王煜全

文章作者：

王見宇，就職于美國戰(zhàn)略咨詢公司Lux Research，從事高新材料和先進(jìn)制造領(lǐng)域全球創(chuàng)新科技的研究，關(guān)注領(lǐng)域包括碳纖維及增強(qiáng)復(fù)合材料，3D打印以及材料信息學(xué)等。

數(shù)字化工具和機(jī)器人在建筑市場的應(yīng)用

說起人工智能，大數(shù)據(jù)等技術(shù)詞匯，人們通常都不會(huì)把它們和看似傳統(tǒng)的建筑行業(yè)聯(lián)系在一起。原因之一是這些科技要想實(shí)現(xiàn)作用，就需要應(yīng)用層面上的數(shù)字化，這是目前建筑行業(yè)比較薄弱的環(huán)節(jié)。另外，傳統(tǒng)的建筑過程不但要處理大量不同材料的使用安裝和各種機(jī)械的操作，而且還要在建筑現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際情況作出變化，因此建筑過程的復(fù)雜性以及不確定性也是高新科技難以從根本上撼動(dòng)傳統(tǒng)流程的原因。

但是，如同各個(gè)行業(yè)正在發(fā)生的指數(shù)型增長一樣，建筑行業(yè)的數(shù)字化乃至人工智能化已經(jīng)出現(xiàn)萌芽，并且在一些領(lǐng)域展現(xiàn)了出人意料的進(jìn)展。創(chuàng)新科技已經(jīng)滲透到了建筑流程的各個(gè)環(huán)節(jié)。

建筑設(shè)計(jì)：

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)使用的軟件都屬于CAD（Computer Aided Design），但是CAD的使用并不便利，尤其是比較難做系統(tǒng)性的修改和模擬。目前市場上比較流行的技術(shù)是建筑信息建模BIM（Building Information Modeling），BIM的各種模擬是基于同一個(gè)建筑模型，因此只要修改模型中的某個(gè)參數(shù)，各項(xiàng)模擬的結(jié)構(gòu)都會(huì)隨之更新。

BIM目前在建筑設(shè)計(jì)中的廣泛使用也造就了Autodesk這樣的公司在BIM軟件開發(fā)中的領(lǐng)袖地位。目前的BIM不但可以構(gòu)建和模擬建筑材料或者模塊的幾何形狀，空間關(guān)系，物理性質(zhì)及其他功能參數(shù)，地理位置和氣候，而且也可以把各個(gè)建筑材料或模塊的成本和物流進(jìn)度做綜合管理。

在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的創(chuàng)新公司是很難和Autodesk這樣有實(shí)力的企業(yè)直接競爭的。因此，創(chuàng)新公司的軟件研發(fā)差異化主要沿兩個(gè)方向展開。

第一個(gè)方向是在BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上添加虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），并且模擬和預(yù)測該建筑在綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)的打分。比較有代表性的公司是VIMtrek。

第二個(gè)方向是把BIM平臺(tái)上的建筑整體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成一個(gè)個(gè)可以被預(yù)制的模塊，并把模塊的生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)給不同的預(yù)制模塊生產(chǎn)商。這樣整合多個(gè)模塊生產(chǎn)商的產(chǎn)能和個(gè)性化能力，使得預(yù)制建筑模塊滿足建筑設(shè)計(jì)的個(gè)性化成為了可能。比較有代表性的公司是Project Frog。

需要指出的是，VIMtrek和Project Frog同樣都開發(fā)了獨(dú)有的軟件系統(tǒng)，但他們在業(yè)務(wù)模式上有著很大不同。VIMtrek以SaaS模式讓軟件服務(wù)于廣大設(shè)計(jì)師、開發(fā)商以及總承包商。而Project Frog把軟件僅限于自用，利用軟件把自己接到的建筑項(xiàng)目分拆成一個(gè)個(gè)預(yù)制模塊并把模塊的生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)到其各大供應(yīng)商。

