先进制造业建筑设计特征探析_钱锋.pdf

134 观点 VIEWPOINT先进制造业建筑设计特征探析A PRELIMINARY STUDY ON THE FEATURES OF ARCHITECTURAL DESIGN IN ADVANCED MANUFACTURING INDUSTRY钱锋 王为仁 钱汇一QianFeng WangWeiren QianHuiyi 收稿日期：202209061 引言以第四次工业革命（“工业4.0”）为代表的先进制造业，作为德国制造业发展的一项重要战略，于2011年被首次提出。此举意为凭借科技创新，依托信息技术、物联网的支持，推进产业转型升级，在新一轮工业革命中占据制造业发展的制高点。1在主要发达国家都在竞相追逐的背景下，党的十九大报告指出：“加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。”这意味着以工业4.0为代表的先进制造业已被列为我国高质量发展的国家战略。工业建筑作为承载先进制造业功能的物质空间，在人类生产和建筑领域中扮演着重要角色，面对时代变革也必然呈现崭新的风貌。2 先进制造业内涵什么是先进制造业？学术界至今还未形成一个清晰、严格的界定。有学者认为，先进制造业强调技术的先进性，是应用信息技术、新能源技术、生物技术、新材料技术等前沿技术的产业。2有学者为先进制造业划定了具体的范围，如张晴云将其确定为六个行业：通用设备制造业，专用设备制造业，交通运输设备制造业，电气机械及器材制造业，通信设备、计算机及其他电子设备制造业，仪器仪表及文化办公制造业。3龚唯平从先进的制造技术、制造模式和市场网络组织的角度出发，将先进制造业解读为一种工业体系。4还有学者将其作为制造业的发展趋势，如黄烨菁认为先进制造业具有制造模式创新、组织方式创新和产业内部服务功能组织方式创新的关键特征。5以上的观点是学者们从不同角度出发，对先进制造业的理解彼此补充，相互联系。综上所述，先进制造业不是现行行业标准下的一类特定产业，而是将互联网技术、材料技术、生物技术、机械技术等高新技术成果应用到设计研发、制造服务等全产业链中，实现优质清洁、高效低耗、智能化、柔性化、生态化制造业的统称。先进制造业的“先进”具有时代性特征。当前语境下，先进制造业大体可分为两类：一是高技术、战略性的新兴产业；二是应用新技术的传统产业（图1）。其中，工业4.0是先进制造业前端的代表。摘要 第四次工业革命将给我国制造业带来前所未有的发展机遇。以信息技术为主导的技术变革推动了当前先进制造业的发展，并给工业建筑设计带来由内而外的变化。本文从服务国家战略和变革生产方式的角度出发，对先进制造业建筑设计特征和趋势进行初探，总结为七点：虚实互鉴，功能重构；空间压缩，潜能释放；人本设计，品牌塑造；生产自动，环境精益；快速建造，多向适应；绿色制造，低碳发展；产城融合，界面友好。关键词 先进制造业；工业建筑；信息技术；生产方式；设计特征Abstract The Fourth Industrial Revolution has brought unprecedented development opportunities to China manufacturing industry.The technical changes which are led by information technology have promoted the development of advanced manufacturing industry,and have changed industrial architecture design from inside to outside.From the perspectives of serving the national strategies and the transformation of production modes,this paper gives a preliminary study on the characteristics and trends of architectural design in the field of advanced manufacturing,and summarizes seven points:mutual reference between reality and virtuality,functional recon-struction;space compression,potential release;human-oriented design,brand building;automatic production,lean environment;rapid construction,multi-dimensional adaptation;green manufacturing,low-carbon develop-ment;city-industry integration,friendly interface.Keywords advanced manufacturing industry;industrial architecture;information technology;production modes;design features3 生产方式变革3.1 前三次工业革命历程及特征第一次工业革命的标志是瓦特改良蒸汽机，使生产方式由手工向机械化转变。在19世纪末的第二次工业革命中，电能替代蒸汽动力，使生产方式向大规模制造转变，并以流水线模式实现了批量化生产。20世纪60年代开启了以半导体、计算机和互联网为代表的第三次工业革命，实现了工业从物质消耗到知识、信息等软资源利用的转变。计算机数控技术控制设备的活动，使工业生产变得更为灵活，在一定程度上满足了市场的个性化需求（表1）。3.2 工业4.0的生产方式变革德国制造业发展战略首次提出，人类社会已经历过三次工业革命，当前正经历新一轮技术革命，即工业4.0。