中投研究:引领建筑业数字化BIM软件厚积薄发

2019-08-31 08:43

  :建筑业低下的生产率水平与其社会经济地位不相适应。建筑信息模型(Building Information Modeling,以下简称BIM)融合软件与项目管理两大专业领域,实现建筑项目设计▯▯▯、施工到运营的全生命周期管理▯,更好地解决超支、逾期▯▯▯、节能及生产率低下等问题,已经在北京市行政副中心、美国奥克兰国际机场▯▯▯、悉尼歌剧院改造等一些大型建筑工程项目推广应用▯▯▯。

  BIM全球市场规模近年保持约19%增速,领先企业主要来自美国以及西欧。美国自下而上、市场驱动引领BIM行业发展▯▯▯,英国政府顶层设计卓有成效▯,德国中小软件企业深耕细作,中国BIM软件发展态势良好但关键技术自主水平有待进一步提高▯。

  我们认为▯:(一)BIM将在成就建筑业变革的过程中成就自身,建筑业的巨大体量决定了BIM市场深度,专业多样性决定了市场广度▯▯,本地化特征决定了市场垄断难度,三者叠加共振▯▯,赋予。了BIM行业广阔的发展前景和丰富的创投机会;(二)BIM将在所有影响建筑业数字化转型的新技术中发挥核心作用;(三)5G时代将成为BIM加速推广的关键期▯▯▯;(四)BIM的应用将从设计环节不断向施工、运营在内的等建筑项目全生命周期渗透;(五)BIM软件向云计算转型大势已成;(六) “小而美”的BIM软件企业数量较多▯▯,德、法、英等欧洲国家可作为投资并购重点区域;(七)中国BIM关键技术的安全可控,应通过跨境并购▯▯▯、行业整合、开源协作等多种方式抓紧解决。

  建筑业主要包括房屋建筑、土木工程、基础设施等(见图1),在经济中的地位举足轻重。建筑业的增加值在发达国家占GDP约5%、在发展中国家占GDP约8%▯▯,全球年收入将从约10万亿美元增长至2025年15万亿美元▯。欧美发达国家的存量市场之外,发展中国家的城镇化进程仍在持续,继中国数十年的稳步增长(见图2),印度、越南等国城镇化将为建筑业增长注入新的动能。另一方面,建筑业对就业贡献显著,全球提供超过1亿个岗位▯▯▯,其中在中国提供五千多万个[1]。

  长期以来,建筑业的生产率增长缓慢,明显低于整体经济,更远低于同为第二产业的制造业(见图3)。不同地区建筑标准规范的差异性导致了建筑业本地化,建筑项目的定制化要求导致建筑业碎片化,承包商和客户的风险厌恶倾向以及劳动密集型特点使得建筑业对技术创新相对迟钝▯。

  为了更好地解决超支▯▯▯、逾期▯▯、节能及生产率低下等问题,建筑业比较明显的发展方向包括装配式建筑、机器人、新型建筑材料▯、数字化等。数字化有助于改善进度和预算管理,2016年至2025年间全面数字化可为全球非住宅建筑业减少23%~38%成本。[2]与同样具有本地化和碎片化特征的其它传统行业类似,建筑业的数字化步伐相对缓慢(见图4)▯▯▯,但随着政策出台▯▯、标准制定和行业共识深化,建筑业的数字化转型有望提速▯▯▯。

  BIM(建筑信息模型)的定义是▯“利用楼房、路桥、工厂等建筑资产可共享的数字化表达▯▯,促进设计▯▯、建造;和运营流程▯▯,为决策提供可靠基础” [3]。我们认为,本质上,BIM融合了计算机辅助设计(CAD)和现代项目管理两大专业领域知识,推动建筑业信息化,具体而言:

  一是通过CAD软件技术推广电子图纸▯▯、三维模型、仿真及其它数字化表达方式在建筑业的应用▯▯▯,提高各参与方及不同岗位的数据共享和协作▯。从历史沿革看▯▯▯,CAD从平面制图逐步进化到三维建模,满足了建筑业最基本的设计自动化需求,形成了建筑实体的数字化表达▯▯,是BIM的先导和必要条件,因此不少主流CAD软件厂商的BIM产品同样大获成功。

