丁烈雲院士南論"數字建造與建築產業變革",李曉軍北談"中國建造3.0"

曉軍視點2019-02-27 06:52:40

丁烈雲:“數字建造與建築產業變革”


  我們國家是製造大國同時也是建造大國,高速工業化進程造就了大製造,高速城鎮化進程引發大建造。在建造領域已經有多個方面是世界第一。比如超高層建築,目前全世界十大最高建築當中,我們國家是佔43%,橋樑工程最近熱點港珠澳大橋,港珠澳大橋55公里長,其中5.5公里海底隧道,海底隧道施工是採取沉管法,每節沉管11米高38米寬180米長,幾萬噸重。還有地鐵工程再過幾年總里程將是世界地鐵總里程之和,我們是花不到20年時間,發達國家花100年時間。

  儘管我們是建造大國,但是建造行業裡面生產方式還是粗放式、碎片化生產方式,生產方式帶來一系列問題,一個是產品性能欠佳,建築壽命不到30年,資源浪費也是比較大,每平方米用鋼、用水泥、能耗都比發達國家高得多。還有安全問題也是比較突出,去年建築業死亡人數達到3800人,在生產安全領域排第一的,超過了煤礦業。還有環境汙染當中垃圾排放也是很大,生產效率也有待於提高。

  怎麼辦?製造業給了我們一個啟示,要把握新一輪科技革命機遇,中國製造2025開啟了我們國家從製造業大國向製造業強國邁進的征程。其中它的核心是智能製造,智能製造是把先進製造技術與先進的信息技術深度融合,走中國製造之路。根據製造業的啟示,我們建設行業怎麼樣把碎片化、粗放式、勞動密集型生產方式,轉化升級成集成式、精細化技術密集型生產方式,這裡提出來把信息化與工業化,在工程建造領域進行深度融合,這一點和製造業有一定不同,製造業發展是串聯式發展,1.0-4.0,但是建築這個行業工業化都沒有實現,所以不能跨越式發展。另外數字化都沒有實現,不能提智能建造,這是基於我國建造行業國情和特點出發的。

  發達國家正在搶佔數字建造技術高地,不管硬件、軟件、平臺解決方案、數據標地等等,他們都佔領技術高地、佔領市場。到底什麼是數字建造?目前全球沒有統一的定義,建築行業有一個很大特點,一個建設項目必須經過四個階段,設計、規劃、建設、運維,這個過程當中都要用數據化技術,通過全過程規範化建模,通過數字鏈驅動工程設計、施工、運維一體化建造和服務模式,目的是提高資源利用效率,提高產品功能,這是數字建造。數字建造背景下,會帶來什麼方面的變革?有五個方面變革。

  首先,產品形態發生變化。現在建築產品是實物產品,今後可能是除了有實物產品還會有數字產品,甚至是智能產品。數字化背景下建築設計、建造不再是靠一般的設計,是通過數字建模,基於模型的設計。這裡面有兩個例子,一個是北京的朝陽區鳳凰中心,這個造型是莫比烏斯環,這個是通過數字建模通過模型驅動設計。右邊是上海中心,這個建築方案是習近平主席審定的。這個形體扭轉了一下,通過扭轉120度以後風作為在上面效益減少了24%,是更科學的。施工過程當中也是這樣,通過數字化建模進行施工。所以數字建造模式下,我們建設發生了很大變化,首先是兩個過程,一個過程是產品數字化建模過程,一個是產品實物建造過程。兩個工地,一個是數字工地還有一個是實體工地。這兩者之間是兩個關係,一個是先試後建,後臺指導前臺施工。後臺有強大數據支撐前臺工人施工,所以最後提供產品是兩個產品,一個是數字產品,一個是實物產品。

  帶來的問題需要我們今後研究,第一個問題是,如何加載產品數字屬性,來實現產品價值增值。我們現在經常講到三維模型,這個模型和進度模型結合起來就變成了四維,進行進度控制,如果和工程量計算結合起來就是五維模型可以進行成本控制。如果和質量結合起來就變成六維模型可以進行質量控制,如果和安全結合起來就是七維模型,和碳結合起來就是八維模型。這是需要根據價值來看。