預(yù)制建筑模塊的制作中：

在建筑設(shè)計(jì)完成之后，預(yù)制建筑模塊的生產(chǎn)商就要按照設(shè)計(jì)的具體要求來生產(chǎn)模塊。目前全世界預(yù)制建筑模塊的生產(chǎn)有很多家，其中比較大的公司是中國的企業(yè)遠(yuǎn)大住工，工業(yè)化和自動(dòng)化水平都很高；另外在全球范圍內(nèi)有很多規(guī)模較小而且自動(dòng)化水平較低的公司。所有這些公司都有一個(gè)生產(chǎn)中的痛點(diǎn)，就是他們所生產(chǎn)的預(yù)制建筑模塊受限于一些有限的模板，無法完全做到個(gè)性化。

要想解決預(yù)制模塊生產(chǎn)中的個(gè)性化問題：

一個(gè)解決方法是像Project Frog那樣依靠龐大供應(yīng)商群體的多種產(chǎn)品線來覆蓋客戶的個(gè)性化需求。

另一個(gè)解決方法是切實(shí)提高生產(chǎn)工序滿足個(gè)性化的能力，這是建筑自動(dòng)化中的難點(diǎn)，而且目前沒有公司能在自己的車間中按照BIM或者CAD的建筑設(shè)計(jì)文件來針對各種預(yù)制建筑模塊（比如外墻，內(nèi)隔墻，屋頂，樓板等）實(shí)現(xiàn)個(gè)性化。目前比較可喜的是，一些創(chuàng)新型公司正在一些細(xì)分的模塊領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化的生產(chǎn)。

一個(gè)著名的例子是上海盈創(chuàng)，這家公司用3D打印方式生產(chǎn)混凝土預(yù)制模塊用于室內(nèi)裝飾或者建筑外墻，在迪拜剛剛完成了第一個(gè)商用案例。

另一個(gè)例子是美國公司Blueprint Robotics，這家公司開發(fā)了機(jī)器人系統(tǒng)可以按照用戶的CAD或者BIM設(shè)計(jì)制造墻體模塊。具體而言，Blueprint Robotics所造的模塊是與設(shè)計(jì)完全一致的，并且為門窗，水利電力管線等各種系統(tǒng)預(yù)留了空間。

在建造流程上，機(jī)器人極大程度地取代人工覆蓋了整個(gè)流程，從定向刨花板框架的裁切，石膏板在刨花板框架中的固定，到墻內(nèi)電子及防火系統(tǒng)的安裝，再到隔熱材料以及支持結(jié)構(gòu)的安裝。預(yù)制墻體模塊做好后，只需要運(yùn)輸?shù)浇ㄖさ?，在?dāng)?shù)仄囱b并涂刷涂料。

預(yù)制建筑模塊生產(chǎn)的自動(dòng)化和人工智能化是個(gè)行業(yè)難點(diǎn)，但也是諸多創(chuàng)新性公司涉足的熱點(diǎn)領(lǐng)域。雖然目前整體的突破并不明顯，但是隨著盈創(chuàng)和Blueprint Robotics這樣的公司的示范作用和其他公司的跟隨和自主研發(fā)，這一難點(diǎn)會(huì)被一步步克服。

比如這一難點(diǎn)會(huì)先從某些具體種類的模塊攻克，然后逐步擴(kuò)張到其他的模塊的生產(chǎn)當(dāng)中，從而最終實(shí)現(xiàn)各種模塊的生產(chǎn)能由高度自動(dòng)化和靈活度的人工智能來完成。

建筑現(xiàn)場的操作：

建筑現(xiàn)場預(yù)備和模塊組裝是建筑過程中需要在實(shí)地完成的操作，也是機(jī)器人目前非常難實(shí)現(xiàn)全流程的自動(dòng)化。主要原因是建廠施工的環(huán)節(jié)涉及到的材料和工具種類繁多，對機(jī)器人的適應(yīng)性要求很高。由于建筑現(xiàn)場要完成的工序過多，目前沒有一家創(chuàng)新企業(yè)可以包攬這諸多工序，而是只集中解決某一兩個(gè)工序中的具體需求。

一個(gè)明顯的例子就是磚頭的壘砌。通常的磚頭壘砌過程都是人工來完成，效率低而且準(zhǔn)確性比較差。有兩家機(jī)器人企業(yè)正在進(jìn)入磚頭壘砌的市場，其中一個(gè)是Construction Robotics，另一個(gè)是FastBrick Robotics。

