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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)字化設計數(shù)據(jù)實現(xiàn)建筑構件生產(chǎn)和裝配的自動化。這包括3D混凝土打印、數(shù)控銑削、激光切割和機器人裝配等技術,通常由BIM模型指導。數(shù)字化建造通過將設計軟件直接連接到制造流程,使“智能”建筑流程更加精準,并減少手動步驟。

例如,BIM模型可以自動生成CNC切割文件或機器人刀具路徑。實際上,這意味著現(xiàn)場機器人或場外工廠可以接收數(shù)字指令來制造構件。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時監(jiān)控打印或預制構件。這些技術共同將數(shù)字化工作流程和自動化引入現(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器人擠出機鋪設混凝土層,現(xiàn)場生產(chǎn)墻體甚至整個建筑部分。這種方法減少了對傳統(tǒng)模板的需求,并可以直接根據(jù)數(shù)字模型構建非常復雜的形狀。它大大加快了施工速度——通常需要數(shù)月的項目通??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,因為只需打印必要量的混凝土。

研究估計,自動化打印可以減少約30%至60%的建筑垃圾,并將建筑工期縮短50%至70%。實踐中,盈創(chuàng)公司幾年前在24小時內(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,彰顯了現(xiàn)場和近現(xiàn)場施工領域數(shù)字化制造的重大趨勢。

趨勢二:機器人砌筑和現(xiàn)場裝配

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

還有,中砌智造的砌筑機器人“On-site”在蘇州星光耀項目中得到應用。該機器人可以在無預設的實際工況下開展人機協(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構

模塊化建筑工廠越來越多地使用數(shù)控銑刨機和激光切割機來預制高精度的建筑模塊和面板。在受控的工廠環(huán)境中,木材、鋼材和混凝土構件等材料根據(jù)數(shù)字設計,使用計算機控制的機器進行切割和組裝。這確保了每個部件都與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,以達到嚴格的公差要求,然后作為完整的模塊運送到現(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目可減少高達90%的建筑垃圾。通過最大限度地減少現(xiàn)場切割和錯誤,工廠數(shù)控/激光切割可以減少人工和廢料。許多大型項目現(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)字化轉型的關鍵趨勢。

趨勢四:定制部件的混合增減制造

混合增減制造技術將3D打印與數(shù)控加工相結合,用于制造復雜的定制部件。在建筑領域,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。這種混合方法對于需要獨特幾何形狀和嚴格公差的構件非常有用。例如,上海開發(fā)了一臺內(nèi)置數(shù)控功能的大型打印機,用于制造大型結構部件——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打印的靈活性與機械加工的精確性相結合,混合制造技術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現(xiàn)的。這些現(xiàn)場或工廠生產(chǎn)的混合機器可以更快地生產(chǎn)定制構件,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合,以滿足建筑需求。

趨勢5:BIM驅(qū)動的制造自動化

建筑信息模型(BIM)正日益推動自動化制造工作流程。詳細的BIM模型可以自動生成施工圖、數(shù)控指令或機器人程序。在實踐中,企業(yè)使用BIM數(shù)據(jù)來運行工廠機械和預制生產(chǎn)線。例如,建筑企業(yè)將BIM直接連接到數(shù)控機器人,根據(jù)設計模型銑削鋼制連接件或木工件。這樣做的好處是,數(shù)字化計劃可以轉化為數(shù)字化工廠訂單,從而減少錯誤和協(xié)調(diào)工作。

在一個案例研究中,一家機電承包商利用BIM支持的預制技術交付定制管道支架:通過在模型外進行預制,安裝時間縮短了50%,材料浪費減少了20%。在現(xiàn)場,BIM模型還可以指導機器人組裝,或確保交付的模塊正確安裝??偠灾?,BIM驅(qū)動的自動化意味著設計從屏幕到工廠車間的流程更加無縫銜接,這與建筑行業(yè)“從設計到生產(chǎn)”的智能制造趨勢相契合。

趨勢6:利用嵌入式物聯(lián)網(wǎng)傳感器進行實時監(jiān)控

另一個數(shù)字化趨勢是將物聯(lián)網(wǎng)(IoT)傳感器嵌入建筑構件和機械設備中,以實現(xiàn)實時監(jiān)控。嵌入混凝土、鋼材或構件中的傳感器可以跟蹤建筑物固化或運行過程中的應變、溫度、濕度和其他參數(shù)。例如,劍橋大學在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)測了結構內(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)設備可以測量工地狀況并持續(xù)報告數(shù)據(jù)。

這種實時反饋可以改善結果:打印墻或預制構件中的異常情況可以立即檢測到,從而實現(xiàn)快速糾正或質(zhì)量保證。重型設備中的傳感器還可以預測維護需求,RFID/GPS標簽可以跟蹤預制模塊從工廠到現(xiàn)場的全過程。通過將實時數(shù)據(jù)輸入數(shù)字模型,團隊可以隨時調(diào)整施工方案。實際上,嵌入式傳感器將建筑物和場地變成了自我報告系統(tǒng),使制造與運營保持一致。這將帶來更智能、數(shù)據(jù)驅(qū)動的施工管理和維護。