  二是通过现代项目管理方法对建筑项目进行立项、设计(测绘、制图▯▯、建模、仿真、分析)、招投标▯▯▯、建造(生产▯▯、施工、监理、物流配送)▯▯▯、验收交付、运营(维护、翻新、退出)的全生命周期管理,特别是成本管理和进度管理,因此把成本▯▯、进度和三维设计并称为BIM五维模型,有时还把管理运营、能源可持续性作为第六▯▯、七个维度——这些更多的维度着眼于管理、协作和责任。多维度的BIM模型统称为集成BIM(integrated BIM,简称iBIM)。

  所有新技术中▯▯▯,BIM被认为是对建筑业最可能也是影响最大的(见图6)。BIM在各种建筑新技术中处于中心地位,比如通过参数化三维模型结合机器人和3D打印技术为路桥工程提供支持,或者以更便捷有效的信息交互使得先进项目管理和早期规划成为可能▯▯▯。BIM贯穿建筑项目的全生命周期:设计阶段,集成激光扫描数据,存储分析数据▯▯,为仿真和快速原型提供模型输入,为绩效分析提供数据;施工阶段,与项目管理、场地监测工具交换数据▯▯,为预制件、增量式制造和自动化设备提供模型输入▯▯▯;运营阶段,作为虚拟!交付、预测性维修▯▯▯,的平台,为设施和资产管理系统提供数据存储▯,并为翻修和退出提供建筑信息支撑。相比之下,其他新技术的影响范围、深度或者可行性存在一些限制或挑战,例如预制件对装配式建筑至。关重要▯▯,但受质量、个性化、运输等问题?影响商业化推广和效益▯▯;无人机和3D激光扫描可以实现工程测绘自动化并且已投入应用▯,但主要局限在特定场景▯▯,从全产业链看辐射效应有限。

  全球建筑软件市场规模预计从2015年48亿欧元增长至2021年99亿欧元,年复合增长率11%,其中欧美合计占全球市场规模约四分之三,而亚太地区增速略逊(见图7)。具体到BIM市场,其全球规模将从2014年27亿美元增长至2022年115亿美元▯,年复合增长率19.1%(见图8)。

  BIM从行业划分上主要属于建筑类应用软件业,按对应的专业需求可细分为制图、建模、结构▯、机电▯、暖通、算量▯▯、造价、能耗、环境、可视化▯、测绘、运维▯▯、等诸多类型(典型产品见表1)。其中,最核心的是CAD制图和建模软件,最能反映管理协作特点的软件为BIM集成与项目管理类软件。Autodesk等国际领先的BIM公▯▯。司产品线齐全,不但包括各种专业应用▯▯▯,往往还提供BIM集成套装作为完整的解决方案▯▯▯;另一方面,需求多样性也为后来者提供了一席之地,国内BIM公司通过深耕一些细分专业并辅以本地化优势▯▯,在国内市场占据了一定份额。此外,BIM咨询和培训也有一定发展。

  BIM领先企业主要来自美国以及西欧,如美国Autodesk、Bentley System、s、Trimble▯,德国Nemetschek集团,法国达索系统公司等(同类公司主要指标对比见表2))。近年来,BIM头部企业不断巩固已有优势▯▯,通过并购中小企业持续扩张▯▯▯,并购标的分布在从细分领域的制图建模到项目管理、系统集成、数据交换与协作▯▯▯、云服务等▯▯▯,为智慧城市、物联网、大型基建等日益丰富的建筑场景整兵备战。

  美国Autodesk公司基于其全球CAD软件龙头优势建立了以BIM建筑软件产品体系。核心产品AutoCAD和AutoCAD LT(以下合称ACAD)在2019财年占该公司净收入的28%(如果计入包含有这两项产品的套件这个比例会更高),Autodesk的销售战略是将其它产品和服务推向核心产品客户。Autodesk一方面不吝于研发投入以维持技术优势,另一方面通过收购Assemble Systems、PlanGrid、BuildingConnected等公司扩充实力,其建筑业软件产品线是公司最大的净收入来源,占全部净收入40%左右(见图9)。近年,Autodesk公司;加速云计算转型,商业模式从传统的销售许可转换到订阅服务,2019财年来自订阅计划的经常性收入同比增长87%,云转型的成功将进一步巩固该公司的建筑和制造行业软件领袖地位▯▯。