這兩家公司開發(fā)的機(jī)器人都可以用機(jī)械手臂自動(dòng)拿起磚頭，涂抹水泥并按照建筑設(shè)計(jì)的BIM或者CAD文件選取不同樣式的磚頭碼放到指定位置。

前者的機(jī)器人目前只能橫向移動(dòng)，一次碼放一扇墻，后者的機(jī)器人可以坐在建筑工地的一個(gè)角落，用高而長的機(jī)械手臂把磚頭輸送并碼放到建筑的指定位置。兩家公司相比，Construction Robotics實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目很多，而Fastbrick Robotics還處在比較早期的市場滲透階段。

另一個(gè)例子是建筑現(xiàn)場的土方搬運(yùn)?，F(xiàn)有的絕大多數(shù)工程中依然需要有人來操作推土機(jī)完成。這里分享兩個(gè)開發(fā)無人操作推土機(jī)的公司。一家是日本的企業(yè)Komatsu，另一家是美國的企業(yè)Autonomous Earthmoving Equipment。

這兩家公司基本都是利用飛行機(jī)器人的3D激光掃描來判定和計(jì)算施工現(xiàn)場的各具體位置需要移動(dòng)多少立方的土，并以此來指揮推土機(jī)進(jìn)行工作。

目前兩家公司推出的產(chǎn)品都是有人來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，一個(gè)人可以操作4臺(tái)推土機(jī)同時(shí)工作。在不久的將來，相信土方搬運(yùn)可以實(shí)現(xiàn)完全的無人化操作。

還有一個(gè)必須要提的是AR在建筑施工現(xiàn)場的應(yīng)用。與磚頭壘砌和土方搬運(yùn)相比，AR是比較容易在短期內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的。

AR的主要優(yōu)勢在于可以提示建筑施工人員應(yīng)該在某個(gè)位置安裝某個(gè)預(yù)制的建筑模塊，以及該模塊的具體屬性。而且，AR還可以提示建筑施工人員該用何種工具，何種操作來進(jìn)行操作，這也能大大減少施工人員的培訓(xùn)成本。在AR的建筑應(yīng)用方面比較領(lǐng)先的公司有Insiter以及Bentley。

我們以上所舉的例子是數(shù)字化工具和機(jī)器人在建筑設(shè)計(jì)，預(yù)制模塊制備以及施工現(xiàn)場各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中的應(yīng)用案例。實(shí)際當(dāng)中的產(chǎn)品和應(yīng)用案例并不只是我們所提到的這些公司。

總體來看，數(shù)字化工具和機(jī)器人正在以比人們預(yù)想的要快的速度進(jìn)入建筑領(lǐng)域。在長遠(yuǎn)來看，機(jī)器人在數(shù)字化的基礎(chǔ)上逐步取代人工，甚至是絕大程度上取代人工將只是個(gè)時(shí)間問題。

以上這些信息對于中國而言是喜憂參半的。

憂的一面是這些技術(shù)的應(yīng)用會(huì)使得建筑工人的工作被替代，其中少量建筑工人能夠通過學(xué)習(xí)和機(jī)器協(xié)作來實(shí)現(xiàn)從勞動(dòng)力向工程管理角色的過渡；眾多人會(huì)因此被迫轉(zhuǎn)入其他行業(yè)。

這個(gè)恐怕是國家不愿意看到的，不過數(shù)字化工具和機(jī)器人對建筑工人的廣泛取代短期之內(nèi)還不會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

喜的一面是這些技術(shù)的應(yīng)用可以帶來極大的效率和質(zhì)量的提升，并且有可能使得未來的建筑業(yè)成為一種更加以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的行業(yè)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)文件生成之后剩下的工程可以在很大程度上由機(jī)器人來完成。

更重要的是，中國的龐大人口，經(jīng)濟(jì)體量以及生活需求的變化將會(huì)帶來對新建建筑的持續(xù)性需求，這位中國建筑領(lǐng)域的巨頭利用全球技術(shù)充實(shí)自己的實(shí)力，提供了實(shí)際的商業(yè)保證。

或許未來有一天，人類對建筑設(shè)計(jì)的個(gè)性化和建筑過程的自動(dòng)化就如同目前的3D打印一樣方便和省心。

我是王煜全，您的全球科技前哨偵察兵。

今天是前沿偵察的第274天。

王煜全

關(guān)于建筑領(lǐng)域的創(chuàng)新科技，你還有哪些想法想要和王博士探討呢？歡迎到留言區(qū)寫下你的看法。王博士將會(huì)在周末選出幾個(gè)最有價(jià)值的問題作答。

