建筑业：一个传统重型行业的数字化未来
资本实验室·今日创新观察
聚焦前沿科技创新与传统产业升级
在我们追逐互联网金融、区块链、数字医疗、人工智能、无人驾驶、共享经济等新技术与新经济热潮的时候，却很少能看到建筑业的影子。
然而，没人敢否认，作为一个传统的、重型的基础行业，建筑业对国计民生具有的重要和广泛的影响。而建筑业一旦开始加速数字化的进程，自身的变革大幕将被拉开，并将带来众多新的市场机会。
麦肯锡近期发布了一份报告《想象建筑业的数字化未来（Imagining construction’s digital future）》。该报告回顾了建筑业在数字化方面的滞后、成因及其产生的众多问题，并提出了建筑业数字化的五大趋势，最后提出了相关行动建议。该报告还融合了诸多实践案例。
报告描述的建筑业数字化图景包含五个方面：1.更为清晰的测量和地理定位；2.下一代5D 建筑信息建模（5D BIM）；3.数字协作与移动化；4.物联网和高级分析；5.不会过时的设计和施工。可以想象，无论哪一个方面得到实现，都将带来建筑业生产效率及其他指标的大幅提升。与其他行业通常的大胆得有些云里雾里的展望相比，这些趋势显得更为脚踏实地，并具有更强的可实施性。最主要的是，大量的猜想与预测都已经开始实施。
最后，报告从合同的透明度和风险分担、投资回报取向、设计新方案的简单性和直觉性、变更管理四个方面提出了具体建议。
总体来看，数字化将把众多新的技术带到建筑业，并推动建筑业实现从勘探、设计到施工、交付的全流程变革。这时候的建筑业是一个更智能、更高效、更安全、更环保的建筑业。与此同时，这个传统的重型行业需要更多重型垂直，以及行业跨界的科技企业的参与。
资本实验室对本报告进行编译。原作者分别是：Rajat Agarwal, Shankar Chandrasekaran, Mukund Sridhar。
一、问题由来已久
在谈论建筑业的数字化未来之前，我们需要先检讨该行业由来已久的若干问题。
根据以往数据，大型项目的完工时间通常比预计的要长20%，而实际成本可超出预算80%。
表1 建筑业成本超支与工期超期问题
自20世纪90年代以来，某些市场的建筑业生产率实际上在下降；承包商的财务回报往往相对较低且不稳定。
表2 建筑业劳动生产率未跟上整体经济的生产率
建筑业在流程和技术创新方面的进展缓慢，而在基础改善方面，也存在持续挑战。例如：项目规划在办公室和工地之间仍然不协调，而且经常只表现在书面文件中；合同不包括风险分担和创新的激励;绩效管理不充分，而供应链实践依然不成熟；该行业还没有接受需要预先投资的新型数字技术，即使其长期效益非常可观。
表3 建筑业数字化程度非常低
除此之外，建筑业的研发支出不到收入的1%，远远落后于其他行业。与此同时，汽车和航空业研发支出占比则达到了3.5%到4.5%。这种投入不足的问题也表现在信息技术方面，尽管已经存在许多新的为该行业开发的软件解决方案。
建筑业特有的技术挑战是该行业数字化进程缓慢的原因之一。在不同的建筑工地上为地理分散的多个部门找出相应的解决方案，就好比拿石油管道与机场相比较——不是一件容易的事情。考虑到经常充当分包商的小型建筑公司不同的复杂程度，大幅打造新能力成为了另一项挑战。
然而，任何一点做起来都不会比原来更轻松。项目越来越复杂，规模也越来越大。对环境敏感建筑的需求不断增长，意味着传统的做法必须改变，而高级工人和管理人员会变的越来越短缺。这些都是需要新的思考的深层问题。
在传统上，该行业倾向专注于做出渐进式的改进，部分原因是：许多人认为每个项目都是独一无二的，不可能按比例增加新想法，而且接受新技术是不切实际的。
