建筑技术丨智能建造在建筑工业化中的价值分析

以下内容摘自《建筑技术》2022年9月，  马克·戴维斯 ，寇清

1智能建造工业化基础

从技术发展历史的角度来看，智能建造仍处于技术发展的初期，其未来发展的可能性仍然很多。但是主要着力点主要涉及自动化的工作流程、工具和装备。

回顾建筑技术的发展，现在讨论最多的替代人们体力的工具最早的雏形可能已经存在了数千年。从公元前3世纪中国用于建造木制宫殿的预制技术到1920年代在柏林的施工现场最早被组装的预制混凝土板结构，工厂预制建造方式的早期例子已有2?000多年的历史。然而，以机械臂技术为代表的机器人技术，直到在1950年代被汽车行业成功使用之后才开始迅速发展，并向工程建设行业转移。工厂自动化遍及整个工业世界，建筑机器人技术在20世纪60~70年代开始浮出水面。面对由于人口老龄化和年轻工人不愿涉足而导致的建筑劳动力短缺，日本在20世纪70~80年代开始认真研究建筑自动化和机器人技术。日本建筑工程公司，如清水公司、大林公司和竹中公司创造了用于挖掘、搬运材料、浇筑和修整混凝土、防火、土方工程、放置钢筋和其他建筑任务的机器人和遥控机器。中国从21世纪初大型国有企业的主动投入研发，到近些年跨领域公司的入局，为工程建设行业不断带来新的智能化工具。清水建设机器人及管理系统如图1所示。

图1?清水建设机器人及管理系统

以上阶段重点关注的是机械设备的自动化，并将传统工作的一些环节用自动化的工具替代。然而在另一些情况下，自动化工具也可衍生出匹配新技术的新流程，也就是发展基于智能化技术的全新建造模式。这种结合了全新管理模式的智能建造很多时候是从工业化建筑（Industrialized construction–IC）发展而来。

工业化建筑是一个术语，用于定义建筑过程中材料、工艺和系统流程的整体部署，其主要思路、生产和管理手段，都充分借鉴了先进制造业。工业化建筑并不是智能建造的同义词，但两者从根本上是联系在一起的。因为自动化工具的日益普及使工业化建筑战略能够对建筑的生产建造方式产生根本性的影响。典型的工业化建筑有预制混凝土构件组装建筑、钢结构建筑、木结构建筑、模块化建筑等。模块化酒店如图2所示。

图2?模块化酒店

因其起源于制造业，工业化建筑提供了传统建筑中一直缺乏的确定性、安全性和工业级的质量保证。当下，建筑业与制造业及其他技术行业均出现了前所未有的融合趋势，加之全球企业、政府和学术界之间的合作，智能建造的繁荣已经逐步显现。来自BIM（建筑信息模型）和人工智能注入的自动化设计、分析和计算工具，已与快速发展的机器人技术和物联网（IoT）技术相结合。同时，更低成本的硬件，加上将机器人制造工作流程联系起来的新工作流程，为将工业机器人技术转移到建筑领域提供全新的机会。

2智能建造的价值逻辑

2.1可持续发展的需求

2.1.1符合碳排放要求

根据美国交通运输局的统计数据，美国建设行业在建造和拆除过程中产生的垃圾大约占全国总垃圾运输量的23?%。另根据“建筑2030”计划中涉及的调研报告指出，全球建筑业（包括其建造和运营）的CO2排放占全球CO2排放量的近40?%。

例如在一些模块化建筑的建造过程中，通过算法统筹的现场部署、增加回收和减少废料等环节可以最大限度地减少对环境的影响。有效地将工厂加工模块集中运输到工地，可以将工人的平均零散搬运量减少75?%，或者经过智能化改造的新型电驱动设备，单台机器可减少多达52?t的碳排放。

更加直观的是，由于建筑机器人往往比人类更快、更准确地执行任务，因此可以减少人为失误，且能准确地减少返工造成的材料浪费。例如，加拿大温哥华的智能城市在其预制模块化房屋中采用了机器人辅助安装，生产效率提高了15?%，完成速度提高了38?%，废物减少了30?%。

2.1.2改善劳动力市场

在不同的国家，资源短缺在建筑行业将突出的表现为劳动力资源的短缺。美国总承包商协会（AGC）最近进行的两项调查进一步证实了美国建筑业劳动力短缺的严重程度：80?%的建筑公司急需小时工；91?%的建筑企业预计在未来10年内将面临专业工程师危机；45?%的建筑公司表示培训技术工人的效率很低。在弥补实际工程需求和不断萎缩的劳动力市场之间的差距方面，智能建造有其独特的解决方式。

（1）以往传统建造经验和知识伴随专家的不断退休将不再流失，而是伴随智能建造的一系列软件和硬件技术得以传承。甚至智能建造的技术水平将是企业在人才市场中不断吸引优秀人才的手段。

（2）随着自动化装备融入实际工作现场，大量重复、低技术含量的工作不断被替代，这是那些装备最直接节约劳动力的途径。但是机器不会使工作本身智能化，只是使任务执行智能化。引入这种技术也可能会增加具有必要技能的工人的薪资，于是产业工人的概念也会出现在建筑业。咨询公司麦肯锡预计，如果各国承诺改善基础设施和经济适用房，到2030年智能化不但不会减少工作岗位的数量，还会增加2亿个建筑工作岗位。

