王广斌： 建筑产业数字化转型内涵与关键技术体系｜中国建筑产业数字化转型发展研究报告

《“十四五”数字经济发展规划》提出，数字经济是继农业经济、工业经济之后的主要经济形态，是以数据资源为关键要素，以现代信息网络为主要载体，以信息通信技术融合应用、全要素数字化转型为重要推动力，促进公平与效率更加统一的新经济形态。数字经济正推动生产方式、生活方式和治理方式深刻变革，成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量。从全球范围看，数字经济创新企业无论是规模还是成长性方面，都处于引领地位，全球市值最高的前 10 家企业中，数字技术相关企业占7家。各国普遍将数字经济视为促进经济复苏、重塑竞争优势和提升治理能力的关键力量，德国、英国、美国等工业发达国家数字经济占 GDP 比重超过 60%。《IDCFutureScape：2020年全球数字化转型预测》显示，2020～2023 年，全球数字化转型投资支出将达到 7.4 万亿美元，复合增长率达 17.1%。我国处于数字经济将发挥关键性作用的阶段，2020 年，我国数字经济规模达到 39.2 万亿元，占 GDP 比重为 38.6%。随着新一轮科技革命和产业变革的持续推进，数字经济已成为我国最具活力、最具创新力、辐射最广泛的经济形态，成为国民经济的核心增长极之一。VUCA 时代的来临为全球经济带来更多不确定性，人工智能、大数据等新兴技术的快速发展引起行业变革加剧。全球数字化转型业务中心 2015 年研究表明，传统业务企业受到颠覆的时间大约为 36 个月。在 VUCA 时代下，企业要掌握驾驭数字化带来的指数级变革的能力。

数字经济包括数字产业化与产业数字化两大部分。数字产业化即信息产业，其具体业态包括电子信息制造业、信息通信业、软件服务业等；产业数字化是指在新一代数字科技支撑和引领下，以数据为关键要素，以价值释放为核心，以数据赋能为主线，对产业链上下游全要素数字化升级、转型和再造的过程，即传统行业因数字技术带来的生产数量和生产效率的提升。近年来数字经济增速保持高位运行，数字经济结构持续优化升级，产业数字化深入推进，如图1所示。建筑业数字化属于产业数字化范畴。德勤咨询 2019 年“数字化成熟度”调查结果显示，建筑产业数字化成熟度得分为 4.50，在被调研的各行业中得分最低。建筑企业应当正确认识数字化发展内涵，把握数字化转型关键，跟上后工业时代发展步伐。

数据来源：根据《中国数字经济发展白皮书》整理

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》将新型基础设施建设提上日程，新基建涉及 5G 基建、人工智能、大数据中心、工业互联网、城际高速铁路和城际轨道交通、特高压和新能源汽车充电桩等，前四者重创新，后四者补短板，赋能智能建造发展。以 5G 基站为例，工信部《通信业统计公告》统计数据显示，截至 2020 年底，新建 5G 基站超 60 万个，已开通 5G 基站超过 71.8 万个，覆盖全国地级以上城市及重点县市。《“十四五”数字经济发展规划》提出优化升级数字基础设施，包括加快建设信息网络基础设施、加快建设信息网络基础设施、有序推进基础设施智能升级。住房和城乡建设部等 13 部门联合印发的《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》强调加快推动智能建造与建筑工业化协同发展，打造全产业链融合一体的智能建造产业体系，走出一条内涵集约式高质量发展新路。中国工程院委托同济大学、中国建筑股份有限公司等开展了《中国建造2035战略研究》《中国建造高质量发展战略研究》《建筑业“十四五”期间发展趋势研究》等一系列研究项目，清晰勾勒了“中国建造”未来发展蓝图，为建筑产业未来发展提供了支撑。在国家宏观政策方向与行业变革方向共同作用下，建筑产业有需要、也有必要向数字化转型，这既是建筑企业应对变革的内在要求，也是建筑产业实现高质量发展的必经之路。建筑企业需要抓住新一轮科技革命的历史机遇，全面认识建筑产业变革，打造智能建造新范式和新框架体系，聚焦产业数字化转型，准确把握行业发展痛点，高度重视数字化、网络化、智能化对工程建造的变革性影响，推动建筑产业由碎片化、粗放型、劳动密集型生产方式向集成化、精细化、技术密集型生产方式转型。

