项技术已得到普遍应用,在上海迪士尼乐园等工程中成功解决了复杂造型、复杂节点深化设计的难题。同时VR技术开始被尝试应用于装饰效果的辅助展示,提供了身临其境的“实景”展示效果。

  数字化建造技术与工业化建造技术的融合,为上海第一条全预制城市高架——嘉闵高架以及后续一大批工业化建筑和市政项目的建设提供了技术支撑。在嘉闵高架建设中,借助物联网,上海建工成功实现了钢筋的数字化、自动化加工;通过自主研发的“基于BIM的城市高架智慧建造平台”,实现了预制构件加工、运输、现场安装全过程的智慧管理。

  数字化建造技术与现代测绘技术的融合,使得三维扫描、摄影测量、无人机航拍等多源数据建模技术,成功解决了上海迪斯尼乐园、上海玉佛寺改建、广州泰和医院质子治疗区等项目的复杂建筑建模、现场实景测量、高精度管线定位复核等难题。

  数字化建造技术与实时监控技术的融合,在玉佛寺大雄宝殿整体平移和南京金鹰天地广场项目三塔连廊200米高空整体提升等动态高风险项目施工中提供了实时的安全保障。

  数字化建造技术同样为上海建工的管理创新提供了支撑。上海建工自主研发了基于BIM的智慧建造平台,并依托上海轨交网络控制中心、程十发美术馆等一批项目开展了示范应用,为智慧工地建设和现场质量、安全、进度、物资的精细化管理提供了支持。

  数字化建造技术如何进一步发展,如何进一步推动企业发展、推动行业发展成为大家关注的焦点,我认为应从三个关键问题着手。

  数字化建造进一步发展的关键问题之一:数字化建造技术如何改造建筑业的传统管理模式。传统建筑业粗放型的管理方式与数字化建造精细化的管理方式是相矛盾的。传统管理的“惯性”阻碍着数字化的发展,随着社会发展,外部对建筑业的管理要求日益提高,数字化技术的用武之地将越来越宽。

  数字化建造进一步发展的关键问题之二:数字化建造技术如何改造建筑业的传统生产方式。目前建筑业还没有摆脱手工作业为主的生产方式,在推进数字化建造的过程中如何打破“模型留在电脑”的窘况,必须提升建筑业工业化、机械化、自动化的水平。

  数字化建造进一步发展的关键问题之三:如何打造全生命期、全产业链的数字化建筑。其实质是拓展数字化建造的价值和参与方。

  在建筑的全生命周期中,建造过程只是其中的一个阶段,建筑在使用运行阶段,乃至后续的更新改造过程中,数字技术同样具有很高的价值。将“数字化建造”置于“数字建筑”全生命期中,其价值将会凸显出来。为此,我们选择了对运维要求较高且系统复杂的医院建筑为对象,通过将楼宇自控、物联网、视频监控、人工智能、智能移动端、云计算等技术集成,在成功解决了建造阶段模型向运维模型的转化的基础上,形成了面向运维的模型的构建技术、跨系统异构运维信息的集成技术、基于BIM的医院建筑可视化运维技术、基于人工智能的医院建筑智慧运维技术,并且集成于自主研发的基于BIM的医院建筑智慧运维平台。该平台将海量异构的建筑静态和动态信息集成于一体,形成建筑全生命期的大数据,实现基于BIM的可视化、主动式的建筑智慧管理,目前已经成功应用于上海东方医院和新华医院。

  全产业链问题是指参与构成建筑的各供应商、专业承包商共同参与数字化建造、共同打造数字化建筑。而不仅仅局限于设计和总承包环节。

  十年的探索告诉我们,数字化建造技术的应用难度远超当年“甩图板”的“革命”,同样其对建筑业变革的推动作用也将远超以往,唯有锲而不舍、不断探索。


构建数字建造企业的实践探讨

□ 黄裕辉

  当前,以互联网技术为引领的大数据时代,正在迅速地改变一切。特别是即将到来的5G时代,网络速度飞跃式提升,万物互联即将进入智能新时代,数字经济将以天翻地覆之势重塑全球经济形态。物联网、云计算、人工智能等颠覆性的生产方式,大数据等颠覆性的生产要素,以及各种颠覆性技术将推动第四次产业革命,数字经济将成为新经济浪潮的助力点、新经济发展的聚焦点、新经济形态的制高点、新经济竞争的核心点。

  目前,中国建筑业的数字化整体水平仍然较低,国外发达国家在这方面已领先一步。如建筑领域底层操作系统、数据库及建模软件等,无论是硬件、软件,还是平台解决方案、数据标的等,都占有很大优势和广泛市场。随着中美两国5G战略竞争的加剧,数字建筑业成为一代人只有一次的机遇。数字建造是建筑企业实践层面的重大变革,事关中国建筑业在5G时代实现弯道超车,引领世界数字建筑业发展方向的宏大历史使命。

  近年来,南通三建在企业转型创新过程中,从实践层面上进行了积极大胆的探索。具体有以下几个方面:

  一是明确建筑业数字化内涵。数字企业建设必须明白什么是数字经济;建设数字建筑企业,必须弄清从哪些方面着手。为了普及数字化知识,指导数字化建设,南通三建与清华大学、复旦大学等共同建立了相关研究机构,并与清华大学经济管理学院朱岩教授共同编写出版了《互联网+建筑——数字经济下的智慧建筑行业变革》专著,对“互联网+建筑”生态系统构建进行了系统研究探讨,明确提出了构建数字建筑企业,要重点在项目管理、企业管理中大力推广应用BIM及云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等技术,构建数字化大商业平台生态系统。

  二是打造企业数字化生态体系。进入互联网时代中后期,信息互联、商品互联、物体互联、智慧互联所推动的各类“连接”集中爆发,把互联网的重心从流通环节逐步拉向生产环节。此时,稀缺的不再是“连接”本身,而是科学利用极大丰富的“连接”资源的方法和途径。南通三建围绕数字建造产业链打造生态支撑系统,包括BIM、筑集采采购平台、筑客网络供应链金融、智慧工地、机器人施工、智慧物流、智慧物业等,统一规划建设三建云平台,全面数字化生产环节,制定一体化管理标准,贯通计划链、业务链和产业链协同,在统一的基础数据平台上相互交换、实时共享,为大数据价值的持续开发利用提供支撑。

  三是构建企业数字化集成平台。平台是数字化应用与运行的载体。2014年起,南通三建作为核心采购企业参与数字化共享平台-“筑集采”的建设,并率先推广应用。这是一个集PC、APP、微信于一体、面向行业开放服务的建筑信息化第三方集采平台,也是在建筑行业打通供应链金融的创新供应链平台。这个平台集数字化采购与供应链金融创新于一体,以大数据、人工智能、区块链技术为核心,以互联网集采+金融科技平台为依托,致力成为建筑行业供应链优化整体解决方案提供商,为全产业供应链提供项目管理、采购、物流、仓储、供应链金融等全方位、一体化的精准供应链服务。

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