基于專利分析的高層建筑施工技術(shù)前景預(yù)測

李靜雅，高 楓，陳天予，唐敏敏

（1、深圳市房地產(chǎn)和城市建設(shè)發(fā)展研究中心 深圳510084；2、香港城市大學(xué) 香港999077）

0 引言

隨著城市人口密度的不斷增加，特別是在發(fā)展中國家，對能夠解決居住和商業(yè)空間高密度壓力的高層建筑的需求也在不斷增加［1］。根據(jù)高層建筑和城市人居委員會的報告，截至2015 年，發(fā)展中國家有超過200 m 的高層建筑1 040 座，比2000 年增加392%，超過300 m 的高層建筑有100 座，是2010 年的2 倍［2］。不僅高層建筑數(shù)量不斷增加，建筑高度也在不斷增加，說明高層建筑的規(guī)模在不斷擴大。由于在高層建筑施工中應(yīng)用現(xiàn)有施工技術(shù)的局限性，高層建筑施工需要新的尖端技術(shù)，建筑技術(shù)是高層建筑市場競爭的重要因素［3］。在過去20年中，建筑在高度和設(shè)計上都有了顯著的發(fā)展，這加速了高層建筑施工中新技術(shù)的競爭［4］。因此，更具創(chuàng)造性和進步性的建筑技術(shù)是高層建筑市場上的核心競爭力，也是項目成功的重要因素。高層建筑技術(shù)的進步首先需要對高層建筑施工進行技術(shù)預(yù)測，然后促使建筑企業(yè)投資開發(fā)新的建筑技術(shù)，進而為戰(zhàn)略投資確定技術(shù)發(fā)展方向。

本研究針對高層建筑技術(shù)領(lǐng)域開展專利分析，以預(yù)測未來有前途的高層建筑施工技術(shù)。首先，建立高層建筑施工技術(shù)樹，通過分類技術(shù)對技術(shù)進行分類并收集相關(guān)專利數(shù)據(jù)；然后，分析主要市場的專利趨勢和技術(shù)成熟度；其次，分析了技術(shù)專利趨勢和技術(shù)空缺對技術(shù)前景的影響；最后，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，討論了高層建筑的未來技術(shù)趨勢。在競爭激烈的高層建筑市場中，對高層建筑施工技術(shù)進行專利分析，為企業(yè)發(fā)展提供明確的目標市場和有發(fā)展前景的技術(shù)導(dǎo)向，制定優(yōu)先占領(lǐng)的發(fā)展戰(zhàn)略，顯得尤為重要。

1 文獻綜述

1.1 施工預(yù)測技術(shù)

施工預(yù)測技術(shù)是指通過對技術(shù)發(fā)展趨勢和需求的分析，對有發(fā)展前景的前沿技術(shù)進行展望。例如大量論文對3D 打印、低碳技術(shù)、動作識別技術(shù)等新技術(shù)進行了研究，并通過專業(yè)調(diào)查研究開發(fā)所需的技術(shù)群體［5-6］。也有研究人員通過分析美國土木工程師學(xué)會《建筑工程與管理雜志》1985～2002年的建筑現(xiàn)場研究趨勢，分析了當前熱門領(lǐng)域的頂級研究，提出了反映現(xiàn)代社會需求的研究主題趨勢［7］。此外，通過分析科學(xué)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中建筑和建筑技術(shù)類的出版物，可以對期刊的研究趨勢和最近的研究主題進行統(tǒng)計分析，以得出期刊的社會影響以及對國家政策和投資的影響。在工業(yè)領(lǐng)域，有部分研究人員對以往3 000 多項技術(shù)專利進行分析，了解研究趨勢和目前的技術(shù)水平，提出了跨學(xué)科領(lǐng)域建筑技術(shù)研究的技術(shù)發(fā)展路線圖［8］。還有部分研究人員對建筑領(lǐng)域的特定技術(shù)組進行了專利分析，如重塑技術(shù)或模塊化建筑［9-10］。通過上述關(guān)于施工預(yù)測技術(shù)的研究，分析目前該技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域和常用方法，總結(jié)關(guān)于高層建筑施工技術(shù)的施工預(yù)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，提出專利分析技術(shù)的優(yōu)勢和必要性。

