2. 同济大学 工程结构性能演化与控制教育部重点实验室, 上海 200092;
3. 同济大学 上海智能科学与技术研究院, 上海 200092;
4. 中建海龙科技有限公司, 深圳 518110
2. Key Laboratory of Performance Evolution and Control for Engineering Structures of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China;
3. Shanghai Research Institute of Intelligent Science and Technology, Tongji University, Shanghai 200092, China;
4. China State Construction Hailong Technology Co., Ltd., Shenzhen 518110, China
新型建筑工业化是通过新一代信息技术驱动,以工程全生命周期系统化集成设计、精益化生产施工为主要手段,整合工程全产业链、价值链和创新链,实现工程建设高效益、高质量、低消耗、低排放的建筑工业化。
推动新型建筑工业化,需要技术创新与管理机制变革双维度驱动,打造一体化建筑生产方式。在技术创新层面,装配式建筑是新型建筑工业化的具体生产形式与主要概念载体;在管理机制层面,常见的项目管理与交付机制包括设计-招标-建造(design-bid-build, DBB)、设计-采购-建造(engineering procurement construction, EPC)、集成数字交付(integrated digital delivery, IDD)等[1-3]。其中IDD能够通过数字化技术整合项目利益相关者并进行全生命周期管理,有利于工程总承包过程中的参建方协同与全流程管理,同时能够降低资源消耗和环境污染,符合建筑业绿色低碳的发展方向,是新型建筑工业化过程中管理机制变革的必然选择。
目前,中国对IDD模式的研究与应用集中于功能性建筑的交付运维。本研究将以装配式建筑项目为场景,从项目流程、关键技术和数据应用3个方面,构建适配于新型建筑工业化的IDD理论体系,以期为IDD模式在中国装配式建筑项目的应用推广提供参考。
1 集成数字交付研究现状 1.1 集成数字交付的定义与内涵集成数字交付(IDD)是一种源自新加坡的新型项目管理模式,也被称为全过程数字化交付或数字化集成交付。IDD利用数字化技术,将建筑项目的传统流程整合为4个阶段——数字化设计、数字化制造、数字化建造和数字化运维,并实现了建筑全生命周期中各利益相关者的有效协作。如图 1所示,在过去十几年中,基于高普及率的建筑信息模型(building information modeling, BIM)应用以及虚拟设计与施工(virtual design and construction, VDC)技术[4]的发展,新加坡建筑业实现了从BIM到VDC再到IDD的数字化、集成化生产系统搭建。
IDD的内涵在于对项目交付的数字化和集成化管理:应用新一代信息技术,IDD模式对传统项目交付过程进行升级,实现设计、制造、建造和运维等阶段的数字化交付;通过数字化管理系统,IDD模式对零散的数字化交付过程进行串联,整合多方数据,打通信息壁垒,实现多阶段联动与多用户协同。根据《住房和城乡建设部等部门关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》,中国新型建筑工业化的发展方向和内在需求是全产业链、多专业协同以及信息技术融合。这正契合了IDD模式的核心内涵,因此IDD模式的研究与应用对于推动中国新型建筑工业化的发展具有重要意义。
1.2 集成数字交付研究内容IDD模式相关的学术研究主要涉及实施现状、价值评估、改进策略等方面。例如,Hwang等[5-6]通过问卷和访谈分析了新加坡建筑业实施IDD模式的情况和问题,发现IDD模式能够提高项目绩效和质量,但也面临技术、管理、规范等方面的挑战。刘子文等[7]从可持续性的角度对BIM相关研究进行了科学计量分析,梳理了BIM在IDD模式各个阶段促进可持续发展的主要方式和技术,并指出了未来研究的重点方向。Chee等[8]则聚焦于增建和改建项目,研究了IDD模式在这类项目中的优势和挑战,发现IDD模式能够解决复杂问题,并提高沟通协作水平。
