互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等在深刻改變?nèi)藗兩?、生產(chǎn)方式及社會組織形態(tài)的同時,也給我國的工業(yè)體系帶來了巨大改變。近年來,德國提出工業(yè)4.0,美國提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),我國制定了《中國制造2025》規(guī)劃,力求通過新型工業(yè)化促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)相結(jié)合,提升我國的綜合實(shí)力。作為我國工業(yè)化的一個重要優(yōu)勢領(lǐng)域,“中國建造”也隨之日益得到重視。國家為此提出了發(fā)展裝配式建筑的構(gòu)想,但一直沒有從整個建造生產(chǎn)體系構(gòu)建出一套完整的轉(zhuǎn)型路線。如何積極借鑒智能制造的經(jīng)驗(yàn),按照“兩化深度融合”的思路,基于BIM、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù),全面提升我國的建造水平,成為實(shí)現(xiàn)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的必然選擇。
近日,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》,就未來推進(jìn)建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化升級,加快建造方式轉(zhuǎn)變,打造“中國建造”升級版作出部署。《指導(dǎo)意見》指出,要以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體,以數(shù)字化、智能化升級為動力,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,形成全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。如何正確理解智能建造和建筑工業(yè)化,建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化如何協(xié)同發(fā)展,有哪些痛點(diǎn)待解,本文針對上述問題提出分析與思考,供同行借鑒和參考。
我們認(rèn)為,智能建造應(yīng)當(dāng)引入“智能制造”的理念,基于BIM 與“云大物智”集成的數(shù)字建筑平臺,綜合運(yùn)用信息技術(shù)、先進(jìn)工藝、精益建造和項(xiàng)目管理等業(yè)務(wù)知識組件和子系統(tǒng)平臺,對建造施工現(xiàn)場“人機(jī)料法環(huán)”等關(guān)鍵要素做到全面感知和實(shí)時管理;形成從客戶需求分析、決策、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計、智能審批、構(gòu)件生產(chǎn)、智慧建造、智慧應(yīng)用集成、智慧運(yùn)維等全生命周期的數(shù)字實(shí)體融合的建造過程;通過軟件驅(qū)動的建筑施工生產(chǎn)線,用“看不見”的數(shù)據(jù)自動化來驅(qū)動“看得見”的建造施工自動化和智能化。
智能建造的特征主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
智能建造的核心是聯(lián)接,要把施工現(xiàn)場、工程機(jī)械設(shè)備、生產(chǎn)線、構(gòu)件工廠、供應(yīng)商、建筑產(chǎn)品、客戶緊密地聯(lián)接在一起。智能建造適應(yīng)了萬物互聯(lián)的發(fā)展趨勢,將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施通過信息物理系統(tǒng)(CPS)形成一個智能網(wǎng)絡(luò),使得產(chǎn)品與施工場地、工程設(shè)備之間、不同的生產(chǎn)設(shè)備之間以及數(shù)字世界和物理世界之間能夠互聯(lián),使得工作部件、系統(tǒng)以及人類能夠通過網(wǎng)絡(luò)持續(xù)地保持?jǐn)?shù)字信息的交流。其主要包括虛擬和現(xiàn)實(shí)的互聯(lián),施工現(xiàn)場、生產(chǎn)設(shè)備的互聯(lián),設(shè)備和建筑構(gòu)件的互聯(lián)等。