  美国Trimble公司(天宝公司)以GPS、激光及惯性导航定位技术为根基▯,为多个行业提供解决方案,在建筑建模、管理和测绘定位等方面具备一定优势▯▯▯。继2016年从谷歌收购三维建模软件公司Sketchup后▯▯,不断加码建筑业务,2018年分别以12▯▯▯.11亿美元、4▯.86亿美元收购了建筑管理软件公司Viewpoint和e-Builder,目前建筑与基建成为该公司第一大收入来源(见图10)▯,北美和欧洲合计占公司超过80%的收入。

  美国Bentley Systems公司以基础设施建造和管理软件为核心业务,年收入超过7亿美元▯▯▯,2013至2018年复合增长率为7.2%。最近一年,该公司先后收购了数字孪生城市云服务公司Agency 9▯、机器学习与物联网公司AIworx▯、交通标志CAD公司SignCAD▯▯▯、工业交互方案供应商斯洛伐克ACE公司等。

  德国Nemetschek集团是欧洲最大的建筑软件公司,通过多次并购(见图11)囊括了16家子公司(见图12)▯▯,形成了以BIM为导向的较完整建筑软件产品体系,这些子公司均为年收入5百万至1亿欧元的中小企业▯▯▯,也是Nemetschek集团引以为豪并按照“隐形冠军”发展的策略。总部位于慕尼黑的Nemetschek集团全球用户超过500万,2018年营收增长至4.6亿欧元,主要来源为欧洲(占60%)▯▯▯。美洲成为最大的营收增长引擎,从2013年占比11%增长至2018年占比32%。该集团下一步将更多向基建领域渗透▯▯▯。

  法国达索系统公司(Dassault Systèmes)是从达索航空公司剥离出来的工业软件公司▯▯▯,为航空、军事、制造、建筑乃至生命科学等行业提供软件和服务。该公司的三维建模软件CATIA在航空和高端制造行业应用广泛,在建筑业也有应用。2018年软件收入30.8亿欧元,其中欧洲约占44%▯▯▯,亚洲和美洲各占28%。

  按照BIM应用情况、政府监管以及专家意见▯▯,对BIM行业最有影响力的国家和地区中▯,挪威、芬兰、瑞典、丹麦等北欧四国的BIM成熟度全球领先▯▯,北美▯▯▯、英国、澳大利亚、新西兰和新加坡成熟度较高▯,中国▯、日本、印度及其它欧洲大陆国家有待进一步提高(见图13)▯▯。考虑到市场体量和政策代表性,以下主要解读中国、美国、英国、日本的行业政策和标准体系情况▯▯▯。

  中国是体量最大的建筑市场▯▯,在《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》中首次把BIM纳入政策文件,并在《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》中提出了2020年发展目标,在《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》提出了更丰富的发展方向▯▯,建立了《建筑信息模型应用统一标准》等多项国家标准,粤、浙、沪▯▯、京等多地也出台了政策▯▯▯。目前,国内BIM软件的研发和应用活跃,但一方面研发大多为二次开发、受制于人▯,软件产品缺乏国际竞争力▯▯▯,另一方面建筑企业应用水平参差不齐,仅十分之一的企业开始大规模推广BIM▯▯▯,大量中小企业缺乏具备BIM应用能力的人员。从改革开放之初深圳国际贸易大厦项目三天一层楼的▯▯“深圳速度”伊始,中国对建筑项目管理的认识不断提升,特别是1987年云南鲁布革水电站工程,日本大成公司以现代项目管理实现低成本、高质量并提前完工,引发行业反思。国内一些大型建筑企业项目管理水平今非昔比▯▯▯,但从整个行业看▯▯▯,无论是项目层面的工作分解▯▯▯、变更管理▯▯▯、绩效评估还是施工现场的物料与成本控制▯,项目管理水平参差不齐,对BIM的应用推广既是挑战也是机遇▯▯▯。随着人口!红利的消退,劳务成本和用工荒问题浮出水面,倒逼施工企业进一步提高成本和风险控制水平▯▯▯。同时▯▯,对于正在推行的工程总承包(EPC)模式,设计▯▯、采购和施工的风险都转嫁到了总承包方,工程总承包企业进一步提高项目全生命周期管理能力势在必行。