二、建筑业数字化的五大趋势
麦肯锡全球研究所(McKinsey Global Institute)估计，到2030年，全球在基础设施建设方面，将需要支出57万亿美元，以跟上GDP的增长步伐。对于建筑业来说，这是一个巨大的刺激，让业内公司可以通过新技术和改进操作来找到解决方案，以改造生产和项目交付。
本报告考虑了未来五年内建筑业数字化的五大趋势。五种趋势都不是未来主义的，或者是难以置信的，而是建立在适用于建筑业的创新的基础上。这些创新要么已被部署，要么已做出原型。简而言之，它们是切合实际的和有实际意义的。此外，它们被设计成协同工作，以产生更大的影响。
表4 重塑建筑业的五大趋势
1.更为清晰的测量和地理定位
地理方面的问题是项目推迟并超出预算的主要原因。地面状况和早期调查评估之间的差异可能需要在最后时刻对项目范围和设计做出昂贵的变更。现在，新技术将高清摄影、3D激光扫描和地理信息系统结合在一起，通过无人机和无人驾驶飞行器(UAV)技术的最新改进，可以显著提高精度和速度。
例如，摄影测量提供了高质量、高清晰度的测量区域图像，但需要时间转换成可用的格式。激光探测与测量(lidar)技术比传统技术要快得多，可提供高质量的3D图像，并与项目建筑信息建模(BIM)等规划工具相结合。
表5 雷达与无人机等技术在建筑业的融合
激光雷达与探地雷达、磁力仪和其他设备结合使用，可以生成项目现场的地面和地下3D图像。这在密集的、对环境敏感的项目，或历史相关的项目中尤其重要。在这些地点，干扰需要最小化。
这些先进的测量技术被地理信息系统补充，允许地图、图像、距离测量和GPS定位都被覆盖到。然后，这些信息可以被上传到其他分析和可视化系统中，用于项目规划和建设。
两种或更多的测量技术经常被组合使用，以节省时间和金钱。例如，为了对东南亚的小型水力发电厂所在的流域进行调查，测量师们使用激光雷达地图绘制一般地形信息，并用安装在无人机上的高清摄像机测量其他特定区域。
因为成本的大幅下降，现代测量技术比以往任何时候都更容易获得。激光雷达和实时动态GPS系统现在的售价约为1万美元。高分辨率相机体积小，重量轻，可以安装在标准的工业无人机上，比用直升机安装的摄像机进行空中测量更快、更便宜。
专业技术提供商则为用户提供低成本、高效益的测量方案，包括无人机和无人机设备、数据上传和处理服务，以及管理无人机飞行、数据捕捉和可视化信息的软件。一些政府机构和非政府组织已经开始为用户提供免费的激光雷达地图。
2.下一代5D 建筑信息建模（5D BIM）
在20世纪70年代，主要的航空航天公司开创了计算机辅助3D建模。这改变了飞机的设计和建造方式，并帮助提高了10倍的行业生产率。
然而，建筑业还没有采用一个涵盖项目规划、设计、施工、运营和维护的集成平台。相反，该行业仍然依赖于定制的软件工具。此外，业主和承包商经常使用不同步的平台。因此，没有一个单一资源可提供一个集成的、实时的项目设计、成本和进度的视图。
下一代5D BIM是任何项目物理和功能特征的5D表现。除了标准的三维空间设计参数外，它还考虑了项目的成本和进度。它还包括诸如几何、规格、美学、热、声学等细节。一个5D BIM平台让业主和承包商能够识别、分析和记录项目成本和进度变化带来的影响。
5D BIM的可视化和直观性给了承包商更早识别风险的机会，从而做出更好的决策。例如，项目规划人员可以可视化并估计项目成本和进度计划变更的影响。
表6 5D BIM在3D输出上融合设计、成本与工期管理
