装配式建筑智慧建造的新边界、新模式、新技术与新产业＊

樊则森

中建科技有限公司

1 建筑学的边界问题

建筑学的边界问题是建筑学研究始终关注并不断有新诠释的本源性问题，也是建筑学面向未来如何发展和走什么路的问题。当下，建筑师围绕建筑与艺术、建筑与科技、建筑与产品设计、建筑与互联网、建筑与建造等边界，从不同角度开展了很多有趣的跨界与融合的实践探索，也印证了“建筑学的学术边界正变得越来越模糊”[1]的论断。建筑学本身具备广义和狭义两个层面的含义：狭义建筑学主要包括建筑物和建筑群的空间、功能、形式、布局等设计；广义建筑学则提出把建筑学、地景学、城市规划学等整合为一，解决关联学科间碎片化和相互隔离的问题，以“建筑—城市—园林—技术”为核心专业，建立一个学科群，从更宽阔的学术空间致力于人居环境的开拓，寻求宜人环境的再造[2]。

《建筑十书》中明确了建筑学的三项内容：建造房屋、制作日晷、制作机械，可见建造是建筑师的本职工作。书中指出：“只重视实践的建筑师不可能对他采用的形式给出充分的理由，而只重视理论的建筑师也不可能成功，他们只捕捉到虚影而非实物。只有兼顾这两个方面的人，才好似全副武装，既可证明他设计的适合性又可将设计付诸实施。[3]”可见，在建筑学的古老传统中，建筑和建造是没有边界的，建筑师同时也是建造师。中国古代也是如此：建筑在我国素称匠学，非士大夫之事。盖建筑之术，已臻繁复，非受实际训练，毕生役其事者，无能为力[4]。即便是《营造法式》这样的建筑学经典，也是通过建筑工匠的口口相授和代代相传，经士大夫整理而形成了中国木构建筑设计的典范之作。

自19世纪60年代蒸汽机发明以来，人类经历了工业化、电气化和信息化的多次科技与产业革命，专业细分越来越多、越来越复杂。工业使得产品得以大批量生产；机器和人密切地配合着工作，严格地为每一个工作岗位挑选合适的人；粗工、技工、工长、工程师、经理、董事，每个人都有恰当的位置[5]。以二战前后的现代建筑运动为代表，建筑活动也逐步被细分和碎片化。就过程维度而言，建造被划分为设计、生产、施工、运维等阶段；就职责而言，细分为设计、施工、监理、物业管理等多主体，其中设计又进一步分解为建筑、结构、机电、内装、造价等专业。当前，具备资格认可的注册建筑师是指依法取得注册建筑师并从事房屋建筑设计及相关业务的人员[6]。建筑学的边界被锁定在建筑设计这样一个狭义的范围内。

21世纪以来，数字化浪潮席卷全球，并渗透到人类生产、生活的方方面面，建筑学面临学科边界的拓展已是不争的事实。当机器取代人去建造，建造的组织模式必然会发生变化，将会实现建筑从设计到建造的一体化，彻底击碎行业细分和碎片化的藩篱。而生产关系的变化必将带来生产力的变革，也必将在建筑业拓展新边界、引发新变革、创造新模式、催生新产业。

2 数字设计的实践与探索

在北京凤凰国际传媒中心的设计中，北京市建筑设计研究院有限公司邵韦平大师团队开启了数字设计的新篇章，以高完成度的BIM设计为手段，从方案设计阶段到构件和部品加工乃至现场吊装的全过程都一体化地进行了数字设计，并用数字设计成果指导各种钢结构构件与部品部件的加工建造，最终建成了涵盖设计、加工、装配一体化以及结构、围护、空间、装饰一体化的“参数化系统”。这标志着数字技术正悄然改变着今天的设计[7]，也标志着设计与建造的跨界、融合以及建筑学新边界的拓展，与其他内外有别的“参数化表皮”有着本质不同。