  問題二,數字化設計可以帶來很多好處,但是也在最初設計是要投入成本,這個成本誰來支付,按照道理說應該是誰收益誰支付。

  問題三,數字化最好的是設計過程當中,完成運維當中設計優化,我們現在建設管理模式是設計招標,規劃招標,施工招標,裝修招標,這種建設過程不連續性與我們信息技術應用希望能夠連續,這個矛盾如何解決,這是體制機制應該發生變化。

  問題四,換藍圖,80、90年代大家有這個印象,那時候是甩圖版,用CAD進行畫圖,今天不再是原來平面藍圖是用信息模型三維四維模型替代藍圖,這是進入新階段。它的設計標準、建造標準、交付標準如何定義。

  問題五,補短板,解決軟件無基的問題。這個紅色是國外軟件,藍色是我們的軟件,大家可以看到在底層操作系統,數據庫以及建模軟件是一片紅,上面講的智慧城市,包括智慧製造,智慧農業,智慧交通這是藍色的,在別人軟件基礎上開發的,所以這是我們今後要進行解決的。

  第二,經營的理念也會發生變革。原來是產品建造今後可能更多是服務建造,服務建造表現兩個方面,一個產品建造過程當中服務。工程機械的服務,Uptake企業2014年成立,2015年成為全球最佳創業公司,他是做機械服務,但是自己沒有一臺工程機械。該公司是把工程機械建立成物聯網,然後分析工程機械的運行狀態,再提供服務。什麼時候該維修,怎麼樣改進工程機械,通過提供工程服務來進行盈利。還有使用過程當中服務是要拉長建築產業鏈,這裡面舉一個例子,阿姆斯特丹邊緣樓,這個樓是最環保的樓,在南面裝上太陽能(2.960, 0.03, 1.02%)板,通過太陽能板提供建築用電,多餘電再入網,還有裝2800個傳感器進行智能調整,最後它所提供的電比它用的電還多,所以不僅僅是零排放建築,而且還是負排放建築。

  產業鏈如何拉長?實際上我們大家經常考慮,經常講的養老物業,養老人需要衛生需求,安全需求,健康需求,這些需求都可以通過裝上各種各樣傳感器以及智能終端,為老年人提供監護服務、生活服務、健康服務。現在我們實際是如何做的?把房子建好後在裡面穿牆打洞。因此,我們應該建築設計的時候就考慮到老年人需求,運營過程當中也要考慮。建築產業鏈誰來拉長,誰來做這個市場,這是我們今後要分析的問題。

  第三,市場形態發生轉變。原來產品交易情況是物與物交易情況,其實世界已經走向平臺經濟,這是十年前、二十年前世界五百強名單,裡面前十名平臺經濟產業只有微軟,2016年藍色都是平臺經濟產業,這個時候原來通用電器排第一,2016年排第九,2017年通用電器出了前十以外。平臺經濟非常具有生命力,信息技術有三大定律,其中一個定律是說一個平臺價值取決於在這個平臺上連接用戶數量,平臺價值與平臺上用戶數量平方成正比,數量越多平臺價值就越大。

  建築行業如何打造面向建築業平臺經濟,進行資源組織和配置服務,在平臺上如何定義產品服務,如何搭建平臺,特別是如何完善平臺經濟法律法規依據。滴滴打車出現了很多問題,建築人命關天,如果不管理好不規範好問題會更大,所以這是需要我們研究的。

  第四,生產方式會發生變化。我們現在建築是建築施工,今後是製造加建造,這是什麼模式?是建造、製造通過一體化、自動化、智能化模式來進行造房子。或者是就像造汽車一樣造房子。

  需要研究的第一個問題是,建築模塊體系怎麼定義。房子是個性化不可能是批量的,但是它的模塊,它的建築構建可以批量化生產,構建如何定義,還有便於運輸,便於安裝,結構應該是安全的,還可以是防震的。

  問題二,如何建立建築構建柔性生產線獲得規模效益。

  問題三,多空間製造運輸,建造資源協同機理與調度優化。

  問題三,裝配機械化、自動化、智能化。3D打印能否用在建築,能否打印房子,這是一個趨勢,也許今後可以,但是今天不行,只是紙上談兵,因為附加值太低,有一種情況附加值很高就是在太空、火星上面打印房子。美國NASA,歐洲ESA都在考慮,這個效率比較高。

