基于专利分析的高层建筑施工技术前景预测

李静雅，高 枫，陈天予，唐敏敏

（1、深圳市房地产和城市建设发展研究中心 深圳510084；2、香港城市大学 香港999077）

0 引言

随着城市人口密度的不断增加，特别是在发展中国家，对能够解决居住和商业空间高密度压力的高层建筑的需求也在不断增加［1］。根据高层建筑和城市人居委员会的报告，截至2015 年，发展中国家有超过200 m 的高层建筑1 040 座，比2000 年增加392%，超过300 m 的高层建筑有100 座，是2010 年的2 倍［2］。不仅高层建筑数量不断增加，建筑高度也在不断增加，说明高层建筑的规模在不断扩大。由于在高层建筑施工中应用现有施工技术的局限性，高层建筑施工需要新的尖端技术，建筑技术是高层建筑市场竞争的重要因素［3］。在过去20年中，建筑在高度和设计上都有了显著的发展，这加速了高层建筑施工中新技术的竞争［4］。因此，更具创造性和进步性的建筑技术是高层建筑市场上的核心竞争力，也是项目成功的重要因素。高层建筑技术的进步首先需要对高层建筑施工进行技术预测，然后促使建筑企业投资开发新的建筑技术，进而为战略投资确定技术发展方向。

本研究针对高层建筑技术领域开展专利分析，以预测未来有前途的高层建筑施工技术。首先，建立高层建筑施工技术树，通过分类技术对技术进行分类并收集相关专利数据；然后，分析主要市场的专利趋势和技术成熟度；其次，分析了技术专利趋势和技术空缺对技术前景的影响；最后，在分析结果的基础上，讨论了高层建筑的未来技术趋势。在竞争激烈的高层建筑市场中，对高层建筑施工技术进行专利分析，为企业发展提供明确的目标市场和有发展前景的技术导向，制定优先占领的发展战略，显得尤为重要。

1 文献综述

1.1 施工预测技术

施工预测技术是指通过对技术发展趋势和需求的分析，对有发展前景的前沿技术进行展望。例如大量论文对3D 打印、低碳技术、动作识别技术等新技术进行了研究，并通过专业调查研究开发所需的技术群体［5-6］。也有研究人员通过分析美国土木工程师学会《建筑工程与管理杂志》1985～2002年的建筑现场研究趋势，分析了当前热门领域的顶级研究，提出了反映现代社会需求的研究主题趋势［7］。此外，通过分析科学网络数据库中建筑和建筑技术类的出版物，可以对期刊的研究趋势和最近的研究主题进行统计分析，以得出期刊的社会影响以及对国家政策和投资的影响。在工业领域，有部分研究人员对以往3 000 多项技术专利进行分析，了解研究趋势和目前的技术水平，提出了跨学科领域建筑技术研究的技术发展路线图［8］。还有部分研究人员对建筑领域的特定技术组进行了专利分析，如重塑技术或模块化建筑［9-10］。通过上述关于施工预测技术的研究，分析目前该技术的主要应用领域和常用方法，总结关于高层建筑施工技术的施工预测技术的研究现状和应用情况，提出专利分析技术的优势和必要性。

1.2 专利分析方法

大量的研究论文和专利审查论证了专利分析在预测技术创新模式和建立技术发展战略中的重大作用［11］，专利包括各种已研发技术的综合信息，可以提供反映技术趋势的成熟客观指标［12-13］。同时，技术市场上的潜在竞争对手和最近的技术趋势可以通过专利分析来确定，专利分析包括技术开发周期和开发者的信息［14］。但是在高层建筑施工技术领域，专利分析技术还没有被广泛应用，目前关于高层建筑施工技术的论文和专利审查的数量很少，而且研究方法都倾向于定性和主观判断，缺少必要的定量分析技术。

图1 专利分析法在高层建筑施工技术前景预测流程Fig.1 Flowchart of Technical Prospect Prediction of High-rise Building Construction by Patent Analysis Method

常规的专利分析通过4个阶段对高层建筑施工中有前景的技术进行预测，如图1所示。首先，通过专家会议，根据技术树对高层建筑施工技术进行分类。技术树是一种按特定功能以树枝形式将技术细分的方法。在专利中使用技术树时，可以通过对技术的分类来进行具体的技术单元分析并与同级单位进行分析和比较［15］。在本研究中，高层建筑施工领域被分为3个层次，构成每种技术的技术树，在构成技术树后，提取各具体技术的关键词进行数据采集。

