数字建造的内涵及框架体系

数字建造的内涵

什么是数字建造，目前还没有一个统一的表述。对此，不少学者和业界人士从不 同的视角进行了有益探索，并提出了类似概念。这些概念对建造数字化的理解各有 侧重，包括技术、管理、工程产品与服务等。需要说明的是，对这些概念从不同的 视角进行解读是为了更好地阐述数字建造的内涵，并不是所述的概念只体现单一视 角涵义。

从技术创新维度看数字建造。随着CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅 助工程）、计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning，CAPP）、 计算机辅助生产（Computer Aided Manufacturing，CAM）等技术越来越多地 在工程建造领域得到应用，工程设计、施工技术也在不断进步，如计算设计方法 （Computational Design）、数字加工技术（Digital Fabrication）、数字建构 （Digital Tectonics）和数字工匠（Digital Crafting）等。由计算设计形成的复杂工程 造型，对传统的工程施工技术提出了巨大挑战。

1977年，William Mitchell首次提出数字加工概念，主张通过建立生产机器与计算 机图形系统之间的接口，实现数字驱动的工程构件加工和现场施工作业，以便于建设形态非常复杂的工程设施。数字加工相关技术的日益丰富，迫切需要在更大范围推广应用。但是，与此同时又出现了一种困境，即懂建筑设计的人不熟悉数字加工，懂数字加工的人不懂建筑设计。基于此，里奇等人于2004年提出数字建构概念，其核心理念在于重新聚焦于建筑物的结构、建造完整性，以 及建筑师、结构工程师与施工工程师之间的交流与 合作，形成既符合设计师构思又适合科学建造的建筑设计方案。数字建构被认为是物理和虚拟的交叉点，也代表着一种新的建筑思维范式。

从技术与管理的集成维度看数字建造。在数字技术逐渐从工程设计向施工领域渗透的同时，人们也开始在更大的范围内探索数字技术在工程建造全 寿命周期集成管理中的应用。

虚拟设计与施工（ Virtual Design and Construction， VDC），是由斯坦福大学集成设施工程中心于2001年提出来的。旨在利用建筑信息建模、多维信息集成、可视化虚拟仿真、信息驱动的协作，以及施工自动化等数字化技术，将工程建设项目中独立的、各业务部门的工作连接与集成起来，增强工程项目各参与主体间的沟通、交流与合作，协调处理项目交付过程中可能遇到的各类问题，实现项目的综合目标。

除了工程设计与施工，工程运营服务也逐渐 被纳入工程建造数字化的范围，Fred Mills于2016 年提出了数字建造（Digital Construction）概念， 主张利用数字工具来改善工程产品的整个交付和运 维服务流程，使建筑环境的交付、运营和更新更加 协调、安全、高效，确保在建造过程全寿命周期的 每一个阶段都能获得更好的结果。在他的理解中， 数字建造是利用信息技术（如互联网/BIM/云计 算）、传感器技术及其他先进的数字化技术进行建 筑设计、施工、运营等新型建造模式。这是目前比较完整表述数字建造内涵的概念。

随着人工智能技术的发展，也有人对工 程 建 造 向 智 能 化 方 向 发 展 给 出 了 预 期 , John Stokoe于2016年提出了智能建造（Intelligent Construction）概念，强调要与时俱进，充分利用 先进的数字技术，从全行业角度进行变革创新。他认为智能建造将彻底改变人们对建筑业的普遍看法——建筑业是劳动密集型、浪费严重、成本高昂 和高风险的行业；无论是在经济上还是在物理上， 智能建造都将创造一个动态、有效、高价值行业， 吸引投资并成为新的经济驱动力。

从产品服务维度看数字建造。在工程产品由自动化迈向智能化的过程中，数字技术功不可没， 因为人们找到了在数字世界里面建构现实工程产品的方式，那就是虚拟建筑，随着实体建筑与虚拟建筑日益融合，建筑越来越具有了某种自主决策的能力，于是出现了智能建筑（Intelligent Building) 的概念。当前，智能建筑越来越关注“以人为本、 绿色可持续”，而不仅仅局限于一个靠网络连接的自动化技术装置的集合。借助智能化程度更高的控 制系统，实现对多种技术进行有机整合，不断提升工程产品对环境的感知与自适应调节能力，例如实时的能效控制，或舒适性的优化等，并推动智能建筑往更开放、更优化的方向发展，从而进入了更高 的发展阶段——智慧建筑（Smart Building）。