  第五,行業管理。如何從管理到治理,從單項監管到共生治理,被動受理到主動服務,經驗決策到數據驅動,封閉循環到開放進化。必須建立一個開放式行業大數據平臺,建築物聯網,工程物聯網,行業資源網提供數據驅動服務以及行業協調,以及標準制定,以及企業自治,這也是需要研究一系列問題。

  如何建立工程大數據平臺,現在國家有大數據計劃,工信部也講建築行業能否有自己的大數據平臺,這是今後要做的。還有面向工程大數據如何做好數據挖掘、融合,計價體系,工程質量,工程安全進度控制等等。大數據治理下能力建設,政府的行業治理能力建設以及企業的能力工程組織。

以上變革需要四項技術作為支撐,一個是工程軟件,一個是工程物聯網,一個是工程機械,工程大數據,這裡面我們國家都有很好的基礎,但是程度是不一樣的。工程軟件是需要補短板解決軟件無基問題。工程物聯網我們要揚長項躋身世界先進行列,物聯網傳感器行業已經形成了規模,馬上5G推行更有利於工程物聯網數字工地建設,這是我們的強項。工程機械我們要促升級,提升它的智能化水平,工程大數據要強優勢,為智能建造打好基礎,我們有的是工程,有的是工地,有的是工程數據,不能白白浪費應該集成起來。

最後建設行業也應該像工業一樣抓住新一輪科技革命機遇,制定以數字建造為核心的中國建造2035發展戰略為“一帶一路”提供技術支撐,為建設行業轉型升級提出技術支撐,從建造大國走向建造強國,我彙報完了,謝謝大家。


李曉軍:“中國建造3.0”


一、被忽視的中國建造

過去30年,是中國製造業服務全球的歷程,我國長期堅持的“出口導向型”的經濟使得“Made in china”行銷全球。而另一方面,國內的城鎮化如火如荼,中國建造一直扮演著極其重要地位,也呈現日益壯大之勢力。首先,是產業當量已經在2015年達到18萬億,居世界之冠。另外,我國一些大型基建的水平也達到世界較高水平。但由於立足點是我國國內的市場,實際上“中國建造”對外並沒有形成統一的概念、品牌和價值輸出。隨著我國積極國際事務合作、參與國際產能合作的步伐的加速,“中國建造”將逐漸走向世界舞臺。以中國高鐵為例,就讓世界見證了中國“中國建造+中國製造”的合力,除了我國高鐵的質量水平超高外,更是在基礎設施的成本上遠遠低於歐美等發達國家,每公里高鐵的基礎設施成本我國只需要1.2億元人民幣,而歐洲需要1.9億,美國更是達到了3.2億,這無疑為是“中國建造”在國際市場的強大競爭優勢。

當然這樣的例子還很多,例1:北京三元橋的“換樑工程”,整體置換工作從啟動到結束僅用了43小時,創造了新的北京建橋速度,同類工程要放在其他國家起碼要幾個月時間;例2:中建三局研發了一種“蓋樓神器”—集成型智能模架體系“中國尊”,平均6天蓋一層樓;例3:據媒體報道,湖南遠大科技旗下的某公司,一棟57層的樓19天蓋完。這一些證明一些大型企業的建造水平實際是不低的。

二、中國建造1.0與3.0的演變


 綜觀我國改革開放後的建築也發展歷史,長期停留在傳統生產式階段,雖然在施工材料、工藝和建築機械支撐等都在迅速發展,但整體的上建造模式並沒有發生本質變化,而實際上德國、日本和其等發展國家幾十年前就早已經實現“建築工業化”。隨著這幾年我國綠色轉型、老齡化、勞動力成本上升的倒逼,這些年我國才開始有意識的向“建築工業轉型”。自2014年住建部提出建築產業現代的概念以來,才開始正式的提向日程。但同時,隨著現代互聯網、物聯網、雲計算、人工智能等技術發展,世界建造理念又迎來一個新的轉型—向數字建造轉型。中國建造也就同時面臨著向建築工業化和數字建造轉型的“兩期疊加”時期,而建築的標準化、裝配化、構件化又不可逾越的階段,否則數字建造就成了無本之末。按照建造模式,我們對中國建造進行了三階段劃分:

 