其次，根据所推导出的关键词，收集各具体技术的专利数据。通过搜索引擎搜索主要市场的专利，利用关键词获取原始数据。由于原始数据中包含了分析中不需要的噪声数据，因此通过数据滤波提取出有效数据，过滤排除与相应技术关联度低的数据。

第三，通过市场投资组合分析和技术定性水平分析，了解技术市场环境。首先，分析市场趋势，了解市场的趋势。通过组合分析来考察技术的市场成熟度，将每年申请专利数量和申请专利人数在时间序列上表达出来。技术成熟度可以预测相关市场在当前阶段和未来方向，并通过决策标记来决定对该技术的投资。通过对主要市场国家专利质量水平的比较分析，对技术领先国家和未来主要市场进行预测。

最后对专利趋势和空缺技术进行了分析，并对未来的技术前景进行了预测。通过具体技术对专利趋势进行分析，掌握专利趋势和当前发展的技术领域。接下来，进行对象—解决方案矩阵（OS-matrix）分析，以预测空白技术。本研究将与技术领域相关最多的核心数据用于空白技术分析，以提高分析的准确性。通过将核心数据分类为对象和解决方案进行分析，对空缺技术的解决方案进行分析，预测有前景的技术领域。

2 高层建筑施工技术的专利分析

2.1 高层建筑施工技术树

高层建筑施工技术树是基于文献综述、研究论文和研发报告对高层建筑施工技术的发展过程进行梳理，并由此产生的技术分支，每个技术分支由不同类型的关键词组成，通过对论文、专利和报告的关键词分析，进行信息提取和集成。高层建筑施工技术分为快速施工技术（A）、精密施工技术（B）和管理施工技术（C）。

首先，高层建筑快速施工技术（A）分为结构施工技术（AA）、外窗施工技术（AB）和起重设备操作技术（AC）。其中，高层建筑结构施工在整个施工工期中占用的时间最多，为了有效缩减施工工期，各层重复相同的工序［16］；外窗施工标志施工完成的开始，很大程度上影响整个工期；高层建筑施工需要大量的资源和人力，运输距离比一般建筑要长，提高起重设备效率的操作技术对于缩短项目施工工期非常重要［17］。

其次，将高层建筑精密施工技术（B）分为位移预测控制技术（BA）和位移测量技术（BB）。在高层建筑结构中，由于建筑物的规模和重量较大，会产生材料变形和各种位移的可能性，连接节点很多。因此，高层建筑施工中需要一种预测和控制位移以保证结构稳定的技术。此外，即使准确地预测和控制了位移，在施工过程中也可能由于误差而产生新的位移。因此，对位移的连续精确测量和监测技术也提出了更高的要求。

最后，管理施工技术（C）分为过程管理技术（CA）、成本管理技术（CB）和安全管理技术（CC）。因为施工项目繁多复杂、施工时间长、施工地点多，高层建筑施工的过程管理要比普通施工重要得多［18］。由于高层建筑工期长、工期变动频繁，对其进行准确的预测和管理也很困难。为此，系统的成本管理技术是必不可少的确保高层建筑项目的商业价值。同时，高层建筑施工人员多、设备多，对安全管理技术的要求也越来越高。

根据高层建筑施工技术树推导出检索专利的技术关键字，并由此推导出代表每种技术的关键字，然后结合对从属技术进行分类的专家委员会的意见选择最后的关键字，结果如表1所示。

2.2 数据收集

基于从已开发的技术树中提取的关键词，收集高层建筑施工技术相关专利数据，获得了韩国、日本、欧洲、美国、中国等地1995 年1 月～2019 年1 月的公开申请专利数据。在WIPSON 网站上使用关键词搜索引擎搜索数据，共搜索到54 799项专利。因为原始数据包含了分析中不必要的噪声数据，需对有效数据进行过滤提取。在快速施工技术方面，一般施工、材料和设备技术将被排除在外，高层建筑施工期缩短或生产率提高技术作为有效专利数据被提取。在精密施工技术方面，普通大型结构技术会被排除，高层建筑测量或预测技术提取为有效专利。在管理施工技术方面，排除一般管理施工技术，提取高层建筑场地管理和工艺强化技术作为有效专利。通过过滤，共提取2 875 个有效数据，其中包括2 329 个快速轨道施工技术、250个精确施工技术和296个管理施工技术。