  美国建筑业以自下而上、市场驱动的方式推动BIM行业发展。实践中,由Autodesk、Bentley等世界一流BIM软件公司以及建筑师协会、总承包商协会等行业协会主导推动,形成了内容丰富的多种标准规范。2002年Autodesk抛出BIM现代化解决方案,通过数据库促进建筑信息共享和协作▯。次年,美国总务局(GSA)推出国家3D-4D-BIM计划并发布指导手册,要求2007年大型项目必须应用BIM▯▯▯。同时负责军用和民用建筑项目的美国陆军工程兵团(USACE)在2012年第二版BIM路线图中,将民用BIM路线),还指出并非所有项目都必须应用BIM。尽管美国国家BIM标准已更新至第三版(NBIMS-US v3)▯▯▯,但联邦层面的政策引导或强制性约束总体上比较少;地方政府层面▯▯,威斯康辛州等推出的BIM指导意见或强制要求也在一定程度上促进了行业发展。

  与美国不同,英国注重顶层设计和标准统一,政府通过与行业组织和产学研界密切合作,加速了BIM的应用推广就,并且希望借此增强英国建筑业的竞争力进而对外输出。英国提出的BIM成熟度体系包括4个成熟度等级(见图15)[4] ▯▯:等级0,纸质或电子2D制图作为数据交换的最低水平(unmanaged CAD);等级1,有限协作的2D或3D格式CAD▯▯▯;等级2,更高水平的协作和数据交换,可综合进度、成本等数据以实现4D乃至5D BIM▯▯▯;等级3代表符合IFC/IFD统一数据交换标准的集成BIM(iBIM),具备全寿命周期管理能力。根据《政府建筑业战略2011》(GCS 2011),2016年起英国政府投资的建筑项目强制应用3D BIM,但实际效果不及预期,2020年可能无法如期实现BIM等级2。目前,英国BIM联盟继续推广BIM应用,而英国政府与剑桥大学联合组建的CDBB组织致力于推动BIM等级3,英国政府则在文件GCS 2016-20中强调政府作为业主应提升客户能力并逐渐向BIM等级3过渡。

  日本把2009年视为其▯“BIM元年”▯▯▯,国土交通省于2014年发布相关指引[5]。日本的建筑业发达,项目管理理念先进▯,但对BIM的认识和应用还存在诸多问题。根据日本建筑业联合会2016年对会员企业的调查(见图16)▯▯▯,仅18%的日本建筑企业应用BIM较为全面,而且27%的企业完全没有应用BIM▯▯。尽管日本也有本土BIM软件厂商,Revit、ArchiCAD▯▯▯、Tekla等欧美公司软件仍占据市场主导地位▯▯▯。

  (一)BIM将在成就建筑业变革的过程中成就自身。建筑业的巨大体量决定了BIM市场深度▯▯▯,专业多样性决定了市场广度,本地化特征决定了市场垄断难度,三者叠加共振▯,赋予了BIM行业广阔的发展前景和丰富的创投机会。

  (二)BIM将在所有影响建筑业数字化转型的新技术中发挥核心作用▯▯▯。BIM是软件和项目管理两大专业领域的高度融合,贯穿建筑项目产业链,是建筑业未来发展的数字化核心,政府和市场达成高度共识▯▯▯。

  (三)5G时代将成为BIM加速推广的关键期。从5G普及时间▯、建筑市场规模和BIM软件发展水平这三个方面综合研判:2023年北美地区和中国基本普及5G后,美国的BIM软件建模核心技术仍将确保其在建筑项目设计阶段的垄断地位,但更注重应用和本地化特征显著的施工建造阶段可能进一步分化,中国BIM或受益于AI和无人机等技术优势,通过5G网络切片实现工地数字化▯▯,在勘察▯、施工和管理协作等方面有所突破;欧洲在BIM和绿色建筑等推广应用方面继续输出理念,但晚于中美普及5G可能会在某些方面影响其BIM创新集成。