智慧建筑的概念最初是美国在20世纪末提出 的，目前最权威的定义来自国际标准协会，即“智 慧建筑是以建筑为载体，通过对建筑物5A系统（即 BAS楼宇自动化系统、OAS办公自动化系统、FAS消 防自动化系统、SAS安防自动化系统、CAS通信自 动化系统）的控制确保人们享有的建筑环境最大程 度的智能化”。较之于智能建筑，智慧建筑在数字 技术的应用方面更加先进和成熟，强调对各个智能 系统的集成管理，以共同协作来实现建筑物的功能 目标。如A.H.Buckman曾指出，智慧建筑其核心是 适应性，而不只是局限于反应性，以力求更好地满 足建筑在能源、效率、寿命、舒适度和社会满意度 的需求。

以上从三个不同角度阐述了对数字建造的理 解，可以看出数字建造内涵处在一个不断完善和丰 富的发展过程中，且三个维度彼此之间并不是孤 立的，而是有着密切联系的，技术要素、业务过程 以及产品服务等共同构成一个有机的整体。总的 来说，数字建造是在新一轮科技革命大背景下，数 字技术与工程建造系统融合形成的工程建造创新发 展模式。即利用现代信息技术，通过规范化建模、 全要素感知、网络化分享、可视化认知、高性能计 算以及智能化决策支持，实现数字链驱动下的工程 项目立项策划、规划设计、施（加）工、运维服务 的一体化协同，进而促进工程价值链提升和产业变 革，其目标是为用户提供以人为本、绿色可持续的 智能化工程产品与服务。数字建造不仅仅是建造技术的提升，更是经营 理念的转变、建造方式的变革、企业发展的转型以 及产业生态的重塑。

数字建造框架体系的构建

数字建造有着丰富的内涵，涉及建造技术、 建造方式、企业经营和产业转型等多个方面。（见图1）

工程建造模式创新与数字建造

智能建造与数字建造。理解智能建造与数 字建造的关系，要以“智能”为切入点。简言 之，智能是指能够捕捉场景性信息，并做出适当反应。新一代智能技术已经进入了以万物互联和深度学习为支撑的数字逻辑推理阶段，以数字化为前提，借助网络化实现多种异构设备集成，支持用户参与，通过利用传感网络采集到的海量数据，在各种智能算法的支持下，发挥云计算和高性能计算能力，进行知识发现、组合与应用，从而实现智能化的生产与服务。

所以说，数字建造是智能建造的基础，两者并不矛盾，而是一个统一的整体。立足工程建造行业现状，以数字建造为切入点，补足工程建造机械化、自动化方面的短板，切实推进工程建造的数字 化变革，在逐步提升工程建造整体效率的同时，为智能建造积累数字资源，同时积极拥抱人工智能技术发展的最新成果，有序推进工程建造自动化、数 字化、智能化、智慧化的协调发展，是工程建造理性发展的可行之道。

绿色建造与数字建造。绿色建造是与工业产 品制造领域中绿色制造相对应的概念。目前，在工 程建造领域，绿色建造尚没有形成一个统一规范的 概念表达，更为人们所熟悉的是绿色建筑。从美国 国家环境保护局（U.S. Environmental Protection Agency）、英国研究建筑生态的BSRIA中心及中 华人民共和国住房和城乡建设部于2019年颁发的 《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019中，各界 对绿色建筑的理解并非只是最终产品，而是包括建 造方式在内的产品全寿命周期过程，甚至是一种工程建造理念。因此，绿色建筑与绿色建造的内涵是 相同的，其间没有显著的区别，只是概念名称不同 而已。

