十大数字化制造趋势：重塑智能制造的未来
建筑行业的数字化建造趋势是指利用数字化设计数据实现建筑构件生产和装配的自动化。这包括3D混凝土打印、数控铣削、激光切割和机器人装配等技术，通常由BIM模型指导。数字化建造通过将设计软件直接连接到制造流程，使“智能”建筑流程更加精准，并减少手动步骤。
例如，BIM模型可以自动生成CNC切割文件或机器人刀具路径。实际上，这意味着现场机器人或场外工厂可以接收数字指令来制造构件。嵌入式物联网传感器也融入到这一工作流程中，在施工期间和施工后实时监控打印或预制构件。这些技术共同将数字化工作流程和自动化引入现场和非现场施工，从而改善协调和数据驱动的决策。
趋势一：大规模3D混凝土打印
大规模3D混凝土打印使用龙门架或机器人挤出机铺设混凝土层，现场生产墙体甚至整个建筑部分。这种方法减少了对传统模板的需求，并可以直接根据数字模型构建非常复杂的形状。它大大加快了施工速度——通常需要数月的项目通常可以在几天内打印完成。3D混凝土打印还可以减少材料浪费，因为只需打印必要量的混凝土。
研究估计，自动化打印可以减少约30%至60%的建筑垃圾，并将建筑工期缩短50%至70%。实践中，盈创公司几年前在24小时内3D打印了10栋房屋和一栋五层公寓楼，展现了这一潜力。这些案例展示了大规模混凝土打印如何能够更快地建造可居住建筑，并减少浪费，彰显了现场和近现场施工领域数字化制造的重大趋势。
趋势二：机器人砌筑和现场装配
机器人砌筑是指在现场砌筑砖块或砌块的自动化机器。近年来，国内在机器人砌筑技术方面取得了显著进展。例如，上海建工四建集团和上海大界机器人联合研发的一款砌砖机器人，能够实现“定位-上砖-抹灰-摆砖”的全流程自动化操作。该机器人包含越障移动底盘、上砖装置、抹灰装置和六轴机械臂等结构。在实际工地测试中，墙体平整度和垂直度分别达到2.5毫米和3.5毫米，均满足施工规范要求。
还有，中砌智造的砌筑机器人“On-site”在苏州星光耀项目中得到应用。该机器人可以在无预设的实际工况下开展人机协作施工，满足单块重量30千克以下的各种尺寸砌块施工需求。与传统人工砌筑相比，砌筑大工减少50%，整体砌筑质量提升，平均砌筑工期节省1天至2天
趋势3：采用数控和激光切割的模块化结构
模块化建筑工厂越来越多地使用数控铣刨机和激光切割机来预制高精度的建筑模块和面板。在受控的工厂环境中，木材、钢材和混凝土构件等材料根据数字设计，使用计算机控制的机器进行切割和组装。这确保了每个部件都与BIM模型完全匹配。例如，墙板、屋顶桁架和管道支架可以采用数控切割，以达到严格的公差要求，然后作为完整的模块运送到现场。
这种异地建造方法加快了现场组装速度（模块“即插即用”），并提高了质量。一项英国研究发现，与传统建筑相比，工厂建造的模块化项目可减少高达90%的建筑垃圾。通过最大限度地减少现场切割和错误，工厂数控/激光切割可以减少人工和废料。许多大型项目现在使用体积模块或带有数字化切割组件的面板系统，这表明模块化异地制造是建筑数字化转型的关键趋势。
趋势四：定制部件的混合增减制造
混合增减制造技术将3D打印与数控加工相结合，用于制造复杂的定制部件。在建筑领域，这意味着打印定制部件的粗略形状，然后使用数控铣削或激光切割将其精加工至精确尺寸。这种混合方法对于需要独特几何形状和严格公差的构件非常有用。例如，上海开发了一台内置数控功能的大型打印机，用于制造大型结构部件——2018年建造了一套144立方米的“增减”系统，用于打印一座人行天桥。
同样，建筑师们使用3D打印泡沫模具制作自由形态的混凝土模板，然后用数控刨削使其表面光滑。通过将3D打印的灵活性与机械加工的精确性相结合，混合制造技术可以制造一次性连接器、模板图样或幕墙面板，而这些部件是手工制作无法实现的。这些现场或工厂生产的混合机器可以更快地生产定制构件，并最大限度地减少手工精加工，展现了数字化制造如何将增材制造和减材制造工艺相结合，以满足建筑需求。
