王煜全

文章作者：

王见宇，就职于美国战略咨询公司Lux Research，从事高新材料和先进制造领域全球创新科技的研究，关注领域包括碳纤维及增强复合材料，3D打印以及材料信息学等。

数字化工具和机器人在建筑市场的应用

说起人工智能，大数据等技术词汇，人们通常都不会把它们和看似传统的建筑行业联系在一起。原因之一是这些科技要想实现作用，就需要应用层面上的数字化，这是目前建筑行业比较薄弱的环节。另外，传统的建筑过程不但要处理大量不同材料的使用安装和各种机械的操作，而且还要在建筑现场根据实际情况作出变化，因此建筑过程的复杂性以及不确定性也是高新科技难以从根本上撼动传统流程的原因。

但是，如同各个行业正在发生的指数型增长一样，建筑行业的数字化乃至人工智能化已经出现萌芽，并且在一些领域展现了出人意料的进展。创新科技已经渗透到了建筑流程的各个环节。

建筑设计：

传统的建筑设计使用的软件都属于CAD（Computer Aided Design），但是CAD的使用并不便利，尤其是比较难做系统性的修改和模拟。目前市场上比较流行的技术是建筑信息建模BIM（Building Information Modeling），BIM的各种模拟是基于同一个建筑模型，因此只要修改模型中的某个参数，各项模拟的结构都会随之更新。

BIM目前在建筑设计中的广泛使用也造就了Autodesk这样的公司在BIM软件开发中的领袖地位。目前的BIM不但可以构建和模拟建筑材料或者模块的几何形状，空间关系，物理性质及其他功能参数，地理位置和气候，而且也可以把各个建筑材料或模块的成本和物流进度做综合管理。

在建筑设计领域的创新公司是很难和Autodesk这样有实力的企业直接竞争的。因此，创新公司的软件研发差异化主要沿两个方向展开。

第一个方向是在BIM设计的基础上添加虚拟现实（VR），并且模拟和预测该建筑在绿色建筑标准的打分。比较有代表性的公司是VIMtrek。

第二个方向是把BIM平台上的建筑整体设计转化成一个个可以被预制的模块，并把模块的生产任务下达给不同的预制模块生产商。这样整合多个模块生产商的产能和个性化能力，使得预制建筑模块满足建筑设计的个性化成为了可能。比较有代表性的公司是Project Frog。

需要指出的是，VIMtrek和Project Frog同样都开发了独有的软件系统，但他们在业务模式上有着很大不同。VIMtrek以SaaS模式让软件服务于广大设计师、开发商以及总承包商。而Project Frog把软件仅限于自用，利用软件把自己接到的建筑项目分拆成一个个预制模块并把模块的生产任务下发到其各大供应商。

预制建筑模块的制作中：

在建筑设计完成之后，预制建筑模块的生产商就要按照设计的具体要求来生产模块。目前全世界预制建筑模块的生产有很多家，其中比较大的公司是中国的企业远大住工，工业化和自动化水平都很高；另外在全球范围内有很多规模较小而且自动化水平较低的公司。所有这些公司都有一个生产中的痛点，就是他们所生产的预制建筑模块受限于一些有限的模板，无法完全做到个性化。

要想解决预制模块生产中的个性化问题：

一个解决方法是像Project Frog那样依靠庞大供应商群体的多种产品线来覆盖客户的个性化需求。

另一个解决方法是切实提高生产工序满足个性化的能力，这是建筑自动化中的难点，而且目前没有公司能在自己的车间中按照BIM或者CAD的建筑设计文件来针对各种预制建筑模块（比如外墙，内隔墙，屋顶，楼板等）实现个性化。目前比较可喜的是，一些创新型公司正在一些细分的模块领域实现个性化的生产。

