信息与通信技术在建筑行业的综合应用

潘健明 陈祺荣 江幸莲

摘 要：建筑行业作为我国的一大支柱产业，存在着高能耗、高污染、低效益等问题，也面临着诸多时代挑战。以建筑信息模型、虚拟现实、无人机等为代表的一批信息与通信技术，以其潜在的应用价值引起了建筑行业工作者和研究人员的关注。本文首先说明了建筑业数字化转型的重要性和研究意义，然后对建筑行业中重要的信息与通信技术进行了分类和介绍，最后通过案例制作，具体直观地说明了应用信息与通信技术可以有效提高效率。

关键词：建筑业；信息与通信技术；数字化转型

中图分类号：TP399；TU976.2 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）04-0177-04

Comprehensive Application of Information and Communication Technology in

Construction Industry

PAN Jianming，CHEN Qirong，JIANG Xinglian

（Guangdong Jinghong Construction Co.，Ltd.，Yunfu 527400，China）

Abstract：As a major pillar industry in China，the construction industry has many problems，such as high energy consumption，high pollution，low efficiency and so on. It also faces many challenges of the times. A batch of information and communication technologies，such as building information model， virtual reality and UAV have attracted the attention of construction workers and researchers for their potential application value. This paper first explains the importance and research significance of digital transformation of construction industry，then classifies and introduces the important information and communication technologies in construction industry. Finally，through case study，it illustrates concretely and intuitively that the application of information and communication technology can effectively improve efficiency.

Keywords：construction industry；information and communication technology；digital transformation

0 引 言

建筑業在全球和国内生产总值中分别占6%和7%，为其他产业的发展提供基础设施，是重要的支柱产业。同时，建筑产业消耗了大量的社会劳动力和原材料，是最大的原材料消费者之一，建筑施工过程也常会产生较多的环境污染，产生了全球30%的温室气体。随着我国社会的不断发展，城镇化建设的不断推动，节能减排的要求不断提高，人口红利逐渐消退，工程项目日趋大型化和复杂化，建筑业面临着愈来愈多的严峻挑战：截至2016年底，城镇人口数量已达到7.93亿，城镇人口比例从2000年的36.2%上升到2016年的57.3%[1]。2017年初，国务院印发了“十三五”节能减排综合工作方案，将建筑节能列为重点节能领域，推广绿色建筑。人口总抚养比从2010年转降为升，劳动人口从2013年起略微下降[1]。对于劳动密集型的建筑产业，意味着人工费用会不断提高。港珠澳大桥、上海中心大厦等一些大型的复杂建设项目也不断增多，业主对建筑产品的要求也不断提高。

与此同时，建筑信息模型、虚拟现实、3D打印、无人机等一批新兴信息与通信技术（Information and Communi-cations Technology，简称ICT）被引入建筑行业中，并显示出其加强信息交流和提高生产效率的巨大潜力，受到了政府、企业及研究人员的广泛关注。由于建筑产业巨大的体量以及与人类生活密不可分的关系，该产业生产效率的略微提升能带来巨大的社会效益。在外在约束和内在创新因素的共同推动下，建筑业的数字化转型成为了一个重要趋势。

1 信息与通信技术简介

信息与通信技术作为信息技术的扩展词，强调了通信技术、计算机以及相关软、硬件的集成应用在现代人类社会中扮演的重要角色，这类技术使用户具备了获取、存储、传送及处理数据的能力。运用于建筑业中的信息与通信技术，本文按照其功能分为八类：数据平台、交互界面、信息网络、数字化、智能化、自动化、运算力和洞察力。

1.1 数据平台：BIM和GIS

根据美国BIM规范，建筑信息模型（Building Infor-mation Modeling，简称BIM）是建筑物理及功能特性的数字化表达，提供了支持建筑全生命周期决策的信息共享平台[2]。除建筑3D空间数据外，BIM还可以集成进度、资金等其他多维度信息。

地理信息系统（Geography Information System，简称GIS）能够实现大量空间物理信息的收集、存储、管理、可视化及空间分析。目前，GIS技术被广泛应用于城市规划、地质勘测和施工管理，在水坝、公路等大规模工程建设中有较多应用。

BIM和GIS技术都可以作为集成多种数据的信息平台，多种数字技术可以与之集成，在此平台上进行信息管理和分析。区别在于二者针对的对象不同：BIM技术针对建筑或结构，GIS技术针对区域；BIM通常针对城市建设的微观层面，GIS技术则被用于解决建设宏观层面的问题。此外，GIS还被用于地铁、公路和管道等长线工程中。

1.2 交互界面：VR和AR

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），利用计算机创建一个具有视觉、听觉、触觉等多种感知的虚拟或模拟环境。用户可以通过键盘、鼠标、头盔、数据手套等交互设备沉浸到虚拟环境中，并与之进行互动。增强现实（Augmented Reality，简称AR）则可以将现实环境中的某些元素进行加强或弱化，或添加新的元素，再将场景呈现给用户，带来不同于实际环境的体验。

