当前,装配式建筑的大力推广要求建筑业逐步过渡到以装配式技术为基础的大工业生产方式,实现劳动密集型向技术密集型转变。在此过程中,亟需与装配式建筑特性相匹配的新设备、新材料、新技术、新方案等的开发和应用。然而,目前中国装配式建筑技术水平大幅落后于德国、日本等国家,特别在技术体系的构建、配套部品部件的研发、智能装配等方面差距明显。因此,了解和把握我国装配式建筑“卡脖子”技术的特征和趋势,既有利于工程实践中解决技术难题,也可以为相关方的技术创新提供参考。

已发布的专利文件以系统的方式存储了大量关于装配式建筑技术的完备信息。通过专利搜索,获得该领域宏观和微观两方面的基础数据,可以解决长远战略和当前方案两个层面的问题。据此,通过对相关专利数据进行持续性的跟踪,应用数据挖掘工具进行技术量化分析成为探索装配式建筑技术的系统而有效途径。现阶段,建筑专利在整个专利数据库中的地位并不显著,装配式建筑专利相关研究也处于初级阶段,有关建筑专利特别是装配式建筑专利的分析及应用并不多见;而且,既有研究也以态势分析为主,缺乏针对工程实践中的技术难题的系统解决方案,也缺少直接面向装配式建筑技术功能的整体分析。

在此背景下,本文运用语义分析方法对2001-2018年这17年间的中国装配式建筑相关专利进行量化分析及创新趋势研究。首先,阐释专利数据选择的范围和依据;其次,基于国家技术标准,构建各技术类别的专利库;随后,分别提取并系统分析装配式建筑各类别专利技术的核心功能;最后,基于时间矩阵热力图,找到中国装配式建筑的技术发展趋势。

中国建筑行业相关专利包括发明、实用新型和外观设计三类。作为应用性强的技术,建筑技术方案可以申请为发明和实用新型这两类专利。但是,实用新型专利的新颖性、创造性一般低于发明专利;并且,实用新型专利只能保护形状、构造方面,不能保护施工方法、建筑材料等。无论从技术创新程度还是从保护范围来讲,发明专利都更具代表性。因此本文选择发明专利。考虑到2000年前后,为了加入世界贸易组织,《中国专利法》进行了重大修改,加入了很多符合国际规范的条款,并于2001年7月1日开始施行。同一时期,《建设工程质量管理条例》、《建设领域推广应用新技术管理规定》等相继出台,为建筑行业技术的规范、创新、保护、推广、应用奠定了基础,指明了方向。据此,本文选择2001年7月1日至2018年6月30日作为专利数据采集时段。

本文运用关键词搜索的方法,以“预制(abstract)”or“装配(abstract)”为检索词汇,在中国发明专利数据库中进行检索,时间设定为2001.7.1-2018.6.30,考虑到现阶段中国装配式建筑技术标准主要集中在“固定建筑物”,本文把“主分类号”设置在E部,共得到12132条专利。固定建筑物的装配式建筑专利有E01、E02、E03、E04、E05、E06、E21七类。其中,E04(建筑物)占比最大(52%),其次是E02(水利工程;15%)和E01(道路、铁路或桥梁;12%),说明中国装配式建筑主要出现在房屋建筑、水利工程、道路、铁路或桥梁工程等领域。详见图1。

根据中国装配式建筑技术标准(GB/T51231/51232/51233-2016),将装配式建筑系统分为主体结构系统、设备管线系统、建筑围护系统、内装系统四个子系统。参照郝际平教授的研究,各系统包含的内容如图2。本文将在此基础上打破传统建筑施工层次,形成具有装配式建筑特色的技术类别。

根据中国装配式建筑技术标准中对各个子系统的内容描述,运用select语句以其核心内容为关键词在E部12132条装配式建筑相关专利的“专利名(Name)”中进行搜索,得到各技术类别的专利库。其数量和比例关系如表1。由表1可知,四个技术类别专利数量占装配式建筑专利(E部)的90%以上,代表性显著;我国装配式建筑技术主要集中在主体结构的钢筋混凝土结构和钢结构;因建筑设备管线的装配相对简单,成熟度高,新的专利占比不到20%;而建筑围护和内装等部品部件的装配技术并没有引起足够重视。