一个著名的例子是上海盈创，这家公司用3D打印方式生产混凝土预制模块用于室内装饰或者建筑外墙，在迪拜刚刚完成了第一个商用案例。

另一个例子是美国公司Blueprint Robotics，这家公司开发了机器人系统可以按照用户的CAD或者BIM设计制造墙体模块。具体而言，Blueprint Robotics所造的模块是与设计完全一致的，并且为门窗，水利电力管线等各种系统预留了空间。

在建造流程上，机器人极大程度地取代人工覆盖了整个流程，从定向刨花板框架的裁切，石膏板在刨花板框架中的固定，到墙内电子及防火系统的安装，再到隔热材料以及支持结构的安装。预制墙体模块做好后，只需要运输到建筑工地，在当地拼装并涂刷涂料。

预制建筑模块生产的自动化和人工智能化是个行业难点，但也是诸多创新性公司涉足的热点领域。虽然目前整体的突破并不明显，但是随着盈创和Blueprint Robotics这样的公司的示范作用和其他公司的跟随和自主研发，这一难点会被一步步克服。

比如这一难点会先从某些具体种类的模块攻克，然后逐步扩张到其他的模块的生产当中，从而最终实现各种模块的生产能由高度自动化和灵活度的人工智能来完成。

建筑现场的操作：

建筑现场预备和模块组装是建筑过程中需要在实地完成的操作，也是机器人目前非常难实现全流程的自动化。主要原因是建厂施工的环节涉及到的材料和工具种类繁多，对机器人的适应性要求很高。由于建筑现场要完成的工序过多，目前没有一家创新企业可以包揽这诸多工序，而是只集中解决某一两个工序中的具体需求。

一个明显的例子就是砖头的垒砌。通常的砖头垒砌过程都是人工来完成，效率低而且准确性比较差。有两家机器人企业正在进入砖头垒砌的市场，其中一个是Construction Robotics，另一个是FastBrick Robotics。

这两家公司开发的机器人都可以用机械手臂自动拿起砖头，涂抹水泥并按照建筑设计的BIM或者CAD文件选取不同样式的砖头码放到指定位置。

前者的机器人目前只能横向移动，一次码放一扇墙，后者的机器人可以坐在建筑工地的一个角落，用高而长的机械手臂把砖头输送并码放到建筑的指定位置。两家公司相比，Construction Robotics实现的项目很多，而Fastbrick Robotics还处在比较早期的市场渗透阶段。

另一个例子是建筑现场的土方搬运。现有的绝大多数工程中依然需要有人来操作推土机完成。这里分享两个开发无人操作推土机的公司。一家是日本的企业Komatsu，另一家是美国的企业Autonomous Earthmoving Equipment。

这两家公司基本都是利用飞行机器人的3D激光扫描来判定和计算施工现场的各具体位置需要移动多少立方的土，并以此来指挥推土机进行工作。

目前两家公司推出的产品都是有人来进行远程控制操作，一个人可以操作4台推土机同时工作。在不久的将来，相信土方搬运可以实现完全的无人化操作。

还有一个必须要提的是AR在建筑施工现场的应用。与砖头垒砌和土方搬运相比，AR是比较容易在短期内得到广泛应用的。

AR的主要优势在于可以提示建筑施工人员应该在某个位置安装某个预制的建筑模块，以及该模块的具体属性。而且，AR还可以提示建筑施工人员该用何种工具，何种操作来进行操作，这也能大大减少施工人员的培训成本。在AR的建筑应用方面比较领先的公司有Insiter以及Bentley。

我们以上所举的例子是数字化工具和机器人在建筑设计，预制模块制备以及施工现场各个环节当中的应用案例。实际当中的产品和应用案例并不只是我们所提到的这些公司。

总体来看，数字化工具和机器人正在以比人们预想的要快的速度进入建筑领域。在长远来看，机器人在数字化的基础上逐步取代人工，甚至是绝大程度上取代人工将只是个时间问题。

以上这些信息对于中国而言是喜忧参半的。

忧的一面是这些技术的应用会使得建筑工人的工作被替代，其中少量建筑工人能够通过学习和机器协作来实现从劳动力向工程管理角色的过渡；众多人会因此被迫转入其他行业。

这个恐怕是国家不愿意看到的，不过数字化工具和机器人对建筑工人的广泛取代短期之内还不会成为现实。

喜的一面是这些技术的应用可以带来极大的效率和质量的提升，并且有可能使得未来的建筑业成为一种更加以设计为导向的行业，因为设计文件生成之后剩下的工程可以在很大程度上由机器人来完成。

