智能建造“三化”演进与建筑工业化协同发展？

    智能建造“三化”演进与建筑工业化协同发展

    互联网、物联网、大数据和人工智能等正在深刻地改变着我们的生活和生产方式及社会组织形态，同时也在改变我国的工业体系。德国提出了工业4.0、美国提出了工业互联网，我国也制定了《中国制造2025规划》，力求通过新型工业化，让数字经济和实体经济结合提升我国的综合实力。而实际上我国工业化的另一个重要的优势领域“中国建造”也日益获得重视，国家几年前就提出了发展装配式建筑的构想，但一直没有从整个建造生产体系构建一套完整的转型路线。如何积极借鉴智能制造的经验，按照“两化深度融合”的思路，基于BIM、大数据、人工智能等先进技术，全面提升我国的建造水平，成为了当前的必须。

    之前，住房和城乡建设部等十三部门联合印发的《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》指出，要以大力发展建筑工业化为载体，以数字化、智能化升级为动力，创新突破相关核心技术，加大智能建造在工程建设各环节应用，形成全产业链融合一体的智能建造产业体系。那么又该如何分别理解智能建造和建筑工业化，及二者相互协同发展的呢？主要包括以下三方面。

    智能建造的概念及内涵特征

    我们认为智能建造是按照信息化和工业化融合的新型建筑工业发展理念，基于BIM和云大物移智集成的数字建筑平台，并综合运用信息技术、先进工艺、精益建造和项目管理等业务知识组件和子系统平台，形成的从客户需求分析、多专业协同设计、智能审批、构件生产、数字化精益施工、智慧应用集成的全生命周期的数字实体融合的建造过程。是通过软件驱动的生产线，用“看不见”的数据自动化来驱动“看得见”的建造施工自动化和智能化。主要表现在以下几个方面。

    智能建造是互联。核心是联接，要把施工现场、工程机械设备、生产线、构件工厂、供应商、建筑产品、客户紧密地联接在一起。智能建造适应了万物互联的发展趋势，将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过信息物理系统（CPS）形成一个智能网络，使得产品与施工场地、工程设备之间、不同的生产设备之间以及数字世界和物理世界之间能够互联，使得工作部件、系统以及人类会通过网络持续地保持数字信息的交流。主要包括虚拟和现实的互联、施工现场、生产设备的互联、设备和建筑构件的互联等。

    智能建造是数据。随着工程互联网和智慧工地的推广、智能装备和终端的普及以及各种各样传感器的使用，将会带来无所不在的感知和无所不在的连接，所有的工程机械装备、人、物料感知设备、联网终端，包括建造者本身都在源源不断地产生数据，这些数据将会渗透到建筑施工项目管理、企业运营、价值链乃至建筑工程的整个生命周期，在智能建造的背景下，大数据将呈现爆炸式增长态势。项目管理、施工现场、数字工厂的数据、建筑构件的数据、建造过程产生的数据，将对企业的运营、价值链的优化和产品的全生命周期的优化起到重要支撑作用。

    智能建造是逻辑。“逻辑-设计-建造”的古老建筑学逻辑，将被重新阐释为“算法—形式—建构”的逻辑（观点来源：袁烽《城市建筑》）。随着近年来BIM标准化建设、PC预制工厂发展，智能建造也逐渐从前沿的研究课题走向实际的建造工程。但是作为一个完整的设计及建造系统，智能建造在如今的工程应用中还只是“凤毛麟角”，需要更多的专业人士投入来推动其发展。诚然，智能建造并不是“万灵药”，传统建造方式的经验和技术积累远超过智能建造，如今的数字建造可能需要通过特殊的复杂造型才能体现其精确性、优越性，但随着技术的发展、算法的进步，有一天智能建造也许会变得便宜、便捷，或是社会需要模块化的生产，那时我们如今的尝试将变得有意义。

    智能建造是集成。更多的智能化设备、传感设备、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施基于“BIM+大数据+云计算”形成一个智能网络，使人与人、人与机器、机器与建筑、建筑构件间以及服务与服务之间能够互联，从而实现横向、纵向和端对端的高度集成。

    智能建造是创新。其实，施工过程实际上就是中国建造创新发展的过程，包括技术、工法、建筑产品、模式、业态、组织等方面的创新将会层出不穷。尤其是建造过程中数字模拟技术拓展了人的想象力的实现，再加上新型科技材料、机器人精确加工、3D打印技术的应用，将产生出一些更绚丽的新工艺、新产品。

    智能建造的演进路径

    我们一直认为，建筑业严格意义上一种“特殊的离散型制造”，智能建造和智能制造在本质上没有什么不同，只是由于其“项目特征”，表现的更为离散而已，参照周济院士近年来关于智能制造的发展过程中的相关范式的演进的阐述，结合数字化、在线化（网络化）、智能化的基本技术特征，我们认为智能建造行业可以用“三化”的范式演进路径：数字化建造—在线化建造—智能化建造。

