資本實驗室·今日創新觀察

聚焦前沿科技創新與傳統產業升級

在我們追逐互聯網金融、區塊鏈、數字醫療、人工智能、無人駕駛、共享經濟等新技術與新經濟熱潮的時候，卻很少能看到建築業的影子。

然而，沒人敢否認，作爲一個傳統的、重型的基礎行業，建築業對國計民生具有的重要和廣泛的影響。而建築業一旦開始加速數字化的進程，自身的變革大幕將被拉開，並將帶來衆多新的市場機會。

麥肯錫近期發佈了一份報告《想象建築業的數字化未來（Imagining construction’s digital future）》。該報告回顧了建築業在數字化方面的滯後、成因及其產生的衆多問題，並提出了建築業數字化的五大趨勢，最後提出了相關行動建議。該報告還融合了諸多實踐案例。

報告描述的建築業數字化圖景包含五個方面：1.更爲清晰的測量和地理定位；2.下一代5D 建築信息建模（5D BIM）；3.數字協作與移動化；4.物聯網和高級分析；5.不會過時的設計和施工。可以想象，無論哪一個方面得到實現，都將帶來建築業生產效率及其他指標的大幅提升。與其他行業通常的大膽得有些雲裏霧裏的展望相比，這些趨勢顯得更爲腳踏實地，並具有更強的可實施性。最主要的是，大量的猜想與預測都已經開始實施。

最後，報告從合同的透明度和風險分擔、投資回報取向、設計新方案的簡單性和直覺性、變更管理四個方面提出了具體建議。

總體來看，數字化將把衆多新的技術帶到建築業，並推動建築業實現從勘探、設計到施工、交付的全流程變革。這時候的建築業是一個更智能、更高效、更安全、更環保的建築業。與此同時，這個傳統的重型行業需要更多重型垂直，以及行業跨界的科技企業的參與。

資本實驗室對本報告進行編譯。原作者分別是：Rajat Agarwal, Shankar Chandrasekaran, Mukund Sridhar。

一、問題由來已久

在談論建築業的數字化未來之前，我們需要先檢討該行業由來已久的若干問題。

根據以往數據，大型項目的完工時間通常比預計的要長20%，而實際成本可超出預算80%。

表1 建築業成本超支與工期超期問題

自20世紀90年代以來，某些市場的建築業生產率實際上在下降；承包商的財務回報往往相對較低且不穩定。

表2 建築業勞動生產率未跟上整體經濟的生產率

建築業在流程和技術創新方面的進展緩慢，而在基礎改善方面，也存在持續挑戰。例如：項目規劃在辦公室和工地之間仍然不協調，而且經常只表現在書面文件中；合同不包括風險分擔和創新的激勵;績效管理不充分，而供應鏈實踐依然不成熟；該行業還沒有接受需要預先投資的新型數字技術，即使其長期效益非常可觀。

表3 建築業數字化程度非常低

除此之外，建築業的研發支出不到收入的1%，遠遠落後於其他行業。與此同時，汽車和航空業研發支出佔比則達到了3.5%到4.5%。這種投入不足的問題也表現在信息技術方面，儘管已經存在許多新的爲該行業開發的軟件解決方案。

建築業特有的技術挑戰是該行業數字化進程緩慢的原因之一。在不同的建築工地上爲地理分散的多個部門找出相應的解決方案，就好比拿石油管道與機場相比較——不是一件容易的事情。考慮到經常充當分包商的小型建築公司不同的複雜程度，大幅打造新能力成爲了另一項挑戰。

然而，任何一點做起來都不會比原來更輕鬆。項目越來越複雜，規模也越來越大。對環境敏感建築的需求不斷增長，意味着傳統的做法必須改變，而高級工人和管理人員會變的越來越短缺。這些都是需要新的思考的深層問題。