为促进IDD模式的标准化实施,以新加坡建设局(Building and Construction Authority, BCA) 为代表的政府机构也制定了一系列文件,明确了IDD模式的应用范围[2]、项目优势[9]与规范做法[10],并提供了相应的示范案例[11]。此外,BCA还积极构建支撑IDD模式的标准化生态系统,包括制定共享数据环境(common data environment, CDE)[12]和BIM资产信息交付指南[13]。
1.3 集成数字交付的实践与挑战作为先行者,新加坡通过政策引导、项目实践和产学研合作,推动了IDD模式的普及和技术创新。据文[5],新加坡建筑业相当程度上实现了IDD模式的建筑项目全覆盖,截至2019年,87%的建筑企业能够在项目部分阶段采用IDD模式,38%的建筑企业能够将IDD模式应用到项目全周期,93%的项目参与者认为IDD模式能够提高项目效益。
近些年,中国也有一些关于IDD模式的探索和实践,但在建筑业尚未普及。在石油化工与制造行业,一些企业积极推动数字化、集成化交付与智能工厂建设的深度融合,主要涉及数字孪生体建设、数据流整合以及数据仓库平台搭建[14-17]。相比之下,建筑行业IDD模式应用较少,主要集中在铁路、公路的交通综合体建设领域[18-19]。总体来看,中国建筑业的IDD模式实践主要面临3个问题:缺少规范的实施流程框架、技术研发体系不完善、交付数据应用不充分。
2 集成数字交付项目流程框架结合BCA定义的IDD基本概念,本研究对传统装配式项目实施过程进行梳理,将其划分为数字化设计、数字化制造、数字化建造与数字化运维4个阶段,提出了IDD项目流程框架(如图 2所示)。该框架介绍了IDD项目各阶段的实施流程,并解释了如何实现跨阶段的信息化连接与协同交流。
2.1 项目关键阶段实施流程
将IDD项目全周期划分为数字化设计、数字化制造、数字化建造与数字化运维4个阶段,并对传统装配式业务进行数字化更新,可以得到IDD模式下各阶段的具体实施流程。
1) 数字化设计阶段是指应用数字化技术,实现利益相关方的高效沟通,减少非必要设计变更,缩短协调时间。主要流程包括:(1) 智能化建筑方案设计,结合地理信息系统(geographic information system,GIS)与BIM技术进行地质勘测、空间规划、可持续性分析与法规核查;(2) BIM正向设计,建立并整合建筑、结构、机电各专业模型,生成施工图方案;(3) 多方协同会审,结合虚拟现实(virtual reality,VR)技术与BIM模型进行可视化方案会审与协同修改;(4) 深化设计,利用BIM进行碰撞检测与管综优化,得到工艺深度施工图,指导构件制造与项目施工。
2) 数字化制造阶段是利用数字化技术管理装配式构件的排产、质量、仓储、物流等过程,实现及时、经济、高效制造。主要流程包括:(1) 基于材料供货系统的自动化采购;(2) 根据订单、库存、工厂效率等因素进行智能排产,实现多厂协同与实时调整;(3) 基于BIM模型的生产优化,使预制构件适配流水线,实现标准化批量生产;(4) 利用数据中台驱动自动化构件生产;(5) 将质检证明录入生产信息码,实现一物一码集成验收;(6) 搭建仓储管理系统(warehouse management system,WMS),实时控制订单发货并追踪运输情况。
3) 数字化建造阶段是通过数字化手段开展施工阶段的精益建造、产前培训和现场管理活动,从而提高生产效率。主要流程包括:(1) 结合VR技术与BIM模型进行数字化产前培训;(2) 智能场地布置,搭建施工场布BIM模型,科学划分场内区域,减少材料的二次搬运;(3) 通过智慧工地系统集成数据,进行人机料法环等施工要素的智能管理。
4) 数字化运维阶段是通过数据集成和可视化,监控建筑总体性能,提升资产价值,提高整体运营效率。主要流程包括:(1) 开发交付程序,实现BIM模型与实景图像的线上同轨展示,实现云端验收;(2) 将机电设备信息集成于BIM模型,实时监测建筑运行状态,进行可视化与精准化运营;(3) 整合项目全周期信息资料,高效存储、管理和检索数据资产;(4) 设置服务触点,收集业主需求与评价数据,基于算法开展智能化物业服务。