隨著工程互聯(lián)網(wǎng)和智慧工地的推廣、智能裝備和終端的普及以及各種各樣傳感器的使用,將會帶來無所不在的感知和無所不在的聯(lián)接。所有的工程機(jī)械裝備、人、物料感知設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)終端,包括建造者本身都在源源不斷地產(chǎn)生數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將會滲透到建筑施工項(xiàng)目管理、企業(yè)運(yùn)營、價值鏈乃至建筑工程的整個生命周期,在智能建造的背景下將呈現(xiàn)爆炸式增長態(tài)勢。項(xiàng)目管理、施工現(xiàn)場、數(shù)字工廠的數(shù)據(jù)、建筑構(gòu)件的數(shù)據(jù)、建造過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù),都將對企業(yè)的運(yùn)營、價值鏈的優(yōu)化和產(chǎn)品全生命周期的優(yōu)化起到重要支撐作用。
“邏輯-設(shè)計-建造”的古老建筑學(xué)邏輯,將被重新闡釋為“算法-形式-建構(gòu)”的邏輯(觀點(diǎn)來源:袁烽《城市建筑》)。近年來,隨著BIM標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、PC預(yù)制工廠的發(fā)展,智能建造也逐漸從前沿的研究課題走向?qū)嶋H的建造工程。但作為一個完整的設(shè)計及建造系統(tǒng),智能建造在如今的工程應(yīng)用中還只是“鳳毛麟角”,需要更多專業(yè)人士投入來推動其發(fā)展。誠然,智能建造并不是“萬靈藥”,傳統(tǒng)建造方式的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累遠(yuǎn)超智能建造,如今的數(shù)字建造可能需要通過特殊的復(fù)雜造型才能體現(xiàn)其精確性、優(yōu)越性,但隨著技術(shù)的發(fā)展、算法的進(jìn)步,智能建造將來也許會變得廉價、便捷,或是社會需要模塊化的生產(chǎn),到那時我們?nèi)缃竦膰L試將會變得更加有意義。
基于“BIM+大數(shù)據(jù)+云計算”,更多的智能化設(shè)備、傳感設(shè)備、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施,將形成一個智能網(wǎng)絡(luò),使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與建筑、建筑構(gòu)件之間以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)橫向、縱向和端對端的高度集成。
施工發(fā)展的過程實(shí)際上也是中國建造創(chuàng)新發(fā)展的過程,包括技術(shù)、工法、建筑產(chǎn)品、模式、業(yè)態(tài)、組織等方面的創(chuàng)新將會層出不窮。尤其是建造過程中數(shù)字模擬技術(shù)拓展了人類的想像力空間,再加上新型科技材料、機(jī)器人精確加工、3D 打印技術(shù)的應(yīng)用,將會生產(chǎn)出一些更加絢麗的新工藝、新產(chǎn)品。
我們一直認(rèn)為,建筑業(yè)嚴(yán)格意義上是一種“特殊的離散型制造”,智能建造和智能制造在本質(zhì)上沒有什么不同,只是由于其“項(xiàng)目特征”表現(xiàn)得更為離散而已。參照周濟(jì)院士近年來關(guān)于智能制造發(fā)展過程中相關(guān)范式的演進(jìn)的闡述,結(jié)合數(shù)字化、在線化(網(wǎng)絡(luò)化)、智能化的基本技術(shù)特征,我們認(rèn)為智能建造行業(yè)可以用“三化”(數(shù)字化-在線化-智能化) 建造的范式,探析其演進(jìn)路徑。
建筑業(yè)和制造業(yè)的本質(zhì)對比分析
信息技術(shù)首次大規(guī)模進(jìn)入中國建筑業(yè),要從將近30年前開始的電子繪圖算起,當(dāng)時俗稱“甩圖板”,此后便是持續(xù)的局部技術(shù)革新,直至建筑信息模型概念的成型。目前,整個工程建設(shè)領(lǐng)域都在發(fā)生信息化轉(zhuǎn)型,包括鐵路工程、公路水運(yùn)工程、市政工程、管道工程、水電工程等領(lǐng)域在內(nèi),幾乎全部基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)都逐漸被數(shù)字化,和“數(shù)”發(fā)生著關(guān)系。其主要體現(xiàn)在以下三個方面:
一是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的對象用數(shù)據(jù)來表述。包括崗位級別的數(shù)字化,建筑構(gòu)件和工藝、工法的數(shù)字化,生產(chǎn)裝備、工地場地全要素的數(shù)字化,材料被加工的零部件、現(xiàn)場模架等“物”的數(shù)字化以及人的數(shù)字化。
二是數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。包括網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)構(gòu)建,不同來源的異構(gòu)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一以及數(shù)據(jù)語義的統(tǒng)一。
