推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展 打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)新動(dòng)能

文｜劉剛

2020年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合多部委發(fā)布了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》（下文簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見》），指出智能建造與建筑工業(yè)化融合發(fā)展，對(duì)推動(dòng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展意義重大。智能建造在工業(yè)化建造和數(shù)字化建造的基礎(chǔ)上，通過信息技術(shù)與建造技術(shù)的深度融合，結(jié)合先進(jìn)的精益建造理論方法，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的成功交付。

為什么：發(fā)展智能建造的意義和目的

建筑工程項(xiàng)目建設(shè)周期長(zhǎng)，資金投入大，地點(diǎn)分散、多專業(yè)、多關(guān)系方、流動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，導(dǎo)致建筑業(yè)工業(yè)化與數(shù)字化水平明顯落后于其它產(chǎn)業(yè)。在數(shù)字化變革新時(shí)代，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)結(jié)合精益建造的理論和方法，提質(zhì)增效，提高建造與管理水平，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫。

在此背景下，高質(zhì)量發(fā)展成為建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心訴求，也將成為“十四五”期間建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主旋律。這不僅是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的內(nèi)在要求，也是不斷滿足人民日益增長(zhǎng)對(duì)美好生活需求的必然選擇，同時(shí)還是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要舉措?！吨笇?dǎo)意見》明確提出要圍繞建筑產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展總體目標(biāo)，以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級(jí)為動(dòng)力，創(chuàng)新突破相關(guān)核心技術(shù)，加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)應(yīng)用，形成涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系，提升工程質(zhì)量安全、效益和品質(zhì)，有效拉動(dòng)內(nèi)需，培育國民經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和持續(xù)健康發(fā)展?！吨笇?dǎo)意見》的出臺(tái)，堅(jiān)定了建筑產(chǎn)業(yè)走高質(zhì)量發(fā)展道路的決心，明確了智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的轉(zhuǎn)型路徑，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。

是什么：智能建造的概念與內(nèi)涵

智能建造的概念與內(nèi)涵

對(duì)智能建造的定義，不同專家學(xué)者和機(jī)構(gòu)都有不同的理解和詮釋，目前還沒有確定的定義。本文認(rèn)為智能建造是在工業(yè)化建造和數(shù)字化建造的基礎(chǔ)上，通過信息技術(shù)與建造技術(shù)的深度融合，結(jié)合先進(jìn)的精益建造理論方法，推動(dòng)工程項(xiàng)目的全過程、全要素、全參與方的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化虛擬建造和工業(yè)化數(shù)字孿生建造，并交付數(shù)字虛體建筑和物理實(shí)體建筑兩個(gè)建筑產(chǎn)品，從而推動(dòng)生產(chǎn)力升級(jí)和生產(chǎn)關(guān)系重塑，實(shí)現(xiàn)讓每個(gè)工程項(xiàng)目成功的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)。

智能建造的本質(zhì)不僅僅是生產(chǎn)工具的升級(jí)，而是代表了一種新型生產(chǎn)力。建筑業(yè)要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，則需在數(shù)字技術(shù)引領(lǐng)下，以新型建筑工業(yè)化為核心，以智能建造手段為有效支撐，通過綠色化、工業(yè)化、信息化的三化融合，將建筑業(yè)提升至現(xiàn)代工業(yè)級(jí)的精益化水平。智能建造需要以建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為支撐，與精益建造的理念與方法有效結(jié)合才能有效實(shí)現(xiàn)讓每個(gè)工程項(xiàng)目成功的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)。

圖1 智能建造的內(nèi)涵

智能建造的技術(shù)路線演進(jìn)

智能建造的發(fā)展不是一蹴而就的，而是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化疊加演進(jìn)的過程。即數(shù)字化建造、網(wǎng)絡(luò)化建造和智能化建造三個(gè)演進(jìn)階段。