2.2 项目跨阶段数字化连接在传统建筑工程中,项目各阶段间协同交流效率低,缺少串联纽带,容易产生信息孤岛和数据壁垒。为加强项目工作的整体性,IDD模式以BIM模型作为主要载体进行阶段间的交付与连接,从而打通项目数字化闭环,实现BIM模型的精度(level of details, LOD)升级。
设计阶段到制造阶段,以BIM模型和物料清单(bill of materials, BOM)作为数字化连接纽带,并推动BIM模型的更新优化与构件自动化生产。首先,定义设计阶段的BIM模型精度为LOD400.1.0版本,该模型涵盖建筑、结构、机电等多专业系统,包含构件材料、尺寸、公差等细节。设计部门会将BIM模型交付给制造工厂,工厂利用数据中台从模型中提取BOM,基于清单包含的构件类别、数量和生产工艺等信息驱动生产线作业。同时,工厂会将构件编号、现场定位信息、外观尺寸、验收情况等资料导入BIM模型中,使BIM模型具有构件生产记录信息,形成LOD400.2.0版本的BIM模型。
制造阶段到建造阶段,以BIM模型和生产信息码作为数字化连接纽带,通过施工状况反馈更新BIM模型,使用生产信息码完成构件一站式验收。制造工厂会将LOD400.2.0版本BIM模型和记录生产、质检、责任信息的生产信息码交付给建造团队。建造团队利用BIM模型指导现场施工,并及时反馈与设计不符的施工变更和质量控制情况,更新BIM模型至LOD400.3.0版本。同时,建造团队会在构件进场时扫描生产信息码进行进度反馈和一站式验收,实现生产与施工的有效协调,避免库存积压或缺货,提高验收效率和质量。
建造阶段到运维阶段,以BIM模型作为数字化连接纽带,利用BIM模型进行竣工验收,同时根据交付运维数据进行BIM模型更新。建造阶段输出的包含施工信息的BIM模型,可以辅助验收人员进行建筑质量和功能检验,确保其符合设计要求和规范标准。交付与运维过程中,结合验收时的建造状态与后期维保记录,可以进一步修正和完善BIM模型,形成反映建筑实时状态的LOD500版本BIM模型。通过LOD500版本模型,运维人员可以快速获取信息,进行故障诊断、预防性维护、能耗分析、安全评估等工作,提高运维效率和质量,延长建筑的使用寿命。
3 集成数字交付关键技术研究如图 3所示,按照功能分类,本研究从业务执行和智能管理2个层面对IDD模式关键技术进行梳理和阐述,其中BIM技术是IDD模式的核心技术与数字底座。
3.1 数字底座
BIM是一种基于三维模型的方案设计、构件制造、项目施工和建筑运维方法。在设计阶段,通过建筑、结构、机电等全专业正向建模,能够集成功能、结构、材料、设备等静态信息;在装配构件制造和现场施工阶段,通过针对业务场景的多源数据融合方法,结合数据感知技术和人工反馈,能够集成结构变动、实时进度、现场施工状况等动态信息。以BIM技术搭建的模型与集成的数据为基础,可以打造IDD模式的数字底座,实现项目参与方的协同合作,打通项目全阶段生态闭环,为后续关键技术的实现提供前置条件。
3.2 业务执行层面在业务执行层面,IDD项目的工程作业需要虚拟设计与施工(VDC)、智慧生产线与智慧工地3类技术作支持。VDC以BIM模型为基础,结合GIS与VR技术,使用模型进行室内外空间规划、项目可持续性优化、项目成本估算、资源协调,在设计阶段实现虚拟预拼装与深化设计,指导施工阶段降本增效。智慧生产线的搭建除了应用常规自动化技术,还需针对装配式构件开发数据中台,用以解析BOM进而驱动自动化生产,并配合缺陷检测与数字验收等辅助技术,实现制造阶段低成本、短交期、高质量的生产目标。智慧工地集成扩展现实(extended reality,XR)、深度学习、目标检测与分割、三维重建等数字化技术,可以赋能传统的施工作业模式,为施工阶段提供智能化解决方案,开展智能巡检、VR产前培训、无人机土方测量、机器人自动施工、增加现实(augmented reality, AR)辅助机电安装等业务。