VR和AR都提供了一种全新的、高效且直观的交互界面，使数据变得“可视”、“可听”、“可感”。用户面对的不再是冷冰冰的数据、图表，而是可以通过更为自然和高效的方式获取信息、操作数据。例如，结合BIM和AR技术，传统图纸上的二维线条将被三维模型所代替[3]，如图1所示。显然，这些技术将会使非专业人士对于建筑相关信息有更好的理解，便利了沟通交流。

1.3 信息网络：互联网和物联网

互联网是指通过一系列互联网协议将设备联系连接起来的网络。自上世纪60年代互联网在美国问世后，经过近50年的发展，现在已经与人类日常生活密不可分。“物联网”一词首次于2005年在国际电信联盟的报告中出现。麻省理工学院自动识别技术中心创始人Kevin Ashton给出了物联网的定义：物联网是万物互联的网络，通过运用互联网及包括射频识别技术（RFID）的无线通信技术，实现物体的自动识别、信息交互及持续追踪[4]。

互联网和物联网技术都实现了信息传输的功能。有时物联网也被视作互联网的扩展，虽然物联网采用的信息流通网络并不止于互联网，局域网、私人网络和无线网络也是物联网信息传送的重要途径。此外，物联网中的设备无需时刻保持在线，在没有网络时也可以采集数据，并在设备接入网络时进行上传。将设备接入到互联网中则可以使扩宽设备用于进行分析数据的渠道，从而提高其智能化程度。

1.4 数字化：传感器和三维扫描

3D扫描技术分为接触式和非接触式两类，非接触式扫描又可以分为主动扫描和被动扫描：主动扫描需要额外的能量，如激光投射到被测物体上；被动扫描则仅利用被测物体表面反射的辐射[4]。3D扫描仪通过向被测物体表面投射某种光束并侦测反射光，从而获取其距离信息。摄影测量通过对照片的处理获取几何信息。摄影测量也符合被动测量的定义[5]，因此，本文采用3D扫描技术来涵盖激光扫描及摄影测量技术。

传感器泛指用于记录事件和侦测变形、温度、气压等物理量的电子元件。传感器侦测获得的信息会以电信号或无线电信号的形式传送到计算机处理器中。

由于ICT是基于数据工作的，高效且便利的数据获取方式对于充分发挥ICT的潜力具有重大意义。相比于传统的人工测量、记录、输入数据的方式，3D扫描实现了快速、精确的数据采集和建模，广泛布置的传感器使得收集各种设备和环境中各类信息成为可能。这些技术都具备了将周围物理世界数字化的能力，实现了将物理实体和环境转化为数据的过程，为后续的数据处理铺平了道路。

1.5 智能化：人工智能

人工智能这个词汇首次于1956年在达特茅斯会议提出。它指的是用于模拟、扩展及提高计算机、机器的智能化程度的技术。专家系统和机器学习即是人工智能技术的重要分支。专家系统是集聚了某领域大量专业知识与经验的程序系统，可以模拟人类专家的决策过程，解决复杂问题。机器学习则是计算机用于获取知识的基本方法。机器学习算法以大量数据作为训练集，在数据中学习如何完成特定任务。

随着包括机器学习在内的人工智能技术的发展，在建筑过程中，基于计算机的机器和软件、流程都可以被智能化，可以很大程度上实现生产效率及客户体验的提升。

1.6 自动化：机器人

在建筑施工过程中，机器人可以取代大量的人工操作。备受关注的3D打印机和无人机即是建筑机器人的重要分支。

通过将无人机技术与激光扫描技术、摄影测量技术进行结合，地形测绘的机动性可以得到极大的提高。目前，无人机测绘技术已被应用于工程测量和施工监测过程中。此外，无人机作为飞行机器人，突破了人类施工作业的局限，一些学者对无人机在建筑装配中的应用进行了探讨[6]。无人机飞行装配试验如图2所示。

在设计阶段，3D打印技术可以用于迅速打印建筑的整体或局部模型，使建筑方案设计过程中各方的沟通交流更为直观高效。在施工阶段，3D打印技术一方面可以用于打印建筑整体或细部缩比模型，使施工人员对建筑的细部构造（如孔洞、管道留设等）有直观的认识，便于施工交底，减少返工；另一方面，可以直接将设计模型转化为建筑实体或构件实体，突破了传统的建筑施工方式，展现了提高生产效率和环保性能的巨大潜能。

除了以上提到的广为人知的两种机器人外，多种多样的建筑机器人将在施工行业中发挥重要作用。根据机器人的功能，可以将其分为墙体砌筑机器人、土方清理机器人、焊接机器人等。此外，研究人员也对可穿戴的辅助机器人进行了研究。

1.7 运算力：云计算

作为计算机技术和网络技术融匯衍生而出的新兴技术，云计算使用户能够按需获取计算资源，而不需要购买及更新昂贵的计算硬件。云计算可以将客户端简化成输入端。在设计阶段，通过布置在云端的强大服务器，复杂的计算过程，如大型结构分析、模型渲染等可以迅速地完成，大大提高了工作效率，减少了等待时间。云计算同时使很多原本基于计算机的应用和软件拓展到移动端，如手机或平板电脑，这将为施工现场的数字化应用提供巨大的便利。通过发挥云计算大规模储存数据的能力，种类繁多、数量巨大的项目信息能够储存在云端，使施工现场通过移动端的即时信息访问成为可能。同时，多种多样的信息，如位置、图像、视频、音频等其他形式的信息，可以通过移动设备现场采集后上传到云端，为进一步的信息管理和处理铺平道路。基于云端的数据储存也便利了团队协作。