1.2 專利分析方法

大量的研究論文和專利審查論證了專利分析在預(yù)測技術(shù)創(chuàng)新模式和建立技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重大作用［11］，專利包括各種已研發(fā)技術(shù)的綜合信息，可以提供反映技術(shù)趨勢的成熟客觀指標［12-13］。同時，技術(shù)市場上的潛在競爭對手和最近的技術(shù)趨勢可以通過專利分析來確定，專利分析包括技術(shù)開發(fā)周期和開發(fā)者的信息［14］。但是在高層建筑施工技術(shù)領(lǐng)域，專利分析技術(shù)還沒有被廣泛應(yīng)用，目前關(guān)于高層建筑施工技術(shù)的論文和專利審查的數(shù)量很少，而且研究方法都傾向于定性和主觀判斷，缺少必要的定量分析技術(shù)。

圖1 專利分析法在高層建筑施工技術(shù)前景預(yù)測流程Fig.1 Flowchart of Technical Prospect Prediction of High-rise Building Construction by Patent Analysis Method

常規(guī)的專利分析通過4個階段對高層建筑施工中有前景的技術(shù)進行預(yù)測，如圖1所示。首先，通過專家會議，根據(jù)技術(shù)樹對高層建筑施工技術(shù)進行分類。技術(shù)樹是一種按特定功能以樹枝形式將技術(shù)細分的方法。在專利中使用技術(shù)樹時，可以通過對技術(shù)的分類來進行具體的技術(shù)單元分析并與同級單位進行分析和比較［15］。在本研究中，高層建筑施工領(lǐng)域被分為3個層次，構(gòu)成每種技術(shù)的技術(shù)樹，在構(gòu)成技術(shù)樹后，提取各具體技術(shù)的關(guān)鍵詞進行數(shù)據(jù)采集。

其次，根據(jù)所推導(dǎo)出的關(guān)鍵詞，收集各具體技術(shù)的專利數(shù)據(jù)。通過搜索引擎搜索主要市場的專利，利用關(guān)鍵詞獲取原始數(shù)據(jù)。由于原始數(shù)據(jù)中包含了分析中不需要的噪聲數(shù)據(jù)，因此通過數(shù)據(jù)濾波提取出有效數(shù)據(jù)，過濾排除與相應(yīng)技術(shù)關(guān)聯(lián)度低的數(shù)據(jù)。

第三，通過市場投資組合分析和技術(shù)定性水平分析，了解技術(shù)市場環(huán)境。首先，分析市場趨勢，了解市場的趨勢。通過組合分析來考察技術(shù)的市場成熟度，將每年申請專利數(shù)量和申請專利人數(shù)在時間序列上表達出來。技術(shù)成熟度可以預(yù)測相關(guān)市場在當前階段和未來方向，并通過決策標記來決定對該技術(shù)的投資。通過對主要市場國家專利質(zhì)量水平的比較分析，對技術(shù)領(lǐng)先國家和未來主要市場進行預(yù)測。

最后對專利趨勢和空缺技術(shù)進行了分析，并對未來的技術(shù)前景進行了預(yù)測。通過具體技術(shù)對專利趨勢進行分析，掌握專利趨勢和當前發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。接下來，進行對象—解決方案矩陣（OS-matrix）分析，以預(yù)測空白技術(shù)。本研究將與技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)最多的核心數(shù)據(jù)用于空白技術(shù)分析，以提高分析的準確性。通過將核心數(shù)據(jù)分類為對象和解決方案進行分析，對空缺技術(shù)的解決方案進行分析，預(yù)測有前景的技術(shù)領(lǐng)域。