3.3 智能管理层面实现IDD模式,一方面是以数字化技术来更新传统业务执行模式,另一方面需要应用状态感知、数据分析和信息集成技术,实现智能化项目管理和精细化交付运维。
状态感知的核心是在各业务板块配置GPS、位置基站、射频识别(radio frequency identification, RFID)与摄像机等终端传感器并搭建生产物联网(Internet of things, IoT),收集作业过程产出的数据,结合5G技术实现作业层、项目部到公司的无延时数据传输。收集到的数据经过数据分析引擎中大数据算法与工程智能分析算法的处理,完成从数据资源到有价值信息的转化,成为数据资产。最后,应用多源异构数据处理与融合技术,承接各业务板块数据与分析结果,在制造执行系统(manufacturing execution system, MES)、WMS等系统中实现全过程的信息集成与数据可视化,辅助管理人员进行统筹决策。
4 集成数字交付数据应用模型IDD模式以数据资产作为交付载体,为增强IDD的可实施性与可量化性,需要明确数据的源头、处理方式和所指导的业务,解决数据资产“从哪里来,到哪里去”的问题。如图 4所示,本研究提出了IDD模式配套的数据应用模型,从数据资源采集、数据分析与资产化以及数据驱动决策3个方面揭示工程数据的产生、流动与应用。
4.1 数据资源采集
为了有效治理装配式建筑项目各环节的数据,在作业层划分设计、制造、劳务、设备、物资、技术、绿色施工、运维、进度、安全、质量、资金共12个业务线。生产过程中,针对每条业务线配置相应的操作软件、传感器、工程设备等智慧终端,实现各业务线的多媒体数据、激光点云、BIM模型数据等作业数据的自动化、高精度采集,确保数据无修改、无掩饰。这个阶段的数据只是将纸质材料数字化,没有形成有序的结构和关联,不能为生产和决策提供直接支持,属于尚待开发的数据资源,需要进一步加工和分析。
4.2 数据分析与资产化数据分析与资产化是将数据资源转化为数据资产的过程,涵盖数据计算、数据治理和数据分层3个环节,旨在提高数据的质量、安全和价值,直接支持数据的决策分析和应用。数据计算是对原始数据进行清洗、加工、建模和调度,生成结构化或半结构化的数据。数据治理是进行数据质量管理、数据主题划分、数据关联等操作,保证数据的规范性、完整性和可信度。数据分层是指按照明细层、汇总层和应用层的逻辑对数据进行分级存储,以满足不同业务需求。通过这3个环节,可以形成涵盖12条业务线的多维度数据资产,满足生产要素、生产活动和管理活动的全覆盖,为业务决策和优化提供直接支持。
4.3 数据驱动决策得到数据资产后,将其分类集成到数字化管理平台中,明确各业务场景待解决的问题,采用回归、聚类、决策树和神经网络等人工智能算法,对每条业务线的数据资产进一步分析,挖掘数据中隐藏的规律和价值,得到数据分析结果。在此基础上,开发项目决策与建筑运维功能模块,利用数据分析结果指导运维人员进行高效精准的运维,并为各级管理者提供科学、合理、及时的决策支持(例如设计方案优化、工厂智能排产等)。通过数据驱动决策,能够优化建筑项目工作流程,提升产品质量,降低成本风险,增强客户满意度。
5 集成数字交付的价值分析根据价值链模型[20],本研究归纳了建筑业生产活动,并分析了IDD模式对其赋能情况(如图 5所示),进而探讨IDD模式给建筑业带来的增值。建筑业价值链是一个复杂的有机系统,涉及多个价值活动和利益相关者。这些价值活动包括项目开发、施工、交付等项目业务活动,以及企业组织治理、人力资源管理等企业辅助活动。
5.1 项目价值增值
建筑业的项目业务活动是价值产出的核心过程,可以分为价值规划、价值形成和价值实现3个阶段。IDD模式的引入主要能为价值形成和价值实现2个阶段带来显著的赋能增值效果,给予价值规划阶段的支持则较弱。
在价值形成阶段,IDD模式能够实现设计人员和利益相关方之间的高效协作,提高设计质量和效率,为项目设计活动创造价值。同时,IDD模式倡导的数字化、标准化的装配式构件制造,能够克服传统预制构件人工依赖性强、流水作业难的问题。此外,IDD模式在项目施工阶段能够精细化管理劳务、设备、物资资源和技术指标库,并通过现场环境数据指导绿色施工。