三是信息集成。數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通,其目的在于利用這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)整個建造過程各環(huán)節(jié)的協(xié)同,具體體現(xiàn)在BIM、PM、ERP 等管理系統(tǒng)的協(xié)同功能。例如,BIM+PM 中的計劃排產(chǎn)模塊,需要輸入建筑信息、場地信息、工藝工法信息、質(zhì)量安全信息以及勞務(wù)配置等信息,通過算法對這些信息進(jìn)行集成,實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的協(xié)同,從而輸出一個可執(zhí)行的生產(chǎn)計劃。
總而言之,數(shù)字化重點(diǎn)是要解決提升多參與方內(nèi)部競爭力的問題,包括提高質(zhì)量、降低安全風(fēng)險,提高勞動生產(chǎn)率、縮短工程項(xiàng)目時間、降低成本等,也就是解決企業(yè)“圍墻”內(nèi)的問題。
在線化(網(wǎng)絡(luò)化)涵蓋建造企業(yè)內(nèi)外的各個要素,具有和用戶、產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)及產(chǎn)品等實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)時在線等特點(diǎn)。
一是實(shí)現(xiàn)與用戶的充分溝通,更好地了解用戶的需求,未來企業(yè)將從以產(chǎn)品為中心向以用戶為中心轉(zhuǎn)型。
二是實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)與企業(yè)之間的協(xié)同,包括企業(yè)間數(shù)據(jù)協(xié)同、資源協(xié)同、流程協(xié)同,從而使社會資源得到優(yōu)化配置。
三是工程項(xiàng)目管理與工地現(xiàn)場的在線化,各參與方基于一個可視化的模型平臺實(shí)時互動,工地現(xiàn)場“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的在線化連接與互感互知,數(shù)字建筑與實(shí)地建筑的相互映射、實(shí)時互動。
四是實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品鏈從產(chǎn)品向服務(wù)延伸。通過對建筑的遠(yuǎn)程運(yùn)維,為用戶提供更多增值服務(wù),使地產(chǎn)企業(yè)、建設(shè)企業(yè)從生產(chǎn)型企業(yè)向運(yùn)營服務(wù)型企業(yè)轉(zhuǎn)型。
總之,在線化(網(wǎng)絡(luò)化)要解決的問題是把每個企業(yè)看作是整個產(chǎn)業(yè)鏈的一環(huán),追求產(chǎn)業(yè)鏈整體的優(yōu)化,也就是解決企業(yè)“圍墻”之外的問題。施工企業(yè)生產(chǎn)過程的協(xié)同也從原來的內(nèi)部各個部門、不同工種之間的協(xié)同,轉(zhuǎn)向了供應(yīng)鏈、客戶關(guān)系、項(xiàng)目執(zhí)行、企業(yè)資源、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)鏈、社會化大協(xié)作和大協(xié)同,從原來的基于自己掌控的生產(chǎn)資料進(jìn)行生產(chǎn)要素的配置,轉(zhuǎn)向基于需求進(jìn)行動態(tài)資源的最優(yōu)配置。
基于以上的數(shù)字化、在線化,隨著企業(yè)的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”及各種管理資源的萬物互聯(lián),必將激發(fā)大數(shù)據(jù)的積累。企業(yè)也將利用大數(shù)據(jù)技術(shù),建立要素、施工、工藝、業(yè)務(wù)邏輯等的數(shù)據(jù)模型,并在施工建造過程中使得所有“人、機(jī)、料、法、環(huán)”擁有各自的編碼,實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場與項(xiàng)目管理的自由溝通,對所有流程、生產(chǎn)要素進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時數(shù)據(jù)挖掘分析,對項(xiàng)目的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、綠色施工實(shí)現(xiàn)智能管理與監(jiān)管。
BIM+智慧工地平臺(來源:廣聯(lián)達(dá)《新建造》)
