理解数字化技术,推动建筑业进程

2022-06-24

随着工业4.0时代的来临,企业级和行业级的数字化革新使高质量建筑建设成为可能。数字化技术能为工业带来的最大“利好”在于高效率、低成本的数据复用和高度灵活性,可以迅速适应信息化的市场条件以及快速变化的人们的需要。而这种灵活性主要源于以下方面的创新:


  • 持续不断的数字化、自动化和网络化的进程

  • 着重以综合效益为导向的项目全生命周期

  • 优先考虑资源利用效率和可持续发展性


1、数字化下的社会变革


由于基础设施维护的现代化建设需要巨大的投资和建设任务来完成,建筑行业需要在保证环境和质量目标的同时,提高其生产效率,而提高建筑生产力的关键是数字化技术。


建筑企业、不同建造阶段以及施工场地的数字化建设给建筑方式带来巨大的改变。数字化可应用于多方多面,例如项目参与者、运输方以及下游企业之间的协同交流,数字化的规划过程、基于物联网技术的基础设施网络化管理以及工程预决算、工程建设文件管理等方面。


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01工业化


工业化的典型化特征是规模化生产,通过大规模生产把装配操作标准化、流程化,使得整个生产程序变得高效,从而解放生产力。通过工业模块化生产和制造工艺,提前制造整个组件和部分,从而缩短施工时间;通过标准化提高制造质量,并减少施工现场事故。批量生产通过开发可在整个产业不同项目实施的原型,降低了规划成本和时间,预制式结构的建造也不依赖于生产方法或特定的建筑材料。从国内外经验可以看出:较高的专业化水平是每个行业实现高质量发展的基础。目前,部分发达国家已基本形成了以通用部件为基础的专业化产业体系,新一代科技应用是发展重点。例如德国的建筑工业化与其制造业融合发展,信息科技含量高。政府是发展推动力,通过政策各方激励政策,把握宏观发展,带动建筑业企业对建筑工业化的认知与重视。


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建筑工业化发展


由于我国建筑工业化水平处于起步发展阶段,应当结合国内的各项经济条件、结构要求与施工技术来综合考虑建筑工业化的发展道路与方向,实现建筑全产业链的工业化。


02精益建造


相比制造业,建筑业产品质量和生产效率水平都不高,传统的项目管理方式无法满足工程项目复杂性和大型化的需要。1993年的IGLC(International Group of Lean Construction)大会上首次提出了“精益建造”。


建筑项目充满复杂性和不确定性,所以精益建造并不是简单地将精益生产的概念应用到建造系统中去,而是根据精益生产的思想,结合建筑项目的特点,对建造过程进行改造,形成功能完整的建造系统。精益建造需要运用拉动式生产方式,建造商根据市场需求决定产品的成型,再决定产品的施工。整个过程相当于由产业下游向上游拉动,物流和信息流结合在一起,尽可能保证较少的库存缓冲,同时运用最后计划者体系来保证流程的连续性。


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精益建造理论体系架构


精益施工是规划、设计和执行建设项目不可或缺的方法。精益建筑的根源在于精益生产,在制造业领域精益要求彻底改变了生产,采购和装配流程的设计和规划流程。同时,精益建造还基于精益思维方法,这些方法基于价值创造过程,以实现价值最大化并最大限度地减少过程中的浪费。在特定技术和工具的帮助下,精益理念被转移到建筑项目的规划和执行中。精益施工全面考虑设计规划以及实施流程,以更好地满足客户的需求。通过精益建造的方式可以最大限度地提高客户的价值并减少浪费。


03建筑业形态


数字化技术为建筑业产业的转型升级带来了历史性的挑战与机遇,在建造模式、经营理念、市场形态、行业管理等方面催生出了新业态。



“制造-建造”生产模式



建筑业正在朝着工业4.0时代迈进,信息集成技术是实现“制造-建造”的关键,高度自动化、智能化的生产线要通过数字技术支撑。不过“制造-建造”模式与工业产品规模化定制的主要区别在于工业产品的定制化需求强度、作业环境复杂程度远远低于建筑行业,所以实现规模化生产与满足定制化需求的统一,是当前建筑业亟待解决的问题。



建造服务化



从农业经济到工业经济、再到服务经济,这是世界经济产业结构变化不可或缺的大趋势。“产品+服务”是数字经济发展的产物,是一种新的业态形式,即在产品建造的基础上为客户增加服务功能,创造新的附加价值。数字化技术的发展是由“工业经济”迈向“服务经济”的助推器,大规模普及数字技术可使企业各种有形资产和无形资产的通用性不断增强,大幅降低生产成本和交易成本,使得企业在提供产品服务系统时呈现出明显的成本弱增性。