（3）高校组织正在积极响应与智能化相关的新职业道路的探索与人才培养。其中苏黎世联邦理工学院、宾夕法尼亚大学、卡内基梅隆大学等学校创建了专注于智能建造未来的专业本科和研究生课程。

2.2生产效率提升需求

麦肯锡公司的一份报告指出，在美国，1947~2010年，建筑业的整体生产力几乎没有增加，而制造业的生产力却增加了8倍以上。那个时期恰逢制造自动化的技术大量普及的时期，最后由于自动化创造了对熟练技术工艺和工程师的需求，仍然有大量高附加值的新型制造业岗位出现。此外，智能建造会提高生产力，同时不会耗尽建筑工作机会。

虽然建筑设计阶段的自动化程序可以嵌入人工智能（AI）算法完成日常任务，并让设计师将更多的时间花在创意上，但对实际施工阶段效率的提升效果则可能更大。例如Apis Cor公司开发的3D打印机和3D打印混合物材料，用于高效地建造模仿传统混凝土砌块（concrete masonry unit）的竖向结构，并完全满足传统建筑结构规范的受力要求。

2020年初，Apis Cor公司3D打印了阿拉伯联合酋长国迪拜一座640?m2的两层政府大楼（图3）。该公司在现场使用了一种新研发的高粘度、基于石膏的3D打印混合物为打印材料，并采用起重机将一台动臂式3D打印机在现场移动以完成不同房间的打印建造，建造过程只用3名工人。之后，Apis Cor改进了其3D打印机，使其建造速度至少快了8倍，成本压缩至传统混凝土建筑的一半。

图3?Apis Cor在迪拜的项目

2.3工程现场保障需求

对工人来说建筑业是比较危险的行业之一。如果在高空焊接、临边作业、高压线路测试等危险的施工现场操作环节中，提前进行自动化模拟，并采用智能装备进行辅助实施，可使更多人避免受到人身伤害。有AI算法加持的智能装备将更具备聪明的“大脑”，避免人为疏忽，且具备一定的应急处理能力。

3智能建造的价值延伸潜力

3.1基于数据的业务分析

智能建造过程所涉及到的软件和硬件，其运行的数据本身有标准化、结构化和自动化的特点。而这些优质数据的再利用，将是伴随智能建造过程而产生的另一笔数字资产。根据这些海量的数据进行适当的分析，无论是有经验的管理者还是基于规则算法的数据管理平台，都可以更加容易地做出有预见性的判断与决策，进而帮助企业或项目提前规避安全、质量风险以及可能的成本风险等。据估计，仅在2020年不准确、不完整或不标准的数据就使全球建筑业额外损失了1.85万亿美元。而一个整合并管理良性数据的数字化平台确实可以帮助快速准确地整理和分析数据。

数字化转型的目标之一应是从工程伊始就开始关注和收集建造过程的关键数据，并进行结构化、标准化，然后通过这些数据了解建造过程每个环节进展、需要改善和应该保持的部分。随着大量数据的积累和算法的完善，数字程序逐渐变得“智能”，可使管理者和工程师了解接下来的项目如何优化。重复这个过程将逐步发展出一个协作的人工智能和配合人类工作的系统，人类的知识和经验向机器传递，该系统会随着不断更新而变得更加智能。然而，当今大多数建造过程保留的可以被数字化利用的信息还很少，大部分过程中本可以为同类项目做出指引的数据被分散地存储在不同的媒介中。更多建筑公司认为每个项目都是独一无二的，每个项目的数据也需要重新创建和积累，这样做必然非常低效。如果人们每次都从头开始建设项目，行业将永远不会拥有智能建造。所以，在打造属于自己的智能建造之前，首先要做好自身项目数据的总结和整理，而这又将是一个团队逐步提升和普及数字化思维的过程，不会因为数字平台的搭建一蹴而就。

3.2建造方式的可扩展性

在智能建造与工业生产深度融合后，当大量部品或部件存在于标准化生产的框架下，无论是单品还是组合构件，甚至一个独立房屋，其产品本身将具备跨项目类别、跨项目地域的可扩展性。这其中的可拓展性，一方面表现在工业生产的标准构件同样可满足人们对于个性化的需求，即通过标准化构件组装个性化的最终产品。例如不同户型，或者不同应用场景的病房，本质上可以被标准化的构件灵活组装而成。另一方面，工业生产的产能将被有效带动，标准构件的生产周期将超前于项目进度本身，只要保证相对稳定、可预测的供应量和需求量，大量的构件可被提前生产并有序存放，结合大型构件运输与仓储业的发展，构件的独立生产、采购和运输体系将可形成新的商业模式。这些只是智能建造可能拓展出的新业态的一部分。

4结束语

在过去的50年中，建筑领域数字化和自动化水平有显著提高，并已经在解决一些建筑施工行业的困扰上展现出一定的先进性，它将吸引对先进技术有兴趣、有抱负的年轻从业人员，通过更高效、更智能的技术继承过去传统的经验和知识，并进一步发扬光大。智能化在解决行业技术人员短缺困扰的同时，也逐渐改变了行业过去过度依赖口口相传的知识传递的方式。可改善施工现场条件，使工作场所更安全，并通过数据的积累和治理让数据具备一定的洞察力，辅助人们及时做出预判和分析。随着智能建造的发展，使用自动化技术、非现场模块化预制、机器人和智能装备等技术，可助力建造具备可持续发展理念的建筑，创造更美好的世界。

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