趨勢7:適用于遠程施工現(xiàn)場的便攜式FabLabs

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

舉個例子,F(xiàn)ablab O - Shanghai“數(shù)制”工坊。這是中國大陸第一家FabLab實驗室,由同濟大學設計創(chuàng)意學院推動建立,旨在通過3D打印、開源硬件和開放設計等技術推動新工業(yè)革命

趨勢八:循環(huán)建設與數(shù)字化再利用規(guī)劃

可持續(xù)性正在推動建筑業(yè)向循環(huán)經(jīng)濟模式邁進,并借助數(shù)字化規(guī)劃工具。“循環(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。數(shù)字化平臺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項目推出了一個材料再利用門戶網(wǎng)站——一個網(wǎng)絡平臺,列出了來自不同來源的剩余建筑材料,方便查找和再利用。

在實踐中,建筑師和規(guī)劃師可以在設計過程中搜索此類門戶,以指定可重復使用的磚塊、鋼材或面板。同樣,像Madaster這樣的“材料護照”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和項目規(guī)劃相結合,團隊可以規(guī)劃建筑物,以便部件日后能夠輕松重復使用或回收。簡而言之,數(shù)字化再利用規(guī)劃工具將設計和供應鏈連接起來,減少浪費,并將建筑轉變?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)化設計

參數(shù)化設計使用算法和可調(diào)參數(shù)來優(yōu)化建筑形式、材料使用和能源性能。在實踐中,建筑師和工程師使用參數(shù)化建模探索眾多設計方案,并根據(jù)既定標準選擇最佳方案。例如,結構設計師可以參數(shù)化梁尺寸、網(wǎng)格間距或幾何形狀,然后分析每個方案的效率。

一位專家曾指出,參數(shù)化設計中的性能指標可以包括材料體積或元素的隱含碳。這使得設計師能夠在滿足強度和規(guī)范要求的同時,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)太陽角度自動調(diào)整其遮陽模式,以減少冷卻負荷。

通過快速迭代數(shù)百萬個幾何選項,參數(shù)化工作流程能夠?qū)崿F(xiàn)更精簡、更節(jié)能的結構?,F(xiàn)實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,并提高了被動式太陽能性能。因此,使用參數(shù)化設計進行優(yōu)化是減少建筑項目浪費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工具可以快速評估大量的施工順序和資源計劃,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)化勞動力、設備和排序。麥肯錫報告稱,此類工具“可以測試數(shù)百萬種進度配置,并在幾分鐘內(nèi)為項目找到最佳的工作順序和資源”。

在實踐中,這意味著項目團隊可以輸入約束條件,如任務、人員、日歷,并讓人工智能生成高效的建造計劃。一旦選定計劃,即可根據(jù)實際情況不斷更新。最終實現(xiàn)更智能的施工進度安排,材料交付、預制作業(yè)和現(xiàn)場組裝均由人工智能協(xié)調(diào),從而節(jié)省時間和成本。通過將生成式算法應用于施工規(guī)劃,建筑商可以實時調(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

這十大數(shù)字化建造趨勢共同推動建筑業(yè)更加智能、快捷、可持續(xù)。3D打印和砌筑機器人等現(xiàn)場創(chuàng)新技術大幅減少了人工和浪費,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)動的自動化、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和人工智能規(guī)劃——確保每個組件的制造和組裝都以數(shù)據(jù)支持的精度進行。同時,循環(huán)設計和參數(shù)化工具最大限度地減少了資源消耗,并將適應性融入建筑之中。

這些趨勢共同指向一個未來:建筑將實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)并由傳感器監(jiān)控,機器人系統(tǒng)將最大限度地減少人工,數(shù)字模型將指導每一步。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。

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營?

答:數(shù)字化建造趨勢,例如現(xiàn)場3D打印機和砌筑機器人,正在使過去需要手動完成的任務實現(xiàn)自動化。它們將數(shù)字設計直接轉化為實體組件,從而加快工作速度并減少錯誤。例如,機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??偠灾?,這些趨勢意味著,由于機器在現(xiàn)場按照數(shù)字藍圖施工,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步驟和返工來提高效率。數(shù)控工廠的預制和人工智能規(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:一項研究發(fā)現(xiàn),預制可減少高達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慎地利用資源。簡而言之,這些趨勢在提高項目質(zhì)量的同時,節(jié)省了時間、金錢和材料。

3. 哪些數(shù)字化制造趨勢對于模塊化異地施工最有前景?

答:對于異地工廠建設而言,數(shù)控/激光切割(趨勢3)和BIM驅(qū)動的自動化(趨勢5)等趨勢至關重要。數(shù)控銑刨機和自動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)場附近建造一個微型工廠來擴展這一概念。這些趨勢共同意味著整個建筑部分可以作為標準化單元制造,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)生的浪費遠少于傳統(tǒng)建筑。例如,3D混凝土打印無需模板,只需鋪設所需材料,研究估計可減少30%至60%的浪費。同樣,工廠制造的模塊化組件由數(shù)控機床精確切割,一份報告發(fā)現(xiàn),模塊化方法可減少高達90%的浪費。即使是喜利得的BIM預制方法,也已被證明能減少約20%的材料廢料??偠灾?,通過使用精確的數(shù)字模型和自動化切割,這些趨勢有助于提高建筑的資源效率。

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2025-05-20
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