十大數(shù)字化制造趨勢：重塑智能制造的未來

十大數(shù)字化制造趨勢：重塑智能制造的未來

建筑行業(yè)的數(shù)字化建造趨勢是指利用數(shù)字化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件生產(chǎn)和裝配的自動(dòng)化。這包括3D混凝土打印、數(shù)控銑削、激光切割和機(jī)器人裝配等技術(shù)，通常由BIM模型指導(dǎo)。數(shù)字化建造通過將設(shè)計(jì)軟件直接連接到制造流程，使“智能”建筑流程更加精準(zhǔn)，并減少手動(dòng)步驟。

例如，BIM模型可以自動(dòng)生成CNC切割文件或機(jī)器人刀具路徑。實(shí)際上，這意味著現(xiàn)場機(jī)器人或場外工廠可以接收數(shù)字指令來制造構(gòu)件。嵌入式物聯(lián)網(wǎng)傳感器也融入到這一工作流程中，在施工期間和施工后實(shí)時(shí)監(jiān)控打印或預(yù)制構(gòu)件。這些技術(shù)共同將數(shù)字化工作流程和自動(dòng)化引入現(xiàn)場和非現(xiàn)場施工，從而改善協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策。

趨勢一：大規(guī)模3D混凝土打印

大規(guī)模3D混凝土打印使用龍門架或機(jī)器人擠出機(jī)鋪設(shè)混凝土層，現(xiàn)場生產(chǎn)墻體甚至整個(gè)建筑部分。這種方法減少了對(duì)傳統(tǒng)模板的需求，并可以直接根據(jù)數(shù)字模型構(gòu)建非常復(fù)雜的形狀。它大大加快了施工速度——通常需要數(shù)月的項(xiàng)目通?？梢栽趲滋靸?nèi)打印完成。3D混凝土打印還可以減少材料浪費(fèi)，因?yàn)橹恍璐蛴”匾康幕炷痢?/p>

研究估計(jì)，自動(dòng)化打印可以減少約30%至60%的建筑垃圾，并將建筑工期縮短50%至70%。實(shí)踐中，盈創(chuàng)公司幾年前在24小時(shí)內(nèi)3D打印了10棟房屋和一棟五層公寓樓，展現(xiàn)了這一潛力。這些案例展示了大規(guī)模混凝土打印如何能夠更快地建造可居住建筑，并減少浪費(fèi)，彰顯了現(xiàn)場和近現(xiàn)場施工領(lǐng)域數(shù)字化制造的重大趨勢。

趨勢二：機(jī)器人砌筑和現(xiàn)場裝配

機(jī)器人砌筑是指在現(xiàn)場砌筑磚塊或砌塊的自動(dòng)化機(jī)器。近年來，國內(nèi)在機(jī)器人砌筑技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展。例如，上海建工四建集團(tuán)和上海大界機(jī)器人聯(lián)合研發(fā)的一款砌磚機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)“定位-上磚-抹灰-擺磚”的全流程自動(dòng)化操作。該機(jī)器人包含越障移動(dòng)底盤、上磚裝置、抹灰裝置和六軸機(jī)械臂等結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工地測試中，墻體平整度和垂直度分別達(dá)到2.5毫米和3.5毫米，均滿足施工規(guī)范要求。

還有，中砌智造的砌筑機(jī)器人“On-site”在蘇州星光耀項(xiàng)目中得到應(yīng)用。該機(jī)器人可以在無預(yù)設(shè)的實(shí)際工況下開展人機(jī)協(xié)作施工，滿足單塊重量30千克以下的各種尺寸砌塊施工需求。與傳統(tǒng)人工砌筑相比，砌筑大工減少50%，整體砌筑質(zhì)量提升，平均砌筑工期節(jié)省1天至2天。

趨勢3：采用數(shù)控和激光切割的模塊化結(jié)構(gòu)

模塊化建筑工廠越來越多地使用數(shù)控銑刨機(jī)和激光切割機(jī)來預(yù)制高精度的建筑模塊和面板。在受控的工廠環(huán)境中，木材、鋼材和混凝土構(gòu)件等材料根據(jù)數(shù)字設(shè)計(jì)，使用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器進(jìn)行切割和組裝。這確保了每個(gè)部件都與BIM模型完全匹配。例如，墻板、屋頂桁架和管道支架可以采用數(shù)控切割，以達(dá)到嚴(yán)格的公差要求，然后作為完整的模塊運(yùn)送到現(xiàn)場。

