推動智能建造與建筑工業化協同發展 打造產業轉型升級新動能

文｜劉剛

2020年，住房和城鄉建設部聯合多部委發布了《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》（下文簡稱《指導意見》），指出智能建造與建筑工業化融合發展，對推動建筑業轉型升級和高質量發展意義重大。智能建造在工業化建造和數字化建造的基礎上，通過信息技術與建造技術的深度融合，結合先進的精益建造理論方法，實現工程項目的成功交付。

為什么：發展智能建造的意義和目的

建筑工程項目建設周期長，資金投入大，地點分散、多專業、多關系方、流動性強等特點，導致建筑業工業化與數字化水平明顯落后于其它產業。在數字化變革新時代，應用數字技術結合精益建造的理論和方法，提質增效，提高建造與管理水平，促進產業數字化轉型升級迫在眉睫。

在此背景下，高質量發展成為建筑產業發展的核心訴求，也將成為“十四五”期間建筑產業發展的主旋律。這不僅是產業轉型升級的內在要求，也是不斷滿足人民日益增長對美好生活需求的必然選擇，同時還是實現碳達峰、碳中和的重要舉措。《指導意見》明確提出要圍繞建筑產業高質量發展總體目標，以大力發展建筑工業化為載體，以數字化、智能化升級為動力，創新突破相關核心技術，加大智能建造在工程建設各環節應用，形成涵蓋科研、設計、生產加工、施工裝配、運營等全產業鏈融合一體的智能建造產業體系，提升工程質量安全、效益和品質，有效拉動內需，培育國民經濟新的增長點，實現建筑產業轉型升級和持續健康發展?！吨笇б庖姟返某雠_，堅定了建筑產業走高質量發展道路的決心，明確了智能建造與建筑工業化協同發展的轉型路徑，為產業發展指明了方向。

是什么：智能建造的概念與內涵

智能建造的概念與內涵

對智能建造的定義，不同專家學者和機構都有不同的理解和詮釋，目前還沒有確定的定義。本文認為智能建造是在工業化建造和數字化建造的基礎上，通過信息技術與建造技術的深度融合，結合先進的精益建造理論方法，推動工程項目的全過程、全要素、全參與方的數字化、網絡化、智能化，實現全數字化虛擬建造和工業化數字孿生建造，并交付數字虛體建筑和物理實體建筑兩個建筑產品，從而推動生產力升級和生產關系重塑，實現讓每個工程項目成功的產業目標。

智能建造的本質不僅僅是生產工具的升級，而是代表了一種新型生產力。建筑業要實現高質量發展，則需在數字技術引領下，以新型建筑工業化為核心，以智能建造手段為有效支撐，通過綠色化、工業化、信息化的三化融合，將建筑業提升至現代工業級的精益化水平。智能建造需要以建筑產業互聯網平臺為支撐，與精益建造的理念與方法有效結合才能有效實現讓每個工程項目成功的產業目標。

圖1 智能建造的內涵

智能建造的技術路線演進

智能建造的發展不是一蹴而就的，而是數字化、網絡化和智能化疊加演進的過程。即數字化建造、網絡化建造和智能化建造三個演進階段。

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

圖2 智能建造的演進階段

廣聯達科技股份有限公司研究院院長 劉剛

網絡化建造。網絡化是在數字化基礎上，通過CPS（信息物理系統）與物理世界中的生產對象、生產活動、生產者、生產要素進行泛在連接、全面感知和實時在線，并與數字世界中的虛體模型進行實時映射和虛實互聯，形成虛實映射的數字孿生，將建筑本體以及人、機、料、法、環等生產要素等物理實體，與數字虛體模型進行泛在連接和相互映射。通過數字孿生展示、預測、分析數字模型和物理世界之間的互動過程，通過算法和模型進行分析決策，對物理實體進行控制和調整。

智能化建造。在數字化和網絡化的基礎上，通過數據+算法，結合人工智能技術和機器人技術，形成人、機、物的交互與深度融合。智能化將是未來建筑業發展的方向，通過人工智能的深度學習和行業知識圖譜等技術的支撐，例如在建筑工地現場，通過云端的項目大腦和機器人等，將逐步實現對人工作業的勞動力替代和腦力增強，逐步實現少人化和無人化的自主管理、自動作業的場景。

做什么：智能建造應用場景及價值

圖3 數字孿生下的智能建造場景

在智能建造的創新驅動下，將對工程項目的生產活動、生產要素和管理要素及參建各方產生深遠影響。就像工業4.0 中的場景，智能建造將實現未來的建筑“兩次建造”，先虛擬建造，再實體建造。同時，將構建數字生產線和物理生產線“兩條生產線”，基于“數字生產線”實現智能化設計、智能生產調度、智能施工調度等數據流動的自動化；在“物理生產線”，通過數字工地與實體工地的數字孿生，實現對人員、機械、材料等各要素的實時感知、分析、決策和智能施工作業。