在价值实现阶段,IDD模式能够提供“物理+数据”双线程交付方案,实现精细化、无死角的项目交付活动,保证多方权益;同时,通过在运维平台上集成BIM模型和全周期数据,能够实现对建筑性能的可视化、精细化监测、诊断和优化,为用户提供智能化物业服务。
5.2 企业价值增值IDD模式还能为各项企业辅助活动带来不同程度的赋能和增值效果。具体来说,IDD模式能够在组织治理、投融资管理、营销策划等方面带来基础的赋能效果,帮助企业建立规范的管理制度,实现组织的高效协作;在科学技术研发、战略与绩效管理等方面,IDD模式能够带来中等的赋能效果,帮助企业提高创新能力,实现战略的有效执行和绩效的持续提升;在人力资源管理、工程业务管理、财务资金管理、风险控制等方面,IDD模式能够带来高级的赋能效果,帮助企业优化资源配置和风险防范,实现人力、物力、财力的合理利用。
6 集成数字交付的项目实践在生产实践中,一些项目已经对IDD模式进行了探索应用,以项目流程变革、关键技术创新和数据资产利用作为切入点,对传统生产模式进行改进,提高了项目效率、质量和可持续性。本文介绍3个应用IDD模式的典型装配式项目,展示IDD模式在实际工程中的价值优势。
6.1 项目流程变革:援港永久性社区隔离治疗设施位于香港竹篙湾和启德码头的中央援港永久性社区隔离治疗设施是由中建海龙科技有限公司打造的应急工程项目。该项目采用IDD模式,对传统装配式项目离散粗放的生产流程进行整合,实现了数字化设计、制造、施工、交付运维的全生命周期闭环管理,解决了工期紧急与作业量大的双重难题。特别是在数字化制造阶段,如图 6所示,该项目在智慧工厂中完成箱体模块的制造,利用BOM驱动流水线自动化生产,基于一物一码规则记录箱体的生产信息,最终将数据集成至MES进行多工厂实时排产。在66 d内,该项目协调了11个制造工厂和1.4万生产人员,完成了17 664个装配式模块的生产,保证了高产量下的制造协同和质量追溯。
6.2 关键技术创新:深圳中学泥岗校区学生宿舍新增电梯项目
深圳中学泥岗校区学生宿舍加装电梯项目采用IDD模式和模块化集成建筑方式,在设计和施工阶段创新应用数字化技术,实现了既有高层建筑加装电梯的工业化、绿色化施工。在设计阶段,项目使用VDC技术进行施工模拟,为后续精准化作业提供支撑;在施工阶段,项目综合运用无人机、GIS、倾斜摄影、BIM、5G、物联网等技术,如图 7所示,实现了“工地在线、制造在线、运输在线、进度在线”的智慧工程管理。该项目比普通钢结构项目节省了49 d工期,且施工现场的固体废弃物排放量只有25 t/万m2,远低于国家标准和规划目标。
6.3 数据资产利用:龙华樟坑径保障房EPC项目
深圳龙华樟坑径保障房项目由中建海龙科技有限公司承建并创新实施IDD模式,项目包括5栋28层、高达99.7 m的精装修住宅楼,总建筑面积达17.3万m2,可提供2 740套保障性住房。项目采用IDD数据应用模型,开发并应用C-smart智慧工地系统,配合无人机、摄像头、智能安全帽等智慧终端,整合了8条关键业务线的数据资产(如图 8所示),实现了移动化数据采集、智能化作业预警、线上化决策调度,通过数据驱动的方式提升了项目决策效率。项目从开工到交付仅用365 d,比传统建造方式缩短了三分之二的工期,同时显著降低了现场用工量、建筑废弃物量和材料浪费。
7 结语
本研究以集成数字交付(IDD)为研究对象,以装配式建筑项目为研究场景,提出了新型建筑工业化视角下的IDD理论体系。本文首先研究了IDD项目流程框架,为IDD模式的项目实施提供了标准化流程;其次,对IDD模式涉及的关键技术进行系统梳理,确定了其核心技术体系;再次,提出IDD模式数据应用模型,讨论了如何利用数据资产支持项目决策;最后,通过价值链模型和实践案例分析,评估了IDD模式对建筑业的赋能和增值效果。本文提出的理论体系在生产流程和交付内容复杂的装配式工程项目中能够发挥最大价值,亦能针对其他工程项目进行调整与应用。本文将IDD模式应用于中国装配式项目的工程管理,为装配式项目交付内容多、生产过程繁、全周期管理难的问题提供了解决思路,为中国建筑业推广IDD模式提供了科学依据和实践指导,对推动中国新型建筑工业化的高质量发展具有一定的理论意义和应用价值。
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