在傳統上，該行業傾向專注於做出漸進式的改進，部分原因是：許多人認爲每個項目都是獨一無二的，不可能按比例增加新想法，而且接受新技術是不切實際的。

二、建築業數字化的五大趨勢

麥肯錫全球研究所(McKinsey Global Institute)估計，到2030年，全球在基礎設施建設方面，將需要支出57萬億美元，以跟上GDP的增長步伐。對於建築業來說，這是一個巨大的刺激，讓業內公司可以通過新技術和改進操作來找到解決方案，以改造生產和項目交付。

本報告考慮了未來五年內建築業數字化的五大趨勢。五種趨勢都不是未來主義的，或者是難以置信的，而是建立在適用於建築業的創新的基礎上。這些創新要麼已被部署，要麼已做出原型。簡而言之，它們是切合實際的和有實際意義的。此外，它們被設計成協同工作，以產生更大的影響。

表4 重塑建築業的五大趨勢

1.更爲清晰的測量和地理定位

地理方面的問題是項目推遲並超出預算的主要原因。地面狀況和早期調查評估之間的差異可能需要在最後時刻對項目範圍和設計做出昂貴的變更。現在，新技術將高清攝影、3D激光掃描和地理信息系統結合在一起，通過無人機和無人駕駛飛行器(UAV)技術的最新改進，可以顯著提高精度和速度。

例如，攝影測量提供了高質量、高清晰度的測量區域圖像，但需要時間轉換成可用的格式。激光探測與測量(lidar)技術比傳統技術要快得多，可提供高質量的3D圖像，並與項目建築信息建模(BIM)等規劃工具相結合。

表5 雷達與無人機等技術在建築業的融合

激光雷達與探地雷達、磁力儀和其他設備結合使用，可以生成項目現場的地面和地下3D圖像。這在密集的、對環境敏感的項目，或歷史相關的項目中尤其重要。在這些地點，干擾需要最小化。

這些先進的測量技術被地理信息系統補充，允許地圖、圖像、距離測量和GPS定位都被覆蓋到。然後，這些信息可以被上傳到其他分析和可視化系統中，用於項目規劃和建設。

兩種或更多的測量技術經常被組合使用，以節省時間和金錢。例如，爲了對東南亞的小型水力發電廠所在的流域進行調查，測量師們使用激光雷達地圖繪製一般地形信息，並用安裝在無人機上的高清攝像機測量其他特定區域。

因爲成本的大幅下降，現代測量技術比以往任何時候都更容易獲得。激光雷達和實時動態GPS系統現在的售價約爲1萬美元。高分辨率相機體積小，重量輕，可以安裝在標準的工業無人機上，比用直升機安裝的攝像機進行空中測量更快、更便宜。

專業技術提供商則爲用戶提供低成本、高效益的測量方案，包括無人機和無人機設備、數據上傳和處理服務，以及管理無人機飛行、數據捕捉和可視化信息的軟件。一些政府機構和非政府組織已經開始爲用戶提供免費的激光雷達地圖。

2.下一代5D 建築信息建模（5D BIM）

在20世紀70年代，主要的航空航天公司開創了計算機輔助3D建模。這改變了飛機的設計和建造方式，並幫助提高了10倍的行業生產率。

然而，建築業還沒有采用一個涵蓋項目規劃、設計、施工、運營和維護的集成平臺。相反，該行業仍然依賴於定製的軟件工具。此外，業主和承包商經常使用不同步的平臺。因此，沒有一個單一資源可提供一個集成的、實時的項目設計、成本和進度的視圖。

下一代5D BIM是任何項目物理和功能特徵的5D表現。除了標準的三維空間設計參數外，它還考慮了項目的成本和進度。它還包括諸如幾何、規格、美學、熱、聲學等細節。一個5D BIM平臺讓業主和承包商能夠識別、分析和記錄項目成本和進度變化帶來的影響。

5D BIM的可視化和直觀性給了承包商更早識別風險的機會，從而做出更好的決策。例如，項目規劃人員可以可視化並估計項目成本和進度計劃變更的影響。

表6 5D BIM在3D輸出上融合設計、成本與工期管理

一項研究發現，在接受BIM的受訪者中，75%的人表示其投資得到了積極的回報。他們還提到了更短的項目週期，以及在文書和材料成本方面的節約。考慮到這些好處，許多國家，包括英國、芬蘭和新加坡的政府部門都要求在公共基礎設施項目中使用BIM。

