华科论道：智能建造推动建筑产业变革(2019.11.30)

智能建造推动建筑产业变革华中科技大学丁烈云2019年11月30日华科论道•北北京中国经济社会发展的两大驱动轮:大制造、大建造大制造大建造制造业:高速工业化进程造就大制造建筑业：高速城镇化进程引发大建造n 我国是建造大国中国经济社会发展的两大驱动轮:大制造大建设p 我国是建造大国• 元旦贺词：中国制造、中国创造、中国建造共同发⼒力力，继续改变着中国的⾯面貌。10大高层建筑（6）10大最长大桥（8）20大港口（14）20大水电站（11）地铁总里程：1/2高铁总里程：2/34北京大兴国际机场港珠澳大桥南海岛礁500米口径球面射电望远镜• 阿卡迪建筑资产指数：全球第一，超过美国• 一带一路：基础设施先行• 从业人数：5563.30万人• 城镇化率：59.58%p 我国是建造大国• 大量建筑寿命不到40年，仅相当于欧洲建筑的1/4产品性能欠佳资源浪费巨大安全问题突出环境污染严重生产效益低下• 每M²用钢比发达国家多10%以上,每M³混凝土多用80公斤水泥，新建筑能耗是发达国家的3倍以上。• 施工行业报告死亡人数达到3843人• 建筑垃圾占垃圾总量的30%～40%p 问题与挑战美国《2016-2045年新兴科技趋势报告》2017年公布11、先进数码设备12、先进材料13、太空科技14、合成生物科技15、增材制造16、医学17、能源18、新型武器19、食物与淡水科技20、对抗全球气候变化1、物联网2、机器人与自动化系统3、智能手机与云端计算4、智能城市5、量子计算6、混合现实7、数据分析8、人类增强9、网络安全10、社交网络Ø 世界各国普遍关注变革性技术的发展与应用p 抓住全球新一轮科技革命的新机遇Ø 美国：《美国基础设施重建战略规划》，美国白宫，2017产品• 建筑和基础设施安全（韧性）、绿色与耐久过程• 建造的经济效益、可持续创新• 新材料与新技术研发（支持可持续、耐久和成本节约）：人工智能、信息技术和建筑材料• 2025年降低基础设施全寿命周期成本50%• 2030年达到100%的碳中性设计p 各国有关建造的发展战略Ø 英国：英国建造2025（《Construction2025》，2013年年）p 各国有关建造的发展战略灾后重建实现世界级旅游目的地并创建美好国家建设具有竞争力的经济体和社会区域振兴建立安全舒适美丽健康的社会国家战略目标2025年年将建筑⼯工地的⽣生产率提⾼高20％2023年年安全⽬目标，内因造成的事故降为02030年年实现建筑⽣生产过程与三维数据全⾯面结合行业战略目标建设⾼高质量量基础设施引⼊入机器器⼈人以提⾼高施⼯工现场的安全性和效率推⾏行行“i-Construction”企业战略目标安全舒适美丽健康品质减少事故危机管理安全提高效率加强培训效益ICT革命AI应用创新p 各国有关建造的发展战略Ø 日本：国土交通省“i-Construction(建设工地生产力革命)”战略《ReinventingConstruction:ARoutetoHigherProductivity》McKinsey&Company于2017年发布背景：• 过去二十年，全球建筑业劳动生产率年平均增长1%，低于其他各行业• 不到25%的企业实现了生产率增长• 行业发展已难以满足全球对基础设施和住房的需求目标：• 生产率至少提升50%• 造价减少27%*发布机构：McKinsey&Company，著名咨询机构p 国际建筑业发展趋势——麦肯锡运用数字化和自动化技术以及创新管理模式推动行业可持续发展1011目标：• 项目交付——不延期、不超支，提高质量安全水平• 全生命期表现——减少全生命期成本• 可持续——碳中性设施• 抵抗灾害——抵抗气候变化和自然灾害• 灵活、宜居——增加最终用户的幸福感《ShapingtheFutureofConstruction》背景：传统生产模式使建筑业面临劳动生产率低下的挑战对新技术缺乏敏感性使行业发展停滞不前*发布机构：WorldEconomicForum，促进国际经济合作与交流为宗旨的非官方国际性机构p 国际建筑业发展趋势——世界经济论坛用新的技术、材料和工具，增强建筑与基础设施的韧性，实现碳中性建筑与基础设施，灵活宜居的建筑产品如何转型升级？