同济大学袁烽教授是我国率先探索机器人建造的“跨界”建筑师之一，他完成了一系列数字化设计与机器人建造的作品，如“池社”“云亭”“3D打印桥”等。通过数字孪生，将虚拟世界的数字化设计和现实世界的机器人建造合二为一，建成了一批实践意义深远的建筑作品。不可否认，数字化的一个重要贡献就是将设计和建造紧密地联系起来，由此催生了诸如“一体化”等突破传统的建筑概念[8]。而袁烽教授这些“小尺度建筑”的建造都具备一个典型的特征——依托数字化和机器人，进行一体化、无边界的设计与建造，从而颠覆了现代建筑运动以来理性主义驱使下的设计、施工、监理等行业划分，也融合了功能主义主导的建筑和结构两个专业。由此可以看出，建造正在借助数字技术重新回到建筑师的主导之下。

1 中建科技装配式智慧建造系统架构图

2 中建科技装配式建筑智慧建造平台主页

3 装配式建筑智能建造系统架构图

除了上述邵韦平大师和袁烽教授所代表的个性化、参数化的数字设计及建造实践，以标准化设计为基础的装配式建筑也非常适合采用数字建造方式。装配式建筑的核心是集成，而BIM是集成的主线，这条主线串联起设计、生产、施工、装修和管理，服务于设计、建设、运维、拆除的全生命周期[9]。BIM+装配式的模式，有利于实现设计与建造的一体化。装配式建筑标准化的设计为构件库和部品库的建立提供了产品对象，其毫米级的误差和精益化的施工组织，能够确保数字设计成果与实际建造的一致性，因此非常适合采用BIM的技术手段来进行设计与建造。相比之下，传统建造方式有三个因素制约了BIM的应用效果：一是其较大的施工误差和粗放式的管理，需要采取很多弥补措施并造成大量材料浪费，这些措施和材料无法在虚拟空间数字化；二是传统建造组织架构的碎片化造成设计阶段形成的BIM成果仅限于本阶段应用，很难将信息完整、正确、无损地向产业链的后端传递；三是基于BIM的数字设计成果，目前多用于各类碰撞检查、异形构件加工、机电管线布设等个别应用点，没有真正发挥其全部作用，离全面系统的信息化管理尚有很大差距。

2009年，中建科技有限公司开始进行装配式建筑数字设计的研究和实践。2016年，结合国家重点研发计划项目——工业化建筑设计关键技术，团队研发了“BIM一体化协同设计平台”。该平台通过构建企业私有云，基于BIM的预制装配式建筑设计技术，提供项目库、预制构件库、模型库三个层次的数据组织。支持跨专业的BIM一体化协同和远程协同设计，并提供全面服务于后续采购、生产、施工、运维环节的数字设计成果，该成果支撑了后续中建科技智慧建造系统的研究和实践（图1）。

3 新边界、新变革、新模式、新产业

装配式建筑是将工厂生产的部品部件在现场装配而成的建筑，近几年得到较快发展，但大多数装配式建筑还是采用传统的建造模式和管理方式，使设计、生产、施工、运维的全部环节都面临生产关系的重建、信息的重建、系统的重建，无法真正实现信息模型的一体化，从而无法实现设计、生产、施工的一体化，导致成本高、效率低，没有体现出装配式建筑应有的优势，制约了行业的发展。为了破解装配式建筑这一发展困局，叶浩文先生于2016年在中国建筑学会建筑产业现代化发展委员会成立大会上，首次提出装配式建筑“建筑、结构、机电、内装一体化；设计、生产、施工一体化和技术、管理、市场一体化”（简称“三个一体化发展思想”）。因此，通过科研、设计、加工、采购、施工总承包（以下简称REMPC工程总承包）的装配式建造新模式，推动生产组织方式的一体化，促进信息传递和设计、生产、施工的一体化，目前已成为行业认可的装配式建筑发展新模式。

在这样的背景下，中建科技有限公司从服务于装配式建造新模式的需求出发，自主研发了“装配式智慧建造系统”新技术（图2，3），该系统通过对装配式建筑“设计、生产、运输、装配、运维”等环节的信息采集、汇总和分析，解决装配式建筑在建造全过程无法进行有效的协同设计、生产过程管控、质量监督评价等关键技术难点。围绕三个一体化系统性集成建造的需要，集成BIM、互联网、物联网、装配式等技术，创新研发建筑+互联网平台。平台由线下和线上两大部分构成：线下是基于“企业云”的BIM一体化协同设计平台，通过“全员、全过程、全专业”的“三全”BIM应用，形成数字化设计成果服务于线上平台；线上是支撑设计、采购、生产、施工和使用等全链条的云端应用，包括以下五个环节：