值得注意的是，云计算的应用并不只限于以上提到的方面，在建筑生命周期中，所有要求大量计算、数据储存及多方协作的阶段，都可以采用这种高效的计算方法和存储方式。

1.8 洞察力：大数据分析

大数据指的是传统分析工具无法进行管理和处理的大型数据集合。大数据通常具有以下一些特点：大数据涉及视频、图片、位置等各类数据，数据体量大、种类多；快速的数据获取速度也要求与之匹配的数据处理速度；有价值信息的提取来源于海量的数据，需要依托强大的分析算法，数据价值密度低。

大数据分析的运用能够使建筑企业从建筑生产过程中积累的巨量数据集中挖掘出有价值的指标和数据相关关系，从而帮助项目参与者在建筑规划、设计、施工、运营过程中制定合理科学的方案。通过发现异常数据，大数据分析可以实现高效的风险监测和识别、发现潜在的优化空间。从全行业的角度，大数据分析也可以为行业管理者在标准制定中提供新的见解。

2 新兴信息与通信技术操作案例

2.1 基于点云的逆向建模

三维扫描和逆向工程提供了一种高效准确的实景复制方式，可以对建筑的实际状况进行快速的测绘和保存。这项技术已经广泛用于国内的古建筑测绘和修缮中。本例以通过Faro三维扫描仪获取的一榀岭南木建筑梁架的点云数据，利用Revit进行逆向建模。本例中逆向建模的流程如下：（1）在点云处理软件Faro Scene中进行点云的处理，转化成Revit可以链接的E57等格式；（2）根据点云在Revit中绘制轴线和标高；（3）创建参数化的构件族；（4）根据点云数据拟合构件。

首先将扫描获得的点云数据导入Faro Scene软件中，进行配准和拼接等过程，如图3所示。在Scene软件中可以对点云进行修剪，并利用几何体进行点云的拟合建模或对导入模型进行校核。此外，点云数据可以转化成三角网模型，从而进行进一步编辑。

然后，将点云数据链接到Revit软件中进行逆向建模。由于Revit中内置的构件主要是混凝土结构和钢结构等，缺乏古代木结构构件，因此需要事先建立相关的参数化构件族，如瓜柱、横梁等。建模过程中，使用剖切框及不同视图对局部尺寸进行查看、拟合，调整构件的尺寸。

2.2 基于网络端的AR展示

前文中已经提到AR在模型展示、便利沟通中存在巨大的潜力。普通的AR展示一般需要下载、安装特定的软件或手机应用，而将AR与互联网结合起来，在查看AR应用时只需要输入网址而不需下载相应的软件，这使得移动端的AR展示成为可能，其应用更容易得到推广。

本案例的实现主要基于three.js库和js-aruco：前者具有在网页上进行三维模型展示的功能，后者具有识别标识码的功能。AR展示的总体步骤如下：（1）利用navigator.getUserMedia（）等获取视频流；（2）利用js-aruco在视频流中识别标识码；（3）将虚拟物体叠加在识别码上；（4）显示最终结果。

3 结 论

本文以建筑业数字化为主题，首先介绍了数字化转型的时代背景，然后对建筑业中重要的8类信息与通信技术进行了介绍，最后完成2个操作案例，直观地展示了数字技术的应用效果，并指出了存在的问题。

从以上的研究中可以得到以下结论：（1）建筑业数字化转型对于提升该行业的效益具有重大意义，是行业发展的必然趋势；（2）各项信息与通信技术各具功能，但并非相互孤立，各项技术的综合应用将不断提高整体系统的工作性能；（3）目前国内建筑行业的数字化应用水平仍然较低，未充分发挥其潜力，与国外相关研究、实践相比仍有较大差距。

参考文献：

[1] 国家统计局.中国统计年鉴 [J].北京：中国统计出版社，2016.

[2] NBIMS，National Building Information Modeling Standard ersion 1-Part 1：Overview，principles，and methodologies [S]. Washington，DC.：National Institute of Building Science，2007.

[3] Wang X，Truijens M，Hou L，et al. Integrating Augmented Reality with Building Information Modeling：Onsite construction process controlling for liquefied natural gas industry [J]. Automation in Construction，2014，40（3）：96-105.

[4] 周翔，何明，夏利鋒.物联网与工程机械 [M].北京：电子工业出版社，2012.

[5] 赵昕，马智亮，张建平，等.中国建筑施工行业信息化发展报告（2015）：BIM深度应用与发展 [M].北京：中国城市出版社，2015.

[6] 于军琪，曹建福，雷小康.建筑机器人研究现状与展望 [J].自动化博览，2016（8）：68-75.

作者简介：潘健明（1987.02-），男，汉族，广东韶关人，设计经理，中级工程师，硕士研究生，研究方向：建筑施工技术。