中南院李霆大师：智能建造与建筑工业化协同发展的探索与实践

2024年12月23日

引言

智能建造的本质，就是软件化的工业建造技术和由软件定义的生产关系；智能建造的主要矛盾是建造各环节及各物理系统的相互独立性，与数字系统要求连续统一性之间的矛盾。

当前，我国建筑行业正面临严峻挑战，形势可谓“已是悬崖百丈冰”。2019年我国城镇居民户均住房已达1.5套，远超过发达国家户均1.12套~1.15套的预警线，说明我国城镇住房总量问题已基本解决，但存在结构失调、品质不高的问题，行业发展重点已从解决“有没有”转向追求“好不好”。所以，住建部提出要建设“好房子”，并把建设“好房子、好小区、好社区、好城区”作为住建部发展新质生产力的关键举措。

调结构、建设“好房子”的主要矛盾就是高品质与低成本之间的矛盾。“好房子”就是高品质的房子，用高成本打造出高品质的房子并不难，但不符合以人民为中心的理念。我们追求的“好房子”一定是以低成本打造出的高品质的房子，让老百姓住得起。这就构成了尖锐的矛盾：因为高品质一定要求高精度，而高精度往往带来高成本。要以低成本来实现高精度、高品质，必须靠大规模的机器生产，必须靠智能化的高精度，必须靠绿色化的可持续性。所以，好房子 = 高品质 + 低成本 = 工业化 + 智能化 + 绿色化。人类无法用手工生产的方式造出“好汽车”，更不可能用手工生产的方式造出更复杂的“好房子”。

建筑行业的主要矛盾

我国推行装配式建筑、工业化建筑已有几年了，效果不太理想，根源在于推行方式不符合工业化制造业的逻辑。我国推行装配式建筑，大都是从施工端抓起的，而不是从设计端抓起的。建筑设计院还是按“等同现浇”设计，然后配合施工方拆分部品、部件，凑成60%的标准件，装配率就是60%，凑成70%的标准件，装配率就是70%，凑不成的部位就现浇。导致现浇、装配两种体系并存，成本不降反升，质量不升反降。所以，建筑工业化、智能化最大的障碍就是建筑行业碎片化问题，尤其是设计、施工分离的问题。

建筑工业化、智能化的关键，就是必须首先实现基于供应链的设计，必须首先实现面向制造与安装的设计。为达此目的，必然要求按照制造业大工业生产的逻辑重塑建筑业。所以，建筑行业的主要矛盾，就是落后的碎片化的手工作坊生产方式，与建筑工业化、智能化、绿色化高质量发展的要求之间的矛盾。建筑行业的转型目标，就是要从碎片化的手工生产体系转型为一体化的工业化大生产体系。

“先立后破”，建筑行业要立的是社会化大生产的大工业体系，要破的是碎片化的管理模式、组织形式和工作方式。只有这样，才能真正实现建筑工业化和智能建造，建设“好房子”。

建筑工业化的主要矛盾

工业化的代表人物是发明T型汽车流水线的福特，他的梦想是让汽车走进每个美国人的家庭。为此，1913年福特发明了汽车流水线，生产效率提高了8倍，汽车成本下降了一半。福特汽车流水线的核心理念是：将一个复杂的制造流程，分解为若干独立的子流程，每个子流程都可以并行运作。所以，工业化的本质就是将串行变为并行。工业化的特征，就是实现大规模、多专业并行生产。

而现在建筑业基本都还是串行：盖房子要一层一层往上盖，建完一层，才能建二层......；结构做完才能做机电，机电做完才能做装修......；建筑设计做完才能做深化设计和施工组织设计；等等。在建筑工业化时代，可以将这些串行工作改为并行工作：一层、二层、三层......N层的部品、部件可以在工厂里同时预制，结构、机电、装修一体化集成式部品、模块也可以在工厂同时制造，产品设计、工艺设计、施工组织设计可以在电脑里同步完成。

1974年，联合国出版的《政府逐步实现建筑工业化的政策和措施指引》中，对建筑工业化有明确定义：建筑工业化就是按照大工业生产方式改造建筑业，使之逐步从手工生产转向社会化大生产的过程。从定义不难看出，建筑工业化与装配还是现浇无关，现在很多装配式建筑依然是手工生产的，并不是工业化建筑。