数字化转型（DigitalTransformation）是建立在数字化转换（Digitization）、数字化升级（Digitalization）基础上，进一步结合企业的核心业务，以新建一种商业模式为目标的高层次转型，构建一个富有活力的数字化商业模式。数据、信息和知识是数字经济价值创造的主要生产要素。将数据、信息和知识融汇在产品与服务的全过程、全环节、全要素中，为客户创造更多价值，是数字经济和数字化转型的出发点和突破口。

《“十四五”数字经济发展规划》提出全面深化重点产业数字化转型，推动传统产业全方位、全链条数字化转型，提高全要素生产率。建筑产业数字化转型的最终目标是提高绩效，增加价值，按价值形式划分的商业方面的价值主要有三种，分别是成本价值、体验价值与平台价值。对于成本价值，以波士顿咨询公司发布《DigitalinEngineeringandConstruction》为例，不同类型建筑在数字化转型作用下全生命周期成本均有降低，预计到 2025 年，全球建筑产业数字化转型将节省设计与建造成本 7000 亿～12000 亿美元（13%～21%），运维成本节省 3000 亿～5000 亿美元（10%～17%）。随着中国经济工业化阶段基本完成，开始逐步向后工业化阶段过渡，物质产品进入需要结构性调整的时代，客户的体验价值凸显，不同于工业化时代的标准化与去个性化，后工业化时代则是以个性化定制、柔性化生产为企业的生产发展特征。建筑企业应当顺应数字化转型趋势，以客户需求为导向，满足客户个性化需求，优化客户体验。数字化转型提供平台价值，串联全产业链企业的数据与信息，打造集成化、协同化的业务生态系统，构建全数字化市场。按价值形式划分的商业模式如图 2 所示。

△ 图2 按价值形式划分的全数字化商业模式

建筑企业是实现建筑业转型升级、实现高质量发展的微观基础，通过打造一体化数字平台，全面整合企业内部信息系统，强化全流程数据贯通，加快全价值链业务协同，可形成数据驱动的智能决策能力，提升企业整体运行效率和产业链上下游协同效率。建筑企业数字化转型的基本特征和关键有以下三点。一是产品数字化，主要目的是产品的服务和创新，向制造业强国转变必须依靠产品和服务的创新能力。建筑业企业向数字化转型，需要且必须利用数字化业务模式带来的新价值主张，形成新能力和竞争力；二是企业敏捷性，敏捷性包括超强感知能力、明智决策能力和快速执行能力，是实现组织转型的基本保证。只要拥有良好的敏捷性，企业就能通过迅速调整来适应不断变化的市场形势，甚至提前预知市场变化，抢得先机。企业也可以洞悉颠覆者如何攻击自己的核心市场以及如何主动向客户提供更有吸引力的价值主张，在激烈竞争中求生存；三是人员数字化，人员数字化旨在提升企业里每个员工的积极性和生产力，对于传统的职能等级制度和尊重层级文化的国家和地区而言，挑战性会更大。

建筑产业数字化业务转型涉及组织、流程、人员和战略变革。建筑业企业数字化转型过程中，战略制定是最先的一步，也是关键的一步。建筑企业数字化转型的核心是组织和人员的数字化建设，制造业的经验表明，企业数字化转型常常会陷于组织惰性这一“陷阱”，企业在追求数字化转型时会面临组织运营、制度环境和文化三大挑战，转变思维模式是企业数字化转型成功的重要因素。