同時,通過人工智能的深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)等技術(shù)的應(yīng)用,工程項(xiàng)目管理和施工現(xiàn)場等各種信息“自動”地被加工成為知識,匯聚在“企業(yè)大腦”,實(shí)現(xiàn)了建造知識的生成、積累、應(yīng)用和傳承,形成了數(shù)字建造到智能建造的嬗變,最終整個建造系統(tǒng)成為了一個自學(xué)習(xí)、自進(jìn)化的智能生命體,可以極大地提高建造的智慧決策、創(chuàng)新和服務(wù)能力。
綜上所述,“三化”演進(jìn)并不是絕然分離的三個階段。一方面,三個基本范式次第展開,各有自身階段的特點(diǎn)和要重點(diǎn)解決的問題,體現(xiàn)出先進(jìn)信息技術(shù)與先進(jìn)建造技術(shù)融合發(fā)展的階段性特征;另一方面,三個基本范式在技術(shù)上并不是絕然分離的,而是相互交織、迭代升級、融合發(fā)展。
關(guān)于建筑業(yè)的變革,法國建筑大師柯布西耶早在上個世紀(jì)20年代,在《走向新建筑》中就提出了“像造汽車一樣造房子”的概念,開始了建筑工業(yè)化的思考和探索。和汽車、飛機(jī)、船舶等離散型制造業(yè)一樣,如何將建筑產(chǎn)品拆解成多個“零件”,并經(jīng)過一系列并不連續(xù)的工序的加工最終裝配而成,就成為了行業(yè)從業(yè)者理想的生產(chǎn)場景。以日本為例,從上世紀(jì)70年代開始就掀起了住宅工業(yè)化的熱潮。一是建筑產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)(裝配建筑方面)。通過大企業(yè)聯(lián)合組建集團(tuán)企業(yè),設(shè)立了工業(yè)化住宅的質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn),制訂了各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,發(fā)展樓梯單元、儲藏單元、廚房單元、浴室單元、室內(nèi)裝修部品構(gòu)件以及通風(fēng)體系、主體結(jié)構(gòu)體系;二是建造的生產(chǎn)流程(精益建造方面)。借鑒豐田汽車的“精益制造”理念,讓每一道工序都有標(biāo)準(zhǔn)化的模塊,工序式的模塊施工中,一個施工段或一層的工作量一旦沒有按照流程完成,便不允許進(jìn)入下一個施工段或下一層施工;每一道工序如果沒有按照“零投訴”標(biāo)準(zhǔn)作業(yè),便不允許進(jìn)入下一道工序,從而有效地控制了建筑施工質(zhì)量。
上個世紀(jì)80年代,我國也曾經(jīng)進(jìn)行過一段時間的建筑工業(yè)化嘗試,但由于長期技術(shù)的限制和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的缺失,再加上我國建筑業(yè)一直都是勞動密集型產(chǎn)業(yè),且一直享受廉價勞動力的紅利,轉(zhuǎn)型的動機(jī)不足,建筑工業(yè)化的推動力也不強(qiáng)。直到近幾年隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長放緩、勞動力成本的提升、綠色環(huán)保要求的倒逼效應(yīng),再加上人們對美好生活和個性化建筑的需求,以及數(shù)字科技帶來的沖擊,我國的建筑工業(yè)化才被重新提上了日程。
數(shù)字建筑平臺的典型應(yīng)用場景(來源:《數(shù)字建筑白皮書》)
與制造業(yè)相比,我國建筑業(yè)的機(jī)械化水平還存在較大差距,但又在發(fā)展過程之中,面臨著電氣化、信息化、智能化的多重沖擊,呈現(xiàn)出“三浪并發(fā)”的特征,既表現(xiàn)在既有落后的“半手工、半工業(yè)”的建造模式和管理模式,也有基于“BIM+云大物移智”等信息技術(shù)催生的企業(yè)信息化、數(shù)字施工和智慧工地等類似先進(jìn)制造業(yè)的新興產(chǎn)業(yè)形態(tài)。
所以說,我們不能孤立地談智能建造、談建筑工業(yè)化,要正確認(rèn)識到建筑業(yè)變革正深處 “三浪并發(fā)”的時期。這一時期既有傳統(tǒng)的濕作業(yè)模式,有半裝配半傳統(tǒng)的模式,也有正在推動的建筑工業(yè)化(裝配式建筑),還有一些正在涌現(xiàn)的新工業(yè)生產(chǎn)模式。這些生產(chǎn)模式與當(dāng)前的數(shù)字化結(jié)合起來,形成了更加復(fù)雜的市場格局。