數(shù)字化建造。數(shù)字化是指通過對(duì)物理世界中的建筑產(chǎn)品、建設(shè)全過程、生產(chǎn)要素和各方參建單位的解構(gòu)和數(shù)字化重構(gòu)。數(shù)字化的過程將產(chǎn)生穿梭于物理實(shí)體和數(shù)字虛體之間的“數(shù)字主線”，支撐模型信息在物理空間與數(shù)字空間的雙向溝通。數(shù)字主線可以將物理空間的信息反饋到虛擬的數(shù)字建造之中，從而構(gòu)建數(shù)字化模型。通過數(shù)字化模型，可以在建造前進(jìn)行模擬和分析，從而得到最優(yōu)方案。例如，通過BIM 模型，設(shè)計(jì)師可對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模和全過程模擬分析，充分試錯(cuò)和優(yōu)化方案，從而減少變更，避免返工，保障設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)性和可行性。

圖2 智能建造的演進(jìn)階段

廣聯(lián)達(dá)科技股份有限公司研究院院長(zhǎng) 劉剛

網(wǎng)絡(luò)化建造。網(wǎng)絡(luò)化是在數(shù)字化基礎(chǔ)上，通過CPS（信息物理系統(tǒng)）與物理世界中的生產(chǎn)對(duì)象、生產(chǎn)活動(dòng)、生產(chǎn)者、生產(chǎn)要素進(jìn)行泛在連接、全面感知和實(shí)時(shí)在線，并與數(shù)字世界中的虛體模型進(jìn)行實(shí)時(shí)映射和虛實(shí)互聯(lián)，形成虛實(shí)映射的數(shù)字孿生，將建筑本體以及人、機(jī)、料、法、環(huán)等生產(chǎn)要素等物理實(shí)體，與數(shù)字虛體模型進(jìn)行泛在連接和相互映射。通過數(shù)字孿生展示、預(yù)測(cè)、分析數(shù)字模型和物理世界之間的互動(dòng)過程，通過算法和模型進(jìn)行分析決策，對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制和調(diào)整。

智能化建造。在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)+算法，結(jié)合人工智能技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，形成人、機(jī)、物的交互與深度融合。智能化將是未來建筑業(yè)發(fā)展的方向，通過人工智能的深度學(xué)習(xí)和行業(yè)知識(shí)圖譜等技術(shù)的支撐，例如在建筑工地現(xiàn)場(chǎng)，通過云端的項(xiàng)目大腦和機(jī)器人等，將逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)人工作業(yè)的勞動(dòng)力替代和腦力增強(qiáng)，逐步實(shí)現(xiàn)少人化和無人化的自主管理、自動(dòng)作業(yè)的場(chǎng)景。

做什么：智能建造應(yīng)用場(chǎng)景及價(jià)值

圖3 數(shù)字孿生下的智能建造場(chǎng)景

在智能建造的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下，將對(duì)工程項(xiàng)目的生產(chǎn)活動(dòng)、生產(chǎn)要素和管理要素及參建各方產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。就像工業(yè)4.0 中的場(chǎng)景，智能建造將實(shí)現(xiàn)未來的建筑“兩次建造”，先虛擬建造，再實(shí)體建造。同時(shí)，將構(gòu)建數(shù)字生產(chǎn)線和物理生產(chǎn)線“兩條生產(chǎn)線”，基于“數(shù)字生產(chǎn)線”實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)調(diào)度、智能施工調(diào)度等數(shù)據(jù)流動(dòng)的自動(dòng)化；在“物理生產(chǎn)線”，通過數(shù)字工地與實(shí)體工地的數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、機(jī)械、材料等各要素的實(shí)時(shí)感知、分析、決策和智能施工作業(yè)。