推动建筑产业数字化转型，应当立足我国实际，借鉴工业发达国家制造业发展经验，明确推动智能建造发展的基础关键技术。数字模型技术是建筑产业数字化转型中的技术主线，也是关键和基础。数字模型技术包括基于模型的数字产品定义（Model Based Definition，MBD）和基于模型的数字企业（Model Based Enterprise，MBE），应用范围涵盖企业全流程和全产业链。MBD 是将产品所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进数字化定义方法，对产品设计制造过程进行并行协同数字化建模、模拟仿真和产品定义，然后对产品的定义数据从设计的上游向零件制造、部件装配、产品总装和测量检验的下游进行传递、拓延和加工处理。实施 MBD 技术需要完善数字化基础环境建设、数字化标准体系建设、数字化业务流程建设、MBD 设计制造辅助工具开发、企业信息技术团队和数字化文化建设。MBE 的目标是建立数字孪生模型，通过产品系统和生产系统的全数字化建模仿真，在工程设计和工艺设计领域应用大数据和预测性工程分析技术，逐步实现向智慧工厂和智能服务制造转型。数字模型技术是后工业化时代实现大规模个性化制造、产品创新变革的基础。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术是建筑产业的数字模型技术的代表，是建筑产业数字化转型的基础关键技术。BIM 技术应用贯穿项目全生命周期，实现了全组织、全流程、全要素的管理。通过应用 BIM 技术可以实现各阶段信息的集成与共享，减少信息传递层次，降低信息失真率，有效实现项目各参与方之间的协同管理。在规划设计阶段，数字化技术应用涵盖协同设计、集成场地信息、数据驱动设计、模拟仿真与优化设计等。各专业工程师、设计师将图纸信息集成到统一的 BIM 模型中，可识别模型碰撞和冲突，保证所有图纸、报告和数据的一致性，增强协同设计。航空测绘技术和三维激光扫描技术将现有的建筑和基础设施转换成虚拟三维模型，有利于翻修和改造项目。大数据分析有助于优化设计决策，通过数据驱动的设计提高设施运营效率。全息技术模拟仿真以及 3D 打印技术，可加速设计迭代并提高可视化。与 BIM 集成的软件工具通过自动生成和评估设计方案、成本分析、可持续分析等优化设计。在施工阶段，数字化技术应用涵盖参与方间实时信息共享、数据驱动的精益建造、自动化施工、严密的施工监控等。BIM 云平台可以实现各参与方间实时信息共享、整合和协作。BIM 施工模型可以模拟项目施工方案、展现项目施工进度，复核统计施工单位的工程量，并形成竣工模型交给业主辅助进行项目验收，为数据驱动的精益建造提供基础。新型建造技术和自动化施工提高施工现场生产率、精度和安全性。数字化测量和监控设备跟踪施工过程和活动，减少校正工作，无人机和远程相机对建筑工地进行调查，远程信息处理系统传输多台机器参数的数据，实现严密的施工监控。运营阶段数字化主要受益于设计阶段的性能分析和施工阶段移交后运营商接收的建筑信息，实现基于 BIM 的运营维护、虚拟交付和调试、健康检测和运维预警、快速高效地更新和改造。数字设备和技术可以现场收集测试数据，并通过配备条形码扫描仪的移动设备，将数据直接传输到对应三维模型，在不丢失信息的情况下将数据高效地传递给建筑运营商，简化交付和调试过程。同时，BIM 模型也可以通过专业接口与设备进行连接，对设备的运行进行实时监控并作出科学的管理决策，在 BIM 信息协同系统中，运营商可以及时将建筑物的使用情况、设备维修情况、安全评估情况等信息上传，用户可以根据相关信息对运营情况进行评估并提供反馈意见。全球 BIM 最佳实践也证明，BIM 全生命周期成功应用的组织模式是集成项目交付（Integrated Project Delivery，IPD），在该模式下，施工阶段和运营阶段的参与方提前介入设计阶段共同工作，各个环节割裂的问题可得到很好的解决。

