数字化驱动的建筑工业4.0研究

进入本世纪初,随着建筑信息化的持续发展,出现了大数据、云计算、人工智能新的技术形态,更重要的是BIM技术的成熟,建筑业的数字化开始走入了快车道。但什么是建筑数字化,也是仁者见仁,智者见智的。笔者认为建筑业数字化就是用“软件定义建筑产业”—包括建筑本体的模块化与数字化、建筑产品需求的个性化、生产施工过程的工业化与数字化、参与主体的数字协同化、行业组织的生态化等。

一、建筑业数字化的三个阶段

建筑业从传统向数字化转化不能一步到位,需要经历“点—线—面与体”的递进过程,也就是从最初的岗位级数字辅助,到人与人链接和对物的初步自动化控制,再到信息物理融合的过程。大概包括三个阶段:

(1)1.0时代——数字辅助时代。在过去的半个世纪中,计算机技术加速发展,而这种发展也为工程技术的革新开辟了新的途径。随着上世纪80年代CAD/CAE/CAM等CAX技术在工程中的深入应用,由此带来的设计观念、设计方法、组织形式的全面创新,实现了工程产品设计的现代化。同时,结合市场的实际应用需求,出现了建筑工程预算造价软件、算量等工程的成本预算辅助软件及办公软件。数字化在“建筑八大员”等岗位级别上逐渐展开。

(2)2.0时代——数字控制与数字链接。主要是上世纪90年代后随着电子信息和互联网等技术的深入发展,各种电子自动化控制系统应用生产领域,同时互联网技术也逐步在沟通和办公协同中发挥了作用。一些先进的国家如:日本和德国在上世纪90年代—本世纪初开始在建筑生产领域和建筑使用过程推行自动化控制。本世纪初互联网技术的发展更是许多建筑企业开始推动企业信息化建设,如:ERP、OA等建设。

(3)3.0时代—信息物理融合系统(CPS) 时代。进入本世纪初,随着大数据、云计算、人工智能等发展,更重要的是BIM技术的发展,软件开发和系统集成的理念也在开始向建筑业渗透,类似工业生产领域的产品全生命周期管理(PLM)的理念也在建筑业逐步开始应用,同时工业领域的“数字孪生”也开始受到大家重视。建筑业开始出现基于从客户需求分析、决策、规划设计、审批、构件生产、智慧建造、智慧应用集成、智慧运维等全生命周期的数字实体全面融合。

二、建筑业正在向工业4.0阶段迈进

BIM等数字技术的成熟使得建筑业开始日益显现出工业4.0的表现形态,主要包括:一是“软件定义硬件”的系统集成理念也在开始向建筑业渗透。类似工业4.0领域的,通过系统生命周期管理(SysLm)和产品全生命周期管理(PLM)在建筑业逐步开始成为共识和步入实践,这主要表现在BIM技术的成熟,能够集成建筑生产系统和建筑产品全生命周期,而且实现三维可视化;二是一些智能制造领域成熟的解决方案,如:“数字孪生、协同设计、个性定制也开始受到大家重视;三是生产设备的智能互联。工业4.0强调把智能控制 系统、通信设施通过信息物理系统(CPS)形成一个智能网络,使得产品与生产设备之间、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。这一点在建筑业的智慧工地建设上也开始得到体现四是生产组织形态结构上。建筑业生产组织模式也开始出现从“串型结构”向基于BIM等平台系统的,从分析、决策、规划设计、审批、构件生产、智慧建造、智慧应用集成、智慧运维等全生命周期的协同的“环形结构”。而且,建筑业还在持续演化升级。随着科技的发展,建筑数字化将向日益成熟的状态发展。尤其是人工智能、机器人、3D打印技术、虚拟现实等的技术的进一步发展,建筑业越来越来呈现出和工业4.0趋同性。

三、未来的新想象空间

随着科技的发展,数字建筑将向日益成熟的状态发展。尤其是人工智能、机器人、3D打印技术、虚拟现实等的技术的进一步发展。也许未来我们的数字建筑时代将出现两种场景:

一是建筑生产逻辑被颠覆。值得注意是:以上我探讨的建筑业演变仍然是基于“逻辑-设计-建造”的古老建筑学逻辑进行不断的升级。但是随着算法、3D打印技术、机器人和新材料等发展,一些建筑学者,如:同济大学袁烽教授等在在探索建筑的新可能基于“算法—形式—建构”的逻辑新数字建造。在操作层面,它充分利用计算机来实现设计与建造的紧密结合,从一开始就将这些要素作为参数,基于各种模型和算法进行模拟,然后用机器人代替人类劳作或用3D打印技术“打印”出来的建筑。

二是建筑成为“智慧生命体”。同时建筑本身也将成为一个可思考、可感知和自我进化的“建筑生命体”,建筑的每个“部件”都可以和人类交互,甚至可以收到我们的“意识控制”。

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