一项研究发现，在接受BIM的受访者中，75%的人表示其投资得到了积极的回报。他们还提到了更短的项目周期，以及在文书和材料成本方面的节约。考虑到这些好处，许多国家，包括英国、芬兰和新加坡的政府部门都要求在公共基础设施项目中使用BIM。
通过可穿戴设备及增强现实技术，将进一步提升5D BIM技术的使用。例如，一个可穿戴的、带有透明的全息显示器和先进传感器的可穿戴设备可以映射物理环境。许多公司正在为这些平台开发类似BIM的设计和建造解决方案。在这种“混合现实”环境中，用户可以将全息图投射到物理对象，并使用手势、凝视、语音指令与数据进行交互。
5D BIM和增强现实设备的结合，将改变建造、维护和运营全流程。为了尽可能获得BIM技术带来的收益，业主和承包商需要在从设计阶段开始，就使用该技术，而所有的利益相关者都需要采用与BIM兼容的标准化设计和数据报告格式。此外，业主和承包商需要为BIM的实施提供资源，并进行能力建设方面的投资。
3.数字协作与移动化
流程数字化意味着从纸面转移到线上，可实时分享信息，以确保透明度和协作、及时的进展和风险评估，以及质量控制，从而实现更好和更可靠的结果。
建筑业生产率记录不佳的一个原因是，它仍然主要依靠纸张来管理其流程和成果交付，如蓝图、设计图纸、采购和供应链订单、设备日志、每日进度报告和竣工查核事项表。由于数字化的缺乏，信息共享被延迟，并造成业主和承包商工作的不同步。纸面工作使得数据的获取和分析变得困难，管理不善的书面记录也经常在施工进度、订单变更和索赔管理等问题上引起业主和承包商之间的分歧。最后，纸质记录需要花更多的时间。
业主和承包商正开始布署数字化协作和现场移动化解决方案。最近，一家大型全球建筑公司宣布与软件开发商签订了一项联合开发协议，将开发一个基于云端的移动化现场监控平台。该平台集成了项目规划、工程、物理控制、预算和大型项目文档管理等功能。几个大型项目开发商已经成功地将他们的项目管理工作流数字化了。
表7 建筑项目各环节的数字化
工作流程的数字化有很大好处。在一个涉及近600家供应商的美国隧道项目中，承包商开发了一个用于竞标、投标和合同管理的单一平台解决方案。这为团队节省了每周超过20小时的工作时间，减少了75%的报告时间，并加快了90%的文档传输速度。在另一个案例中，一个耗资50亿美元的铁路项目通过使用自动化流程进行审查和批准，提高了生产率，并节省了1.1亿多美元成本。
人员移动化解决方案将会对生产率的提升产生类似的催化效果。对于集中式计划团队和现场施工团队来说，实时连接和分享有关项目进展的信息一直以来都是很困难的。一些问题限制了现场工作人员采用这些工具：移动解决方案和集中式计划解决方案之间的兼容性，可靠的高速宽带连接的缺乏，以及非直观的设计和用户界面。
表8 项目人员移动化管理的需求与功能
低成本移动连接的可供性，包括平板电脑和手持设备，已经引领了新一代“移动第一”的员工移动化管理云端应用。这些应用甚至可以被部署在远程网站，并保持实时更新。这对承包商和各种规模的项目业主都具有商业可行性。
事实上，数字协作和移动化解决方案已经吸引了建筑技术领域近60%的风险投资。一家初创公司已经开发出适用于平板电脑和智能手机的应用程序，允许对建筑蓝图和计划进行修改，并实时传递给现场工作人员；施工现场照片可以与施工计划联系在一起。该解决方案维护了一组具有自动版本控制，以及可云端访问的文档。其他公司则提供了移动计时、实时成本编码、员工地理定位、问题日志与跟踪功能。