1、中國建造1.0—傳統作業式。

    以現場溼作業為主,現場攪拌砂漿或其它帶水作業的工作項目,普遍存在著建築資源能耗高、生產效率低下、工程質量和安全堪憂、勞動力成本逐步升高、資源短缺嚴重等問題。這要求建築業企業必須改變傳統建築生產方式,滿足未來建築業可持續發展的要求。

長期以來沒有提升和轉型的動力,一方面是由於我國一方面確實缺少新型產業工人;另一方面是我由於我國勞動豐富的國情,傳統的作業模式更有利於帶動大量的就業。但是隨著我國綠色轉型的戰略、老齡化時代的來臨、勞工成本的提升等多重壓力,這種模式已經到了非轉型不可的地步。

2、中國建造2.0—建築工業化。

“像造汽車一樣造房子”。建築產業現代化就是引入工業化的思維,用標準化設計、工廠化生產、裝配化施工和一體化實施等為主要特徵的建築生產方式。同時,又結合了現代化的產業組織模式和管理方法來管理建築產業,從而形成的完整的有機的產業模式。具體場景為:像生產汽車的“零配件到組裝成品”的思路,提前在工廠生產線裡進行標準構件生產,再運到工地,像搭積木似的進行拼裝。

其工業體系完全接近了汽車工業體系,包括新型建材的開發、研發創意設計、建築構件、現場的施工裝配。同時也包括類似汽車產業的後市場服務,同時也依賴於流水線生產設備、工程機械、電子商務等外部性支持產業。

   

                       

建築工業化在日本、德國等西方國家在這幾十年取得了長足的發展,主要有以下優點:一是有利於提供施工質量。裝配式構件是在工廠裡預製的,能最大限度地改善牆體開裂、滲漏等質量通病,並提高住宅整體安全等級、防火性和耐久性;二是有利於加速工程進度。效率即回報,裝配式建築比傳統方式的進度快30%左右;三是有利於提高建築品質。建築業的玻尿酸,可使建築產品長久不衰、永葆青春。室內精裝修工廠化以後,可實現在家收快遞,即拆即裝,又快又好。四是有利於調節供給關係。提高樓盤上市速度,減緩市場供給不足的現狀,買房從此不用徹夜排隊。行業普及以後,可以降低建造成本,可有效的抑制房價;五是有利於文明施工、安全管理。傳統作業現場有大量的工人,現在把大量工地作業移到工廠,現場只需留小部分工人就行啦,大大減少了現場安全事故發生率;六有利於環境保護、節約資源。現場原始現澆作業極少,健康不擾民,從此告別灰朦朦。此外,鋼模板等重複利用率提高,垃圾、損耗、節能都能減少一半以上。

3、中國建造3.0—數字建造

“像造智能手機一樣集成房子”—主要引入新型工化中“數字製造”的理念,基於BIM的平臺,並綜合運用信息技術、大數據、雲計算、人工智能等。形成從客戶需求分析、決策、規劃設計、審批、構件生產、智慧建造、智慧應用集成、智慧運維等全生命週期的數字實體融合。


中國建造3.0是在借鑑工業.0和數字製造等理念,在建築工業化的基礎上,進行的數字化升級,主要表現在以下幾個方面:

4、中國建造3.0到底是什麼?

第一,中國建造3.0是互聯。核心是連接, 要把設備、生產線、工廠、供應商、產品、客戶緊密地連接在一起。“中國智慧建造3.0” 適應了萬物互聯的發展趨勢,將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統、智能控制 系統、通信設施通過信息物理系統(CPS)形成一個智能網絡,使得產品與生產 設備之間、不同的生產設備之間以及數字世界和物理世界之間能夠互聯,使得機工作部件、系統以及人類會通過網絡持續地保持數字信息的交流。主要包括: 虛擬和現實的互聯、生產設備的互聯、設備和建築構件的互聯等。

第二,中國建造3.0是數據。在數字建造的背景下大數據將呈現爆炸式增長態勢。數字工廠的數據、建築構件的數據、建造過程產生的數據,將對企業的運營、價值鏈的優化和產品的全生命週期的優化起到重要支撐作用。