通過可穿戴設備及增強現實技術，將進一步提升5D BIM技術的使用。例如，一個可穿戴的、帶有透明的全息顯示器和先進傳感器的可穿戴設備可以映射物理環境。許多公司正在爲這些平臺開發類似BIM的設計和建造解決方案。在這種“混合現實”環境中，用戶可以將全息圖投射到物理對象，並使用手勢、凝視、語音指令與數據進行交互。

5D BIM和增強現實設備的結合，將改變建造、維護和運營全流程。爲了儘可能獲得BIM技術帶來的收益，業主和承包商需要在從設計階段開始，就使用該技術，而所有的利益相關者都需要採用與BIM兼容的標準化設計和數據報告格式。此外，業主和承包商需要爲BIM的實施提供資源，並進行能力建設方面的投資。

3.數字協作與移動化

流程數字化意味着從紙面轉移到線上，可實時分享信息，以確保透明度和協作、及時的進展和風險評估，以及質量控制，從而實現更好和更可靠的結果。

建築業生產率記錄不佳的一個原因是，它仍然主要依靠紙張來管理其流程和成果交付，如藍圖、設計圖紙、採購和供應鏈訂單、設備日誌、每日進度報告和竣工查覈事項表。由於數字化的缺乏，信息共享被延遲，並造成業主和承包商工作的不同步。紙面工作使得數據的獲取和分析變得困難，管理不善的書面記錄也經常在施工進度、訂單變更和索賠管理等問題上引起業主和承包商之間的分歧。最後，紙質記錄需要花更多的時間。

業主和承包商正開始佈署數字化協作和現場移動化解決方案。最近，一家大型全球建築公司宣佈與軟件開發商簽訂了一項聯合開發協議，將開發一個基於雲端的移動化現場監控平臺。該平臺集成了項目規劃、工程、物理控制、預算和大型項目文檔管理等功能。幾個大型項目開發商已經成功地將他們的項目管理工作流數字化了。

表7 建築項目各環節的數字化

工作流程的數字化有很大好處。在一個涉及近600家供應商的美國隧道項目中，承包商開發了一個用於競標、投標和合同管理的單一平臺解決方案。這爲團隊節省了每週超過20小時的工作時間，減少了75%的報告時間，並加快了90%的文檔傳輸速度。在另一個案例中，一個耗資50億美元的鐵路項目通過使用自動化流程進行審查和批准，提高了生產率，並節省了1.1億多美元成本。

人員移動化解決方案將會對生產率的提升產生類似的催化效果。對於集中式計劃團隊和現場施工團隊來說，實時連接和分享有關項目進展的信息一直以來都是很困難的。一些問題限制了現場工作人員採用這些工具：移動解決方案和集中式計劃解決方案之間的兼容性，可靠的高速寬帶連接的缺乏，以及非直觀的設計和用戶界面。

表8 項目人員移動化管理的需求與功能

低成本移動連接的可供性，包括平板電腦和手持設備，已經引領了新一代“移動第一”的員工移動化管理雲端應用。這些應用甚至可以被部署在遠程網站，並保持實時更新。這對承包商和各種規模的項目業主都具有商業可行性。

事實上，數字協作和移動化解決方案已經吸引了建築技術領域近60%的風險投資。一家初創公司已經開發出適用於平板電腦和智能手機的應用程序，允許對建築藍圖和計劃進行修改，並實時傳遞給現場工作人員；施工現場照片可以與施工計劃聯繫在一起。該解決方案維護了一組具有自動版本控制，以及可雲端訪問的文檔。其他公司則提供了移動計時、實時成本編碼、員工地理定位、問題日誌與跟蹤功能。

作爲一線用戶，項目經理、商人和運營者可以採用實時的人員移動管理應用，可以改變整個行業的工作方式——從工作管理、訂單變更管理、進度和材料跟蹤、調度，到進程、生產率評估和事故報告。

