人工智能視角下智能建造發展趨勢與研究探索

王昕

(江蘇建筑職業技術學院 信電工程學院,江蘇 徐州 221116 )

近些年,信息化建筑理念逐漸被重視,建筑信息模型(building information model, BIM)的優勢也不斷被認可。隨著工程應用不斷拓展和深入,應用范圍擴展到工程建設項目的深化設計、虛擬施工、運維管理及全生命周期,應用領域從傳統建筑業拓寬到管線綜合、城市軌道交通等城市基礎建設領域。雖然BIM從技術上解決了建筑全生命周期內的信息共享和交換,但其在國內的普及度不高。這是由于建筑涉及的信息范圍廣泛,空間結構復雜,專業性強,而以多維度、多功能及多用途的計算機可視化圖形表現的BIM模型數據量大、數據結構復雜、數據難以組織和管理,從而給計算機圖形處理能力帶來嚴峻的考驗,對計算機的顯示分析、存儲計算和數據傳輸等會造成極大挑戰,對人員素質要求高,使用和維護煩瑣,不使用專業軟件的項目參與方將無法及時地共享和交互相應的數據信息,更加無法實現大空間范圍內的數據同步與共享.在移動互聯網普及的當今時代,用戶在移動網絡環境下以快速便捷、在線可視的“輕量化”方式展現BIM模型、使用BIM數據、解除對專業軟件的依賴已成為BIM技術當下研究的一個熱點。

1 研究熱點及現狀

在Web of Science數據庫的檢索BIM等相關詞匯,以 Cite space 軟件中的“Keyword”作為圖譜分析節點,得到這一領域的研究熱點,如圖1 所示。其中幾篇經典文獻包括：Succar B[1]確定了針對BIM實施框架的一些相關概念( 領域、階段、步驟),并建立知識可視化模型表示BIM在建筑、工程、建設、運營領域的概念及其之間的關系,對行業利益相關者運用BIM具有指導意義。Tang PB等[2]總結各國先進的自動建模方法,基于土木工程和計算機科學技術對其算法進行深入研究,將建模過程分為幾何建模、對象識別和對象關系建模三個階段,并總結BIM建模過程中可能存在的問題,在BIM建模方面具有一定的研究基礎。Vanlande等[3]總結5種BIM模型的數據存儲及交換方法,并創新性地開發Active 3D協作平臺,在BIM數據儲存和交換方面提供新思路和新方法,解決BIM 應用過程中不同階段、不同軟件之間存在的信息壁壘問題。Gu N等[4]提出需要同時考慮技術工具因素和非技術策略因素促進BIM在建筑行業的發展,并構建“BIM 決策協作框架”集成多學科操作模式,從而達到協同工作的目的。Eastman C M等[5]認為IFC標準并不能完全實現完整的建筑信息模型之間的互操作性,并定義信息交付手冊 (IDM),能夠捕獲精準的信息并實現交換。Jung Y等[6]提出實際項目的BIM應用框架,從三維空間和六個類別處理 BIM 理論和實踐中的變量,為BIM領域應用前景評估和驅動因素識別提供依據,如圖1所示。

圖1 BIM近幾年研究熱點

2 下一代BIM技術內涵

BIM是一種理念,旨在服務整個建筑行業全生命周期,需要各個行業人員參與進行多學科融合。

2.1 BIM 2.0助傳統行業搶占制高點

目前國家主要職能部門均開始推行數字經濟與實體經濟的深度融合,在這一導向下,諸多傳統行業(如建筑行業)想要搶占未來產業的制高點就需要推進數字化轉型和智能化改造,而轉型最好的切合點就在信息技術領域,也即“數轉智改”。

2.2 BIM 2.0也是信息專業的契機

目前是互聯網信息技術高速發展的時代,但是對深度內卷的信息行業而言,真正的契機卻是在傳統行業。以高校為例,非信息類院校的信息類專業真正的春天在于如何和傳統行業深度融合。這是因為非信息類院校的信息專業無論在師資、生源、硬件及政策上都被邊緣化,必須要與傳統行業掛鉤。正如傳統行業需要信息專業助力騰飛一樣,信息行業也需要一個契合點,開辟一個全新的賽道。

2.3 BIM 2.0是行業發展的多樣化需求

以江蘇建筑職業技術學院為例,其中與建筑類相關的9個二級學院還在應用傳統的BIM模式,亟須與信電工程學院進行深度合作。而在能夠與信息化、智能化相結合的幾個二級學院專業中,建筑智能學院雖然涵蓋智能家居、智能建筑、數字化社區、BIM等系統設計和施工領域,但是主要集中在設備的維護使用、數據的采集和傳輸方面,在系統性、模塊化開發設計、頂層設計和云計算、大數據以及人工智能領域結合方面有所欠缺,可以與信電工程學院形成行業服務優勢互補。