工业化是一种生产方式（生产力和生产关系的总和），这种生产方式必然要求系统思维。按照系统思维，设计成本压得越低，整个项目全生命周期成本反而越高、品质越差，而设计阶段往往可以决定85%以上的项目成本。所以站在整个社会和整个产业链的高度来看，必须合理增大设计成本，从而实现项目全生命周期成本最低、品质最优。而如果设计作为独立的利润中心，内卷的结果一定是收费大跌、项目成本失控、品质下降。

另外，要提高整个产业链的效益和产品品质，还必须实现基于供应链的设计和面向制造与安装的设计，而独立的设计院往往并不掌握供应链和制造安装技术。所以，制造业往往将设计作为内部的成本中心，而不是作为独立的利润中心，否则很难实现设计制造安装一体化，无法实现产品成本最低、品质最优。

设计施工一体化有两种方式，一种是“总包”主导的一体化，设计作为内部的成本中心，如华为等制造业都是这种模式；另一种是“设计”主导的一体化，设计作为利润中心，如“苹果公司+富士康”模式。

装配式工业化建筑，要求在设计之初就要明确能采购到哪些标准部品、部件，否则无法进行基于供应链的设计和面向制造与安装的设计。而传统的独立的建筑设计院并没有或不能控制供应链。如果独立的设计院不做或做不到，总包商就只能建立组织自己干，那么传统的、独立的以施工图为主的设计院也就没有存在的意义了。传统设计院的技术体系和组织模式都还是手工生产体系，在建筑工业化时代，已不能匹配大工业一体化的并行生产体系。所以，设计永远存在，工程永远存在，但传统的模式不可能永远存在。

建筑工业化的主要矛盾，是设计与施工分离的社会分工，与工业化大规模一体化并行协同的要求之间的矛盾。所以，建筑工业化只能采用DB（设计施工一体化）或EPC（单一主体）模式，DBB（设计施工平行发包）不适合建筑工业化。由此，新时期大型建筑设计院的出路（转型目标）有三种：

第一种是转型为设计施工一体化综合承包商。面向个性化程度不高的、量大而广的项目，设计是内部的成本中心，自己完成设计及建造（真EPC）。

第二种是转型为专业全过程咨询公司。面向少量的个性化程度较高的项目，方案初设由专业设计事务所完成，施工图设计由总承包商完成，自己只提供全过程咨询。

第三种是转型为工程苹果公司（建筑高科技公司）。面向技术集成度较高、可以产品化的建筑项目或项目单元。由工程苹果公司主导建筑产品，建立并控制供应链，在电脑里完成数字建造（产品设计及工艺设计），由工程富士康完成代工。这应当是最好的出路。

智能建造的主要矛盾

智能建造就是为传统的建造赋予人工智能，而人工智能是由软件来实现的。智能汽车的本质是SDV（软件定义汽车），智能建造的本质是SDB（软件定义建筑）。所以智能建造的本质，就是软件化的工业建造技术和由软件定义的生产关系。

智能建造就是由软件和数字模型定义的，主要由智能机器在工厂及现场完成的建造。工业软件（CAD、CAE、CAM等）及人工智能是智能建造的核心，数字模型是智能建造的基础。智能建造就是在工业化基础上实现智能化，包括物理系统（硬件）和数字系统（软件）对立统一的两个方面。

智能建造的主要矛盾就是建造各环节及各物理系统的相互独立性，与数字系统要求连续统一性之间的矛盾。其中，数字系统（软件）是矛盾的主要方面，控制着事物的性质和发展方向。正如智能汽车问界M9，赛力斯负责物理系统，华为负责数字系统。显然，数字系统控制着问界M9的智能化水平。

目前，关于智能建造的“一点论”和“均衡论”盛行，误导了我国智能建造发展的方向。一点论就是强调物理系统，将智能化混同工业化，将高科技公司、AI公司、工业软件商，甚至设计单位排除在外。“均衡论”认为，物理系统和数字系统没有主次之分，没有将MBSE（基于模型的系统工程）作为控制主线，呈点状的碎片化状态。