4.物聯網和高級分析

隨着人員、施工設備的大量使用，以及同時進行的工作量的增長，項目現場越來越密集，併產生大量的數據，其中大部分甚至都沒有被捕獲，更不用說評估和處理了。

通過物聯網平臺，傳感器和無線技術使設備和資產能夠通過相互連接變得“智能”。在一個建築工地，物聯網將允許施工機械、設備、材料、構件，甚至是模板，與一箇中央數據平臺“對話”，以獲取關鍵的性能參數。傳感器、近場通信(NFC)設備和其他技術可以則幫助監控員工和資產的生產率和可靠性。

物聯網具有幾個潛在的用途：

•設備監控和維修。先進的傳感器有助於機械檢測和維護需求的溝通，爲預防性維護自動發送警報，並編制使用和維護數據。

•庫存管理和訂購。當庫存不足，或是需要下訂單時，連接系統可以預測並向現場經理預警。NFC標記和材料跟蹤也可以精確定位其位置和移動狀態，並幫助協調實際庫存與電子庫存。

•質量評估。在施工階段，“智能結構”可使用振動傳感器來測試結構的強度和可靠性，可以檢測出缺陷，並及早糾正。

•能源效率。資產與設備的環境和燃料消耗傳感器可以提高施工現場的能源效率。

•安全。如果司機和操作人員正在打瞌睡，或者車輛/資產在換班時間內固定或未運行，智能腕帶就可以發出警報。

NFC技術的一種流行形式是射頻識別(RFID)，在物流、零售和製造環境中被廣泛使用，以收集關於產品、地點、時間和交易的精確信息。自上世紀90年代以來，建築業已經開始使用RFID來進行材料和設備跟蹤、工期時間表的自動化等工作。

NFC技術正在發展。很快，標籤將能夠包括關於規範、日期、缺陷、供應商和原始設備製造商、維護記錄、操作參數和其他應用程序的信息。射頻識別設備(包括掃描儀、接收器和標籤)的成本正在下降，新的應用正在出現。例如，一家英國建築公司正在使用RFID進行卡車監控、工具使用跟蹤，並用於施工現場工人培訓。

除了物聯網帶來的機遇之外，在建設規劃過程中以及在建築工地上使用數字化也使企業能夠獲取紙張無法獲取的數據。通過在建設項目中採用先進的分析方法獲得的見解可以幫助提升效率、工期與風險管理。

例如，先進的分析技術幫助倫敦的一個主要基礎設施項目節省了時間和金錢。該項目負責人與數據分析公司合作開發了基於網絡的適應性工具和監控系統。該系統可採集現場傳感器數據、建築進度數據、勞動力和車輛活動數據。基於這些信息的統計分析可幫助項目團隊發現異常情況，併爲倫敦這樣一個高密度、歷史敏感型城市確定潛在的風險信息。

其他的例子比比皆是。例如，來自高級分析的結果幫助一個石油和天然氣巨頭通過匹配合適的團隊，任命適當的團隊領導，並優化工作流程，以減少浪費和提高效率，從而使其工程功能的生產率提高了20%到25%。

在另一個案例中，一家大型的中東建築公司與一家軟件公司合作，建立了一個預測分析引擎，以防止設備在其車隊中出現故障。這節省了數百萬美元的停機時間、燃料成本和維修費用。而事件模擬，再加上優化算法，也幫助一家造船商優化了建築規劃。

5.不會過時的設計和施工

新的建築材料，如自癒合混凝土、氣凝膠和納米材料，以及創新的建築方法，如3D打印和預裝配模塊，可以降低成本，加快施工進度，同時提高質量和安全性。

材料成本通常佔到項目總成本的一半以上，而全球建築材料是一個1萬億美元的巨大產業。混凝土、水泥、瀝青等傳統材料佔了大部分需求。在未來，我們也需要新的和更好的建築材料：