作为一线用户，项目经理、商人和运营者可以采用实时的人员移动管理应用，可以改变整个行业的工作方式——从工作管理、订单变更管理、进度和材料跟踪、调度，到进程、生产率评估和事故报告。
4.物联网和高级分析
随着人员、施工设备的大量使用，以及同时进行的工作量的增长，项目现场越来越密集，并产生大量的数据，其中大部分甚至都没有被捕获，更不用说评估和处理了。
通过物联网平台，传感器和无线技术使设备和资产能够通过相互连接变得“智能”。在一个建筑工地，物联网将允许施工机械、设备、材料、构件，甚至是模板，与一个中央数据平台“对话”，以获取关键的性能参数。传感器、近场通信(NFC)设备和其他技术可以则帮助监控员工和资产的生产率和可靠性。
物联网具有几个潜在的用途：
·设备监控和维修。先进的传感器有助于机械检测和维护需求的沟通，为预防性维护自动发送警报，并编制使用和维护数据。
·库存管理和订购。当库存不足，或是需要下订单时，连接系统可以预测并向现场经理预警。NFC标记和材料跟踪也可以精确定位其位置和移动状态，并帮助协调实际库存与电子库存。
·质量评估。在施工阶段，“智能结构”可使用振动传感器来测试结构的强度和可靠性，可以检测出缺陷，并及早纠正。
·能源效率。资产与设备的环境和燃料消耗传感器可以提高施工现场的能源效率。
·安全。如果司机和操作人员正在打瞌睡，或者车辆/资产在换班时间内固定或未运行，智能腕带就可以发出警报。
NFC技术的一种流行形式是射频识别(RFID)，在物流、零售和制造环境中被广泛使用，以收集关于产品、地点、时间和交易的精确信息。自上世纪90年代以来，建筑业已经开始使用RFID来进行材料和设备跟踪、工期时间表的自动化等工作。
NFC技术正在发展。很快，标签将能够包括关于规范、日期、缺陷、供应商和原始设备制造商、维护记录、操作参数和其他应用程序的信息。射频识别设备(包括扫描仪、接收器和标签)的成本正在下降，新的应用正在出现。例如，一家英国建筑公司正在使用RFID进行卡车监控、工具使用跟踪，并用于施工现场工人培训。
除了物联网带来的机遇之外，在建设规划过程中以及在建筑工地上使用数字化也使企业能够获取纸张无法获取的数据。通过在建设项目中采用先进的分析方法获得的见解可以帮助提升效率、工期与风险管理。
例如，先进的分析技术帮助伦敦的一个主要基础设施项目节省了时间和金钱。该项目负责人与数据分析公司合作开发了基于网络的适应性工具和监控系统。该系统可采集现场传感器数据、建筑进度数据、劳动力和车辆活动数据。基于这些信息的统计分析可帮助项目团队发现异常情况，并为伦敦这样一个高密度、历史敏感型城市确定潜在的风险信息。
其他的例子比比皆是。例如，来自高级分析的结果帮助一个石油和天然气巨头通过匹配合适的团队，任命适当的团队领导，并优化工作流程，以减少浪费和提高效率，从而使其工程功能的生产率提高了20%到25%。
在另一个案例中，一家大型的中东建筑公司与一家软件公司合作，建立了一个预测分析引擎，以防止设备在其车队中出现故障。这节省了数百万美元的停机时间、燃料成本和维修费用。而事件模拟，再加上优化算法，也帮助一家造船商优化了建筑规划。
5.不会过时的设计和施工
新的建筑材料，如自愈合混凝土、气凝胶和纳米材料，以及创新的建筑方法，如3D打印和预装配模块，可以降低成本，加快施工进度，同时提高质量和安全性。
材料成本通常占到项目总成本的一半以上，而全球建筑材料是一个1万亿美元的巨大产业。混凝土、水泥、沥青等传统材料占了大部分需求。在未来，我们也需要新的和更好的建筑材料：
·绿色建筑。极力需要采用更低碳的材料和技术。