2.3 市场趋势分析

基于已收集的数据，对1991～2019 年间不同国家或地区的专利申请趋势进行分析，如表2、图2所示。

由图2 可知，自1991 年以来，高层建筑施工技术相关专利不断增加，根据变化率可分为3 个阶段。第Ⅰ阶段是1991～2002 年，每年变化不大，大约有50 项专利正在不断公布，年均增长3.9%；第Ⅱ阶段为2003～2010 年，年均增长12.1%，专利申请量逐年持续增长；2011 年以来的第Ⅲ阶段，年均增长率为76.3%，专利申请量快速增长。

表1 专利分析技术树Tab.1 Patent Analysis Technology Tree

图2 1991～2019年专利申请趋势Fig.2 Trends in Patent Applications from 1991 to 2019

表2 1991～2019年专利申请数量Tab.2 Number of Patent Applications from 1991 to 2019

各地的专利申请趋势差异较大，日本在1990～2000 年专利申请的比例最高，但申请数量持续下降，有效数据占比18.78%；美国的专利申请始于20 世纪90年代中期，但申请数量从2000年开始增加，在2013年之前一直在增长，有效数据占比19.83%；自2000 年以来，韩国的专利申请数量不断增加，并且从2009年开始迅速增加，有效数据占比约27.7%；2006 年以前，中国的专利申请活动一直处于边缘状态，但自2010年以来，专利申请数量每年都在大幅增加，尤其是2013 年之后，有效数据占比均在50%以上，是专利申请的最大市场，也是当前高层建筑技术热点市场。

2.4 技术趋势分析

基于已收集的数据，对1991～2019 年间不同技术分支专利申请数量变化趋势进行分析，如图3所示。

图3 1991～2019年不同技术分支专利申数量Fig.3 The Number of Patents for Specific Technology Groups from 1991 to 2019

由图3可知，在高等建筑施工技术一级分类中，快速通道施工技术（A）占比最高，其次是管理施工（C）和精确施工技术（B）。特别是自2010 年以来，快速通道施工技术（A）快速增长，是过去10 年来增长最快的领域。管理施工技术（C）则应用数量稳定，2010 年后略有增加，精确施工技术（B）每年的应用数量基本保持不变。

在高等建筑施工技术二级分类中，专利申请数量占比依次是结构施工技术（AA）占38.5%，外窗施工技术（AB）占28.14%，起重设备操作技术（AC）占14.4%，安全管理技术（CC）占6.8%。 尤其是结构施工技术（AA）从1991年开始，一直是应用专利最多的领域，且在2010 年起迅速增加。由上述分析可知，结构施工技术（AA）是高层建筑施工的主要过程，其技术热点较为集中，是目前技术发展最高、专利申请迅速的领域；外窗施工技术（BB）专利申请从2000 年开始也快速增长，并表现出持续增长的趋势；安全管理技术（CC）专利的比例较低，但也呈现稳定增长的趋势，也逐渐成为施工管理的重点内容。除此之外，起重设备操作技术（AC）和位移测量技术（BB）也逐渐成为近10年来专利申请趋势上升的重点领域。

2.5 空白技术预测

本研究采用OS 矩阵分析，对高层建筑施工技术的空缺技术进行预测，通过对象与解的关系可以预测空缺技术。首先，从有效数据中提取核心数据进行OS 矩阵分析，在本文已搜集的2 875 个有效数据中提取了182 例核心数据。接下来，将核心数据分为5 个对象和7 个解决方案：对象分为结构质量改进技术（A），效率改进技术（B），项目成本管理技术（C），节能技术（D），安全改进技术（E）；解决方案分为设备改进（A），材料改进（B），新施工方法应用（C），结构构件加固（D），结构分析（E），监测技术应用（F），信息建模方法应用（G）。基于上述步骤，通过创建OS矩阵找到了每个目标的解决方案，如表3所示。

由表3 可知，通过OS 矩阵分析，空白技术预测为FB、FD、GD 和GE：在提高效率方面，对改进的需求不断增加，并通过设备改进（BA）和信息建模技术（BG）来解决，使用监测技术（FB）的专利相对缺乏；人们对能源节约的关注不断增加，并尝试通过使用生态材料（DB）解决这一问题；然而，监测技术（FD）和信息建模技术（GD）在当前高层建筑场地中的应用有所增加，一定程度上可以减少施工中发生的资源浪费；信息建模（GE）主要用于解决提高工人安全施工的问题，通过空间信息或过程信息技术进行危险空间管理，以防止安全事故。上述4 项技术是目前技术的空缺领域，未来将会成为技术研究热点。