第三,中國建造3.0是邏輯。“邏輯-設計-建造”的古老建築學邏輯,將被重新設闡釋為“算法—形式—建構”的邏輯觀點來源袁烽 :城市建築)隨著近年來BIM標準化建設、PC預製工廠發展,數字建造也逐漸從前沿的研究課題走向實際的建造工程。但是作為一個完整的設計系統,數字建造在如今的工程應用中還只是鳳毛麟角,需要更多的專業人士投入來推動其發展。誠然,數字建造並不是萬靈藥,傳統建造方式的經驗和技術積累遠超過數字建造,如今的數字建造可能需要通過特殊的複雜造型才能體現其精確性、優越性,但隨著技術的發展、算法的進步,也許有一天數字建造變得便宜、便捷,或是社會需要模塊化的生產,那時我們如今的嘗試將變得有意義。

第四,中國建造3.0是集成。更多的智能化設備、傳感設備、嵌入式終端系統、智能控制系統、通信 設施基於BIM+大數據+雲計算 形成一個智能網絡,使人與人、人與機器、機器與建築、建築構件間以及服務 與服務之間能夠互聯,從而實現橫向、縱向和端對端的高度集成。

第五,中國智慧建造3.0是創新。其實施過程實際上就是中國建造創新發展的過程,包括技術、產品、模式、業態、組織等方面的創新將會層出不窮。尤其是建造過程中數字模擬技術拓展了人的想像力的實現,在加上新型科技材料、機器人精確加工、3D打印技術的應用,將產生出一些更絢麗的新工藝、新產品。

 

四、中國建造3.0—數字科技重新定義中國建造

1、從產品的角度

從中國建造3.0的角度,建築就是最終的產品,而建築是什麼?其實又是一個既簡單又複雜的問題。綜觀人類的發展,可發現建築本身也是不斷髮生變化的。從下圖可以看出,從建築的屬性、功能和建築與環境的關係也都不斷髮生的變化。“建築已經不是那個建築”。

                           

伴隨著BIM技術、互聯網、物聯網、大數據等發展。建築這個“特殊產品”的功能定義在不斷變化。建築由傳統的物理建築向智能建築甚至智慧建築演變。

同時建築的功能也原來的簡單的人的生活交流功能,日益變為“智慧應用服務和需求感知平臺”,未來的建築可能就像一個智能手機一樣融合了“物理模塊+信息系統+智慧應用模塊”三方面,成了可感知、會呼吸、有意識、能節能、會管理的“建築生命體”。

智慧建築:應用服務平臺+需求感知平臺 

2、從流程的角度

隨信息化的發展,數字化將貫穿於整個建築的全流程,從前期的需求調研、決策、設計、採購、建造、物流配送、智慧應用集成、智慧運維和回收都將伴縮著數字化技術。呈現物理信息功能融合+虛擬實體建造融合

同時,從流程的組織形式上也將結束“串行、有限互動、低效率”的形式,向“多組織協同、創新互動、高效率”的方向升級。例如:在設計之初就在基於BIM(工業級的構件可用UG等工業軟件)上協同平臺把材料、力學、熱工等工程師等加入產業鏈條中,與設計師進行探討,從而在保證一開始就保證物理功能的優化,在進入數字工廠和智慧施工。

 

3、從管理模式變革的角度

互聯網等技術的發展,將促進決策的快速化、行業監管的透明化和球企業間的相互協同性更強。將深刻的影響這行業的變革。一是行業監管的服務化。積極應用數字化手段讓監管更智慧、更多的行業大數據幫助有關部門的決策分析更高效;二是企業經營集約化。互聯網等保障企業更好的統籌人員、資金、採購和經營管理等,讓企業更集約和效;三是項目管理精益化。基BIM的建築信息模型和平臺協同,讓設計者、項目管理者、施工者更好的協同,使得項目做到零投訴、零障礙、零窩工、零閒置、零浪費和零事故,促進項目更加精益化。

 

