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11月25日,广联达研究院院长刘刚在2021中国建筑学会数字建造学术委员会年会——数字建造与产业变革分论坛上,分享了《基于数字孪生的精益建造探索与实践》议题,从理论与实践层面CONTROL ENGINEERING China版权所有,深入分析了数字孪生与精益建造深度融合推动建筑产业高质量发展的转型新思路。
广联达研究院院长刘刚
“高质量发展”是建筑产业发展的主旋律
近年来,建筑产业持续深化供给侧改革,发展质量和效益不断提高,产业规模不断扩大,建造能力不断增强,支柱作用愈发显著www.cechina.cn,有力地支撑了国民经济持续健康发展,为社会进步做出了巨大贡献。
但建筑产业大而不强、生产效率不高、能源资源消耗较大、科技创新能力不足等问题仍然存在,产业发展不平衡不充分与人民日益增长美好生活需求的主要矛盾依旧突出,特别是在新冠疫情的特殊背景下,全球经济持续下行,建筑产业传统建造方式受到较大冲击,过去粗放型发展模式已难以为继,高质量发展已经成为建筑产业顺应发展阶段、发展条件、发展格局变化的客观要求,是“十四五”期间建筑产业发展的主旋律。
当前,随着新一轮科技革命和产业革命的不断深化,以人工智能、大数据、物联网、5G和区块链等为代表的新一代信息技术加速向各行业全面融合渗透。依托数字化技术,构建建筑产业互联网,实现“让每一个工程项目成功”的目标,将建筑产业提升至工业级精细化水平,推动建筑业转型升级,促进建筑业高质量发展已成为产业各方共识。
“让每一个工程项目成功”是建筑产业升级转型的目标
2020年7月,住房和城乡建设部等13部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》(以下简称《指导意见》),明确指出要围绕建筑业高质量发展总体目标,以大力发展建筑工业化为载体,以数字化、智能化升级为动力,形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产业体系。《指导意见》的发布,为指导建筑产业转型升级指明了方向,为实现产业高质量发展奠定了政策基础。
建筑产业高质量发展本质上是以数字化手段为有效的支撑,以新型建筑工业化为核心,以全产业链绿色化为目标的发展新方式,其发展方向是要达到工业级的精细化水平。通过全产业的转型升级,将传统靠大量投资进行的规模化增长模式,转变为靠价值创造来驱动发展的新模式。
当前,传统建筑产业工人老龄化、事故多、能耗高、工期超、成本超、利润低、质量差,生产效率低、社会总成本高已经严重制约建筑产业高质量发展,如何用“数字化、工业化、绿色化”的手段来减少和消除浪费是行业共同的课题。对于建筑产业而言www.cechina.cn,围绕工程项目开展生产和经营活动始终是业务的原点。工程项目的成功与否决定着行业的进步和企业的发展,“让每一个工程项目成功”是实现建筑产业高质量发展的核心目标。
参照“英国政府对建筑业2025的策略和要求”,目标可以具体表现为在满足“0”质量缺陷、“0”安全事故的前提下,成本降低1/3、二氧化碳排放量减少50%、生产进度加快50%。建筑产业的高质量发展,本质就是要通过“多、快、好、省”的方式,实现“让每一个工程项目成功”的目标,这样不仅可以为建筑企业带来可观的经济效益,对实现建筑产业的转型升级,推动社会向绿色、集约型转变具有显著的经济和社会效益。
要实现这一目标控制工程网版权所有,建筑产业必须建立以项目为核心的建筑产业互联网。在产业互联网平台的支撑下,连接设计单位、施工单位、监理单位等各参与方,实现各方之间的高效协同,用数据驱动业务,使资源在整个产业内得到充分利用,将建筑产业提升至工业级精细化水平。在这一过程中,数字孪生与精益建造的有效融合是成败关键,它将通过数字化、工业化、绿色化的理念和技术实现项目价值最大化、浪费最小化。
数字孪生与精益建造融合发展是关键