智能設計場景

基于數字孿生的智能設計，以建筑產品需求為導向進行全專業集成設計，各方通過BIM 模型全方位協同參與到項目的設計、模擬，將施工、運維以及建造過程中可能出現的核心問題前置論證，整合全參與方與全要素，對工程項目的設計、采購、生產、施工和運維全生命周期進行智能化、參數化模擬仿真，系統化進行全過程模擬、全參與方迭代和優化。通過往復反饋在數字世界消除各種工程風險，解決設計建造一致性差、變更多、成本高、進度超期等問題，追求滿足建筑產品需求的最高性價比設計，最大限度地消除和減少建造過程中的設計變更，得到實現符合需求的產品方案，質高價優的造價方案，施工和生產可行的實施方案，以及可維護的服務方案。如圖4所示為基于數字孿生的智能設計場景，打造全數字化樣品，指導實體建造和建筑運維。

圖4 基于數字孿生的智能設計

智能生產場景

基于數字孿生的智能生產，通過數字生產線，基于數據驅動實現自動化排程和精益化生產，將工廠與工地現場形成有機整體。如圖5所示為基于數字孿生的智能生產，下面將從多個維度剖析。

圖5 基于數字孿生的智能生產

工廠智能化生產。在數字生產線進行任務分發、智能計劃排程、生產參數優化、智能時序配送、作業面管理、質量管理等。在物理生產線，通過引入數控機床、機械手臂等先進生產設備，可以實現生產設備的自動化、柔性化生產，從而規?；瘜崿F構件及部品的大規模、個性化生產，實現建筑從現場建造向現代工廠制造的轉變。

“廠場”一體化聯動。通過融合工廠生產和現場施工的一體化“項目大腦”，充分連接工廠和現場。以現場工業化施工驅動工廠智能化生產，通過任務驅動的方式實現生產排產、備料采購、構件生產自動化流轉。目前智慧工地實現了基于云的智能化現場作業，而智能調度系統通過最小作業單元連接工廠和現場，形成“廠場”一體化的智能化閉環流程，達到“廠場”一體化緊密聯動。

智能施工場景

基于數字孿生的智能施工以工序為核心進行線上數字虛擬建造與線下精益實體建造，先模擬后實施，以精益理念推動精準管理，實現數字孿生精益建造。在建造過程中，通過在線化對實體建造成果進行反饋，實現過程動態調整和優化。其中虛擬建造包含線上的深化設計、進度排程、資源采購和施工模擬，實體建造包括線下的資源供應、施工作業、驗收交付和現場措施。通過數字和實體兩條生產線，實現數字孿生、虛實聯動的精益建造。

圖6 基于數字孿生的智能施工

智能服務場景

基于數字孿生的智能服務主要面向項目建造過程中和運營過程中的生產服務、機械設備服務、運維服務等內容。例如，如圖7所示，通過數字孿生平臺，可實現工程機械設備的在線管理，遠程的運維服務。

圖7 基于數字孿生的智能服務

對于機械設備的供應商來說，可實現由出售設備向出售服務轉變。工地現場的機械設備運行情況和作業軌跡，可以通過工程物聯網實時反饋到數字孿生平臺上，實時映射到數字工地上，可視化監控施工機械設備的作業情況，同時根據機器運行的大數據進行分析，診斷機械設備的健康狀態，從而進行預測性維修維護，提升了設備使用效率，延長了使用壽命周期。同時，設備供應商可以根據數據分析，將迭代的舊機器收回，再把升級的新機器送過來，從而低成本地實現技術迭代。施工企業則可以按照使用時間付費，閑置時不產生費用，使用完可以交還，不用負責設備的維修和保養，大大降低了機械設備的使用成本。

智能建造的價值

圖8 智能建造將賦能產業“三全”升級

工程項目作為建筑業生產和經營活動的業務原點，其全要素、全過程、全參與方的升級是項目成功的關鍵。通過智能建造,將打造“軟件+數據”的數字生產線，推動工程建造過程從傳統的實體建造，轉變為全數字化虛擬建造和工業化實體建造。賦能項目全過程，實現設計、采購、施工、運維一體化，再結合精益建造的理論和方法，更高效地提升生產效率。通過數據驅動和加快數據要素的自動化流動升級生產要素，優化“人、機、料、法、環”等生產要素的配置。通過智能建造的平臺連接有效實現項目的建設方、施工方、設計方、供應商等各方主體的協同協作，打破相關企業邊界，形成網絡化、集成化的多方協同協作，改進生產關系。

結語

智能建造代表了建筑產業“數字化、工業化、綠色化”的發展方向，通過軟件和數據定義的數字生產線與物理實體生產線的數字孿生，不僅可以優化資源配置，最大化減少浪費，保障項目成功，還能加快產業轉型升級，形成國民經濟新的增長點。由住房和城鄉建設部信息中心組織編寫的《中國建筑業信息化發展報告2021》（以下簡稱《報告》）全面貫徹高質量發展理念，以智能建造為主線，對當前我國建筑產業智能建造現狀進行了詳細調研，展現智能建造關鍵技術、設計、生產、施工、運維、裝備、建筑產業互聯網等智能化、創新應用和典型場景，收集整理了最佳實踐案例，對智能建造的未來發展做出展望，為推動智能建造提供了系統性的方法和實踐指導?！秷蟾妗返某霭?，既是對當前智能建造落地應用的有益總結，又為行業綠色化、工業化、數字化發展提供了可借鑒經驗和指導，以實際行動助力行業高質量發展。