2 高層建筑施工技術(shù)的專利分析

2.1 高層建筑施工技術(shù)樹

高層建筑施工技術(shù)樹是基于文獻綜述、研究論文和研發(fā)報告對高層建筑施工技術(shù)的發(fā)展過程進行梳理，并由此產(chǎn)生的技術(shù)分支，每個技術(shù)分支由不同類型的關(guān)鍵詞組成，通過對論文、專利和報告的關(guān)鍵詞分析，進行信息提取和集成。高層建筑施工技術(shù)分為快速施工技術(shù)（A）、精密施工技術(shù)（B）和管理施工技術(shù)（C）。

首先，高層建筑快速施工技術(shù)（A）分為結(jié)構(gòu)施工技術(shù)（AA）、外窗施工技術(shù)（AB）和起重設(shè)備操作技術(shù)（AC）。其中，高層建筑結(jié)構(gòu)施工在整個施工工期中占用的時間最多，為了有效縮減施工工期，各層重復(fù)相同的工序［16］；外窗施工標志施工完成的開始，很大程度上影響整個工期；高層建筑施工需要大量的資源和人力，運輸距離比一般建筑要長，提高起重設(shè)備效率的操作技術(shù)對于縮短項目施工工期非常重要［17］。

其次，將高層建筑精密施工技術(shù)（B）分為位移預(yù)測控制技術(shù)（BA）和位移測量技術(shù)（BB）。在高層建筑結(jié)構(gòu)中，由于建筑物的規(guī)模和重量較大，會產(chǎn)生材料變形和各種位移的可能性，連接節(jié)點很多。因此，高層建筑施工中需要一種預(yù)測和控制位移以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的技術(shù)。此外，即使準確地預(yù)測和控制了位移，在施工過程中也可能由于誤差而產(chǎn)生新的位移。因此，對位移的連續(xù)精確測量和監(jiān)測技術(shù)也提出了更高的要求。

最后，管理施工技術(shù)（C）分為過程管理技術(shù)（CA）、成本管理技術(shù)（CB）和安全管理技術(shù)（CC）。因為施工項目繁多復(fù)雜、施工時間長、施工地點多，高層建筑施工的過程管理要比普通施工重要得多［18］。由于高層建筑工期長、工期變動頻繁，對其進行準確的預(yù)測和管理也很困難。為此，系統(tǒng)的成本管理技術(shù)是必不可少的確保高層建筑項目的商業(yè)價值。同時，高層建筑施工人員多、設(shè)備多，對安全管理技術(shù)的要求也越來越高。

根據(jù)高層建筑施工技術(shù)樹推導(dǎo)出檢索專利的技術(shù)關(guān)鍵字，并由此推導(dǎo)出代表每種技術(shù)的關(guān)鍵字，然后結(jié)合對從屬技術(shù)進行分類的專家委員會的意見選擇最后的關(guān)鍵字，結(jié)果如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)收集

基于從已開發(fā)的技術(shù)樹中提取的關(guān)鍵詞，收集高層建筑施工技術(shù)相關(guān)專利數(shù)據(jù)，獲得了韓國、日本、歐洲、美國、中國等地1995 年1 月～2019 年1 月的公開申請專利數(shù)據(jù)。在WIPSON 網(wǎng)站上使用關(guān)鍵詞搜索引擎搜索數(shù)據(jù)，共搜索到54 799項專利。因為原始數(shù)據(jù)包含了分析中不必要的噪聲數(shù)據(jù)，需對有效數(shù)據(jù)進行過濾提取。在快速施工技術(shù)方面，一般施工、材料和設(shè)備技術(shù)將被排除在外，高層建筑施工期縮短或生產(chǎn)率提高技術(shù)作為有效專利數(shù)據(jù)被提取。在精密施工技術(shù)方面，普通大型結(jié)構(gòu)技術(shù)會被排除，高層建筑測量或預(yù)測技術(shù)提取為有效專利。在管理施工技術(shù)方面，排除一般管理施工技術(shù)，提取高層建筑場地管理和工藝強化技術(shù)作為有效專利。通過過濾，共提取2 875 個有效數(shù)據(jù)，其中包括2 329 個快速軌道施工技術(shù)、250個精確施工技術(shù)和296個管理施工技術(shù)。