精益生产(Lean Production)起源于日本丰田汽车公司。丰田公司积极响应顾客不断变化的需求,灵活调整生产模式,基于“顾客至上”这一理念,采取“准时化生产”和“自动化生产”两大生产支柱,努力实现低成本、高效率、高质量的生产,最大限度地使顾客满意。1992年丹麦学者Lauri Koskela提出将精益生产的概念和原则改造并应用于建筑业,并于1993年在国际精益建设集团大会上首次提出精益建造(Lean Construction)概念。
中国精益建造技术中心将精益建造定义为:综合生产管理理论、建筑管理理论以及建筑生产的特殊性,面向建筑产品的全生命周期,运用专业的技术和方法,持续地减少和消除浪费,最大限度满足顾客需求、实现顾客价值的系统性方法。本质上,精益建造是以客户为中心,以精益求精的精神为内核,进行精细化管理,从而实现价值最大化和浪费最小化。
精益建造首先要明确客户所需价值,准确了解客户需求;其次,要基于客户价值建立价值流,确定生产有效价值增益的工作,减少不产生价值的工作;再次,要明确工作流程,确保工作延续性,减少中断和延误;第四是实施拉式调度,利用末位计划系统进行项目调度,提升进度计划的可靠性及执行的高效性;第五是持续改善提升,基于PDCA循环,学习并吸取经验教训,持续提升改善其余各精益建造核心理念的落实。此外,精益建造的实施方法包括集成项目交付、目标价值交付、末位计划系统等。
数字孪生(Digital Twins)是联接物理世界与虚拟世界的新技术。最早是2002年由美国教授Dr.Michael Grieves首次提出,此后率先应用于航天行业,并逐步向制造业扩展。数字孪生是指在整个生命周期中,通过软件定义,在数字虚体空间中构建事物的数字模型,形成与物理实体空间中的现实事物所对应的、在形、态、行为和质地上都相像的虚实精确映射关系。其运行逻辑是综合运用建模、感知、计算等信息技术,对物理空间进行描述、诊断、决策,进而实现物理空间与数字空间的交互映射。其中,数据和算法是其核心。
数据孪生技术主要包含五大特征。一是数据驱动,以数据的流动实现物理世界的资源优化;二是模型支撑,以模型实现数字与物理世界交互;三是软件定义,通过软件工具模拟、监测物理世界状态;四是精准映射,物理与数字世界全面呈现精准表达、动态监测;五是智能决策,孪生+人工智能技术,辅助决策和持续优化物理世界。正是这五大特征,让传统产业实现了高效率协同、低成本试错、智能化决策。
数字孪生技术在智能制造如飞机制造和汽车制造中已经得到了广泛应用,而在建筑业,近年来数字孪生开始与精益建造有效融合,锤炼新建造。数字建筑实现工厂端工业化和现场端工业化,将图纸细化到作业指导书,任务排程最小到工序,工艺工法实现标准化,推动工程建造提升到工业制造的精细化水平。
在这一过程中,基于数字孪生的工业化建造形成两条生产线:数字生产线实现智能化的生产调度、物流调度、施工调度,物理生产线实现对人员、机械、材料等各要素的实时感知、分析、决策和智能施工作业。两条生产线相互促进,推动“工厂和现场的一体化”,从而实现价值最大化、浪费最小化。
广联达数字建筑产品研发及产业化基地项目
致力打造“数字化精益建造”的样板
实践是检验真理的唯一标准。近年来,国内建筑产业各方纷纷试水数字化转型之路,大力推动技术创新与应用,建筑产业数字化成效初见端倪。其中,广联达表现尤为突出,无论是数字理念还是数字实践,都有力助推了产业转型升级。作为国内领先的数字平台服务商,广联达以“数字建筑”为引领,持续推动数字孪生与精益建造深度融合,加快新理念、新技术、新应用落地,努力在实践中去探索、去验证。从广联达数字建筑产品研发及产业化基地项目可见,数字化转型升级给传统建筑业带来的巨大影响与深刻变革。
广联达数字建筑产品研发及产业化基地项目,总建筑面积66278平方米,定位为:
一是研发创新中心,进行数字建筑产品研发;二是生态共享中心,实现数字建筑生态伙伴共享;三是示范展示中心,作为数字建筑样板展示,向行业展示最新数字化应用成果。该项目围绕“绿色、节能、健康、智能、地标”,致力于打造“数字化精益建造”样板工程。
项目实现了基于工序级的精益建造。建造过程通过数字建筑平台赋能,基于工序最小管理单元,对影响项目成功的进度、成本、质量、安全、环境五要素进行精益管理。通过计划排程到末位级、时间精确到小时(甚至分钟)、任务执行最小到工序,“图纸模型”细化到构件的工业化手段实现精益建造。通过数据驱动的精益建造,达到进度动态优化、费用及时支付、质量零缺陷、安全零事故。目前80%的工序任务有明确作业标准,建成后建筑将达到工业级品质。同时,引入工序级精益建造管理,以工作面为基础,以施工工序为最小交集,实现多业务集成管理,实现工序可执行、工序可计量、工序可验收。