智能設(shè)計(jì)場(chǎng)景

基于數(shù)字孿生的智能設(shè)計(jì)，以建筑產(chǎn)品需求為導(dǎo)向進(jìn)行全專業(yè)集成設(shè)計(jì)，各方通過BIM 模型全方位協(xié)同參與到項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、模擬，將施工、運(yùn)維以及建造過程中可能出現(xiàn)的核心問題前置論證，整合全參與方與全要素，對(duì)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、采購、生產(chǎn)、施工和運(yùn)維全生命周期進(jìn)行智能化、參數(shù)化模擬仿真，系統(tǒng)化進(jìn)行全過程模擬、全參與方迭代和優(yōu)化。通過往復(fù)反饋在數(shù)字世界消除各種工程風(fēng)險(xiǎn)，解決設(shè)計(jì)建造一致性差、變更多、成本高、進(jìn)度超期等問題，追求滿足建筑產(chǎn)品需求的最高性價(jià)比設(shè)計(jì)，最大限度地消除和減少建造過程中的設(shè)計(jì)變更，得到實(shí)現(xiàn)符合需求的產(chǎn)品方案，質(zhì)高價(jià)優(yōu)的造價(jià)方案，施工和生產(chǎn)可行的實(shí)施方案，以及可維護(hù)的服務(wù)方案。如圖4所示為基于數(shù)字孿生的智能設(shè)計(jì)場(chǎng)景，打造全數(shù)字化樣品，指導(dǎo)實(shí)體建造和建筑運(yùn)維。

圖4 基于數(shù)字孿生的智能設(shè)計(jì)

智能生產(chǎn)場(chǎng)景

基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)，通過數(shù)字生產(chǎn)線，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排程和精益化生產(chǎn)，將工廠與工地現(xiàn)場(chǎng)形成有機(jī)整體。如圖5所示為基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)，下面將從多個(gè)維度剖析。

圖5 基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)

工廠智能化生產(chǎn)。在數(shù)字生產(chǎn)線進(jìn)行任務(wù)分發(fā)、智能計(jì)劃排程、生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化、智能時(shí)序配送、作業(yè)面管理、質(zhì)量管理等。在物理生產(chǎn)線，通過引入數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手臂等先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化、柔性化生產(chǎn)，從而規(guī)?；瘜?shí)現(xiàn)構(gòu)件及部品的大規(guī)模、個(gè)性化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)建筑從現(xiàn)場(chǎng)建造向現(xiàn)代工廠制造的轉(zhuǎn)變。

“廠場(chǎng)”一體化聯(lián)動(dòng)。通過融合工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工的一體化“項(xiàng)目大腦”，充分連接工廠和現(xiàn)場(chǎng)。以現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化施工驅(qū)動(dòng)工廠智能化生產(chǎn)，通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)排產(chǎn)、備料采購、構(gòu)件生產(chǎn)自動(dòng)化流轉(zhuǎn)。目前智慧工地實(shí)現(xiàn)了基于云的智能化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，而智能調(diào)度系統(tǒng)通過最小作業(yè)單元連接工廠和現(xiàn)場(chǎng)，形成“廠場(chǎng)”一體化的智能化閉環(huán)流程，達(dá)到“廠場(chǎng)”一體化緊密聯(lián)動(dòng)。

智能施工場(chǎng)景

基于數(shù)字孿生的智能施工以工序?yàn)楹诵倪M(jìn)行線上數(shù)字虛擬建造與線下精益實(shí)體建造，先模擬后實(shí)施，以精益理念推動(dòng)精準(zhǔn)管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生精益建造。在建造過程中，通過在線化對(duì)實(shí)體建造成果進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)過程動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化。其中虛擬建造包含線上的深化設(shè)計(jì)、進(jìn)度排程、資源采購和施工模擬，實(shí)體建造包括線下的資源供應(yīng)、施工作業(yè)、驗(yàn)收交付和現(xiàn)場(chǎng)措施。通過數(shù)字和實(shí)體兩條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生、虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的精益建造。

圖6 基于數(shù)字孿生的智能施工

智能服務(wù)場(chǎng)景

基于數(shù)字孿生的智能服務(wù)主要面向項(xiàng)目建造過程中和運(yùn)營過程中的生產(chǎn)服務(wù)、機(jī)械設(shè)備服務(wù)、運(yùn)維服務(wù)等內(nèi)容。例如，如圖7所示，通過數(shù)字孿生平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械設(shè)備的在線管理，遠(yuǎn)程的運(yùn)維服務(wù)。