2.3 市場趨勢分析

基于已收集的數(shù)據(jù)，對1991～2019 年間不同國家或地區(qū)的專利申請趨勢進行分析，如表2、圖2所示。

由圖2 可知，自1991 年以來，高層建筑施工技術(shù)相關(guān)專利不斷增加，根據(jù)變化率可分為3 個階段。第Ⅰ階段是1991～2002 年，每年變化不大，大約有50 項專利正在不斷公布，年均增長3.9%；第Ⅱ階段為2003～2010 年，年均增長12.1%，專利申請量逐年持續(xù)增長；2011 年以來的第Ⅲ階段，年均增長率為76.3%，專利申請量快速增長。

表1 專利分析技術(shù)樹Tab.1 Patent Analysis Technology Tree

圖2 1991～2019年專利申請趨勢Fig.2 Trends in Patent Applications from 1991 to 2019

表2 1991～2019年專利申請數(shù)量Tab.2 Number of Patent Applications from 1991 to 2019

各地的專利申請趨勢差異較大，日本在1990～2000 年專利申請的比例最高，但申請數(shù)量持續(xù)下降，有效數(shù)據(jù)占比18.78%；美國的專利申請始于20 世紀90年代中期，但申請數(shù)量從2000年開始增加，在2013年之前一直在增長，有效數(shù)據(jù)占比19.83%；自2000 年以來，韓國的專利申請數(shù)量不斷增加，并且從2009年開始迅速增加，有效數(shù)據(jù)占比約27.7%；2006 年以前，中國的專利申請活動一直處于邊緣狀態(tài)，但自2010年以來，專利申請數(shù)量每年都在大幅增加，尤其是2013 年之后，有效數(shù)據(jù)占比均在50%以上，是專利申請的最大市場，也是當前高層建筑技術(shù)熱點市場。

2.4 技術(shù)趨勢分析

基于已收集的數(shù)據(jù)，對1991～2019 年間不同技術(shù)分支專利申請數(shù)量變化趨勢進行分析，如圖3所示。

圖3 1991～2019年不同技術(shù)分支專利申數(shù)量Fig.3 The Number of Patents for Specific Technology Groups from 1991 to 2019

由圖3可知，在高等建筑施工技術(shù)一級分類中，快速通道施工技術(shù)（A）占比最高，其次是管理施工（C）和精確施工技術(shù)（B）。特別是自2010 年以來，快速通道施工技術(shù)（A）快速增長，是過去10 年來增長最快的領(lǐng)域。管理施工技術(shù)（C）則應(yīng)用數(shù)量穩(wěn)定，2010 年后略有增加，精確施工技術(shù)（B）每年的應(yīng)用數(shù)量基本保持不變。

在高等建筑施工技術(shù)二級分類中，專利申請數(shù)量占比依次是結(jié)構(gòu)施工技術(shù)（AA）占38.5%，外窗施工技術(shù)（AB）占28.14%，起重設(shè)備操作技術(shù)（AC）占14.4%，安全管理技術(shù)（CC）占6.8%。 尤其是結(jié)構(gòu)施工技術(shù)（AA）從1991年開始，一直是應(yīng)用專利最多的領(lǐng)域，且在2010 年起迅速增加。由上述分析可知，結(jié)構(gòu)施工技術(shù)（AA）是高層建筑施工的主要過程，其技術(shù)熱點較為集中，是目前技術(shù)發(fā)展最高、專利申請迅速的領(lǐng)域；外窗施工技術(shù)（BB）專利申請從2000 年開始也快速增長，并表現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢；安全管理技術(shù)（CC）專利的比例較低，但也呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢，也逐漸成為施工管理的重點內(nèi)容。除此之外，起重設(shè)備操作技術(shù)（AC）和位移測量技術(shù)（BB）也逐漸成為近10年來專利申請趨勢上升的重點領(lǐng)域。