同时,项目管理还采用IPD项目集成交付模式。彻底打破多方博弈的项目模式,建立信息互通、利益共享、风险共担的IPD项目管理团队,以协作共赢思维,将项目各参与方从组织、利益、管理上进行集成,实现项目全生命周期的利益最大化。各方基于让项目成功的一致目标,在创造项目价值最大化的基础上,进行合理的价值分配。
项目推进过程中,广联达坚持以工程项目建造成功为目标,以先进的管理引领、科学的方法运用、领先的技术支撑,通过全面的能力整合,为项目建造成功赋能。让每个工程项目建造成功,涉及到管理模式、实现方法、支撑手段三个层面,分别代表着集成化管理、精益化建造和数字化应用。这一新建造体系,需要项目管理能力、资源整合能力、知识应用能力的集成,以平台运营的方式服务于每个工程项目。基于项目实践成果,通过系统化梳理,形成数字建造的总体框架。
广联达数字建筑产品研发及产业化基地项目数字化精益建造的主要应用场景包括数字化精益设计、数字化精益施工、智慧化工地管理、厂场一体化智能加工:
数字化精益设计方面,以建筑产品需求为导向,以投资限额为基准,实施最高性价比的设计:全专业集成设计,一体化出图,建筑结构设计与其他各专业设计协同穿插,同步设计与方案优化,通过各级生成的各专业设计模型进行一体化出图,最终实现集成设计图模交付。全过程模拟分析,优化方案,总包及各专业单位提前介入,施工设计与专业设计协同穿插控制工程网版权所有,建筑方案、施工方案、投资方案的模拟分析与优化。设计施工一体化,协同管理,基于施工现场条件,设计与施工单位通过BIM模型制定最终优化方案,并共同进行管线综合,优化层高,有效工序搭接,避免返工与减少变更。
数字化精益施工方面,通过计划排程到末位级、时间精确到小时、任务执行最小到工序,“图纸模型”细化到构件的工业化手段实现精益建造。数字孪生实现了对人员、机械、材料、环境等各要素的实施感知、分析、决策和智能执行。末位计划与任务管理,引入工序级精益建造管理,以工作面为基础,以施工工序为最小交集,多业务集成管理,实现工序可执行、工序可计量、工序可验收。生产管理数字调度,使计划管理更加严谨可控,跟踪管控更加及时完整,生产协作更加高效便捷,分析决策更加有理有据。质量安全在线管理,责任人明确清晰实现闭合管理,大幅度提升质量管理水平。
智慧化工地管理方面,BIM+智慧工地将工地的人、机、料、法、环生产要素数据接入平台,通过项目BI,各管理人员通过平台PC端及手机端查看项目数据,数据辅助决策并实现管理协同,构建数字工地。智能水表电表监测、智能雾化降尘、智能安全帽、AI智能识别、塔吊智能监测等智慧工具让施工现场管理更加直观、便捷、有效。
厂场一体化智能加工方面,钢筋一体化,使箍筋加工效率提升4倍,拉钩加工效率提升20倍,钢筋后台人员减少一半。模板一体化,使柱墙质量显著提升,柱墙加固工效提升2倍,柱模拆除效率提升3倍。机电一体化,现场100%按BIM图施工,机电作业人员专业门槛降低。精装一体化,集成化工厂制作,加工精度吻合现场。幕墙一体化,综合进度提升60%以上,施工质量显著提升。
技术本身并无价值,当被灵活运用,并实现可见的交付成果与提升项目的绩效之时才有意义。广联达在数字建筑产品研发及产业化基地的实践已经初见成效。项目通过基于数字孪生的精益建造的应用与验证,截至当前已节约投资约272万元,工期缩短6.8%,管理人员投入减少5%,返工率减少80%,模板、木方、混凝土、钢材等建筑材料均实现了节约。
数字技术正在引领新一轮产业革命,谁能牢牢牵住科技创新这个“牛鼻子”,下好数字化转型这步“先手棋”,谁就能占领先机、赢得优势。高质量发展是时代赋予建筑产业的重大使命,也是建筑企业的历史机遇,产业各方唯有全身心拥抱数字经济,通力配合、合作共赢,推动质量变革、效率变革、动力变革,才能实现产业更高质量的发展,建立“中国建造”的比较竞争优势,真正迈入智能建造强国行列。
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