2.4 BIM 2.0助力行、企、校做好頂層設計

BIM+本身的內涵并沒有太多區別,只是彼此間的側重點略有不同。從設備、裝置、開關等基礎設施和組成部件的角度來看,應用領域是BIM+物聯網;從數據的存儲與展示角度來看,應用領域是BIM+大數據;從分布式計算和并行計算的角度來看,應用領域是BIM+云計算;從智能化算法的角度來看,應用領域是BIM+人工智能;從新模式、新業態的宏觀角度來看,應用領域是BIM+互聯網。弱化信息技術概念,強調行業屬性,做好頂層設計,是下一代BIM2.0的核心思想。

3 人工智能視角下BIM 2.0探索

從傳統BIM的角度來看,建筑信息化被分為BIM的設計、施工、運維和拆除四個階段或方向,圍繞這四個階段以人工智能的視角展開討論,逐步完善并形成BIM 2.0模式,如圖2所示。

圖2 智能建造發展方向

3.1 設計智能化方向

在這方面主要是利用新一代信息技術開展仿真、模擬、虛擬化等工作,大致包括以下幾個研究點：利用人工智能和深度學習技術建立建筑能耗模型,通過模擬建筑能耗進行系統優化并將優化結果融入建筑節能化設計中;利用現實增強AR和虛擬現實VR技術增強可視化設計和人機交互,為建筑專業人員提供便利;利用機器學習算法和模型實現建筑性能的模擬和仿真;利用WebGis技術將地理信息系統和一張圖技術融入建筑設計的管線、水道、網絡設計中;利用Python等工具實現不容軟件、數據、圖紙、文檔之間的接口和格式轉換,突破專業軟件單一化的束縛等。

3.2 施工高效化方向

該方向主要是利用物聯網、大數據和人工智能輔助高效施工,涉及傳感技術、采集技術、傳輸技術等共性技術。以5G環境下的智慧工地為例,智慧工地大致包括人、機、物、環、管五大方面：人員方面,包括利用可穿戴設備實現人員數據的采集;設備方面,主要包括利用物聯網技術實現小型設備如推車、叉車、運料車的定位和管理,利用數字孿生技術和專家決策系統實現建筑工地大型設備如提升設備、吊車等的故障診斷和預知維修,提高效率避免風險;物資方面,可利用RFID技術實現預制件的定位和管理,利用條碼技術實現易耗物資的精細化管理;環境方面,可利用多傳感器技術實現環境數據的采集和監測;管理方面,由于建筑工地是一個復雜的環境,涉及多個系統,因此需要有系統集成、異構網絡傳輸、數據轉化等信息化手段,此外,還需要結合大數據技術在管理層面建立一套工程模擬和預評估系統。

3.3 運維智慧化

建筑的分類多種多樣,其維護的方法、方式和手段都不盡相同,但是其中的信息化技術具有共性。在這里僅探討小區的智慧化運維,大致包括以下幾個方面：利用IoT技術實現建筑設施運維數據的采集,通過數據監測和分析實現運維管理;利用大數據和云計算技術實現建筑設備的健康狀態感知與維護;利用大數據和人工智能技術實現小區能源系統的管理;利用網絡安全技術和人工智能技術實現小區應急管理系統;此外還有建立小區虛擬云,以及利用物聯網技術和可穿戴裝備提升小區的服務能力,保障小區中老人、兒童的人身安全等。

3.4 拆除綠色化

這一階段主要利用VR和AR技術提供可視化的拆除工程模擬,提高工程效率;利用大數據分析技術提供管理層面的工程量評估和價格預算;利用人工智能方法選擇最優的拆除方法,從而保證破壞性最小并減少廢棄物產生。

4 結語

無論是BIM+云計算、BIM+物聯網、BIM+大數據還是BIM+人工智能,都不是推翻現有的BIM 1.0模式重來一遍,而是在現有基礎上將BIM技術和新一代信息化深度融合,利用信息化技術解決傳統行業無法解決的專業難題。BIM 2.0將借助信息學科的力量,在解決行業、專業難題的同時一方面加速形成交叉學科或專業,從而開拓新的市場和研究領域;另一方面,借助傳統行業的平臺與市場導向,開展企業、高校間的聯合協同攻關。