数字化转型背景下建筑智慧化设计的机遇和挑战

文／丘家琪 美国雪城大学 硕 士

美国SMITHGROUP 建筑事务所 二级建筑师

深圳投资控股集团、深圳智慧城市科技发展集团相关课题组 研究成员

引言

随着经济社会发展特别是城镇化的持续推进，包括建筑业在内的诸多行业在稳定增长的同时，都面临着人力成本上升和劳动力不足的困境。传统的粗放式发展模式已难以支撑行业的可持续发展。工业化、信息化以及相关技术的迅猛发展，为建筑行业提供了新的发展契机[1]。以智能化和数字化为着眼点，以建筑业高质量、高效率、低成本发展为目标，可实现建筑行业的精细化、绿色低碳和可持续发展[2]。

建筑数字化和信息化的相关研究和工程实践，已成为本行业的研究或关注热点发，分别通过中国知网（中文）和Web of Science（英文）学术资源平台，并以建筑（Building）和（或）智慧化（Intelligent）、数字化（Digital）或数字孪生（Digital Twin）、建筑信息模型（BIM）、物联网（Internet of Things）等为关键词进行检索，近20 年来相关中英文期刊论文高达数千篇，其中知网近5 年来高度关联的相关论文约为1200篇，相关研究引证如图1 所示。

图1 建筑智慧化相关科技论文引证图（图片来源：作者自绘）

具体而言，建筑智慧化设计是实现建筑领域智慧化发展的基础，更是建设智慧城市的核心要素。广义的智慧建筑须实现建造和运维管理全过程的智能化，包括智慧化设计、智慧化施工、智慧化运营、智慧化拆除以及与智慧城市互联互通或相互融合，并助力行业乃至全社会的绿色低碳与可持续发展目标，如2020 年国家制定的“双碳目标”战略[3,4]。作为智慧建筑的首要环节，智慧化设计对实现建筑全生命周期智慧化和构建智慧城市有着基石的作用[5]。而目前对建筑智慧化设计的理论分析和工程实践的相关研究较少。

综上，本文首先探讨建筑智慧化设计的含义、主体内容和重要意义。其次将梳理国内外智慧化设计技术的发展动态，总结其面临的关键问题，进而通过加强建筑智慧化设计促进建筑行业数字化转型和可持续发展，分别从政策层面、行业层面和工程项目层面，提出了相应的建议。

1 建筑智慧化设计

1.1 建筑智慧化设计的含义

本文所讨论的建筑智慧化设计，是指基于智慧、绿色理念，以信息网络技术驱动的设计数字化，实现以设计定义的工程项目全生命周期各环节信息高度集成和共享，打造建筑的数字孪生体，并可融入智慧城市的建设。换言之，建筑的智慧化设计是智慧城市建设系统解决方案的前置条件或关键技术。

1.2 建筑智慧化设计的主体内容

建筑智慧化设计包括对环境的模拟仿真、设计方案的比选、成本预算的控制、多专业协同等方面[6]。根据不同的设计阶段，具体的智慧化设计内容如下：概念设计阶段，主要利用智慧化技术进行可行性研究，如场地环境模拟仿真；草图设计阶段，主要利用智慧化技术进行多方案比选，即通过使用智慧化技术手段，调整设计参数，对比分析不同方案之间的优缺点；初步设计阶段，主要使用软件对建筑的各种环境进行分析和优化，尤其是声环境、光环境，最后确定适合于项目的环境状态；施工图设计阶段，使用多专业协同软件进行碰撞检查、形成3D 施工图等[7]。

1.3 建筑智慧化设计的重要意义

早在2006 年，吴志强院士针对IBM 提出的“SMART PLANET”和世博会主题“城市，让生活更美好”，提出了“智慧城市”的概念，指出城市的智慧化是一个必然的过程：一个让城市越来越好的过程[8]。作为智慧城市的重要组织，建筑业，特别是建筑设计业需要随之快速发展，特别是随着信息化、数字化相关理论和技术的进步和解决工程实际问题能力的提升，建筑智慧化设计势在必行，且需要不断迭代演进，也需要与“本原设计”思想相互融合[9]。

建筑的智慧化设计，尽管从狭义上来看仅仅是提高了项目整体的综合效益，如降低成本、提高效率并提高工程质量，但从广义上来看其对智慧城市的发展有着巨大的推动作用[10]。如图2 所示，在实现建筑智慧化设计后，建筑有望实现绿色低碳、健康舒适和智能化，在互联网、物联网和数字化技术的支撑下，建筑具有智能感知的能力。通过结合大数据技术（物联网、区块链等技术），实时对建筑数据进行采集和传输，进而打造数字孪生信息化平台，整个过程中相关利益方可以实时沟通和管控[11]。建筑单元或社区、城区作为智慧城市的核心模块，在实现智慧化以后，与城市交通系统、城市通信系统以及城市水电燃气等系统进行全面的结合，最终可实现智慧城市的建设。

图2 建筑智慧化与智慧城市（图片来源：作者自绘）

2 国内外建筑智慧化设计技术发展动态

BIM 技术快速发展促使建筑智慧化设计成为可能。建筑信息模型的核心优势是对工程项目的数字化建模和可视化展示[12]。BIM 概念起源于1975 年，最早由美国佐治亚理工学院的查克·伊士曼博士（Chuck Eastman,被誉为BIM 之父）率先提出，采用三维技术实现建筑工程的可视化分析和量化分析[13]。美国是最早启动建筑信息化研究应用的国家，在2003 年实施的BIM 应用项目（3D-4D-BIM），从全生命周期的角度来探索BIM 的应用，包括土地空间规划、进度管理及建筑设备能耗分析等。新加坡早期也启动一个名为CORENET（Construction and Real Estate Network）的IT 项目，实现项目参与方信息高度共享，同时使用自动化程序对建筑设计成果进行数字化审查。BIM 技术在英国被建筑业广泛采用，并纳入相应的法律法规，目前基本实现三维BIM 的应用。韩国政府通过协同相关部门，制定了BIM 的标准体系，使得其在发展过程中处于领先地位。日本成立软件联盟，运用国产化的BIM系列软件，配套相应的BIM 应用指南，为设计院和施工企业提供了必要基础。