2.5 空白技術(shù)預(yù)測

本研究采用OS 矩陣分析，對高層建筑施工技術(shù)的空缺技術(shù)進行預(yù)測，通過對象與解的關(guān)系可以預(yù)測空缺技術(shù)。首先，從有效數(shù)據(jù)中提取核心數(shù)據(jù)進行OS 矩陣分析，在本文已搜集的2 875 個有效數(shù)據(jù)中提取了182 例核心數(shù)據(jù)。接下來，將核心數(shù)據(jù)分為5 個對象和7 個解決方案：對象分為結(jié)構(gòu)質(zhì)量改進技術(shù)（A），效率改進技術(shù)（B），項目成本管理技術(shù)（C），節(jié)能技術(shù)（D），安全改進技術(shù)（E）；解決方案分為設(shè)備改進（A），材料改進（B），新施工方法應(yīng)用（C），結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固（D），結(jié)構(gòu)分析（E），監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用（F），信息建模方法應(yīng)用（G）?；谏鲜霾襟E，通過創(chuàng)建OS矩陣找到了每個目標的解決方案，如表3所示。

由表3 可知，通過OS 矩陣分析，空白技術(shù)預(yù)測為FB、FD、GD 和GE：在提高效率方面，對改進的需求不斷增加，并通過設(shè)備改進（BA）和信息建模技術(shù)（BG）來解決，使用監(jiān)測技術(shù)（FB）的專利相對缺乏；人們對能源節(jié)約的關(guān)注不斷增加，并嘗試通過使用生態(tài)材料（DB）解決這一問題；然而，監(jiān)測技術(shù)（FD）和信息建模技術(shù)（GD）在當前高層建筑場地中的應(yīng)用有所增加，一定程度上可以減少施工中發(fā)生的資源浪費；信息建模（GE）主要用于解決提高工人安全施工的問題，通過空間信息或過程信息技術(shù)進行危險空間管理，以防止安全事故。上述4 項技術(shù)是目前技術(shù)的空缺領(lǐng)域，未來將會成為技術(shù)研究熱點。

3 討論分析

在市場領(lǐng)域，在快速發(fā)展的高層建筑市場中，高層建筑施工技術(shù)是影響競爭力的重要因素，許多全球建筑公司正在投資研發(fā)高效、經(jīng)濟、適用于復(fù)雜高層建筑的建筑技術(shù)。前景技術(shù)領(lǐng)域和市場的預(yù)測是技術(shù)開發(fā)有效投資的關(guān)鍵所在，本文通過專利分析對高層建筑施工的主要市場和前景技術(shù)進行了預(yù)測。高層建筑的專利申請數(shù)量從2010年開始迅速增長，這表明隨著當前市場的增長，技術(shù)競爭變得越來越激烈。通過對各市場技術(shù)發(fā)展的分析，日本和歐洲國家已經(jīng)走過了高層建筑技術(shù)的成熟期，在全球市場上處于領(lǐng)先地位。韓國和中國由于申請了很多專利，被認為是追趕市場的后來者，其中，中國是最引人注目的市場，目前專利申請數(shù)量增長最快，也是當今建設(shè)高層建筑數(shù)量最多的國家，可通過后期技術(shù)市場驗證，大幅提高該領(lǐng)域的技術(shù)數(shù)量和質(zhì)量水平。

表3 對象求解的矩陣分析Tab.3 OS-matrix for the Solution of Each Object

在專利分析方面，將高層建筑施工技術(shù)分為快速施工技術(shù)（A）、精密施工技術(shù)（B）和管理施工技術(shù)（C）3個部分，每個部分又分別進行二級分類，形成高層建筑施工技術(shù)樹并由此推導(dǎo)出檢索專利的技術(shù)關(guān)鍵字，以便進行后續(xù)專利信息提取與篩選。該環(huán)節(jié)決定著后續(xù)分析的準確性，是專利分析技術(shù)的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，依次進行市場趨勢分析、技術(shù)趨勢分析和空白技術(shù)預(yù)測，獲取目前各國家在專利研發(fā)上的數(shù)量及變化趨勢，專利和技術(shù)熱點集中于哪些方面以及未來最具發(fā)展?jié)摿Φ目杖奔夹g(shù)方向。該部分內(nèi)容是本研究高層建筑施工技術(shù)專利分析的重點內(nèi)容。