（1）设计环节：“数字设计”以项目为单位，将数字化的构件和部品拼装成楼层单元、楼栋单元等轻量化模型，实现设计信息的数字化集成。用户可将项目中的BIM模型通过专用客户端工具上传至服务器，并提供在线浏览BIM数据的服务，通过数据交互实现数据资源的共享公用，提高数据使用率，确保数字化的设计成果全面服务于采购、生产、施工、运维全过程（图4～8）。

（2）采购环节：通过“云筑网购”模块，利用线下BIM数字设计成果，应用专业软件对BIM轻量化模型进行数据提取和数据加工，自动生成工程量及造价清单，依托云筑网（中国建筑股份有限公司的云端集采平台）完成采购（图9，10）。

4 数字设计模块装配式建筑构件库页面

5 数字设计模块装配式建筑构件及其信息页面

6 数字设计模块装配式建筑标准层信息页面

7 数字设计模块装配式建筑结构信息页面

8 数字设计模块装配式建筑机电信息页面

9 云筑采购模块造价信息页面

10 云筑网采购平台信息页面

11 工厂应用的数字界面及PC 工厂管理系统

12 工厂应用的数字界面及PC 工厂管理系统

13 人员管理界面

14 构件及部品部件追溯管理界面

15 质量管理界面

16 安全管理界面

17 全景住宅使用说明书之卫生间做法信息

18 全景住宅使用说明书之卫生间做法信息

19 长圳项目永临结合幼儿园轻量化数字设计模型

20 长圳项目永临结合幼儿园钢结构部分数字模型

21 长圳项目永临结合幼儿园结构系统数字模型

22 长圳项目永临结合幼儿园机电系统数字模型

23 预制构件装配实时追踪系统

24 基于构件的数字设计信息和智慧工地信息

（3）生产环节：“智能工厂”将数字设计环节形成的数据信息通过工厂的智能化设备直接读取，实现设计信息对生产环节的自动管控，同时实现对生产进度、质量和成本的精准控制，保障构件高质、高效生产。平台操作简单便捷，产业工人只需在各个场景使用PDA扫码枪对构件的二维码进行扫描即可完成操作（图11，12）。

（4）施工环节：“智慧工地”实现了人、机、材和建造过程控制的互联网化。一是对人的管理：通过人脸识别+刷卡考勤，对标工厂的管理，实现工厂、工地人员管理的智慧化（图13）；二是对大型设备的管理：通过在大型设备上安装感应设备，实现设备的安全预警、远程监控等功能；三是对物资的管理：引进工业互联网技术，对所有工业化生产的部品部件、机电设备通过统一的数据平台接入物联网管控（图14）；四是对过程的管理：通过将人、承建商与建造过程和部品部件进行互联，实现建造全过程的质量、安全、进度、责任追溯体系，实现质量安全的管理（图15，16）。

（5）使用环节：“幸福空间”基于VR、全景虚拟现实技术，提供新居全景导航、物业全景导航等建筑使用环节的云端服务。新居全景导航通过建造过程的数据提取，为住户提供VR全景漫游、住宅各项使用功能虚拟展示和隐蔽工程的展示等；物业全景导航在社区级整合所有使用需求所涉及的终端设备，通过物联技术为物业管理提供更直观、高效的智慧管理系统。此外，也可以让住户回看建造过程中的重要内容，提供厂家、型号、工艺等信息，供运维阶段应用（图17，18）。

本智能建造系统正全面应用于中建科技以EPC工程总承包形式承建的深圳长圳公共住房项目、坪山高新区综合服务中心、坪山三所学校、南京一中江北小区、深圳裕璟幸福家园、长沙会展中心等工程项目中，并结合实践逐步对其进行完善。