建筑产业数字化转型的技术体系结构共分为四个层级，包括传感器和其他设备层、数据/物理整合层、软件平台和控制层及用户界面和应用层。技术体系的底层是嵌入式传感器，可以在建筑施工和运营期间对建筑的任何部分进行实时状态监控，并不断刷新和补充数据库。数据/物理层中的 3D 打印技术可应用于大型建筑构件和混凝土结构，还可通过3D扫描仪创建复杂建筑数字模型，促进翻新，保障质量。软件平台和控制层是数字化转型的技术关键，该层级中 BIM 技术作为传统计算机辅助设计（CAD）的继承者，服务于价值链上的所有利益相关者。用户界面和应用层的大数据和分析可以处理建筑项目及其环境产生的大量异质数据，加强建筑设计，促进实时决策，提高预测准确性。项目全生命周期数字技术体系结构如图 3 所示。

BIM 技术具有与其他数字技术集成应用的特点。在建筑产业供应链中，BIM 技术与 GIS、RFID、IOT 等数字化技术结合应用，可以实现工业化建造的高精度设计、高精度构配件工厂生产及现场装配，促进不同参与方之间的协同与合作。例如，BIM 能够存储和处理翻新项目中的三维激光扫描数据；提供预制和自动化现场设备所需的输入数据；在施工和运营过程中，可以与传感器和移动设备连接融合分析。此外，BIM 能够整合和应用外部数据，丰富其他软件应用程序和数据系统的数字化建设，为 ERP 系统、PMS 系统、TMS 系统提供基础数据，完成海量基础数据的计算和分析，解决建筑业企业信息化中基础数据的及时性、对应性、准确性和可追溯性的问题。例如，BIM 与 ERP 系统二者数据整合可使项目信息系统实现四算对比，使项目成本处于可控状态。基于 BIM 的数字建造模式技术框架如图 4 所示。《麻省理工学院斯隆管理评论研究报告》指出，较成熟的数字化企业关注通过集合例如社交媒体、移动互联网、大数据分析、云计算等数字技术来转变企业的工作方式，不够成熟的数字化企业关注使用单独的某项数字技术来解决离散的企业问题。建筑产业数字化转型应当以 BIM 技术开发和应用为主要的技术路线和抓手，构建涵盖 BIM 和其他数字化技术集成应用的技术体系。

△ 图4 基于BIM的数字建造模式技术框架

建筑产业数字化发展可分为三个阶段。第一阶段为项目数字化，基本特征是基于 BIM 的项目生产与管理环节数字化。项目数字化阶段以加强生产指挥能力建设、提升精益化项目管理能力、建设智慧工地等为主。第二阶段为企业数字化，基本特征是基于 BIM 与 ERP 系统的项目管理与企业管理数字化。企业数字化阶段以提升战略绩效管控能力、建设全面预算管理能力、加强一体化建造能力提升、提供特色业务服务等为主。第三阶段为产业数字化，实现基于 BIM、GIS、ERP、IoT 等数字技术的产业互联网。在产业数字化阶段，建筑业企业依托数字化平台，对建筑产业链上下游业务流、信息流、数据流进行一体化和智能化管理。建筑产业数字化发展的三阶段如图 5 所示。随着数字化转型发展阶段的提升，建筑产业将逐步走向数字化、在线化和智慧化。

传统的建筑产业组织体制、生产流程、专业分工等存在着严重的割裂（Frag mentation）特点，从建筑全生命周期角度上来看，建设项目各个环节之间的信息交互，信息孤岛依旧存在。解决行业割裂，提升行业的生产效率，实现行业的转型和高质量发展，除推动数字化转型的技术因素外，还应紧密结合现有行业环境、组织流程以及人员知识技能，对现有规范、标准、政策做出相应调整。

小 结

智能建造是通过大规模定制建造，满足个性化要求的数字化与工业化深度融合的过程，集成整个产业供应链和生产活动，包括产品、企业、产业信息化。建筑产业发展的基本范式，是通过数字化、工业化的深度融合追求社会、经济、环境的绿色可持续发展。

建筑产业数字化转型是大趋势，是全产业绿色可持续发展和高质量发展的必由之路；数字化发展的内涵是构建新的商业模式，实现组织变革，提高绩效；数字化转型的技术体系涵盖企业和供应链上 BIM 与其他数字化技术的集成应用，BIM 是关键技术抓手。建筑业数字化转型是思维模式、技术创新、生产管理方式以及商业模式的系统性变革，是长期持久的变革之路。