更重要的是，中国的庞大人口，经济体量以及生活需求的变化将会带来对新建建筑的持续性需求，这位中国建筑领域的巨头利用全球技术充实自己的实力，提供了实际的商业保证。

或许未来有一天，人类对建筑设计的个性化和建筑过程的自动化就如同目前的3D打印一样方便和省心。

我是王煜全，您的全球科技前哨侦察兵。

今天是前沿侦察的第274天。

王煜全

关于建筑领域的创新科技，你还有哪些想法想要和王博士探讨呢？欢迎到留言区写下你的看法。王博士将会在周末选出几个最有价值的问题作答。

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舒婷

21

终于听到了和我从事的行业最贴近的分享，我在这个行业积累了16年的行业经验，知道应用需求点—— ，也愿意投点资，从事这个行业先行者的一些工作，希望王老师的带领下 ，整合这方面资源，在建筑行业做点有价值的事。

03-16 06:58:40

Apprentice-胡钦元

9

建筑技术智能化可以极大的提升效率和质量，老师说的喜忧参半其实可以通过应用扬长避短，城镇化进程本来就是东西失衡，未来在“一带一路”进程中，东部地区可以用来提升效率和质量，解放的人工会引向西部进行开发；这样就可以人工就业和效率提升兼顾。再有就是有的省市在“一带一路”中冲锋在前，可以大幅用智能提升效率，有的省市保守，可以继续使用人工慢慢观望适应，国外也一样，比方说东盟合作多进展快，智能科技可以大幅提升我国科技形象，质量好、节约成本。总之，就像经济特区带动改革一样，科技特区先行，争取适应时间，总有妥善安排劳力的新科技相应工作出现，所以我看着全是喜，很乐观。

03-16 06:58:01

张辉

5

很惊喜看到传统行业也有机器人的影子，有幸在高中升大学的暑假里，体验过两个月的工地生活，从这篇报道里看，落实到具体施工，只是瓦工的部分工作被替代，像砌墙，但是还有很多机动性比较强的工作没有被替代，比如粉刷，打混泥土，此外像木工，钢筋工的工作没有提到，一栋大楼是由这三个工种配合来完成的，个人认为想要实现建筑行业的机器换人，至少10年路要走，而那时现阶段的农民工已经老了，已经不适合这样重体力的行业，必然是受过基础教育的年轻一代顶上，若想要不被人工智能替代，从教育入手，让 IT 教育成为普遍，新一代的建筑工人可以和机器协作，不见得会引起失业的恐慌，毕竟新建筑工人的基数要小很多。

03-16 08:19:27

静姝

4

谢谢王博士的供稿，我女儿终于听到3D打印的具体应用了。她现在学的3D打印的制图软件，是可以设计任何物品的，她就在设计一所房子加家具，昨天说做了一个空调的外观设计。打出来的用她的话说只是模型。她说模型又不可以用，也没有那么多材料，她就不明白3D打印到底就是打个玩具模型出来吗？看来3D打印用于建筑行业还是很可行的。还有一个有趣的事，前几天比尔盖茨在微信开了个公众号，小家伙看到了，上面说可以提问题给盖茨，说盖茨会回答，人家是说关于慈善的吧！小家伙也去提了个问题，就是问3D打印以后的可以具体做什么？她想听听盖茨怎么说。她还等着回答天天看她的微信。结果是过了回答的日子，她当然没有等到，很失落。希望王博士从建筑的角度讲一下3D打印的发展应用。真的可以将设计好的桌子椅子床等打印出来吗？

03-16 08:16:09