以长圳公共住房项目为例，团队首先将9 672套公共住房划分为4类7种标准化户型模块，对这些户型模块进行BIM正向设计。在正向设计中，将业主招标任务书中的全部建设标准要求用数字化设计成果加以体现。借助专门开发的造价软件，在工程投标阶段自动生成近8万页的工程量及报价清单，实现了建筑设计和造价的一体化；该项目中正在施工的永临结合幼儿园是第一个全面应用本智能建造系统的单体工程，通过BIM正向设计构建了幼儿园的数字建筑模型，将桩基、钢柱、钢梁、叠合楼板、预制楼梯、预制外墙等所有工厂化生产的构件和部品全部数字化，将其模拟拼装成数字模型（图19～22），并赋予每个构件独有的身份编码。这些数字设计成果借助互联网平台，将设计信息传递到采购、生产和施工环节。在采购环节，利用其数字化的造价信息作为在云筑网上招标采购的依据；在构件和部品生产环节，利用其携带的生产加工信息进行数字化的自动化生产；在现场施工环节，利用其身份信息，与智慧工地的质量、安全、物料、设备等管理系统进行数据加载，实现了基于物联网的智慧工地信息追溯系统，并以数字模型的形式进行实时记录（图23，24）。可见，数字设计全面支撑了后续的建造环节，并成为建筑设计与建造一体化的关键环节。

4 结语

数字化时代的设计与建造一体化是建筑学拓展新边界的必然趋势，新时代的数字建造模式不可能仅由一个建筑师或建筑师团队来完成，而是要建立一种由建筑师牵头，以专业化、数字化、一体化的组织机构承担落实的设计建造新模式。基于上述实践和研究，实现这种新模式至少需要做好以下几个方面的工作。

（1）需要改革现有的建筑行业管理体制，建立与新的建筑生产力和生产关系相匹配的管理机制、政策法规。数字设计和机器人建造是建筑行业迈向先进制造业的新技术手段，是先进的生产力，必须建立与之适应的先进生产关系，并且通过政策法规和管理机制体现出来，才能进一步促进先进生产力的发展。

（2）需要建立一种适合设计与建造一体化的市场机制，通过市场选择出优秀的机构和团队。在当前的建筑市场机制下，建筑工程先通过方案设计确定规模、功能和形式，再通过初步设计确定技术方案、建设标准和工程造价，然后通过施工图设计形成法定意义上的施工依据，最后通过施工招投标确定工程建造的实施单位。这种形式下的建造和设计是脱节的，设计阶段不可能完整、全面、系统地考虑建造要求，施工阶段也不可能完全按照设计来实现高完成度的建造，由此不可避免地造成了设计的错漏、施工的偏差、各种协调对效率的影响和造价与质量的不可控。因此，需要突破市场旧规则，采用设计施工一体化的市场选择机制，从源头保证项目建设的科学、高效、优质。

（3）需要建立设计、采购、施工建造一体化的组织机构。传统碎片化的管理机制和市场规则决定了参与市场的设计和建造主体的碎片化，虽然很多甲级设计单位也具备工程总承包资格，所有特级总承包企业也都具备甲级设计资质，但都没有将“另一半”当作主业来开展，更多的是从资质维护等角度来维持。在新模式下，需要突破对传统路径的依赖，建立起设计建造一体化的机构和组织，其职责包含了设计、采购、构件生产和现场施工管理，通过内部责权利统一的机制形成新的一体化建造模式。

（4）需要进行全员、全过程、全专业的数字化协同设计并形成能够支撑建造全过程的数字设计成果。BIM技术在旧模式下的应用受到条块分割的约束，仅限于在各个责任主体的专业领域实施落地，始终没有全链条、全流程、整体性的应用。在新模式下，由于设计和建造由一个责任主体承担，必须要在组织内部建立起全面的协同机制，在设计阶段形成满足全过程需求的成果，并用数字化的形式支撑其系统性应用。

（5）需要全过程采用数字设计成果，用全过程的信息化支撑设计建造的一体化。数字设计成果只有基于互联网和物联网技术，全面应用于建造的全过程，并实现基于数字模型的双向信息传递，才能真正发挥数字设计的优势，实现数字信息支持下的一体化建造。

（6）需要建立工程项目交付后的数字化运维平台，进一步利用好建造过程中形成的数据建设智慧建筑，构建智慧城市。智慧城市的基础是数字城市，数字城市的基础是数字建筑。只有将城市中的每一个建筑数字化，才能真正构建起数字城市，从而实现城市的智慧化。在建造过程中形成的建筑数字信息应该根据智慧城市的建设需求进行设计和采集，使之能够支撑智慧城市的建设。