哨所觀察

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舒婷

21

終于聽到了和我從事的行業(yè)最貼近的分享，我在這個(gè)行業(yè)積累了16年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，知道應(yīng)用需求點(diǎn)—— ，也愿意投點(diǎn)資，從事這個(gè)行業(yè)先行者的一些工作，希望王老師的帶領(lǐng)下 ，整合這方面資源，在建筑行業(yè)做點(diǎn)有價(jià)值的事。

03-16 06:58:40

Apprentice-胡欽元

9

建筑技術(shù)智能化可以極大的提升效率和質(zhì)量，老師說的喜憂參半其實(shí)可以通過應(yīng)用揚(yáng)長避短，城鎮(zhèn)化進(jìn)程本來就是東西失衡，未來在“一帶一路”進(jìn)程中，東部地區(qū)可以用來提升效率和質(zhì)量，解放的人工會(huì)引向西部進(jìn)行開發(fā)；這樣就可以人工就業(yè)和效率提升兼顧。再有就是有的省市在“一帶一路”中沖鋒在前，可以大幅用智能提升效率，有的省市保守，可以繼續(xù)使用人工慢慢觀望適應(yīng)，國外也一樣，比方說東盟合作多進(jìn)展快，智能科技可以大幅提升我國科技形象，質(zhì)量好、節(jié)約成本?？傊?，就像經(jīng)濟(jì)特區(qū)帶動(dòng)改革一樣，科技特區(qū)先行，爭取適應(yīng)時(shí)間，總有妥善安排勞力的新科技相應(yīng)工作出現(xiàn)，所以我看著全是喜，很樂觀。

03-16 06:58:01

張輝

5

很驚喜看到傳統(tǒng)行業(yè)也有機(jī)器人的影子，有幸在高中升大學(xué)的暑假里，體驗(yàn)過兩個(gè)月的工地生活，從這篇報(bào)道里看，落實(shí)到具體施工，只是瓦工的部分工作被替代，像砌墻，但是還有很多機(jī)動(dòng)性比較強(qiáng)的工作沒有被替代，比如粉刷，打混泥土，此外像木工，鋼筋工的工作沒有提到，一棟大樓是由這三個(gè)工種配合來完成的，個(gè)人認(rèn)為想要實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的機(jī)器換人，至少10年路要走，而那時(shí)現(xiàn)階段的農(nóng)民工已經(jīng)老了，已經(jīng)不適合這樣重體力的行業(yè)，必然是受過基礎(chǔ)教育的年輕一代頂上，若想要不被人工智能替代，從教育入手，讓 IT 教育成為普遍，新一代的建筑工人可以和機(jī)器協(xié)作，不見得會(huì)引起失業(yè)的恐慌，畢竟新建筑工人的基數(shù)要小很多。

03-16 08:19:27

靜姝

4

謝謝王博士的供稿，我女兒終于聽到3D打印的具體應(yīng)用了。她現(xiàn)在學(xué)的3D打印的制圖軟件，是可以設(shè)計(jì)任何物品的，她就在設(shè)計(jì)一所房子加家具，昨天說做了一個(gè)空調(diào)的外觀設(shè)計(jì)。打出來的用她的話說只是模型。她說模型又不可以用，也沒有那么多材料，她就不明白3D打印到底就是打個(gè)玩具模型出來嗎？看來3D打印用于建筑行業(yè)還是很可行的。還有一個(gè)有趣的事，前幾天比爾蓋茨在微信開了個(gè)公眾號(hào)，小家伙看到了，上面說可以提問題給蓋茨，說蓋茨會(huì)回答，人家是說關(guān)于慈善的吧！小家伙也去提了個(gè)問題，就是問3D打印以后的可以具體做什么？她想聽聽蓋茨怎么說。她還等著回答天天看她的微信。結(jié)果是過了回答的日子，她當(dāng)然沒有等到，很失落。希望王博士從建筑的角度講一下3D打印的發(fā)展應(yīng)用。真的可以將設(shè)計(jì)好的桌子椅子床等打印出來嗎？

03-16 08:16:09