碎片化、粗放型劳动密集型生产方式集成化、精细化技术密集型生产方式信息化与工业化在工程建造领域的深度融合——智能建造• 实现建设行业转型升级的必由之路：p 工程建造的新机遇——智能建造p 智能建造的内涵• 智能技术与工程建造系统融合形成的工程建造创新发展模式：• 技术基础：数字化、网络化、智能化技术• 业务特征：数字链驱动的工程建造全生命周期一体化协同与智能决策• 产业转型：工业化、服务化、平台化• 功能目标：交付以人为本、绿色可持续的智能化工程产品与服务服务化建造平台化建造工程多维数字化建模与仿真基于工程物联网的数字工地（厂）工程大数据驱动的智能决策自动化、智能化工程机械工程立项策划工程规划设计工程施工生产工程运维服务数字化网络化智能化算据算力算法三化三算工业化建造智慧建筑智慧社区智慧城市基于工程全生命周期数据模型的信息集成与业务协同以人为本、智能化的绿色可持续工程产品与服务功能⽬目标产业转型业务协同领域技术通⽤用技术Ø 什什么是智能？使计算机像⼈人⼀一样思考和决策⼈⼯ 智能 机器学习与深度学习（脑⼒） 机器⼈ （体⼒） 增强化 （辅助⼈） 智能化 （代替⼈） • 模式识别• ⾃自然语⾔言• … • 统计分析 • 数据挖掘 • … • 智能家居• 可穿戴设备• … • ⽆⼈驾驶• 服务机器器⼈人• … ⼈⼯ 智能 算据基础算法引擎算⼒力力平台服务化建造平台化建造工程多维数字化建模与仿真基于工程物联网的数字工地（厂）工程大数据驱动的智能决策自动化、智能化工程机械工程立项策划工程规划设计工程施工生产工程运维服务数字化网络化智能化算据算力算法三化三算工业化建造智慧建筑智慧社区智慧城市基于工程全生命周期数据模型的信息集成与业务协同以人为本、智能化的绿色可持续工程产品与服务功能⽬目标产业转型业务协同领域技术通⽤用技术• NURBS：𝑆(𝑢,𝑣)=∑𝑖=0↑𝑛▒∑𝑗=0↑𝑚▒​𝑅↓𝑖,𝑗 (𝑢,𝑣)​𝑃↓𝑖,𝑗   Ø 工程多维数字化建模与仿真（模型驱动的设计与建造）消防：2英尺站立：4英尺轮椅：6英尺围桌：8英尺建筑立面：山地、峡谷、湖水p 领域技术：智能建造的组合式创新保持安全作业距离控制合理的作业参数用智能头盔、人脸识别隔离交叉作业耦合风险“识警控”一体化Ø 基于工程物联⽹网的智能⼯工地（⼯工⼚厂）p 领域技术：智能建造的组合式创新• 阿姆斯特丹丹，EDGE,数字技术打造最环保智能的办公楼英国建筑环保测评机构BREEAM将这座⼤大楼的可持续发展分数定为98.4⼿手机APP：⾃自动找寻停⻋车位、调节光线和温度。南⽴立⾯面、楼顶安装太阳能板，和普通办公楼相⽐比，EDGE的⽤用电量量节省了了70%巡逻机器器⼈人，可根据⼤大楼使⽤用情况进⾏行行⾃自主清洁建⽴立了了物联⽹网系统，2.8万个感测器器，⽤用于侦测动作、温度、灯光、红外线等。⾃自主调节。p 领域技术：智能建造的组合式创新Ø 工程大数据驱动的智能决策数字化、智能化程度数控造楼机数控造桥机数控PC构件⽣生产线遥控液压挖掘机CAT⽆无⼈人驾驶推⼟土机⽆无⼈人驾驶挖掘机遥控液压挖掘机数控遥控⽆无⼈人化建造机器器⼈人半⾃自动砌砖机器器⼈人⼭山姆，美国焊接机器器⼈人，⽇日本清⽔水⾦金金属加⼯工机器器⼈人，德国KUKA⽊木构机器器⼈人，丹丹⻨麦ETH仿⽣生结构打印机器器⼈人KUKAp 领域技术：智能建造的组合式创新Ø 自动化、智能化工程机械与设备p 四项领域技术的发展策略Ø 工程软件“补短板”，解决“软件无魂”问题Ø 工程物联网“扬长项”，力争跻身世界先进行列Ø 工程机械“促升级”，提升智能化水平Ø 