這種異地建造方法加快了現(xiàn)場組裝速度（模塊“即插即用”），并提高了質(zhì)量。一項(xiàng)英國研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)建筑相比，工廠建造的模塊化項(xiàng)目可減少高達(dá)90%的建筑垃圾。通過最大限度地減少現(xiàn)場切割和錯(cuò)誤，工廠數(shù)控/激光切割可以減少人工和廢料。許多大型項(xiàng)目現(xiàn)在使用體積模塊或帶有數(shù)字化切割組件的面板系統(tǒng)，這表明模塊化異地制造是建筑數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵趨勢。

趨勢四：定制部件的混合增減制造

混合增減制造技術(shù)將3D打印與數(shù)控加工相結(jié)合，用于制造復(fù)雜的定制部件。在建筑領(lǐng)域，這意味著打印定制部件的粗略形狀，然后使用數(shù)控銑削或激光切割將其精加工至精確尺寸。這種混合方法對(duì)于需要獨(dú)特幾何形狀和嚴(yán)格公差的構(gòu)件非常有用。例如，上海開發(fā)了一臺(tái)內(nèi)置數(shù)控功能的大型打印機(jī)，用于制造大型結(jié)構(gòu)部件——2018年建造了一套144立方米的“增減”系統(tǒng)，用于打印一座人行天橋。

同樣，建筑師們使用3D打印泡沫模具制作自由形態(tài)的混凝土模板，然后用數(shù)控刨削使其表面光滑。通過將3D打印的靈活性與機(jī)械加工的精確性相結(jié)合，混合制造技術(shù)可以制造一次性連接器、模板圖樣或幕墻面板，而這些部件是手工制作無法實(shí)現(xiàn)的。這些現(xiàn)場或工廠生產(chǎn)的混合機(jī)器可以更快地生產(chǎn)定制構(gòu)件，并最大限度地減少手工精加工，展現(xiàn)了數(shù)字化制造如何將增材制造和減材制造工藝相結(jié)合，以滿足建筑需求。

趨勢5：BIM驅(qū)動(dòng)的制造自動(dòng)化

建筑信息模型(BIM)正日益推動(dòng)自動(dòng)化制造工作流程。詳細(xì)的BIM模型可以自動(dòng)生成施工圖、數(shù)控指令或機(jī)器人程序。在實(shí)踐中，企業(yè)使用BIM數(shù)據(jù)來運(yùn)行工廠機(jī)械和預(yù)制生產(chǎn)線。例如，建筑企業(yè)將BIM直接連接到數(shù)控機(jī)器人，根據(jù)設(shè)計(jì)模型銑削鋼制連接件或木工件。這樣做的好處是，數(shù)字化計(jì)劃可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字化工廠訂單，從而減少錯(cuò)誤和協(xié)調(diào)工作。

在一個(gè)案例研究中，一家機(jī)電承包商利用BIM支持的預(yù)制技術(shù)交付定制管道支架：通過在模型外進(jìn)行預(yù)制，安裝時(shí)間縮短了50%，材料浪費(fèi)減少了20%。在現(xiàn)場，BIM模型還可以指導(dǎo)機(jī)器人組裝，或確保交付的模塊正確安裝。總而言之，BIM驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化意味著設(shè)計(jì)從屏幕到工廠車間的流程更加無縫銜接，這與建筑行業(yè)“從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)”的智能制造趨勢相契合。

趨勢6：利用嵌入式物聯(lián)網(wǎng)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控

另一個(gè)數(shù)字化趨勢是將物聯(lián)網(wǎng)(IoT)傳感器嵌入建筑構(gòu)件和機(jī)械設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。嵌入混凝土、鋼材或構(gòu)件中的傳感器可以跟蹤建筑物固化或運(yùn)行過程中的應(yīng)變、溫度、濕度和其他參數(shù)。例如，劍橋大學(xué)在3D打印混凝土端墻中放置的無線傳感器在打印過程中監(jiān)測了結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度、壓力和濕度。更廣泛地說，建筑工地上的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以測量工地狀況并持續(xù)報(bào)告數(shù)據(jù)。

這種實(shí)時(shí)反饋可以改善結(jié)果：打印墻或預(yù)制構(gòu)件中的異常情況可以立即檢測到，從而實(shí)現(xiàn)快速糾正或質(zhì)量保證。重型設(shè)備中的傳感器還可以預(yù)測維護(hù)需求，RFID/GPS標(biāo)簽可以跟蹤預(yù)制模塊從工廠到現(xiàn)場的全過程。通過將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入數(shù)字模型，團(tuán)隊(duì)可以隨時(shí)調(diào)整施工方案。實(shí)際上，嵌入式傳感器將建筑物和場地變成了自我報(bào)告系統(tǒng)，使制造與運(yùn)營保持一致。這將帶來更智能、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的施工管理和維護(hù)。