唯物辩证法坚持“两点论”和“重点论”的统一，反对“一点论”和“均衡论”形而上学的观点。建造各环节及各物理系统（机器）总是点状的，只有数字系统才有可能贯穿全流程协同工作。

所以智能建造的关键，就是将全过程的数据作为关键生产要素——建立数字系统并模型化；然后通过软件以数据驱动全流程，构建以数据为中心的产业链协作新范式——软件控制数字系统，进而控制硬件物理系统；使用新范式打破传统界限，实现跨阶段、跨组织、跨地域的产业链深度融合与高效集成，大幅提高产业链的效率和品质。

物理建造、数字建造、智能建造三者的关系：物理建造是在工地和工厂完成的，看得见、摸得着的建造；数字建造是物理建造的数字孪生，是在电脑数字世界里完成的建造，建造成果为DMU（数字样房）；智能建造是在数字建造的基础上，主要用机器通过物理孪生完成的建造。智能建造=数字建造+工厂智能制造+ 现场智能安装=无人或少人建造。

对比汽车行业，传统建造靠图纸，靠人完成建造，相当于纸质地图导航，有人驾驶；数字化建造不靠图纸（靠数字模型），靠人完成建造，相当于手机导航，有人驾驶；智能化建造，不靠图纸（靠数字模型），不靠人（靠智能机器）完成建造，相当于电子导航，无人驾驶。

学习制造业，解决三大主要矛盾

要解决建筑行业的主要矛盾、建筑工业化的主要矛盾和智能建造的主要矛盾，需要学习高端制造业系统化的理念、一体化的平台、全流程的三维和全过程的孪生。首先需要引进制造业的理念，实现基于供应链的设计。先建供应链，供应链能提供完备的建筑标准部品部件或模块以及机电设备；然后按照供应链产品库（包括数字产品库）进行产品设计、工艺设计，最后，由工厂智能化生产，在工地智能化安装。

其次，需要引进制造业的理念，实现面向制造与安装的设计。现在建筑设计院做的设计还是作品设计DFC (Design for Customer），而制造业的设计是产品设计和工艺设计DFMA（Design for Manufacture and Assembly）。建筑工业化、智能化必须从设计端做起，要先设计成适合工业化生产的建筑产品，也就是要先做面向制造与安装的设计DFMA；凡不适合工业化生产的，都不作为设计选项。从施工端开始的工业化不是制造业的理念，不可能实现建筑工业化。

另外还要引进制造业的理念——重塑流程、再造组织。设计、施工分离的社会分工模式，已经完成了自己的历史使命，在建筑工业化时代必将终结。

要解决三大主要矛盾，还需要引进制造业的数字平台和数字技术，以解决建筑业三个卡脖子的数字技术问题。一是缺乏贯穿工程项目全流程的数字化管理体系（PLM）；二是缺少贯穿工程项目全流程的数字化交付体系（MBD）；三是尚未实现各专业基于数字仿真和数字孪生的设计建造（VDC）。

要解决第一个卡脖子问题，需要引进建筑全生命周期数字化管理PLM平台。将制造业的Product Life-cycle Management变为Project Life-cycle Management。PLM 就是一个以项目为单元的数据共享统一管理平台，各专业各企业都将项目数据放进同一个数据池子里，并将其模型化，可以方便地实现“一模到底”的数据高效无缝流转。PLM就是面向产业链的整体解决方案，体现的是系统思维（MBSE），是社会化大生产的工业化产物。

现在一些企业也声称实现了BIM全生命周期应用，但主要是靠不同软件接力运行来实现的，需要不断重新建模或数据转换，效率低下，数据受损，这不是工业化的方式，而是手工生产的方式。

“一模到底”PLM就是要解决这一问题的。PLM相当于坐直通车，而不是不断倒车，直通车才是工业化。PLM中的“M”是管理，BIM中的“M”是建模，有本质的不同。PLM所用的MBD模型与传统的BIM模型有很大的不同。

一是数字底座不同。PLM系统是基于数据库协同管理，可以方便地实现跨专业、跨企业的关联设计ADT及管理，实现单一数据源、一模到底的协同工作；而传统BIM往往是通过数据文件链接进行协同，无法实现大规模协同及构件级精细化的管理。