長期以來,傳統(tǒng)的濕作業(yè)模式的“高度離散化”,如何把建筑業(yè)這種“散亂”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效系統(tǒng)整合,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同和管理模式的創(chuàng)新,一直是困擾行業(yè)發(fā)展的難題之一。但是,隨著云計算、大數(shù)據(jù)的發(fā)展,并結(jié)合BIM 技術(shù),這一切開始有了新的曙光。數(shù)字技術(shù)將為其帶來三個“轉(zhuǎn)化”:一是作業(yè)數(shù)字化。過去工地一線的作業(yè)內(nèi)容是記在小本上或者腦子里,這就導(dǎo)致從任務(wù)分配到任務(wù)跟蹤,再到任務(wù)結(jié)束的整個過程中信息不連貫,并經(jīng)常出現(xiàn)扯皮推諉的現(xiàn)象。利用數(shù)字化技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)信息實(shí)時傳遞與留存,在保證工作結(jié)果有據(jù)可依的同時,還能收集到工地現(xiàn)場的所有數(shù)據(jù),使管理更加立體,全面實(shí)時感知;二是管理系統(tǒng)化。智慧工地平臺全面接入施工現(xiàn)場的塔吊、施工電梯、高支模、深基坑、環(huán)境監(jiān)測、雜技等多種設(shè)備信息,并將作業(yè)在線數(shù)據(jù)按照不同的管理維度(如進(jìn)度管理、安全管理、質(zhì)量管理)抽提給項(xiàng)目部的各級管理層,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),達(dá)成業(yè)務(wù)動態(tài)協(xié)同;三是決策智慧化。BIM+智慧工地平臺使先進(jìn)技術(shù)真正應(yīng)用到項(xiàng)目管理,覆蓋質(zhì)量安全巡檢、生產(chǎn)任務(wù)排分、安全教育、技術(shù)交底、物料驗(yàn)收等各種場景。一旦有了業(yè)務(wù)應(yīng)用的場景,即可產(chǎn)生海量數(shù)據(jù),平臺支持?jǐn)?shù)據(jù)倉庫的建立,有利于數(shù)據(jù)的存儲、清洗、分析。篩選出有效數(shù)據(jù)后供項(xiàng)目負(fù)責(zé)人制定戰(zhàn)略規(guī)劃,合理高效決策并及時預(yù)警風(fēng)險。
近幾年,我國雖然提出了大力發(fā)展裝配式建筑的戰(zhàn)略,但無可否認(rèn)的是,這是一個循序的過程,直接過渡的裝配式建筑還存在各種問題,這時一些創(chuàng)新的企業(yè)提出了混凝土現(xiàn)澆和裝配式結(jié)合的模式。除了在裝配式結(jié)構(gòu)體系中采取“漸進(jìn)式創(chuàng)新”,既兼顧了現(xiàn)有的現(xiàn)澆體系優(yōu)勢和探索裝配式創(chuàng)新,還在積極地和數(shù)字化技術(shù)結(jié)合。例如,一些企業(yè)深知建筑行業(yè)亟須像制造行業(yè)一樣,搭建一個基于計劃管理的在線項(xiàng)目管理平臺,打通設(shè)計、制造、與施工等環(huán)節(jié)。
這種變革是完全學(xué)習(xí)了先進(jìn)制造業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合建筑業(yè)的具體特征,強(qiáng)調(diào)融合了工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場施工的一體化“生產(chǎn)線”。通過智慧調(diào)度系統(tǒng)充分鏈接工廠與施工現(xiàn)場,以現(xiàn)場工業(yè)化施工驅(qū)動工廠工業(yè)化生產(chǎn),通過工廠生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、提質(zhì)和增效;通過現(xiàn)場工業(yè)化施工,滿足個性化施工及建筑的定制需求;通過廠場一體化,實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與柔性生產(chǎn)。
打造數(shù)字建筑平臺,需要將消費(fèi)者、開發(fā)商、生產(chǎn)、物流、施工等單位整合在一起,通過軟件和數(shù)據(jù)形成建筑全產(chǎn)業(yè)鏈的“數(shù)字化生產(chǎn)線”。這條“生產(chǎn)線”將工廠生產(chǎn)與施工現(xiàn)場可實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線連接與智能交互協(xié)作;實(shí)現(xiàn)工廠工業(yè)化和現(xiàn)場工業(yè)化,工廠工業(yè)化基于標(biāo)準(zhǔn)化、流程化,可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件及部品的大規(guī)模、柔性化生產(chǎn)?,F(xiàn)場工業(yè)化好比是“裝配車間”,通過計劃排程到末位、到小時(甚至分鐘)、任務(wù)執(zhí)行最小到工序、“圖紙模型”細(xì)化到構(gòu)件的工業(yè)化手段實(shí)現(xiàn)精益建造。通過工廠與現(xiàn)場的一體化,有利于實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同,將建造過程提升到工業(yè)級精細(xì)化水平。