•綠色建築。極力需要採用更低碳的材料和技術。

•成本效率。考慮到巨大的成本壓力，除了不斷努力降低成本外，還需要對材料的選擇進行結構調整。

•供應鏈敏捷性。運輸重型材料和設備對供應鏈的成本和時間有着巨大的影響，尤其是因爲許多新項目位於偏遠或人口密集地區。

•提高耐用性和強度。隨着資本成本的上升和許多市場的土地稀缺，業主們堅持認爲項目的商業壽命應該更長。

•非現場施工。在非現場組裝更輕、更容易處理的材料可以提高項目效率，解決現場空間限制，併爲工作人員創造條件，提高他們的技能。

在過去的幾十年裏，建築材料領域有了一波創新，以下是一些特別有趣的項目：

•自癒合混凝土。這種方法利用細菌作爲癒合劑來修補混凝土上的裂縫，處於概念驗證階段。

•混凝土帆布。取一層“混凝土帆布”，然後加水沉澱。這種創新通常用於下水道、管道和走廊，現在可以在商業上使用。

•高滲透性混凝土。這是一種水泥替代品，一分鐘能吸收4000升水，目前處於早期應用階段。

•氣凝膠。這種超透明的超絕緣材料99.98%是空氣，已在商業上投入應用。

•納米材料。這些超強、超輕的材料最終可能成爲鋼筋在建築結構和基礎上的替代品，儘管它們仍處於研究階段。

上述“未來材料”中，有一部分可以重新定義項目如何被概念化、設計和執行。然而，由於對設計和工程領域缺乏認識和熟悉，有限的供應鏈和規模化應用的缺乏，以及項目所有者和承包商對風險的規避，導致這些新技術採用的速度很慢。

例如，儘管乙烯四氟乙烯(ETFE)已有30多年的歷史，但直到其在2008年北京奧運會上被用來建造部分水上建築後，纔得到廣泛應用。ETFE的質量不到同等玻璃面板的1%，而安裝成本降低了24%到70%。

當前，大約80%的建設工作仍在施工現場進行，但許多開發商和承包商正在部署新的非現場施工方法，以幫助他們提高施工可預測性、一致性和可重複性。考慮到施工空間緊縮、勞動力短缺以及更嚴格的安全和環境標準，這一點尤其重要。這個行業需要從預製結構轉向下一代技術。其中有幾項技術已經顯示出其潛力：

•預裝配。相對簡單的結構，如工廠和被覆蓋的庭院，可以在工廠或庭院內組裝完成。這種技術也適用於模塊化建築，如酒店和公寓。在建築現場最後組裝前，更大型建築的子模塊可以在工廠或附近的場地組裝完畢。

預製容積式結構(PPVC)等技術與非現場能力相結合，將施工現場改造成了製造系統。其結果是：提高效率，減少浪費，提高安全性。此外，像交錯層壓木材(CLT)這樣的材料正在出現，以響應對綠色建築的需求。在英國，一座80層的木材摩天大樓最近獲得了初步批准。

許多公司正在做出響應。在政府進行了成功的試點之後，一個新加坡房地產開發商正在將PPVC技術用於幾個新的住宅項目。鑑於CLT住宅項目的成功，一個澳大利亞房地產開發商最近宣佈計劃在悉尼開設一家工廠，致力於生產預製房屋構件。

表9 新加坡建築項目中的PPVC技術應用

•3D打印。在裝配和內部裝飾之前，打印子模塊或完整的混凝土結構可以改變整個行業的設計、成本和工期。然而，3D打印仍處於早期階段，還不能以大規模項目所需的規模和速度進行部署。

•機器人建設。建築工程本質上是非結構化的，而且往往是不可預測的；而且，建築項目可能經常位於不佳的地形和環境。由於這些原因，到目前爲止，機器人在建築業的使用是有限的。然而，機器人現在正被選擇性地用於重複和可預測的活動，如貼瓷磚、砌磚、焊接和線軸製造、拆卸和混凝土回收。

成功實施這些方法的公司不得不極大程度地改變其內部計劃、設計、採購和施工過程。他們還需要投資於自動化和有效的供應鏈後盾，以確保從工廠到現場的材料得到順利和準時運輸。最後，決定垂直整合供應鏈的公司將需要制定與製造業相關的投資計劃。