趋势5：BIM驱动的制造自动化
建筑信息模型(BIM)正日益推动自动化制造工作流程。详细的BIM模型可以自动生成施工图、数控指令或机器人程序。在实践中，企业使用BIM数据来运行工厂机械和预制生产线。例如，建筑企业将BIM直接连接到数控机器人，根据设计模型铣削钢制连接件或木工件。这样做的好处是，数字化计划可以转化为数字化工厂订单，从而减少错误和协调工作。
在一个案例研究中，一家机电承包商利用BIM支持的预制技术交付定制管道支架：通过在模型外进行预制，安装时间缩短了50%，材料浪费减少了20%。在现场，BIM模型还可以指导机器人组装，或确保交付的模块正确安装。总而言之，BIM驱动的自动化意味着设计从屏幕到工厂车间的流程更加无缝衔接，这与建筑行业“从设计到生产”的智能制造趋势相契合。
趋势6：利用嵌入式物联网传感器进行实时监控
另一个数字化趋势是将物联网(IoT)传感器嵌入建筑构件和机械设备中，以实现实时监控。嵌入混凝土、钢材或构件中的传感器可以跟踪建筑物固化或运行过程中的应变、温度、湿度和其他参数。例如，剑桥大学在3D打印混凝土端墙中放置的无线传感器在打印过程中监测了结构内的温度、压力和湿度。更广泛地说，建筑工地上的物联网设备可以测量工地状况并持续报告数据。
这种实时反馈可以改善结果：打印墙或预制构件中的异常情况可以立即检测到，从而实现快速纠正或质量保证。重型设备中的传感器还可以预测维护需求，RFID/GPS标签可以跟踪预制模块从工厂到现场的全过程。通过将实时数据输入数字模型，团队可以随时调整施工方案。实际上，嵌入式传感器将建筑物和场地变成了自我报告系统，使制造与运营保持一致。这将带来更智能、数据驱动的施工管理和维护。
趋势7：适用于远程施工现场的便携式FabLabs
便携式制造实验室（“FabLab”）是一种将数字化制造工具带到远程或现场的创新模式。这些实验室通常建在拖车或集装箱内，配备3D打印机、数控铣床、激光切割机和电源等设备，能够按需生产建筑部件或工具，无需依赖长途运输
举个例子，Fablab O - Shanghai“数制”工坊。这是中国大陆第一家FabLab实验室，由同济大学设计创意学院推动建立，旨在通过3D打印、开源硬件和开放设计等技术推动新工业革命
趋势八：循环建设与数字化再利用规划
可持续性正在推动建筑业向循环经济模式迈进，并借助数字化规划工具。“循环建筑”利用数字化系统规划材料和部件的再利用，而非浪费。数字化平台汇集了可用的回收材料或建筑生命周期的信息。例如，欧盟的CIRCuIT项目推出了一个材料再利用门户网站——一个网络平台，列出了来自不同来源的剩余建筑材料，方便查找和再利用。
在实践中，建筑师和规划师可以在设计过程中搜索此类门户，以指定可重复使用的砖块、钢材或面板。同样，像Madaster这样的“材料护照”数据库以数字方式记录建筑物中的所有材料。这使得未来的翻新或拆除工作能够系统地回收组件。通过将这些工具与BIM和项目规划相结合，团队可以规划建筑物，以便部件日后能够轻松重复使用或回收。简而言之，数字化再利用规划工具将设计和供应链连接起来，减少浪费，并将建筑转变为更可持续的循环流程。
趋势9：材料和能源优化的参数化设计
参数化设计使用算法和可调参数来优化建筑形式、材料使用和能源性能。在实践中，建筑师和工程师使用参数化建模探索众多设计方案，并根据既定标准选择最佳方案。例如，结构设计师可以参数化梁尺寸、网格间距或几何形状，然后分析每个方案的效率。
一位专家曾指出，参数化设计中的性能指标可以包括材料体积或元素的隐含碳。这使得设计师能够在满足强度和规范要求的同时，最大限度地减少所需材料。参数化工具还能根据环境数据调整建筑形状：例如，参数化立面可以根据太阳角度自动调整其遮阳模式，以减少冷却负荷。