圖7 基于數(shù)字孿生的智能服務(wù)

對(duì)于機(jī)械設(shè)備的供應(yīng)商來說，可實(shí)現(xiàn)由出售設(shè)備向出售服務(wù)轉(zhuǎn)變。工地現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行情況和作業(yè)軌跡，可以通過工程物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)反饋到數(shù)字孿生平臺(tái)上，實(shí)時(shí)映射到數(shù)字工地上，可視化監(jiān)控施工機(jī)械設(shè)備的作業(yè)情況，同時(shí)根據(jù)機(jī)器運(yùn)行的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，診斷機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)，從而進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修維護(hù)，提升了設(shè)備使用效率，延長(zhǎng)了使用壽命周期。同時(shí)，設(shè)備供應(yīng)商可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析，將迭代的舊機(jī)器收回，再把升級(jí)的新機(jī)器送過來，從而低成本地實(shí)現(xiàn)技術(shù)迭代。施工企業(yè)則可以按照使用時(shí)間付費(fèi)，閑置時(shí)不產(chǎn)生費(fèi)用，使用完可以交還，不用負(fù)責(zé)設(shè)備的維修和保養(yǎng)，大大降低了機(jī)械設(shè)備的使用成本。

智能建造的價(jià)值

圖8 智能建造將賦能產(chǎn)業(yè)“三全”升級(jí)

工程項(xiàng)目作為建筑業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營活動(dòng)的業(yè)務(wù)原點(diǎn)，其全要素、全過程、全參與方的升級(jí)是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。通過智能建造,將打造“軟件+數(shù)據(jù)”的數(shù)字生產(chǎn)線，推動(dòng)工程建造過程從傳統(tǒng)的實(shí)體建造，轉(zhuǎn)變?yōu)槿珨?shù)字化虛擬建造和工業(yè)化實(shí)體建造。賦能項(xiàng)目全過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、采購、施工、運(yùn)維一體化，再結(jié)合精益建造的理論和方法，更高效地提升生產(chǎn)效率。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和加快數(shù)據(jù)要素的自動(dòng)化流動(dòng)升級(jí)生產(chǎn)要素，優(yōu)化“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等生產(chǎn)要素的配置。通過智能建造的平臺(tái)連接有效實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的建設(shè)方、施工方、設(shè)計(jì)方、供應(yīng)商等各方主體的協(xié)同協(xié)作，打破相關(guān)企業(yè)邊界，形成網(wǎng)絡(luò)化、集成化的多方協(xié)同協(xié)作，改進(jìn)生產(chǎn)關(guān)系。

結(jié)語

智能建造代表了建筑產(chǎn)業(yè)“數(shù)字化、工業(yè)化、綠色化”的發(fā)展方向，通過軟件和數(shù)據(jù)定義的數(shù)字生產(chǎn)線與物理實(shí)體生產(chǎn)線的數(shù)字孿生，不僅可以優(yōu)化資源配置，最大化減少浪費(fèi)，保障項(xiàng)目成功，還能加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，形成國民經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部信息中心組織編寫的《中國建筑業(yè)信息化發(fā)展報(bào)告2021》（以下簡(jiǎn)稱《報(bào)告》）全面貫徹高質(zhì)量發(fā)展理念，以智能建造為主線，對(duì)當(dāng)前我國建筑產(chǎn)業(yè)智能建造現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，展現(xiàn)智能建造關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維、裝備、建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等智能化、創(chuàng)新應(yīng)用和典型場(chǎng)景，收集整理了最佳實(shí)踐案例，對(duì)智能建造的未來發(fā)展做出展望，為推動(dòng)智能建造提供了系統(tǒng)性的方法和實(shí)踐指導(dǎo)。《報(bào)告》的出版，既是對(duì)當(dāng)前智能建造落地應(yīng)用的有益總結(jié)，又為行業(yè)綠色化、工業(yè)化、數(shù)字化發(fā)展提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)，以實(shí)際行動(dòng)助力行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。