趨勢7：適用于遠(yuǎn)程施工現(xiàn)場的便攜式FabLabs

便攜式制造實(shí)驗(yàn)室（“FabLab”）是一種將數(shù)字化制造工具帶到遠(yuǎn)程或現(xiàn)場的創(chuàng)新模式。這些實(shí)驗(yàn)室通常建在拖車或集裝箱內(nèi)，配備3D打印機(jī)、數(shù)控銑床、激光切割機(jī)和電源等設(shè)備，能夠按需生產(chǎn)建筑部件或工具，無需依賴長途運(yùn)輸。

舉個(gè)例子，F(xiàn)ablab O - Shanghai“數(shù)制”工坊。這是中國大陸第一家FabLab實(shí)驗(yàn)室，由同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院推動(dòng)建立，旨在通過3D打印、開源硬件和開放設(shè)計(jì)等技術(shù)推動(dòng)新工業(yè)革命。該實(shí)驗(yàn)室不僅服務(wù)于高校師生，還面向公眾開放，推動(dòng)社區(qū)創(chuàng)新。

趨勢八：循環(huán)建設(shè)與數(shù)字化再利用規(guī)劃

可持續(xù)性正在推動(dòng)建筑業(yè)向循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式邁進(jìn)，并借助數(shù)字化規(guī)劃工具?！把h(huán)建筑”利用數(shù)字化系統(tǒng)規(guī)劃材料和部件的再利用，而非浪費(fèi)。數(shù)字化平臺(tái)匯集了可用的回收材料或建筑生命周期的信息。例如，歐盟的CIRCuIT項(xiàng)目推出了一個(gè)材料再利用門戶網(wǎng)站——一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，列出了來自不同來源的剩余建筑材料，方便查找和再利用。

在實(shí)踐中，建筑師和規(guī)劃師可以在設(shè)計(jì)過程中搜索此類門戶，以指定可重復(fù)使用的磚塊、鋼材或面板。同樣，像Madaster這樣的“材料護(hù)照”數(shù)據(jù)庫以數(shù)字方式記錄建筑物中的所有材料。這使得未來的翻新或拆除工作能夠系統(tǒng)地回收組件。通過將這些工具與BIM和項(xiàng)目規(guī)劃相結(jié)合，團(tuán)隊(duì)可以規(guī)劃建筑物，以便部件日后能夠輕松重復(fù)使用或回收。簡而言之，數(shù)字化再利用規(guī)劃工具將設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈連接起來，減少浪費(fèi)，并將建筑轉(zhuǎn)變?yōu)楦沙掷m(xù)的循環(huán)流程。

趨勢9：材料和能源優(yōu)化的參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)使用算法和可調(diào)參數(shù)來優(yōu)化建筑形式、材料使用和能源性能。在實(shí)踐中，建筑師和工程師使用參數(shù)化建模探索眾多設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)既定標(biāo)準(zhǔn)選擇最佳方案。例如，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師可以參數(shù)化梁尺寸、網(wǎng)格間距或幾何形狀，然后分析每個(gè)方案的效率。

一位專家曾指出，參數(shù)化設(shè)計(jì)中的性能指標(biāo)可以包括材料體積或元素的隱含碳。這使得設(shè)計(jì)師能夠在滿足強(qiáng)度和規(guī)范要求的同時(shí)，最大限度地減少所需材料。參數(shù)化工具還能根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)整建筑形狀：例如，參數(shù)化立面可以根據(jù)太陽角度自動(dòng)調(diào)整其遮陽模式，以減少冷卻負(fù)荷。

通過快速迭代數(shù)百萬個(gè)幾何選項(xiàng)，參數(shù)化工作流程能夠?qū)崿F(xiàn)更精簡、更節(jié)能的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)實(shí)世界中的案例包括優(yōu)化的混凝土屋頂和低能耗外墻，參數(shù)化算法減少了材料使用量，并提高了被動(dòng)式太陽能性能。因此，使用參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化是減少建筑項(xiàng)目浪費(fèi)和能源消耗的主流制造趨勢。

趨勢10：基于人工智能的生成制造規(guī)劃

人工智能(AI)正在逐漸改變建筑規(guī)劃和調(diào)度的方式。生成式AI工具可以快速評(píng)估大量的施工順序和資源計(jì)劃，從而找到最佳的施工策略。例如，生成式調(diào)度軟件可以測試數(shù)百萬種場景，以優(yōu)化勞動(dòng)力、設(shè)備和排序。麥肯錫報(bào)告稱，此類工具“可以測試數(shù)百萬種進(jìn)度配置，并在幾分鐘內(nèi)為項(xiàng)目找到最佳的工作順序和資源”。