与过去相比，其数字化程度更精深，一体化程度不断提高，数据成了当前驱动生产的主要动力源。6这使得制造业生产方式具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应的特征，7实现了个性化制造，从而占据更大的“尾部”市场（图2）。同时，先进的制造方式在一定程度上能帮助和替代生产者的决策行为。4 先进制造业建筑设计特征我国是制造业大国，但产业发展水平尚处于工业“2.0”和工业“3.0”之间，整体呈现大而不强的状态。自2015年，我国发布了以中国制造2025为代表的一系列文件，标志着以信息技术和制造业深度融合为特征的工业4.0已成为实现高质量发展的国家战略。2020年，我国明确将以碳达峰、碳中和为目标的绿色“双碳”政策列为国家战略。因此，如何减少制造业这一碳排放大户的能耗也成了重大课题，先进制造业建筑设计成为服务于这两大战略的重要工作。笔者结合亲身经历的工程实践和对国内外先进制造业的跟踪研究，对建筑设计特征进行了初步探索。4.1 虚实互鉴，功能重构先进制造业以信息技术为先导，一方面生产产品，另一方面生产各种数据，通过对一系列数据的收集、分析、处理、反馈，部分或全部实现自适应、自决策的生产。虚实互鉴是指随着数据分析和存储能力的增强，实现“人机物环钱 锋 东南大学建筑设计研究院有限公司建筑一院院长、教授级高级建筑师王为仁 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司建筑师钱汇一 东南大学建筑设计研究院有限公司建筑一院高级建筑师CA 2023/01 当代建筑 135境”之间虚拟空间和实体空间的实时联动。虚拟工厂的概念也由此而来，并得益于数字孪生（图3）和虚拟平台（图4）技术的应用：前者根据实体创造出一致的虚体，进行虚实之间的数据反馈与生产计划的优化调度；后者则侧重将上下游产业链的工厂资源虚拟化汇聚，并随时分享给需求者，实现资源的高效分配。在虚拟工厂仿真运营的模式下，信息化系统通过对物流系统和物料信息的掌控，能够实现物流、物料信息互通，实时对作业计划、作业调度、作业过程做出调整。物联网在实体生产和虚拟生产之间的比照与协同，推进了系统的迭代与通过仿真运营及虚实互鉴，减少消耗，将生产能力发挥至极限。随之出现的“黑灯工厂”则实现了生产组织者和生产行为在空间上的分离。其利用物联网将原有资源、生产、人力、土地、市场、流通等若干功能要素进行重新构建，对生产项目选址和规模决策产生了深远的影响。4.2 空间压缩，潜能释放信息技术在实现了工厂内、外数据资源实时互联的同时，也进一步对工业建筑空间的配比产生了影响。首先，影响表现为仓储空间的压缩。一方面智能化系统取代人力形成智能化立体仓库（图7），减少了过去人力运输的通道空间；另一方面通过智能连接实时跟踪生产进度，实现高周转、低库存的效果，压缩了各种材料和货品的储存空间。其次，影响表现为生产空间集约化发展。为满足多样化的产品需求，工厂采用柔性生产模式，使原有的单一生产线彼此配合，交叉使用，形成大型通用空间，如家具生产商索菲亚在湖北省黄冈市建立了国内单一消防分区最大的智能生产厂房（图8），生产线可根据需求灵活调整，极表1 前三次工业革命发展特征第一次工业革命第二次工业革命第三次工业革命时间18世纪60年代19世纪40年代19世纪70年代20世纪初20世纪70年代至今国家英国德国、美国美国革命特征蒸汽革命电气革命计算机革命核心技术蒸汽、水力纺纱机电力、石油信息技术等生产方式机械化单件少量生产批量大规模生产定制大规模生产生产设备人力+机床流水线设备自动化制造系统典型代表19世纪20年代出现的第一列火车福特“T”形车流水线丰田准时化生产产业组织合伙或私人经营垂直式结构集权式复杂组织产业类型由农业向工业社会转变工业取代农业，形成第三产业调整第二产业规模，发展第三产业优化。当前，已有一些生产园区以物流作为总体布局依据，如宝马莱比锡工厂（图5），以园区物流作为项目设计规划的切入点，确保物料在准确的时间送到指定地点，满足企业生产的需要。当互联网技术成功将企业管理、产品生产、售后服务纳入虚拟世界时，工业建筑功能布局也会相应发生转变。例如：宝山基地“五合一”管控中心，实现了对生产全周期的统一管控，各环节可集中呈现，生产现场只需维护和检修人员轮值，原有小规模、分散布局的管理控制室转为大尺度、集中布局的数据管理中心（图6）。先进制造业催生了虚、实工厂的同步建设，先进制造业战略性新兴产业新一代信息技术产业高档数控机床和机器人航空航天装备海洋工程装备及高技术船舶先进轨道交通装备节能与新能源汽车电力装备农机装备新材料生物医药及高性能医疗器械传统升级改造产业食品制造业纺织业医药制造业石油、炼焦、核燃料加工业汽车制造业家具制造业造纸和纸制品业电子设备制造业烟草制造业1 先进制造业类型2 长尾模式下的制造方式3 数字孪生示意图4 虚拟“云”平台示意图5 宝马莱比锡工厂 6 集控中心145623产品种类低高0每种产品产量大规模生产定制化程度大规模定制个性化定制实时 交互 虚拟世界 物理世界物料服务层智能设备控制智能质量管理智能能耗管理智能流程管理仿真模拟处理层信息系统数据存储数据清洗数据分析数据格式转换数据层知识管理经验模型图纸数据采集机器人工136 观点 VIEWPOINT大提高了生产效率。同时，工厂借助计算机智能排产，使生产线布局更为合理，空间更加集约。如生产汽车变速箱的法士特工厂（图9）投入使用的智能生产线，在改善生产模式的同时，提高了智能化程度；线上工作人员从17人减至7人，占地面积减少近30%。另外，工业上楼的发展趋势，使工厂布局由原有水平向转为垂直向，提高了土地利用率。例如：东莞市松湖智谷产业园（图10），已有百余家企业签订了入驻协议，形成了以信息智能化、新材料为业态主体的高层产业集群。最后，信息技术的应用还使得企业不同部门间的联系更为紧密，建筑布局也因此趋于集中。如武汉市华星光电显示面板生产线项目，采用了集中式的空间体量，对生产、服务、办公等不同类型的功能进行整合，并根据需求调整功能，空间开