    数字化建造。当然，信息技术首次大规模进入中国建筑业，就是将近三十年前开始的电子绘图，俗称“甩图板”，此后便是持续的局部的技术革新，直至建筑信息模型概念的成型。整个工程建设领域都在发生信息化转型，包括铁路工程、公路水运工程、市政工程、管道工程、水电工程等几乎全部基础设施建设，都逐渐变得数字化，和“数”发生着关系。主要包括三方面。

    1）实现生产过程的对象用数据来表述。包括岗位级别的数字化，建筑构件和工艺、工法的数字化，生产装备、工地场地全要素的数字化，材料被加工的零部件、现场模架等“物”的数字化以及人的数字化。

    2）数据的互联互通。包括网络通信系统构建，不同来源的异构数据格式的统一以及数据语义的统一。

    3）信息集成。数据的互联互通，其目的是要利用这些数据实现整个建造过程各环节的协同。具体体现在BIM、PM、ERP等管理系统的协同功能。例如，BIM+PM中的计划排产模块，它需要输入建筑信息、场地信息、工艺工法信息、质量安全信息以及劳务配置等信息，通过算法对这些信息进行集成，实现各环节的协同，从而输出一个可执行的生产计划。

    总而言之，数字化重点要解决的问题是提升多参与方内部竞争力的问题，包括提高质量、降低安全风险，提高劳动生产率、缩短工程项目时间、降低成本等，也就是解决企业“围墙”内的问题。

    在线化（网络化）建造。在线化的特点，就是建造企业内外的各要素，及其和用户、产业上下游企业及产品等实现网络连接，实时在线。

    实现与用户的充分沟通，更好地了解用户的需求，未为企业将从以产品为中心向以用户为中心转型。

    实现全产业链上企业与企业之间的协同，包括企业间数据协同、资源协同、流程协同，从而使社会资源得到优化配置。

    工程项目管理与工地现场的在线化，各参与基于一个可视化的模型平台实时互动，工地现场人机料法环的在线化连接与互感互知，数字建筑与实地建筑的相互映射，实时互动。

    实现建筑产品链从产品向服务延伸。通过对建筑的远程运维，为用户提供更多的增值服务，使地产企业、建设企业从生产型企业向运营服务型企业转型。

    总之，在线化要解决的问题是把每个企业看作是整个产业链的一环，追求产业链整体的优化，也就是解决企业“围墙”之外的问题。施工企业的生产过程的协同也从原来的内部各个部门、不同工种之间的协同，转向了供应链、客户关系、项目执行、企业资源、物联网等产业链、社会化大协作和大协同，从原来的基于自己掌控的生产资料进行生产要素的配置，转向基于需求进行动态资源的最优配置。

    智能化建造。基于以上的数字化、在线化，随着企业的“人、机、料、法、环”及各种管理资源的“万物互联”，必将激发大数据的积累。企业也将采用大数据技术，建立要素、施工、工艺、业务逻辑等的数据模型，并在施工建造过程中所有“人、机、料、法、环”都有各自的编码，“施工现场”与“项目管理”实现了自由沟通，所有流程、所有生产要素都进行实时监测并实时进行数据挖掘分析，对项目的质量、安全、进度、绿色施工实现智能管理与监管。

    同时，通过人工智能的深度学习、迁移学习、增强学习等技术的应用，把工程项目管理和施工现场等各种信息“自动地”被加工成为知识，汇聚在“企业大脑”，实现了建造知识的生成、积累、应用和传承，形成了“数字建造到智能建造的嬗变”，最终整个建造系统成为了一个“自学习、自进化的智能生命体”，大大地提高了建造的智慧决策、创新和服务能力。

    综上所述：“三化”演进并不是绝然分离的三个阶段。一方面，三个基本范式次第展开，各有自身阶段的特点和要重点解决的问题，体现着先进信息技术与先进建造技术融合发展的阶段性特征；另一方面，三个基本范式在技术上并不是绝然分离的，而是相互交织、迭代升级、融合发展。

    智能建造与建筑工业化协同发展的“三个层次”

    关于建筑业的变革，早在上个世纪二十年代，“像造汽车一样造房子”的概念就被法国建筑大师柯布西耶在《走向新建筑》中提出，人们就开始了建筑工业化的思考和探索。和汽车、飞机、船舶等离散型制造业一样，“建筑产品”如何拆解成多个“零件”经过一系列并不连续的工序的加工最终装配而成，就成了大家理想的生产场景。

    以日本为例，在上世纪70年代开始掀起了住宅工业化的热潮。一是在“建筑产品”的结构（即装配建筑）方面。通过大企业联合组建集团企业，设立了工业化住宅的质量管理标准，制定了各种标准规范，发展楼梯单元、储藏单元、厨房单元、浴室单元、室内装修部品构件以及通风体系、主体结构体系；二是在建造的生产流程（精益建造）方面。借鉴丰田汽车的“精益制造”理念，让每一道工序都有标准化的模块，工序式的模块施工中，一个施工段或一层的工作量没有按照流程完成，不允许进入下一个施工段或下一层施工；每一道工序没有按照“零投诉”标准作业，不允许进入下一道工序，从而有效地控制了建筑施工质量。一步步实现其建筑工业化，摆脱了传统的建造模式。