数字建造技术与绿色建筑结合，可以更好地 展现和挖掘绿色建筑价值。包括：（1）从“专家 评价”到“用户体验”。一些国家已建立各具特色的绿色建筑评估体系，如美国的LEED、英国的 BREEAM、德国的DGNB，以及我国绿色建筑标准评价体系等，并由专家按照规范流程对绿色建筑进行评估认证。但是，用户实际体验与专家认证等级 不一致的情况常常发生，或者说，由专家评出来的绿色建筑，用户却感觉不到。利用数字技术，能够 把健康、舒适、便捷的用户需求融入绿色建筑产品之中，显现建筑的绿色功能，让用户对绿色建筑有着美好的体验。

（2）从“线性叠加”到“系统集成”。绿色建筑需要一系列技术作支撑，如绿色建材、新型能源、绿色施工工艺、节能减排技术等。但是，绿色建筑价值的实现，并不是各种绿色资源要素和技术的简单叠加，各要素之间存在着协调匹配和优化组合关系，这就需要利用数字技术感知各种绿色技术与方法实施的效果，积累数据，并通过仿真分析，集成优化绿色建筑方案。

（3）从“绿色建筑技术”到“用户绿色行为”。节约资源、减少排放、健康宜居、环境保护等绿色价值指标的实现，不仅仅依赖于绿色建造技术，更与用户的行为息息相关。某种意义上说，用 户的绿色行为可能比绿色建筑技术更重要。例如， 由于工程产品服务系统复杂，运营和使用主体不熟悉相关技术设备的操作规则，限制了绿色功能的发挥；用户的节能环保意识缺失，没有形成良好的节能行为习惯，也会影响绿色建筑的价值体现。采用 数字技术可以建立绿色建筑设施与用户之间的实时 交互机制，为用户合理行为提供指导，弥补用户知 识和经验的不足；同时也能及时发现并纠正用户不 合理的行为，持续塑造用户绿色行为方式，最大限度地实现绿色建筑价值。

（4）从“静态优化”到“动态优化”。绿色建筑设计、施工是一次性的静态优化过程，动态的优化过程则在建筑的使用和运维阶段。由于建筑所处的环境和应用场景复杂多变，充满了不确定性， 在有限场景模式下形成的静态最优方案，在物业的 使用与运维阶段很难保证与实际一致，需要自动感知采集物业的使用与运维数据，对比分析、不断优化、发现规律、持续改进，将绿色建筑调整在最佳 运行状态。

精益建造与数字建造。精益建造的核心理念，是将制造业的“精益思想”在建筑业加以改造和应 用，最大限度地消除建筑施工过程中的浪费和不确定性，最大限度满足顾客个性化要求，从而实现工程价值的最大化。

精益建造强调以顾客需求为中心，构建工程建造价值链，持续消除价值链上的浪费，实现工程价值的最大化。经过多年的发展，精益建造已形成了包括生产转换理论、生产流程理论和价值理论在内的理论体系，相应的支撑技术体系包括：末位拉动式生产计划与控制系统（Last Planner System, LPS）、并行工程（Concurrent Engineering，CE）、均衡施工、准时生产供应（Just in Time， JIT）、看板施工作业系统、全面质量保证与 持续改进、6S现场管理、供应商伙伴关系管理（Partnering）等。

全面、及时、准确地获取、分享与利用项目信息是精益建造的前提，数字建造为精益建造提供技术支撑：支持拉动式生产控制系统；有利于实现均衡化施工作业；优化协调并行工程；促进准时生产供应与施工作业协调；准支持工地看板施工作业。

极端建造与数字建造。极端建造是指在极端环 境下进行的工程建造，如太空建造、海洋建造（深 海、远海等）、沙漠建造、高海拔区域建造、极深地下空间建造以及高危环境下的建造等。与常规环境下的工程建造不同，极端建造大多始于一些前所 未有的构想，表现为一种全新的设计与实践方案， 必然会挑战现有的、已倾向于约定俗成的工程建造观念和技术，并且具有十分强烈的超前意识，颠覆性地改变人们对工程建造产品的认识。而数字建造技术发展的趋势就是将人从繁重的建造活动中解放出来，最终实现无人建造，或尽可能少的人力资源投入的建造，从而为极端环境下的工程建造奠定技术基础。