通过快速迭代数百万个几何选项，参数化工作流程能够实现更精简、更节能的结构。现实世界中的案例包括优化的混凝土屋顶和低能耗外墙，参数化算法减少了材料使用量，并提高了被动式太阳能性能。因此，使用参数化设计进行优化是减少建筑项目浪费和能源消耗的主流制造趋势。
趋势10：基于人工智能的生成制造规划
人工智能(AI)正在逐渐改变建筑规划和调度的方式。生成式AI工具可以快速评估大量的施工顺序和资源计划，从而找到最佳的施工策略。例如，生成式调度软件可以测试数百万种场景，以优化劳动力、设备和排序。麦肯锡报告称，此类工具“可以测试数百万种进度配置，并在几分钟内为项目找到最佳的工作顺序和资源”。
在实践中，这意味着项目团队可以输入约束条件，如任务、人员、日历，并让人工智能生成高效的建造计划。一旦选定计划，即可根据实际情况不断更新。最终实现更智能的施工进度安排，材料交付、预制作业和现场组装均由人工智能协调，从而节省时间和成本。通过将生成式算法应用于施工规划，建筑商可以实时调整并最大限度地提高生产力——这是人工智能融入数字化建造工作流程的典型案例。
总结
这十大数字化建造趋势共同推动建筑业更加智能、快捷、可持续。3D打印和砌筑机器人等现场创新技术大幅减少了人工和浪费，而模块化工厂和便携式FabLab等场外方法则提升了质量和速度。数字化集成——通过BIM驱动的自动化、物联网监控和人工智能规划——确保每个组件的制造和组装都以数据支持的精度进行。同时，循环设计和参数化工具最大限度地减少了资源消耗，并将适应性融入建筑之中。
这些趋势共同指向一个未来：建筑将实现工厂化生产并由传感器监控，机器人系统将最大限度地减少人工，数字模型将指导每一步。这不仅有望提高效率，还将带来更具韧性、低影响的建筑环境。随着建筑业融入这些数字化趋势，项目将变得更加安全、高效，并更好地契合可持续发展目标。
常见问题解答：
1. 数字化制造趋势如何改变建筑工地的运营？
答：数字化建造趋势，例如现场3D打印机和砌筑机器人，正在使过去需要手动完成的任务实现自动化。它们将数字设计直接转化为实体组件，从而加快工作速度并减少错误。例如，机器人砌砖工可以比传统砌砖工人更快地砌墙，并减少浪费。总而言之，这些趋势意味着，由于机器在现场按照数字蓝图施工，曾经需要数月的工作通常可以在数周内完成。
2. 数字化制造趋势给建筑效率和可持续性带来哪些好处？
答：数字化制造趋势通过减少手动步骤和返工来提高效率。数控工厂的预制和人工智能规划工具可以最大限度地减少延误并优化材料使用。这可以缩短工期并降低成本。在可持续性方面，数字化方法可以减少浪费：一项研究发现，预制可减少高达90%的建筑垃圾。物联网监控和循环规划等许多趋势也有助于延长建筑物的使用寿命并更谨慎地利用资源。简而言之，这些趋势在提高项目质量的同时，节省了时间、金钱和材料。
3. 哪些数字化制造趋势对于模块化异地施工最有前景？
答：对于异地工厂建设而言，数控/激光切割（趋势3）和BIM驱动的自动化（趋势5）等趋势至关重要。数控铣刨机和自动化装配线允许在室内建造精确的模块，而BIM模型则为这些机器提供精确的尺寸。便携式工厂（趋势7）通过在现场附近建造一个微型工厂来扩展这一概念。这些趋势共同意味着整个建筑部分可以作为标准化单元制造，从而大大加快现场安装速度并提高最终质量。
4. 数字化制造趋势真的可以显著减少建筑垃圾吗？
答：是的。许多数字化建造方法产生的浪费远少于传统建筑。例如，3D混凝土打印无需模板，只需铺设所需材料，研究估计可减少30%至60%的浪费。同样，工厂制造的模块化组件由数控机床精确切割，一份报告发现，模块化方法可减少高达90%的浪费。即使是喜利得的BIM预制方法，也已被证明能减少约20%的材料废料。总而言之，通过使用精确的数字模型和自动化切割，这些趋势有助于提高建筑的资源效率。
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