·成本效率。考虑到巨大的成本压力，除了不断努力降低成本外，还需要对材料的选择进行结构调整。
·供应链敏捷性。运输重型材料和设备对供应链的成本和时间有着巨大的影响，尤其是因为许多新项目位于偏远或人口密集地区。
·提高耐用性和强度。随着资本成本的上升和许多市场的土地稀缺，业主们坚持认为项目的商业寿命应该更长。
·非现场施工。在非现场组装更轻、更容易处理的材料可以提高项目效率，解决现场空间限制，并为工作人员创造条件，提高他们的技能。
在过去的几十年里，建筑材料领域有了一波创新，以下是一些特别有趣的项目：
·自愈合混凝土。这种方法利用细菌作为愈合剂来修补混凝土上的裂缝，处于概念验证阶段。
·混凝土帆布。取一层“混凝土帆布”，然后加水沉淀。这种创新通常用于下水道、管道和走廊，现在可以在商业上使用。
·高渗透性混凝土。这是一种水泥替代品，一分钟能吸收4000升水，目前处于早期应用阶段。
·气凝胶。这种超透明的超绝缘材料99.98%是空气，已在商业上投入应用。
·纳米材料。这些超强、超轻的材料最终可能成为钢筋在建筑结构和基础上的替代品，尽管它们仍处于研究阶段。
上述“未来材料”中，有一部分可以重新定义项目如何被概念化、设计和执行。然而，由于对设计和工程领域缺乏认识和熟悉，有限的供应链和规模化应用的缺乏，以及项目所有者和承包商对风险的规避，导致这些新技术采用的速度很慢。
例如，尽管乙烯四氟乙烯(ETFE)已有30多年的历史，但直到其在2008年北京奥运会上被用来建造部分水上建筑后，才得到广泛应用。ETFE的质量不到同等玻璃面板的1%，而安装成本降低了24%到70%。
当前，大约80%的建设工作仍在施工现场进行，但许多开发商和承包商正在部署新的非现场施工方法，以帮助他们提高施工可预测性、一致性和可重复性。考虑到施工空间紧缩、劳动力短缺以及更严格的安全和环境标准，这一点尤其重要。这个行业需要从预制结构转向下一代技术。其中有几项技术已经显示出其潜力：
·预装配。相对简单的结构，如工厂和被覆盖的庭院，可以在工厂或庭院内组装完成。这种技术也适用于模块化建筑，如酒店和公寓。在建筑现场最后组装前，更大型建筑的子模块可以在工厂或附近的场地组装完毕。
预制容积式结构(PPVC)等技术与非现场能力相结合，将施工现场改造成了制造系统。其结果是：提高效率，减少浪费，提高安全性。此外，像交错层压木材(CLT)这样的材料正在出现，以响应对绿色建筑的需求。在英国，一座80层的木材摩天大楼最近获得了初步批准。
许多公司正在做出响应。在政府进行了成功的试点之后，一个新加坡房地产开发商正在将PPVC技术用于几个新的住宅项目。鉴于CLT住宅项目的成功，一个澳大利亚房地产开发商最近宣布计划在悉尼开设一家工厂，致力于生产预制房屋构件。
表9 新加坡建筑项目中的PPVC技术应用
·3D打印。在装配和内部装饰之前，打印子模块或完整的混凝土结构可以改变整个行业的设计、成本和工期。然而，3D打印仍处于早期阶段，还不能以大规模项目所需的规模和速度进行部署。
·机器人建设。建筑工程本质上是非结构化的，而且往往是不可预测的；而且，建筑项目可能经常位于不佳的地形和环境。由于这些原因，到目前为止，机器人在建筑业的使用是有限的。然而，机器人现在正被选择性地用于重复和可预测的活动，如贴瓷砖、砌砖、焊接和线轴制造、拆卸和混凝土回收。
成功实施这些方法的公司不得不极大程度地改变其内部计划、设计、采购和施工过程。他们还需要投资于自动化和有效的供应链后盾，以确保从工厂到现场的材料得到顺利和准时运输。最后，决定垂直整合供应链的公司将需要制定与制造业相关的投资计划。
