十大數字化制造趨勢：重塑智能制造的未來

　　建筑行業的數字化建造趨勢是指利用數字化設計數據實現建筑構件生產和裝配的自動化。這包括3D混凝土打印、數控銑削、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，這意味著現場機器人或場外工廠可以接收數字指令來制造構件。嵌入式物聯網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控打印或預制構件。這些技術共同將數字化工作流程和自動化引入現場和非現場施工，從而改善協調和數據驅動的決策。

　　趨勢一：大規模3D混凝土打印

　　大規模3D混凝土打印使用龍門架或機器人擠出機鋪設混凝土層，現場生產墻體甚至整個建筑部分。這種方法減少了對傳統模板的需求，并可以直接根據數字模型構建非常復雜的形狀。它大大加快了施工速度——通常需要數月的項目通常可以在幾天內打印完成。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，盈創公司幾年前在24小時內3D打印了10棟房屋和一棟五層公寓樓，展現了這一潛力。這些案例展示了大規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，彰顯了現場和近現場施工領域數字化制造的重大趨勢。

　　趨勢二：機器人砌筑和現場裝配

　　機器人砌筑是指在現場砌筑磚塊或砌塊的自動化機器。近年來，國內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合研發的一款砌磚機器人，能夠實現“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。與傳統人工砌筑相比，砌筑大工減少50%，整體砌筑質量提升，平均砌筑工期節省1天至2天。

　　趨勢3：采用數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。在受控的工廠環境中，木材、鋼材和混凝土構件等材料根據數字設計，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場。

　　這種異地建造方法加快了現場組裝速度(模塊“即插即用”)，并提高了質量。一項英國研究發現，與傳統建筑相比，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場切割和錯誤，工廠數控/激光切割可以減少人工和廢料。許多大型項目現在使用體積模塊或帶有數字化切割組件的面板系統，這表明模塊化異地制造是建筑數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，上海開發了一臺內置數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，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的混凝土模板，然后用數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的。這些現場或工廠生產的混合機器可以更快地生產定制構件，并最大限度地減少手工精加工，展現了數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、數控指令或機器人程序。在實踐中，企業使用BIM數據來運行工廠機械和預制生產線。例如，建筑企業將BIM直接連接到數控機器人，根據設計模型銑削鋼制連接件或木工件。這樣做的好處是，數字化計劃可以轉化為數字化工廠訂單，從而減少錯誤和協調工作。

　　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。總而言之，BIM驅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“從設計到生產”的智能制造趨勢相契合。

　　趨勢6：利用嵌入式物聯網傳感器進行實時監控

　　另一個數字化趨勢是將物聯網(IoT)傳感器嵌入建筑構件和機械設備中，以實現實時監控。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。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測了結構內的溫度、壓力和濕度。更廣泛地說，建筑工地上的物聯網設備可以測量工地狀況并持續報告數據。

　　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，從而實現快速糾正或質量保證。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場的全過程。通過將實時數據輸入數字模型，團隊可以隨時調整施工方案。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，使制造與運營保持一致。這將帶來更智能、數據驅動的施工管理和維護。

　　趨勢7：適用于遠程施工現場的便攜式FabLabs

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

　　舉個例子，Fablab O - Shanghai“數制”工坊。這是中國大陸第一家FabLab實驗室，由同濟大學設計創意學院推動建立，旨在通過3D打印、開源硬件和開放設計等技術推動新工業革命。該實驗室不僅服務于高校師生，還面向公眾開放，推動社區創新。

　　趨勢八：循環建設與數字化再利用規劃

　　可持續性正在推動建筑業向循環經濟模式邁進，并借助數字化規劃工具。“循環建筑”利用數字化系統規劃材料和部件的再利用，而非浪費。數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站——一個網絡平臺，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”數據庫以數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地回收組件。通過將這些工具與BIM和項目規劃相結合，團隊可以規劃建筑物，以便部件日后能夠輕松重復使用或回收。簡而言之，數字化再利用規劃工具將設計和供應鏈連接起來，減少浪費，并將建筑轉變為更可持續的循環流程。

　　趨勢9：材料和能源優化的參數化設計

　　參數化設計使用算法和可調參數來優化建筑形式、材料使用和能源性能。在實踐中，建筑師和工程師使用參數化建模探索眾多設計方案，并根據既定標準選擇最佳方案。例如，結構設計師可以參數化梁尺寸、網格間距或幾何形狀，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范要求的同時，最大限度地減少所需材料。參數化工具還能根據環境數據調整建筑形狀：例如，參數化立面可以根據太陽角度自動調整其遮陽模式，以減少冷卻負荷。

　　通過快速迭代數百萬個幾何選項，參數化工作流程能夠實現更精簡、更節能的結構。現實世界中的案例包括優化的混凝土屋頂和低能耗外墻，參數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，使用參數化設計進行優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劃

　　人工智能(AI)正在逐漸改變建筑規劃和調度的方式。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，生成式調度軟件可以測試數百萬種場景，以優化勞動力、設備和排序。麥肯錫報告稱，此類工具“可以測試數百萬種進度配置，并在幾分鐘內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，即可根據實際情況不斷更新。最終實現更智能的施工進度安排，材料交付、預制作業和現場組裝均由人工智能協調，從而節省時間和成本。通過將生成式算法應用于施工規劃，建筑商可以實時調整并最大限度地提高生產力——這是人工智能融入數字化建造工作流程的典型案例。

　　總結

　　這十大數字化建造趨勢共同推動建筑業更加智能、快捷、可持續。3D打印和砌筑機器人等現場創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量和速度。數字化集成——通過BIM驅動的自動化、物聯網監控和人工智能規劃——確保每個組件的制造和組裝都以數據支持的精度進行。同時，循環設計和參數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：建筑將實現工廠化生產并由傳感器監控，機器人系統將最大限度地減少人工，數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、低影響的建筑環境。隨著建筑業融入這些數字化趨勢，項目將變得更加安全、高效，并更好地契合可持續發展目標。

　　常見問題解答：

　　1. 數字化制造趨勢如何改變建筑工地的運營?

　　答：數字化建造趨勢，例如現場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自動化。它們將數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砌磚工人更快地砌墻，并減少浪費。總而言之，這些趨勢意味著，由于機器在現場按照數字藍圖施工，曾經需要數月的工作通常可以在數周內完成。

　　2. 數字化制造趨勢給建筑效率和可持續性帶來哪些好處?

　　答：數字化制造趨勢通過減少手動步驟和返工來提高效率。數控工廠的預制和人工智能規劃工具可以最大限度地減少延誤并優化材料使用。這可以縮短工期并降低成本。在可持續性方面，數字化方法可以減少浪費：一項研究發現，預制可減少高達90%的建筑垃圾。物聯網監控和循環規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量的同時，節省了時間、金錢和材料。

　　3. 哪些數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，數控/激光切割(趨勢3)和BIM驅動的自動化(趨勢5)等趨勢至關重要。數控銑刨機和自動化裝配線允許在室內建造精確的模塊，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，從而大大加快現場安裝速度并提高最終質量。

　　4. 數字化制造趨勢真的可以顯著減少建筑垃圾嗎?

　　答：是的。許多數字化建造方法產生的浪費遠少于傳統建筑。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控機床精確切割，一份報告發現，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。總而言之，通過使用精確的數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。