二是模型精度不同。PLM模型使用的是高精度自由曲面建模技术，可以直接打通CAD和CAM。传统BIM模型有不少采用的是网格建模技术，不能直接用于机器加工制造。

三是模型组织不同。PLM使用装配结构树模型组织，模型可以逐级细化，并可以按不同应用场景灵活组织。

四是信息承载量不同。MBD模型以三维方式定义产品的尺寸、材料、计量、加工、安装等信息，信息承载量远远超过二维图纸。而传统的BIM信息承载量比二维图纸还少，离开二维图纸还无法完成建造。

BIM 是三维建筑信息模型，图纸本质上是二维建筑信息模型。如果三维信息模型的信息承载量比二维的还少，那就很不正常。目前建筑业所用的BIM基本上都是这种不正常的BIM，而不是全真BIM，真正的BIM应当实现两大目标：一是定量的可视化，也就是所见即所得；二是人机共读，也就是能打通CAD和CAM, 以实现工业化、智能化。

现在传统的BIM只实现了定性的可视化，关键目标都还没有实现，所以必须引入制造业的三维技术，用全过程的数字信号取代模拟信号，也就是全过程用三维数字模型取代并消灭二维图纸，以达到实现工业化、智能化的目的。

要解决第二个卡脖子问题，需要引入制造业的MBD技术。产品定义方式有三个发展阶段：一是传统定义阶段，即基于纸张的符号定义；二是信息化定义阶段，即以图纸为主，以BIM模型为辅；三是MBD阶段，即基于模型的数字定义。基于模型的定义MBD（Model Based Definition），包含设计、制造信息和非几何的管理信息，仅需一个MBD模型即可获取项目全部信息，而且还可以被计算机方便地解析（人机共读）。

要解决第三个卡脖子问题，需要引入虚拟设计及建造VDC（Virtual Design and Construction）技术。通过在虚拟数字空间进行设计建造全过程模拟，将产品设计和工艺设计紧密结合，实现数字建造。并在虚拟空间提前试错优化，将施工问题前置。所以，注定可以降低成本，缩短工期，提高质量。另外，还要学习制造业的透明工厂，实现数据（包括成本数据）透明和生产过程透明，以实现用户可信、协作可靠、监管可见。

实现建筑工业化智能化的困惑与思考

一是无图建造是否过于超前？智能建造比智能制造更复杂、对数字化水平要求更高。直接跨越“无图数字化建造”阶段，迈到对数字化水平要求最高的“智能建造”，是试图“跑步进入共产主义”，难度风险更大、更“超前”。由传统建造到无图建造，再到智能建造，是量变到质变的过程，也是从肯定到否定，再到否定之否定的过程，符合事物发展的客观规律，最为稳妥，难度风险最小。

二是工人是否能适应“无图建造”？我们交到工人手上的是三维作业指导书，像乐高积木说明书一样，工人用起来非常清晰直观，可以实现像看图搭积木一样建房子。相反，工人往往难以准确理解二维工程图。

三是全程透明是否影响盈利？“一模到底、无图建造”基于三维模型，实现对工期、质量、造价进行严格精准把控，全程透明。企业不再通过虚报工程量、变更高价索赔等方式赚取利润，赚钱赚在明处，反而可以赢得建设方的信任，实现更高质量的健康发展。

“一模到底、无图建造、全程透明”的理念将深刻改变建筑行业的设计语言、生产工具，实现数字化建造；将大幅提升行业效率，重塑行业生产关系，为完全意义上的智能建造打下不可或缺的坚实基础。基于三维数字模型开展设计和建造是行业发展的基础性、共性技术，属于行业技术领域的颠覆性创新，将带来工程管理模式和政府管理模式的创新：将大幅提高行政审批效率，助力提升国家治理现代化水平，优化营商环境；将大幅减少审批人员的自由裁量权，从根本上解决工程领域的腐败问题。最终，这一创新实践将实现“建立标准、打造标杆、重塑行业、发展产业”的目标，发展新质生产力，推动建筑工业化和智能建造协同发展。

原载于期刊《施工企业管理》2024年第37期总第114期