在技術(shù)領(lǐng)域，在快速施工技術(shù)中，結(jié)構(gòu)施工技術(shù)和外窗技術(shù)發(fā)展迅速。高層建筑高度的上升和形狀的復(fù)雜導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)和窗技術(shù)的發(fā)展。安全管理施工技術(shù)的專利絕對量較低，但變化率較高，是當今一個值得關(guān)注的領(lǐng)域。隨著近年來高層建筑工地移動設(shè)備的不斷增加，利用移動設(shè)備上的GPS 和攝像頭的監(jiān)控技術(shù)將快速發(fā)展，同時利用工人和設(shè)備位置信息的生產(chǎn)效率的監(jiān)測領(lǐng)域，和通過圖像處理的現(xiàn)場信息自動化管理技術(shù)領(lǐng)域也將得到發(fā)展。建筑節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域?qū)⑼ㄟ^BIM 預(yù)計采用監(jiān)測技術(shù)和信息建模技術(shù)進行能源預(yù)測，通過傳感技術(shù)進行設(shè)備能源監(jiān)測。隨著目前BIM 技術(shù)在高層建筑設(shè)計中的應(yīng)用越來越多，利用設(shè)計階段各材料的環(huán)境負荷和能耗信息來預(yù)測施工中發(fā)生的能耗的技術(shù)將不斷發(fā)展。此外，利用傳感技術(shù)的能源使用監(jiān)測技術(shù)在能源利用率不高的領(lǐng)域也很有前景。在安全管理技術(shù)領(lǐng)域，利用BIM 的模擬和空間信息對安全事故進行主動對應(yīng)，在安全事故中優(yōu)先控制目標、空間和過程預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域也有廣闊的前景。

在外部因素上，專利申請趨勢會隨著國家、研發(fā)投入、政治、經(jīng)濟、市場等因素的變化而變化，而且高層建筑項目投資和建設(shè)規(guī)模巨大，受到政府政策和經(jīng)濟的影響很大。因此，對高層建筑施工技術(shù)進行專利分析的同時，還需要從社會政策和經(jīng)濟狀況出發(fā)，對專利進行綜合分析。

4 結(jié)論

本研究主要對高層建筑施工技術(shù)進行市場分析和專利分析，以預(yù)測未來有前景的技術(shù)。對1995～2019 年韓國、日本、美國、歐洲和中國申請的2 875 項專利進行分析，通過技術(shù)成熟度分析對技術(shù)質(zhì)量和市場保障能力進行了分析，并通過OS-矩陣分析對空白技術(shù)領(lǐng)域和前景技術(shù)進行了預(yù)測。

結(jié)果表明：日本和歐洲的高水平技術(shù)在高層建筑市場處于領(lǐng)先地位，但目前處于衰退期；韓國和中國正處于一個快速增長期，特別是中國的專利申請數(shù)量增長迅速，其中快速施工技術(shù)和外窗施工技術(shù)在技術(shù)領(lǐng)域中所占比例最高，同時安全管理技術(shù)呈現(xiàn)出較高的增長趨勢；同時，通過OS-matrix 分析，使用監(jiān)控技術(shù)的施工效率提升領(lǐng)域、使用信息建模技術(shù)的安全管理領(lǐng)域、使用監(jiān)控技術(shù)和信息建模技術(shù)的施工節(jié)能領(lǐng)域都呈現(xiàn)出了空白技術(shù)。

研究結(jié)果可為高層建筑施工技術(shù)投資提供方向，并為未來全球建筑企業(yè)的決策提供客觀數(shù)據(jù)。在接下來的研究中，需對于空白技術(shù)領(lǐng)域的專利分析進行進一步挖掘，以便更準確地預(yù)測高層建筑施工的前景技術(shù)。