三、行动建议
考虑到建筑业在创新和采用新技术、工具和方法方面不那么好的历史，业主和承包商需要采用一种新的思维方式。业主们通常认为，在签订合同时，他们的责任就会结束，而忘记了他们支付的经济成本的延迟。对他们来说，承包商通常只做到最低要求，以满足合同条款，从而在谈判桌上留下大量的价值。为了让这个行业做得更好，需要接受四个原则：
·合同的透明度和风险分担。习惯很难改变，一种习惯是把合同视为一种规避风险的机会。相反，合同需要被视为一种工具，允许公平分担风险、分享回报，并帮助双方取得成功。如果合同明确规定了责任，并允许业主和承包商公平地分享技术和工艺创新所带来的好处，这种成功将会发生。
例如，在希斯罗机场5号航站楼的建设中，机场方面因为有全面保险政策的保护，为项目开发商承担了所有的风险。在项目建设中，机场没有传统的客户-承包商关系，而是像团队成员一样对待不同的合作伙伴。机场邀请他们一起工作，来解决复杂的问题，并找到最适合整个项目的技术解决方案。这使得所有各方都能专注于保持项目的正常运行。
·投资回报取向。衡量和交流新技术将如何改变建筑业——例如，通过对成本、进度和风险优化的积极影响——是一种最可靠的方法。一家石油和天然气公司正是通过评估、讨论与生产率相关的成本节省问题，从而决定为其深海平台部署了一种先进的分析和可视化解决方案。
·设计新方案的简单性和直觉性。在前端，用户界面需要做到“第一印象良好”，从而促进使用。在后台，与现有的企业解决方案相匹配的构建，减轻了在升级现有平台上更多花费的需要。
·变更管理。组织需要一个清晰的变更管理故事；高层管理者需要沟通为什么这些变更是重要的，以及这些变更对组织结构、能力和资源的意义。不投资于变更管理的组织将面临在以前的技术部署浪潮中遇到的同样的阻力，并且更有可能失败。
所有主要的利益相关者都有责任过渡到数字技术和创新，而每个人的要求各不相同。
业主和开发商需要授权和评估。这首先需要在合同中采用数字技术，或者在设定项目预算时将数字化和技术的成本计算在内。为了管理风险，业主应与承包商共同投资新技术的试用，并按比例分享奖励。我们的经验表明，大型项目往往不是大型技术部署的最佳选择；相反，从小型项目开始，开发中型项目的能力可以建立信心。此外，业主应该通过他们的项目来衡量和奖励新技术的采用。
对工程和建筑承包商来说，重新想象和改变行动是必要的。要做到这一点，他们需要开发数字路线图，以识别明显的不会后悔的举措，以及风险更高、更大的赌注。组织资源需要通过任命一名首席技术官或首席创新官来重新分配，其任务是大胆地思考数字议程，并领导内部流程的简化和数字化。
企业也应该考虑对外收购或与科技公司合作。当然，确保项目团队拥有试验新技术所需的预算和权限是非常重要的。锻炼项目经理的能力是很重要的，这样他们就能熟练地使用数字技术了。
行业主体和监管机构应该投资并创造激励。他们可以发挥有益的作用，例如，与承包商、业主和技术人员合作，为新兴技术制定新标准，开发试点项目，并展示成功案例。他们可以通过拨款、奖金或补贴形式，推动业主和承包商使用数字解决方案，并帮助他们教育和培训下一代。
他们还可以鼓励在公共项目中采用数字技术，例如5D BIM，以及设置预制构件生产等规范。在投资方面，一些机构已经建立了风险投资基金，以帮助最好的初创企业扩大规模，并将它们与开发商和承包商联系起来。
其他行业的实践已经表明，先行者可以建立可持续的竞争优势。在建筑业，这也可能是事实。在未来的十年里，这些明天的赢家将在技术创新和数字化方面领先。
抵制变革不再是一种选择。