建造平台化



工程建造的资源配置是通过市场实现的,而数字技术催生出的数字经济颠覆了人们对市场的传统理解,也影响到工程建造市场,现在交易活动朝着平台经济转变。为了提高工程资源要素的利用效率,企业可以通过平台拓展使业务多元化,从而盘活闲置资源,优化配置紧缺资源。


2、建筑业革新


01新型建筑材料


随着全球对于碳排放以及气候问题的关注,各行各业也在加速发展新型“零碳”技术。根据IEA的“清洁能源跟踪报告2020”的数据,钢铁、混凝土、玻璃等建筑材料的生产约占全球能源二氧化碳排放量的10%。基于全球生态意识的普及,在建筑行业中可回收或者绿色材料,甚至是“零碳”、“吸碳”材料技术也在不断研究与推广中。


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基于IEA数据的建筑与施工行业占全球二氧化碳排放量比重


一般来讲,与传统建筑材料相比,一般新型环保类建筑材料有以下特点:低能耗,即利用废弃物,减少材料在生产过程中的资源浪费;少污染,即采用清洁的加工和生产过程,采用绿色环保的原材料;多功能,即不仅环保,同时保证安全性和耐用性。



新型混凝土



轻质水泥混凝土建筑原材料本身具有绿色环保的优势,加之材料本身密度非常小(将泡沫与水泥浆完全融合的制作技术),将传统水泥混凝土自重大的缺点进行了改进。在应用过程中,能够最大限度地提升对高层建筑物的承载能力。


智能化水泥混凝土一般指绿色生态水泥混凝土、空气净化水泥混凝土及生物相容型水泥混凝土等种类。通过在混凝土内部添加智能化物质,充分发挥水泥混凝土绿色生态的作用。


此外,目前技术研究还包括光纤传感式智能化混凝土、碳纤维智能化水泥混凝土、活性微粉类混凝土等。



新型保温材料



运用保温隔热材料是最有效的建筑节能方法之一。目前我国应用较多的新型绿色节能保温材料主要包括复合型硅酸盐保温板、真空隔热材料。气凝胶是近年来新兴的一类隔热材料,具有低导热系数和高孔隙率的特征。目前,很多研究团队正在研究生物质气凝胶材料,可用于转化和存储清洁能源。



新型墙体材料



墙体材料开始由天然材料转向合成材料。通过多种原材料的合成技术,实现材料间的优势互补。


目前国家公布的新型墙体材料包括非黏土砖墙体材料(如轻集料混凝土小型空心砌块墙体材料),建筑板材墙体材料(如玻璃纤维增强水泥轻质多孔隔墙条板、复合轻质夹芯隔板)等等。


02可循环建筑


建筑产业全生命周期能源消耗占全球能源消耗的37%,废弃建筑产物占据了全球废弃物总量的30%,可见建筑物的整体经济效益并不仅仅局限于建筑物的运行和维护,还涉及到建筑的拆除和再利用,也就是循环经济。主要包括设计减少废弃物和污染;保持产品和材料尽可能长时间的使用;实现再生自然系统。2021年发改委发布《“十四五”循环经济发展规划》中,全面部署了城市废旧物资循环利用体系建设、建筑垃圾资源化利用示范等的五大重点工程。


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建筑循环经济


比较典型的案例包括江西景德镇御窑博物馆,由朱锫建筑事务所主持建造,在造型、结构和材料上都从烧制陶瓷的窑炉中取得灵感,并使用了窑炉中每两到三年就需要淘汰的回收砖建造了主造型拱顶。上海徐汇区西岸文化艺术街区项目,将一个废弃的小仓库翻新成为“池社画廊”,使用回收的灰砖制作三维有孔洞的立面。


在建筑材料的循环利用方面,仍需对当前使用的建筑材料进行研究与创新,目前循环建筑案例中主要采用的可回收建筑材料包括:粘土砖,可用于新墙建设,压碎用作混凝土中的骨料。竹制品,常见于竹纤维组成的竹地板。使用后的竹子可以剥离成纤维,实现再利用。植物基聚氨酯泡沫板,通过使用植物油(如竹子、大麻油)来制造更适合环境的可持续的绝缘板。Hempcrete,一种混凝土的可持续替代品,由天然大麻纤维与石灰结合形成。目前研究表明,采用Hempcrete可以达到吸碳的作用,也就是“负碳”,但不能作为承重构件。ChipBoard芯片板,与马铃薯皮、再生木材、竹子和其他有机副产品相结合,可用作制作木板、家具等,可生物降解。