在實(shí)踐中，這意味著項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以輸入約束條件，如任務(wù)、人員、日歷，并讓人工智能生成高效的建造計(jì)劃。一旦選定計(jì)劃，即可根據(jù)實(shí)際情況不斷更新。最終實(shí)現(xiàn)更智能的施工進(jìn)度安排，材料交付、預(yù)制作業(yè)和現(xiàn)場組裝均由人工智能協(xié)調(diào)，從而節(jié)省時(shí)間和成本。通過將生成式算法應(yīng)用于施工規(guī)劃，建筑商可以實(shí)時(shí)調(diào)整并最大限度地提高生產(chǎn)力——這是人工智能融入數(shù)字化建造工作流程的典型案例。

總結(jié)

這十大數(shù)字化建造趨勢共同推動(dòng)建筑業(yè)更加智能、快捷、可持續(xù)。3D打印和砌筑機(jī)器人等現(xiàn)場創(chuàng)新技術(shù)大幅減少了人工和浪費(fèi)，而模塊化工廠和便攜式FabLab等場外方法則提升了質(zhì)量和速度。數(shù)字化集成——通過BIM驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和人工智能規(guī)劃——確保每個(gè)組件的制造和組裝都以數(shù)據(jù)支持的精度進(jìn)行。同時(shí)，循環(huán)設(shè)計(jì)和參數(shù)化工具最大限度地減少了資源消耗，并將適應(yīng)性融入建筑之中。

這些趨勢共同指向一個(gè)未來：建筑將實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)并由傳感器監(jiān)控，機(jī)器人系統(tǒng)將最大限度地減少人工，數(shù)字模型將指導(dǎo)每一步。這不僅有望提高效率，還將帶來更具韌性、低影響的建筑環(huán)境。隨著建筑業(yè)融入這些數(shù)字化趨勢，項(xiàng)目將變得更加安全、高效，并更好地契合可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

常見問題解答：

1. 數(shù)字化制造趨勢如何改變建筑工地的運(yùn)營？

答：數(shù)字化建造趨勢，例如現(xiàn)場3D打印機(jī)和砌筑機(jī)器人，正在使過去需要手動(dòng)完成的任務(wù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。它們將數(shù)字設(shè)計(jì)直接轉(zhuǎn)化為實(shí)體組件，從而加快工作速度并減少錯(cuò)誤。例如，機(jī)器人砌磚工可以比傳統(tǒng)砌磚工人更快地砌墻，并減少浪費(fèi)。總而言之，這些趨勢意味著，由于機(jī)器在現(xiàn)場按照數(shù)字藍(lán)圖施工，曾經(jīng)需要數(shù)月的工作通?？梢栽跀?shù)周內(nèi)完成。

2. 數(shù)字化制造趨勢給建筑效率和可持續(xù)性帶來哪些好處？

答：數(shù)字化制造趨勢通過減少手動(dòng)步驟和返工來提高效率。數(shù)控工廠的預(yù)制和人工智能規(guī)劃工具可以最大限度地減少延誤并優(yōu)化材料使用。這可以縮短工期并降低成本。在可持續(xù)性方面，數(shù)字化方法可以減少浪費(fèi)：一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)制可減少高達(dá)90%的建筑垃圾。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和循環(huán)規(guī)劃等許多趨勢也有助于延長建筑物的使用壽命并更謹(jǐn)慎地利用資源。簡而言之，這些趨勢在提高項(xiàng)目質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)省了時(shí)間、金錢和材料。

3. 哪些數(shù)字化制造趨勢對(duì)于模塊化異地施工最有前景？

答：對(duì)于異地工廠建設(shè)而言，數(shù)控/激光切割（趨勢3）和BIM驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化（趨勢5）等趨勢至關(guān)重要。數(shù)控銑刨機(jī)和自動(dòng)化裝配線允許在室內(nèi)建造精確的模塊，而BIM模型則為這些機(jī)器提供精確的尺寸。便攜式工廠（趨勢7）通過在現(xiàn)場附近建造一個(gè)微型工廠來擴(kuò)展這一概念。這些趨勢共同意味著整個(gè)建筑部分可以作為標(biāo)準(zhǔn)化單元制造，從而大大加快現(xiàn)場安裝速度并提高最終質(zhì)量。

4. 數(shù)字化制造趨勢真的可以顯著減少建筑垃圾嗎？

答：是的。許多數(shù)字化建造方法產(chǎn)生的浪費(fèi)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)建筑。例如，3D混凝土打印無需模板，只需鋪設(shè)所需材料，研究估計(jì)可減少30%至60%的浪費(fèi)。同樣，工廠制造的模塊化組件由數(shù)控機(jī)床精確切割，一份報(bào)告發(fā)現(xiàn)，模塊化方法可減少高達(dá)90%的浪費(fèi)。即使是喜利得的BIM預(yù)制方法，也已被證明能減少約20%的材料廢料。總而言之，通過使用精確的數(shù)字模型和自動(dòng)化切割，這些趨勢有助于提高建筑的資源效率。

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