工程大数据“强优势”，为智能建造打基础服务化建造平台化建造工程多维数字化建模与仿真基于工程物联网的数字工地（厂）工程大数据驱动的智能决策自动化、智能化工程机械工程立项策划工程规划设计工程施工生产工程运维服务数字化网络化智能化算据算力算法三化三算工业化建造智慧建筑智慧社区智慧城市基于工程全生命周期数据模型的信息集成与业务协同以人为本、智能化的绿色可持续工程产品与服务功能⽬目标产业转型业务协同领域技术通⽤用技术p 一体化的业务协同与全寿命周期的信息集成• 碎片化的生产方式p 一体化的业务协同与全寿命周期的信息集成服务化建造平台化建造工程多维数字化建模与仿真基于工程物联网的数字工地（厂）工程大数据驱动的智能决策自动化、智能化工程机械工程立项策划工程规划设计工程施工生产工程运维服务数字化网络化智能化算据算力算法三化三算工业化建造智慧建筑智慧社区智慧城市基于工程全生命周期数据模型的信息集成与业务协同以人为本、智能化的绿色可持续工程产品与服务功能⽬目标产业转型业务协同领域技术通⽤用技术Ø 建造方式：从建筑施工到“制造+建造”大批量规模生产个性化定制生产在规模化中满足个性化规模+定制=大规模定制产品个性化、部件规模化工业产品建筑产品满⾜足市场需要提⾼高效益需要在个性化中寻求规模化p 产业转型⼯工⼚厂制造⼯工地装配智能物流• 制造与建造结合，制造建造一体化、自动化、智能化p 产业转型Ø 建造方式：从建筑施工到“制造+建造”3D打印太空基地• 就地取材循环技术系统3D打印天空基地，以⽀支撑未来的深空探测（如⽕火星探测）• 参与国家：韩国、美国、以⾊色列列、新加坡等太空机器人• 设计仿真R5⼈人形机器器⼈人，在宇航员抵达⽕火星之前实施包括调整通讯天线、修复破损太阳能板和修复基地缺陷任务• 参与国家：美国、日本、加拿大、西班牙等微小卫星通讯• 设计、建造具备空间⻜飞⾏行行能⼒力力的微⼩小卫星，并利利⽤用搭载猎户座航天⻜飞船的空间发射系统⽕火箭发射升空，实现⽉月表及深空通讯• 参与国家：美国维管组织• 研发具有代谢功能的带维管系统的⼈人类器器官组织，以⽤用以研究诸如辐射等深空环境影响对健康⼈人体组织细胞的影响并建⽴立相应对策l NASA发布四项“世纪挑战”Valkyrie美国太空建造战略No.2纽约AI太空⼯工⼚厂的“玛莎”栖息地第⼀一名阿肯⾊色州罗杰斯的佐佩鲁斯队l NASA发起的3D打印火星栖息地的挑战赛任务：BIM设计，3D打印制,⼤大于92M²，建筑厚度、空⽓气过滤、加热、美观。第⼆二名：纽约AI太空⼯工⼚厂的“玛莎”栖息地第三名：密⻄西⻄西⽐比州的Kahn-YatesofJackson队第四名：纽约市的团队SEArch+/apiCor。第五名：伊利利诺斯州埃⽂文斯顿⻄西北北⼤大学代表队l 1999年，武汉市景明大楼，到了设计使用年限。（1917年修建，80年）l 2005年，广州市政部门，海珠桥的钢材接近使用寿命（100年）。n 背景Ø 从两封信说起l “工业型经济”与“服务型经济”⼯工业经济服务经济⼯工业产品导向，质量量、功能以⾃自然资源为基础⼤大规模⽣生产服务业服务导向，对产品整体价值满⾜足以知识资源为基础的“产品+服务+⽀支持+知识+⾃自我服务”主导产业企业价值特征p 产业转型Ø 经营理念：从产品建造到服务建造l 工程机械服务企业Uptake2014年成立，2015年全球最佳创业公司榜首。• 服务模式：建立工程机械物联网：位置、路径、燃油效率、闲置时间、发动机温度、转速、电压等设备监控、维修预测、设备优化改进• 盈利模式：每年每辆机车节省14万美元，配置机车时间缩短一小时p 产业转型Ø 经营理念：从产品建造到服务建造盾构掘进状态实时感知管片拼装质量即时检测参数采集激光扫描掘进参数监控与分析拼装质量检测与评估盾构掘进施工反馈控制• 盾构隧道施工质量安全支持系统Ø 经营理念：从产品建造到服务建造借助移动互联⽹网，收集现场⼈人员⼿手机中的照⽚片和视频，并与BIM相关软件进⾏行行集成⽀支持数据检索、聚类分析、⽹网络分享及安全⻛风险预警对照⽚片或视频中与进度和安全相关的元素进⾏行行标记⼀一个⼯工程项⽬目为了了跟踪进度和沟通拍摄