[營建知訊轉載]從工業 4.0 看營建業的數位轉型(2022.10)

謝尚賢 國立臺灣大學土木工程學系教授兼 BIM 研究中心主任

營建業導入新技術與新制度 面臨阻力大

根據維基百科，工業 4.0 一詞最早出現在 2011 年的德國，用來宣 告第四次工業革命的來臨，並形成具體計畫，於 2013 年成為德國政 府《高技術戰略 2020》的十大未來專案之一[1]。前三次的工業革命 說明了製造業的重要發展歷程，而工業 4.0 則擘劃了接下來的發展方 向與重點。營建業應可算是特殊的製造業，因為也是符合製造業利用 人與機具、將材料加工製造，生產成可供使用或銷售的產品，只是營 建業的產品，如房屋、橋梁等，生命週期通常很長，也多屬客製而非 工業化的大量生產，且因涉及公共利益與安全，受到政府許多的法規 管制，具有不同於製造業的特殊性。 然而，營建業有許多的材料、半成品及元件成品是從製造業取得， 加上生產製造與系統整合的基本邏輯相似，整體發展自然也受到工業 革命之影響，只是進程較製造業慢上許多，加上營建業從業者的複雜 度與差異度較製造業大很多，因此新技術與新制度的導入所面臨的阻 力與困難也相對大很多。本文先藉由工業革命的進程來看營建業的發 展歷程，再來展望營建業的數位轉型。 

第一次工業革命時代 生產機械化

第一次工業革命（工業 1.0）的時期約在十八世紀中到十九世紀 中，此階段蒸汽動力的發明應用帶動了生產機械化，工廠機械製造取​代手工製造。營建業也受惠於此工業革命所帶來的機械化，施工機械 的應用至今已相當普遍，雖然還是有不少手工製造的部份。尤其是臺 灣過去的技術及工人足夠且成本不高，因此在手工製造部份的比例就 一直維持比許多亞洲國家（例如東南亞國家）高。

工業 2.0 時代 形成工業工程專業領域

第二次工業革命（工業 2.0）的時期約從十九世紀末期到二十世 紀初期，此階段最重要的就是電氣化帶動的一些自動化生產，及生產 線管理所帶動的大量製造。這次工業革命深深地影響世界各個層面的 發展迄今，包括專業分工越來越細，以及大量製造所帶來的消費經濟 等，一直到今天都還難以被翻轉。儘管近年來跨領域整合的必要性顯 而易見，且需求持續增加，而消費經濟帶來的資源浪費與環保問題也 益發受到重視。從管理層面來看，製造業從工業 2.0 時代就開始形成 工業工程（Industrial Engineering）專業領域[2]，綜合應用科學知識、 技能以及工程方法，對生產系統（包括人、物料、資訊、設備等）進 行最佳化設計、診斷改良、與營運管理（包括效能之預測評估與監控， 及品質管理等）。 而營建業一直到二十世紀末才開始形成營建管理專業，整整差了 快 100 年的時間，當然在這段時間中還是有持續引進一些工業工程與 管理的技術，但少了專業領域的系統化知識轉化整理與積累及研究發 展，整體的進步自然較製造業零散且緩慢許多。加上營建業多屬客製 化生產，與製造業的大量生產方式不同，且生產的場域較室內工廠複 雜並難控許多，因此工業工程的技術方法常無法直接適用，自然就更 缺乏導入的動機與動力了。 

工業 3.0 進入 3D 虛擬世界 機器人帶動生產自動化

第三次工業革命（工業 3.0）的時期從二十世紀末期的 70 年代到 二十一世紀的初期，此階段主要的技術發展是在電子與資訊科技上的 重大進展，且此電子化與資訊化的發展迄今仍持續加速中，加上帶動 了材料科技的發展，又讓電子裝置微小化而能持續在計算速度與儲存 容量上持續成長，形成一個正循環，一波波地加速世界的數位轉型。 工業 3.0 除了讓人類社會進入到 3D 幾何空間的虛擬世界，並能逐漸 應用它來模擬所對應的實體世界中的不同情境，以利事先運籌帷幄， 避免錯誤與風險，也在實體世界中的機器人（Robotics）技術領域有 顯著的進展，尤其在自動控制上，讓生產自動化又向前一大步，逐步 實現無人工廠的理想。 營建業在此階段自然也被帶進電子化、資訊化，與自動化之潮流 中，同時間還有營建管理專業領域的建立，促進了許多流程管理上的 改進，並導入了許多資訊管理系統來提升管理效率與品質；但在產品 資訊的管理上，仍是以 2D CAD 圖檔為主，一直到本世紀初才因 BIM 技術之推動發展而逐漸進入到 3D 模型的資訊運用與管理應用，與製 造業之進程相比大約晚了至少 20 年。