3 讨论分析

在市场领域，在快速发展的高层建筑市场中，高层建筑施工技术是影响竞争力的重要因素，许多全球建筑公司正在投资研发高效、经济、适用于复杂高层建筑的建筑技术。前景技术领域和市场的预测是技术开发有效投资的关键所在，本文通过专利分析对高层建筑施工的主要市场和前景技术进行了预测。高层建筑的专利申请数量从2010年开始迅速增长，这表明随着当前市场的增长，技术竞争变得越来越激烈。通过对各市场技术发展的分析，日本和欧洲国家已经走过了高层建筑技术的成熟期，在全球市场上处于领先地位。韩国和中国由于申请了很多专利，被认为是追赶市场的后来者，其中，中国是最引人注目的市场，目前专利申请数量增长最快，也是当今建设高层建筑数量最多的国家，可通过后期技术市场验证，大幅提高该领域的技术数量和质量水平。

表3 对象求解的矩阵分析Tab.3 OS-matrix for the Solution of Each Object

在专利分析方面，将高层建筑施工技术分为快速施工技术（A）、精密施工技术（B）和管理施工技术（C）3个部分，每个部分又分别进行二级分类，形成高层建筑施工技术树并由此推导出检索专利的技术关键字，以便进行后续专利信息提取与筛选。该环节决定着后续分析的准确性，是专利分析技术的关键。在此基础上，依次进行市场趋势分析、技术趋势分析和空白技术预测，获取目前各国家在专利研发上的数量及变化趋势，专利和技术热点集中于哪些方面以及未来最具发展潜力的空缺技术方向。该部分内容是本研究高层建筑施工技术专利分析的重点内容。

在技术领域，在快速施工技术中，结构施工技术和外窗技术发展迅速。高层建筑高度的上升和形状的复杂导致了结构和窗技术的发展。安全管理施工技术的专利绝对量较低，但变化率较高，是当今一个值得关注的领域。随着近年来高层建筑工地移动设备的不断增加，利用移动设备上的GPS 和摄像头的监控技术将快速发展，同时利用工人和设备位置信息的生产效率的监测领域，和通过图像处理的现场信息自动化管理技术领域也将得到发展。建筑节能技术领域将通过BIM 预计采用监测技术和信息建模技术进行能源预测，通过传感技术进行设备能源监测。随着目前BIM 技术在高层建筑设计中的应用越来越多，利用设计阶段各材料的环境负荷和能耗信息来预测施工中发生的能耗的技术将不断发展。此外，利用传感技术的能源使用监测技术在能源利用率不高的领域也很有前景。在安全管理技术领域，利用BIM 的模拟和空间信息对安全事故进行主动对应，在安全事故中优先控制目标、空间和过程预测技术领域也有广阔的前景。

在外部因素上，专利申请趋势会随着国家、研发投入、政治、经济、市场等因素的变化而变化，而且高层建筑项目投资和建设规模巨大，受到政府政策和经济的影响很大。因此，对高层建筑施工技术进行专利分析的同时，还需要从社会政策和经济状况出发，对专利进行综合分析。

4 结论

本研究主要对高层建筑施工技术进行市场分析和专利分析，以预测未来有前景的技术。对1995～2019 年韩国、日本、美国、欧洲和中国申请的2 875 项专利进行分析，通过技术成熟度分析对技术质量和市场保障能力进行了分析，并通过OS-矩阵分析对空白技术领域和前景技术进行了预测。

结果表明：日本和欧洲的高水平技术在高层建筑市场处于领先地位，但目前处于衰退期；韩国和中国正处于一个快速增长期，特别是中国的专利申请数量增长迅速，其中快速施工技术和外窗施工技术在技术领域中所占比例最高，同时安全管理技术呈现出较高的增长趋势；同时，通过OS-matrix 分析，使用监控技术的施工效率提升领域、使用信息建模技术的安全管理领域、使用监控技术和信息建模技术的施工节能领域都呈现出了空白技术。

研究结果可为高层建筑施工技术投资提供方向，并为未来全球建筑企业的决策提供客观数据。在接下来的研究中，需对于空白技术领域的专利分析进行进一步挖掘，以便更准确地预测高层建筑施工的前景技术。