我国的建筑智慧化设计同样源于BIM 技术，其起步相对较晚，总体而言尚处在培育期和跟跑阶段。近年来国家行业主管部门连续出台政策，鼓励支持BIM 技术和其他建筑信息化和智慧化技术的应用与发展，并呈现迅猛增长态势。但从应用或推广的成效来看，由于管理机制的不完善和相关专业人才的不足，目前智慧化设计和应用的相关技术的普及率还是不高，且相关理论和技术的应用更多局限于工程量计算等独立环节，施工企业应用较少，没能充分发挥BIM 作为数据交互集成平台的功能作用，因此其对行业或智慧城市的构建作用十分有限。此外，BIM 等智慧化设计相关软件和技术以国外为主，国产化的软件或软件开发与应用仍处于起步阶段，构建以国产软件或技术为基础的智慧化面临重大挑战，但前景十分广阔[13,14]。国内外建筑智慧化设计应用部分经典案例如表1 所示。

表1 国内外建筑智慧化设计经典案例（表格来源：作者自制）

3 数字化转型背景下建筑智慧化设计面临的关键问题分析

近1 年来，我国在“十四五”规划和“2035年远景目标纲要”，都明确对建设数字中国作了相关的部署，势必会进一步促进生产和生活领域的重大变革。在数字化转型的时代背景下，建筑智慧化设计作为建设领域以数据要素驱动的关键技术，在服务智慧城市建设和新型建筑工业化发展中必将迎来重大历史机遇，与此同时，其自身技术提升，解决实际问题的能力也将面临新的挑战。

3.1 提升技术系统功能

信息技术的提升是智慧化设计的关键。现阶段，虽然建筑设计相关软件种类较多，但是存在信息交互困难的问题，同时部分智慧化设计软件是逆向设计，浪费了时间和资源，对推动项目没有实质性的作用。要解决上述问题，必须以建筑设计正向导入为基础，不断丰富模型插件工具，进一步规范数字交互协议标准，实现设计、施工、运营等工程项目生命周期信息高度集成和共享。

3.2 服务智慧城市建设

建筑智慧化是实现智慧城市的第一步。在智慧化设计的起步阶段，就要以目标为导向，考虑整个城市系统的互联互通，提前做好布局和规划，加强一体化设计，提高系统解决方案能力，统筹感知层和外网环境数据资源，打造数字孪生体，实现建筑数字资产交付，联通城市信息模型（CIM），构筑智慧城市空间数字底座。要以智能识别、实时传输、动态控制为闭环，打造高度数字化和智慧化的数字孪生平台，为智慧城市建设打好基础，不断提高建筑智慧化是为智慧城市服务的意识，用大局观和发展的眼光来推动建筑智慧化设计。

3.3 助力新型建筑工业化转型

传统的建筑业生产方式已经向工业化生产方式转变。建筑工业化是以绿色发展为理念，以技术进步为支撑，以信息管理为手段，运用工业化的生产方式，将工程项目的全过程形成一体化产业链。建筑领域工业化的显著标志就是装配式建筑的产生。建筑智慧化设计与装配式建筑是紧密联系的，以设计定义装配式建筑模块构件截面，构建不同尺度灵活多样构件模块数据库。创新BIM、GIS、5G、大数据、云边计算、3D 打印、人工智能数字技术融合应用场景，实现规划、设计、现场施工、工业化生产、运营管理等横向到边纵向到底的数据共享和运行协同。

3.4 保障空间数字底座数据安全

大数据时代的来临，为各行业和全社会带来了便利，但同时也产生了诸多风险因素。数据安全一直备受关注，在建筑智慧化设计过程中，必须提前布局和规划。如BIM 系列软件是空间数据重大平台软件，但目前我国使用的BIM 类软件还是以进口为主，亟待提高关键基础软件平台的自主研发能力，结合设计运用，加强国产软件研究开发和测试验证，改善发展生态，加快智慧化设计相关软件和技术的国产化步伐，进而保证空间数字底座数据安全。

4 结论与建议

建筑智慧化设计的发展需要多个层面的支撑和推动。基础研究领域，要以技术进步为核心，与产学研深度融合，加速智慧化技术的进步，包括BIM 技术、3D 打印技术、装配式技术、虚拟现实技术、人工智能等技术。在工程实践方面，相关专业技术人员要积极反馈项目遇到的问题，尤其是应用智慧化设计技术的过程中不断提出新的问题，持续的思考和改进。具体而言，从国家政策、行业管理和项目实施层面的建议如下：

（1）政策支持层面。加强顶层设计，完善涵盖数字化转型各参与方、各阶段环节的政策支持体系。突出技术自主创新、场景应用、人才培养、知识产权保护，营造可持续发展生态环境。

（2）行业管理层面。借鉴欧盟、日本和韩国等发达国家和地区的经验，成立行业技术联盟和产业联盟，制定数字交互标准，发布操作指南，组织交流和培训，为数字技术的应用提供指导。

（3）项目实施层面。树立智慧、绿色理念和数字赋能整体观，以智慧化设计为抓手，创新业态模式，推进数字技术融合发展，提高项目整体效益。