    我国虽然在上个世纪80年代也曾经进行过一段时间建筑工业化尝试，但由于长期技术的限制和标准体系建设的缺失，再加上我国建筑业一直都是劳动密集型产业，且一直享受廉价劳动力的红利，转型的动机不强。因此，建筑工业化的推动力不强，直到最近几年随着我国经济发展的增长放缓、劳动力成本的提升、绿色环保要求的倒逼效应，再加上人们对美好生活和个性化建筑的需求，数字科技的冲击，我国的建筑工业化才重新提上了日程。

    对比制造业，我国建筑业的机械化水平都还存在较大差距，却又在发展过程中，面临着电气化、信息化、智能化的多重“冲击”，故呈现“三浪并发”的表现特征。一方面表现在既有落后的“半手工、半工业的”的建造模式和管理模式，也有基于“BIM+云大物移智”等信息技术催生的企业信息化、数字施工和智慧工地等类似先进制造业的新兴产业形态。

    所以说，我们不能孤立地谈智能建造，也不能孤立谈建筑工业化，要考虑到实际中建筑业变革是一种“三浪并发”的时期，既有传统的湿作业模式、也有半装配半传统的模式，也有正在推动的建筑工业化（装配式建筑），还有一些正在涌现的新工业生产模式，这些生产模式又和当前的数字结合起来，形成了更加复杂的市场格局。

    第一种是传统湿作业模式与智能建造协同发展。传统的湿作业模式的“高度离散”化一直是个行业难题。长期以来困扰大家的问题就是如何把建筑业这种“散乱”的结构进行有效的系统整合，促进产业链的协同和管理模式的创新。但是随着云计算、大数据的发展，并结合建筑业的BIM技术，这一切开始有了新的曙光。

    结合数字技术将带来三个转化：一是作业数字化，过去工地一线的作业内容是记在小本上或者脑子里，这导致从任务分配到任务跟踪，再到任务结束的整个过程中信息不连贯、并经常出现扯皮推诿的现象。利用数字化技术，能实现信息实时传递与留存，保证工作结果有据可依的同时，还能收集到工地现场的所有数据，使管理更加立体，全面实时感知。二是管理系统化，智慧工地平台全面接入施工现场的塔吊、施工电梯、高支模、深基坑、环境监测、杂技等多种设备信息，并将作业在线数据按照不同的管理维度（如进度管理、安全管理、质量管理）抽提给项目部的各级管理层，实现统一数据标准，达成业务动态协同。三是决策智慧化，BIM+智慧工地平台使先进技术真正应用到项目管理，覆盖质量安全巡检、生产任务排分、安全教育、技术交底、物料验收等各种场景；有了业务应用的场景后即可产生海量数据，平台支持数据仓库的建立，有利于数据的存储、清洗、分析；筛选出有效数据后供项目负责人制定战略规划，合理高效决策，并及时预警风险。

    第二种是半装配式半现浇与智能建造协同发展。虽然我国近几年提出了大力发展“装配式建筑”的战略，但无可否认的是，这是一个循序的过程，直接过渡的装配式建筑，都还存在这样那样的问题，这个时候一些创新的企业提出了“混凝土现浇和装配式结合”的模式。除了在装配式结构体系采取了“渐进式创新”既兼顾了现有现浇体系优势，又在探索装配式创新，还在积极地和数字化技术结合。例如：一些企业深深地认识到建筑行业亟需像制造行业一样，搭建一个基于计划管理的在线项目管理平台，将设计、制造、与施工等环节进行打通。

    第三种是两场联动+智能建造协同发展。这种变革是完全学习了先进制造业的先进经验，并结合建筑业的具体特征，强调融合了工厂生产和现场施工的一体化“生产线”。通过智慧调度系统充分链接工厂与施工现场，以现场工业化施工驱动工厂工业化生产，通过工厂生产，实现节能、环保、提质和增效，通过现场工业化施工，满足个性化施工及建筑的定制需求。通过厂场一体化实现全产业链协同与柔性生产。

    强调打造数字建筑平台，将消费者、开发商、生产、物流、施工等单位整合在一起，通过软件和数据形成建筑全产业链的“数字化生产线”，这条“生产线”将工厂生产与施工现场进行实时在线连接与智能交互协作。实现工厂工业化和现场工业化，工厂工业化基于标准化、流程化，可实现构件及部品的大规模、柔性化生产。现场工业化好比是“装配车间”，通过计划排程到末位到小时（甚至分钟）、任务执行最小到工序、“图纸模型”细化到构件的工业化手段实现精益建造。通过工厂与现场的一体化，将实现全产业链的协同，建造过程提升到工业级精细化水平。