  (四)BIM的应用将从设计环节、不断向全生命周期渗透。向前渗透到勘察、规划▯▯,向后渗透到施工、运营,其价值随着这种渗透的增长将不再是简单的加法,而是更多体现出乘数效应▯▯。广联达从算量和造价业务起步,2018年整合施工业务▯,力图在施工建造和采购扩大国内市场份额。

  (五)BIM软件向云计算转型大势已成。转型云计算是软件行业的一个大趋势,可以降低销售费用▯▯、改善现金流▯、提高用户渗透率。Autodesk公司提供包括BIM360▯▯、FORMIT▯、INSIGHT等产品在内的A360云解决方案,主要依赖亚马逊的AWS云服务。德国RIB软件公司与微软达成战略合作,为建筑和房地产行业提供基于BIM的MTWO云解决方案。

  (六)“小而美”的BIM软件企业数量较多▯。建筑业的专业众多且本地性较强▯,相应地国外特别是欧洲有不少“小而美”的BIM软件企业,德国Nemetschek集团收购囊括了16家中小BIM软件企业,Autodesk、Trimble等公司也忙于在BIM领域投资并购。广联达2014年以2475万美元收购芬兰Progman公司,获得了机电BIM软件MagiCAD▯▯,但总体上国内BIM公司的跨境并购还相对较少▯▯。德、法▯、英及其它欧洲国家类似中小企业可作为投资并购标的,这些“企业可能具有某些▯▯“隐形冠军”的特征或者至少具备潜力,专精于特定细分领域▯▯,年收入大多几百万到数亿美元不等▯▯▯,具有一定技术优势和较好发展前景。

  (七)BIM投资风险包括但不限于:宏观经济下行和建筑行业周期造成的负面影响;BIM软件转型云计算不及预期▯▯;BIM技术发展或推广应用进展不及预期▯;贸易保护主义损害软件销售渠道甚至影响提供许可或服务▯;并购整合不顺造成客户或人才流失,等等▯▯。

  (八)BIM设计建模等关键技术追赶难度大。我国《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》强调了BIM技术的重要性,提出要▯“增强核心竞争力,实现跨越式发展”▯▯。目前国内BIM发展应用的主要挑战来自于两方面:技术供给侧的原因在于国产软件的核心技术自主水平有待进一步提高▯▯,市场需求侧的原因在于建筑业的现代项目管理水平参差不齐。欧美BIM技?术发展最初从汽车、航空等先进制造业起步并拓展到建筑业,逐步实现从2D、3D CAD的核心技术积累▯▯▯,再到多维BIM的技术积累和商业扩张▯。尽管最近二十年中国软件业整体发展态势良好,但受制于国内制造业水平,BIM软件领域仍需进一步提升自主能力▯▯▯,国内的斯维尔、鲁班、浩辰给排水▯▯▯、鸿业暖通、天正电气▯▯、广厦结构等BIM产品多以二次开发为主▯▯▯。由于很多相关技术往往是建筑业和制造业共用的关键技术▯▯,实现自主可控势在必行,投资者可以从三个方面予以关注:

  l 政策上▯▯▯,国内软件业2019-2020年免征企业所得税、随后三、年减半征收▯,客观上为BIM软件企业创造了良好的税收环境▯▯▯,同时可借助科创板等资本市场改革红利▯,加速孵化核心技术企业;

  l 策略上▯▯▯,当前贸易冲突背景下,跨境并购难以引进建模、渲染▯▯、有限元等核心技术,更多要依靠自主创新▯▯▯,可以为产学研结合开拓方向,为风险投资提供更多标的▯▯▯;

  l 技术上▯▯,积极参与全球开源代码与知识共享有助于实现全球化发展。建模、渲染等领域,OpenCAD▯▯、Blender等众多开源软件尽管较顶级商用软件有差距,但有利于人才培养和生态孕育[6],避免封闭式技术路线] 世界经济论坛(WEF),Shaping the Future of Construction,2016年5月

  [6] 参见中投研究院2019年3月的研报《开源软件崛起:ABC浪潮下的软件行业大变局》

  (本文作者介绍▯▯:中投研究院立足于为中投公司战略和内部投资决策提供独立、客观和前瞻的研究支持▯▯。)

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