三、行動建議

考慮到建築業在創新和採用新技術、工具和方法方面不那麼好的歷史，業主和承包商需要採用一種新的思維方式。業主們通常認爲，在簽訂合同時，他們的責任就會結束，而忘記了他們支付的經濟成本的延遲。對他們來說，承包商通常只做到最低要求，以滿足合同條款，從而在談判桌上留下大量的價值。爲了讓這個行業做得更好，需要接受四個原則：

•合同的透明度和風險分擔。習慣很難改變，一種習慣是把合同視爲一種規避風險的機會。相反，合同需要被視爲一種工具，允許公平分擔風險、分享回報，並幫助雙方取得成功。如果合同明確規定了責任，並允許業主和承包商公平地分享技術和工藝創新所帶來的好處，這種成功將會發生。

例如，在希斯羅機場5號航站樓的建設中，機場方面因爲有全面保險政策的保護，爲項目開發商承擔了所有的風險。在項目建設中，機場沒有傳統的客戶-承包商關係，而是像團隊成員一樣對待不同的合作伙伴。機場邀請他們一起工作，來解決複雜的問題，並找到最適合整個項目的技術解決方案。這使得所有各方都能專注於保持項目的正常運行。

•投資回報取向。衡量和交流新技術將如何改變建築業——例如，通過對成本、進度和風險優化的積極影響——是一種最可靠的方法。一家石油和天然氣公司正是通過評估、討論與生產率相關的成本節省問題，從而決定爲其深海平臺部署了一種先進的分析和可視化解決方案。

•設計新方案的簡單性和直覺性。在前端，用戶界面需要做到“第一印象良好”，從而促進使用。在後臺，與現有的企業解決方案相匹配的構建，減輕了在升級現有平臺上更多花費的需要。

•變更管理。組織需要一個清晰的變更管理故事；高層管理者需要溝通爲什麼這些變更是重要的，以及這些變更對組織結構、能力和資源的意義。不投資於變更管理的組織將面臨在以前的技術部署浪潮中遇到的同樣的阻力，並且更有可能失敗。

所有主要的利益相關者都有責任過渡到數字技術和創新，而每個人的要求各不相同。

業主和開發商需要授權和評估。這首先需要在合同中採用數字技術，或者在設定項目預算時將數字化和技術的成本計算在內。爲了管理風險，業主應與承包商共同投資新技術的試用，並按比例分享獎勵。我們的經驗表明，大型項目往往不是大型技術部署的最佳選擇；相反，從小型項目開始，開發中型項目的能力可以建立信心。此外，業主應該通過他們的項目來衡量和獎勵新技術的採用。

對工程和建築承包商來說，重新想象和改變行動是必要的。要做到這一點，他們需要開發數字路線圖，以識別明顯的不會後悔的舉措，以及風險更高、更大的賭注。組織資源需要通過任命一名首席技術官或首席創新官來重新分配，其任務是大膽地思考數字議程，並領導內部流程的簡化和數字化。

企業也應該考慮對外收購或與科技公司合作。當然，確保項目團隊擁有試驗新技術所需的預算和權限是非常重要的。鍛鍊項目經理的能力是很重要的，這樣他們就能熟練地使用數字技術了。

行業主體和監管機構應該投資並創造激勵。他們可以發揮有益的作用，例如，與承包商、業主和技術人員合作，爲新興技術制定新標準，開發試點項目，並展示成功案例。他們可以通過撥款、獎金或補貼形式，推動業主和承包商使用數字解決方案，並幫助他們教育和培訓下一代。

他們還可以鼓勵在公共項目中採用數字技術，例如5D BIM，以及設置預製構件生產等規範。在投資方面，一些機構已經建立了風險投資基金，以幫助最好的初創企業擴大規模，並將它們與開發商和承包商聯繫起來。

其他行業的實踐已經表明，先行者可以建立可持續的競爭優勢。在建築業，這也可能是事實。在未來的十年裏，這些明天的贏家將在技術創新和數字化方面領先。

抵制變革不再是一種選擇。