4、從生產方式的角度

未來生產模式=社交平臺+個性化定製+數字工廠+智慧工地

在數字化時代,互聯網打破原來的信息封閉狀態,將發生以下的變化:1)生產和消費者關係的重構。消費者參與產品的參與設計中,生產者和消費者在“數字化平臺上”進行交互進行產品設計,進行定製化生產;2)供應鏈逆襲。先儘量尋找我們的消費者,徹底瞭解他們的需求,然後再設計產品、採購物料,產品生產出來之後,再通過物流和快遞送到消費者手裡去,然後用售後跟蹤服務,從後往前推導。(3)建造數字化。傳統的研發設計——實物樣品測試驗證(試錯、改正)——實物生產的生產組織模式,正在向基於CPS(BIM虛擬建造+實體建造)的生產方式轉變,即研發設計—虛擬仿真—測試、驗證—虛擬生產——實物樣機——實物生產,基於軟件實現產品、工藝、建造、運維等各環節設計、仿真、驗證,形成生命週期的數字化生產。除了建立數字化工廠系統,如:設計管理系統(虛擬仿真-測試-驗證)、基於BIM構件的計劃管理系統、生產管理和庫存管理系統等;(4)建造企業媒體化。把聚集在媒體的用戶群引流至企業,變成通過內容搭建直接將用戶吸引到企業的平臺上來,企業與用戶將發生顛覆和重構。企業自身變成媒體後,某種程度上比專業媒體擁有更高層次的功能。企業自媒體將比專業媒體更全面、深入。通過微博、微信等媒體,隨時隨地互動並傳遞企業經營的方方面面。 

四是建築工地智慧化BIM 三維設計平臺對工程項目進行精確設計和施工模擬,圍繞施工過程管理,建立互聯協同、智能生產、科學管理的施工項目信息化生態圈,並將此數據在虛擬現實環境下與物聯網採集到的工程信息進行數據挖掘分析,提供過程趨勢預測及專家預案,實現工程施工可視化智能管理,以提高工程管理信息化水平,從而逐步實現綠色建造和生態建造              

5、從產業組織生態的角度

由於數字化的發展和互聯網、移動互聯網的發展,傳統的組織邊界被打破。未來將藉助互聯網或建築產業雲平臺、形成以企業間協同研發、協同製造、協同集成、供應鏈協同為目標的產業生態,進而帶動整個社會的組織變革.

1)企業內部協同:傳統的大企業垂直化“金子塔結構”將被扁平化的組織形態所代替,形成“大平臺+小組織+創客化”。同時還包括:大企業內部“雙創”平臺、大企業社會化“雙創”平臺、建築構件數據平臺、電子商務平臺等。

2)產業鏈協同。基於雲思維搭建上下游資源整合的平臺。第一個是跨界,包括垂直跨界和水平跨界兩個方面。第二是融合,以互聯網+”促進兩化融合升級,加速滲透、改造、重建傳統行業。第三個是協作,縱向跨界裡面體現出的協同打破了傳統產業的分工界面,由交付結果轉向交付過程互聯網+”也促進了信息服務業和傳統行業兩大陣營,激活了新的經濟潛能。互聯網把這兩大陣營加在一起,裡面就有協同。縱向跨界更多的是協同,橫向跨界更多的是競爭。

3)社會協同。隨著互聯網的衝擊,未來的產業集群形態越來趨向一種有“消費者價值觀”為中心的、線上線下結合的雲平臺生態結構。例如;小米的智能硬件產業集群、上汽的全流程互聯網化、義烏的在線產業帶,都是試圖在搭建一個線上線下結合的平臺生態集群。以下圖某健康產業雲平臺生態系統為例。          

未來將由若干龍頭型的、具有社會企業思維的企業為主導,聯合各行業協會、研究機構合作。形成基於“線上線下”結合的平臺+生態圈,以產業價值中心為統領,以聯盟為組織形態,形成的眾創、眾籌、眾智、眾扶、眾包的行業生態。並按照最終形成協同發展與專業發展並存原則構建聯盟與生態圈,下圖是中關村智慧建築產業綠色發展聯盟:

 

6、從業態創新的角度

BIM+互聯網+虛擬現實”給中國建造行業帶來深刻變革,只有BIM才能解決建築行業大數據的構建、計算和管理;而互聯網一是幫助BIM技術實現廣域網的協同和共享,二是將產品價格、消耗量指標、造價數據信息透明化;虛擬現實更是在建造開始就讓人們看到了未來的真實場景。隨著這三項主要技術的發展,目前的建造行業也在上演了一幕幕“大眾創新、萬眾創業”的局面。各種新型的產業業態湧現。如:設計雲社區、垂直建材電商、線上建築課堂、供應鏈金融、建築徵信、虛擬看房等都早蓬勃發展。



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