工業 4.0 虛實整合 推動智慧化工程應用

工業 4.0 不僅延續工業 3.0 在資訊化與自動化的發展，而且將重 點放在實體世界與虛擬世界的虛實整合（Cyber-physical integration） 應用，以及在此基礎上所發展出來的智慧生產與管理，包括從工業 2.0 的大量生產，提升為可大量客製化（Mass customization）的生產。如 同筆者在《營建知訊》428 期「淺談從 BIM 到智慧城市」[3]及《營建 知訊》457 期「人工智慧熱潮再起 土木工程智慧可期」[4]中所述，近 年來，IoT（Internet of Things）技術的快速發展與普及應用，讓實體​空間與虛擬空間的互動與整合應用逐步實現，人居實體環境中有各式 各樣的感測器，來無時無刻地蒐集及交換人類各項活動的狀態資訊， 加上在虛擬世界中的活動本就可被完整記錄，而這些蒐集來的大數據 （Big Data），便可透過人工智慧（Artificial Intelligence，簡稱 AI）的 深度學習（Deep Learning）能力，來將虛擬世界的運算模擬與分析結 果回饋應用於真實世界中，以主動控制配合管理作為的機動調整，來 提供人居環境更智慧化與自動化之各項生活服務。 而在土木工程應用上，隨著數位轉型在虛實整合應用能力及 AI 技術應用能力上的持續提升，也看到越來越多智慧化的工程應用。此 外，人類實體物質世界與其數位孿生（Digital Twin）世界的整合運用， 也會隨著元宇宙（Metaverse）技術的持續進步，而讓營造業更能在進 行實體物質建造前，於數位孿生環境中設計及實作多個解決方案，並 讓使用者先體驗試用，以進行評估，最後才慎重選定要在實體物質世 界實現的方案[5]。 

營建業須加速數位轉型 跟上綠色工業革命腳步

過去的工業革命多強調生產力的提升，但在此工業 4.0 時代，適 逢全球必須更積極因應氣候變遷的挑戰，而從聯合國的 2030 年永續 發展目標，到全球 2050 淨零溫室氣體排放策略與路徑之提出，人居 環境（Built Environment）邁向「永續」與「淨零」的目標已越來越明 確了。因此，近年來，英國政府提出「綠色工業革命」[6]來以節能減 碳與淨零排放的永續發展目標，引領工業 4.0 的努力。筆者在《營建 知訊》473 期「加速數位轉型 共創永續智慧人居環境」[7]一文中指 出，營建業與人居環境最密切相關，對人居環境的永續發展自然無法 置身事外且責無旁貸，並說明為何營建業的數位轉型扮演了關鍵性的 角色，必須加快腳步。
​製造業經歷多次的工業革命後，在資訊化、自動化與智慧化方面 都已大幅領先營建業，且在進入工業 4.0 以後，透過虛實整合技術與 大量客製化的生產能力，將更有能力可以跨足營建業的各項生產製造 活動，並進行創新與更好的價值創造，甚至翻轉營建業的商業模式。 因此，製造業與營建業的界線將越來越模糊，營建業若不能加速數位 轉型，跟上工業 4.0 與綠色工業革命的腳步，將很有機會被製造業逐 步蠶食鯨吞而成為附屬。

參考文獻 

1. 維基百科（2022），「工業 4.0」。 https://zh.m.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%A5%E6%A5%AD4.0 2. 維基百科（2022），「工業工程學」。 https://zh.m.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%A5%E4%B8%9A%E5% B7%A5%E7%A8%8B%E5%AD%A6 3. 謝尚賢（2018），「淺談從 BIM 到智慧城市」，營建知訊 428 期，第 64-66 頁。 4. 謝尚賢（2021），「人工智慧熱潮再起 土木工程智慧可期」，營建知 訊第 457 期， 第 75-78 頁。 5. 謝尚賢（2021），「淺談元宇宙與土木工程教育」，營建知訊第 467 期，第 92-95 頁。 6. HM Government (2020). “The Ten Point Plan for a Green Industrial Revolution,” The Government of the United Kingdom. 7. 謝尚賢（2022），「加速數位轉型 共創永續智慧人居環境」，營建知 訊第 473 期，第 83-86 頁。

轉載自營建知訊第477期，第66-70頁。