本文采用语义分析方法提取主体结构(a)、设备管线(b)、建筑围护(c)、内装(d)四个技术类别专利信息的技术功能。过程中,为了使分析结果既高效又兼顾特色,本文选择各专利的摘要(Abstract)的首句陈述作为数据来源,提取其“动词”集。过程中,为了从12132条专利记录中提取功能信息,本文采用Python语言在Anaconda3.0平台上进行语义分析。

根据表1的专利分类结果,分别对四个技术类别专利进行技术功能提取。

Step1:分别提取四个类别装配式建筑专利的有效动词。首先,分别读取各类别装配式建筑专利摘要(Abstract)的首句。其次,用jieba分词标记词性,输出它们的“动词”,并按照其词频进行排序。随后,分别提取四个技术类别词频最高的前100个有效动词。最后,用TOP100动词在各技术类别中逆向筛选相关专利,分析有效动词的代表性。结果表明:各技术类别词频最高的前100个有效动词所代表的装配式建筑专利均达到较高比例,四个技术类别的平均水平达到90%以上,代表性良好。

Step2:分别从四个技术类别中整合Top100代表的所有功能,构建装配式建筑功能语料库。首先,汇总四个技术类别词频最高的前100个有效动词,得到141个关键动词。其次,运用Python调用synonyms函数对以上结果进行同义词或近义词检索聚类并命名,分别找到各类别专利可以实现的核心功能及相关动词,将其作为各技术类别专利(abcd)的功能语料库。详见表2。

根据上表可知,12132条装配式建筑专利的核心功能包括“连接、安装集成、拆卸、预处理、支护、稳固、测控、贯通运输、制动、抗震减振、搅拌浇筑、防水防渗、设计布局、防护防治、绿色节能、挂贴、开合、修理修复”等18种。并用Fi来表示,其中i>0且∈N,i∈[1,18]。

以核心功能为横坐标,各技术类别专利的频率为纵坐标,绘制装配式建筑核心技术功能对比图。详见图3。核心功能以其对应的关键动词为检索词。2001年-2018年的装配式建筑发明专利中:

(1)核心技术功能主要集中在连接(F1)、安装集成(F2)、支护(F5)、制动(F9)、开合(F17)、修理修复(F18)、设计布局(F13)等方面,其他功能相对较少。

(2)设备管线(b)中的制动(F9)、测控(F7)、防水防渗(F12)技术表现突出;

(3)内装(d)中开合(F17)技术表现突出。

具体地,以专利平均数为参照,预处理(F4)只在主体结构(a)中显著,主要因为该功能是装配式建筑结构得以实现的基础工作,包括各种结构构件及附属物的预留、预埋、预加工、预安装等;防水防渗(F12)只在设备管线(b)中显著,表明该技术仍是设备管线施工的难点,特别在城市提档、管线入地的要求下,需进一步推动防水防渗技术攻关;而连接(F1)、安装集成(F2)两项功能广泛存在于各类别装配式建筑中,表明它们一直是中国装配式建筑的技术难点,需重点开发。

基于上文的18个核心功能,以中国装配式建筑专利的公开时间为纵坐标,以专利的功能库为横坐标,分别绘制综合时间矩阵热力图和四个技术类别时间矩阵热力图,系统分析它们的基本特征和演化规律,探索中国装配式建筑的技术总趋势和各类别技术趋势。

图4综合反映了中国装配式建筑技术在2001年-2018年17年间的演化过程和发展趋势,其基本特征分析如下:

(1)从2001年-2018年装配式建筑技术发展迅速,专利数量大幅度增加。这与中国建筑工业化发展道路相匹配,从2010年的初步应用,到2013年提出促进建筑产业现代化的要求,再到2016年装配式建筑技术体系和技术标准被制定,发展速度逐步加快。

(2)当前中国装配式建筑的技术热点首先集中在连接(F1)和安装集成(F2)(热力图颜色最深的区域);其次集中在稳固(F6)、防水防渗(F12)、修理修复(F18)等方面(热力图颜色次深的区域)。

(3)绿色节能技术(F15)在装配式建筑中具有较强的后发优势。

通过主体结构(a)、设备管线(b)、建筑围护(c)、内装(d)时间矩阵热力图与图4(综合类)的横向对比,分析四个技术类别(a,b,c,d)的特点及未来发展趋势。详见图5、6、7、8。

由图5与图4的对比可以看出:

(1)F4(预处理)、F8(贯通运输)、F9(制动)、F18(修理修复)技术在主体结构的专利热度高于综合水平。预制、预留、预埋等预处理技术是装配式建筑的基础技术,也是预制结构构件的质量保证;因体积较大,对预制结构构件的运输(特别在市区或长距离情景下)是装配式建筑公认的技术难点;运抵现场后的安装需要灵活高效的制动装置;同时,结构构件装配完成后的复位、修复等技术也是有效的二次保障措施。