03建筑机器人


建筑界在使用数字化技术乃至机器人技术的步伐落后于工业。建筑机器人建造技术可以实现建造过程的自动化、信息化升级,并通过建筑信息系统(BIM)整合设计、施工、结构、管理等过程,最终实现建筑全生命周期的精准分析和精确建造。目前,建筑机器人装备共性技术主要研发方向在于机器人集成硬件系统与机器人移动技术。


(1)机器人集成硬件系统


控制器、执行器与传感器是机器人集成硬件系统的基石,对于三者基础原理的认知与对各类型硬件的调用与组合,使建筑师能够合理地构建原型机。

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建筑机器人组成主体


常见的工业机器人工具端执行器包括抓手、钻头、锯、锐刀、焊枪、真空及非真空吸盘、打磨器、喷枪和磁力吸盘等。目前,南加州建筑学院(SCI-Arc)、同济大学等院校与科研机构已实现通过建筑机器人执行器实现砖砌筑、线切割、塑料三维打印、瓷砖拼贴、纤维编制、金属弯折和塑料空间打印等建筑行为。


(2)机器人移动技术


现有的建筑移动机器人主要分为轨道式机器人与移动平台式机器人。影响机器人移动技术的因素除了硬件之外,导航与定位、通信与传感技术、运动控制、路径规划等相关技术是制约移动机器人成熟应用的主要因素。由于非结构环境、实时精确定位等特殊需求,机器人移动技术对相关技术的成熟性和稳定性的要求更加严格。随着传感器技术、信息物理系统等信息技术的飞速发展,移动机器人将迅速得到完善和发展,并在建筑智能建造领域扮演重要角色。


4、智能建筑关键技术


住建部印发《“十四五”建筑业发展规划》中可以看出,智能建造与建筑工业化是未来建筑业发展重点,具体涉及协同设计、装配式建筑、建筑产业互联网平台、建筑机器人等方面。目前常用于建筑业信息化、数字化以及智能化的技术主要有以下几大类。


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智能建筑关键技术


新一代信息技术,云计算、大数据、边缘计算、移动通信等。云计算技术提升信息化平台系统的可用性,实现海量访问、业务整合和数据存储。大数据可以充分挖掘建筑业数据的价值,根据大数据分析来制定企业发展战略与提升决策水平。边缘计算是实现建筑自动化系统的重要技术之一,快速分析处理来自传感器数据,整合多源数据,将这些数据转换成可执行的信息,提高建筑物的运行效率。


数字化技术,BIM、GIS、3D扫描、计算机视觉等。BIM技术集成设计、施工、运维等全生命周期建筑数据和项目业务流程数据,实现全流程的数据互通与业务系统共享,为各阶段及参与方的业务决策提供有力的数据支撑。GIS技术通过与BIM技术的集成应用,可实现城市管理、园区管理、建筑管理等多领域应用,常用于长线和大规模区域性复杂基础设施建设。三维激光扫描是全自动高精度立体扫描技术,把点云数据与设计图纸(BIM模型)连接起来,在构件设计、施工现场管理到竣工验收方面都有具体应用。


集成技术,自动化、机器人、物联网、人工智能、虚拟现实等。建筑自动化技术主要应用在通信自动化、楼宇自动化(即利用计算机等控制设备实现对各种空调、配电等系统的信息采集和自动控制)、办公自动化、消防自动化等。建筑机器人则通过运行预先编制的程序或人工智能技术制定的原则纲领进行运动,替代或协助建筑人员完成砌墙、搬运、安装、喷漆等施工作业。物联网技术则通过一系列传感器数据,实现项目进度的跟踪、施工现场环境监控、工人安全状态监管等等。AI的深度学习技术也为实现建筑业“智慧”运作与管理提供了基础。


未来数字化以及智能建造浪潮中,建筑业趋势是采用更成熟的3D打印技术、更实用的自动化技术、更智能化的建筑机器人。在建筑业管理方面会不断发展出更全面的全过程可视化管理,基于数字孪生和大数据分析的决策支持,以及基于城市信息模型(CIM)基础平台的智慧城市建设。


声明:内容由鲁班研究院原创发布,作者:罗天豆,吴韵嘉,主要数据来源IEA(International Energy Agency)转载请注明出处。


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