(2)F6(稳固)、F12(防水防渗)技术在主体结构的专利热度低于综合水平。早期的装配式钢结构的稳固性能良好,随着装配式混凝土结构的推广,预制钢筋混凝土构件的连接和稳固技术才成为重点,所以稳固(F6)技术相关专利热度在初期低于综合水平,之后趋于一致,是未来中国装配式技术的发展方向;F12(防水防渗)不是主体结构类专利要解决的核心功能,在主体结构类专利中热度低与事实相符。

由图6与图4的对比可以看出:

F10(抗震减振)、F12(防水防渗)技术在设备管线的专利热度高于综合水平,其他功能专利热度与综合水平相近。这反映了设备管线类的装配技术起步较早,现阶段已经发展成熟,特别是在防水防渗、抗震减振等技术上已经达到一定的水平,并仍然是该技术类别未来的方向。

由图7与图4的对比可以看出:

(1)F9(制动)、F16(挂贴)技术在建筑围护的专利热度高于综合水平。装配式建筑中,与外部环境直接接触的围护构件的安装离不开升降、平移等制动装置;装配式外围护需要外挂或外贴防火、保温、防水、隔声、隔热等多种功能材料,带来挂贴相关技术的稳健发展。

(2)F15(绿色节能)技术在建筑围护的专利热度低于综合水平。与预期不符,说明该类技术仍有较大的发展前景,从对外围护多功能高质量聚合发展的要求来看,充分利用自然、注重内外联通和环保因素的绿色节能技术是装配式建筑未来的方向。

由图8与图4的对比可以看出:

(1)F6(稳固)、F12(防水防渗)技术在内装的专利热度显著高于综合水平。它们一直是传统上内装系统发展的重点和难点。

(2)F9(制动)、F14(防护防治)技术在内装的专利热度低于综合水平。之前对体积不大、功能单一的部件的装配和防护并不是内装类专利的重点,但现阶段整体厨房、整体卫生间等部品的装配需要高效的制动装置和成品保护技术,这也是未来中国装配式建筑内装技术的核心。

本文基于专利语义分析方法,从中国2001-2018年的装配式建筑相关专利中准确地提取满足特定功能的技术信息,形成中国装配式建筑技术趋势情报,从而指导相关方的技术创新策略。研究结果表明:

(1)2001-2018年间,主体结构类专利在整个装配式建筑专利中占领先地位;

(2)中国装配式建筑技术功能主要集中在连接、安装集成、支护等方面,且当前技术热点首先聚焦在连接、安装集成,其次聚焦在稳固、防水防渗、修理修复等方面;

(3)在主体结构类技术中,F4(预处理)、F8(贯通运输)、F9(制动)、F18(修理修复)等功能专利热度较高,而主体结构稳固(F6)相关技术可能是未来的重要方向;

(4)在设备管线类技术中,F10(抗震减振)、F12(防水防渗)两项功能专利热度较高;

(5)在建筑围护类技术中,F9(制动)、F16(挂贴)两项技术专利热度较高,而F15(绿色节能)是现在和未来的方向;

(6)在内装类技术中,F6(稳固)、F12(防水防渗)技术的专利热度显著高于综合水平,与整体厨房、整体卫生间等部品装配相关的制动装置(F9)和成品保护技术(F14)成为中国装配式建筑内装系统发展的核心。

综上所述,装配式建筑技术创新应重点关注构件节点连接技术、安装集成技术、结构稳固技术、绿色节能技术、制动和成品保护技术等方面;在面对技术难题时,可考虑在四个类别的专利库中提取功能相同的相关建筑专利,尝试找到相关技术的解决方案。

在研究过程中,也存在一些需要改进的地方:其一,语义分析只提取了前100个关键动词,虽然它们的代表性总体较高,但有可能漏掉一些当前不突出但未来有潜力的功能或技术;其二,趋势研究采用横向对比,更多地反映了各技术类别独立于总体的特点,没有考虑各技术类别之间的关系和相互影响,认识不够全面深刻。后续的研究可能从以下方面完善:在数据来源上,可能需要从国际视角,通过国内外对比开拓技术新思路;进一步探索技术间的关联关系,并结合TRIZ方法验证技术特征和创新趋势的有效性。