人工智能视角下智能建造发展趋势与研究探索

王昕

(江苏建筑职业技术学院 信电工程学院,江苏 徐州 221116 )

近些年,信息化建筑理念逐渐被重视,建筑信息模型(building information model, BIM)的优势也不断被认可。随着工程应用不断拓展和深入,应用范围扩展到工程建设项目的深化设计、虚拟施工、运维管理及全生命周期,应用领域从传统建筑业拓宽到管线综合、城市轨道交通等城市基础建设领域。虽然BIM从技术上解决了建筑全生命周期内的信息共享和交换,但其在国内的普及度不高。这是由于建筑涉及的信息范围广泛,空间结构复杂,专业性强,而以多维度、多功能及多用途的计算机可视化图形表现的BIM模型数据量大、数据结构复杂、数据难以组织和管理,从而给计算机图形处理能力带来严峻的考验,对计算机的显示分析、存储计算和数据传输等会造成极大挑战,对人员素质要求高,使用和维护烦琐,不使用专业软件的项目参与方将无法及时地共享和交互相应的数据信息,更加无法实现大空间范围内的数据同步与共享.在移动互联网普及的当今时代,用户在移动网络环境下以快速便捷、在线可视的“轻量化”方式展现BIM模型、使用BIM数据、解除对专业软件的依赖已成为BIM技术当下研究的一个热点。

1 研究热点及现状

在Web of Science数据库的检索BIM等相关词汇,以 Cite space 软件中的“Keyword”作为图谱分析节点,得到这一领域的研究热点,如图1 所示。其中几篇经典文献包括：Succar B[1]确定了针对BIM实施框架的一些相关概念( 领域、阶段、步骤),并建立知识可视化模型表示BIM在建筑、工程、建设、运营领域的概念及其之间的关系,对行业利益相关者运用BIM具有指导意义。Tang PB等[2]总结各国先进的自动建模方法,基于土木工程和计算机科学技术对其算法进行深入研究,将建模过程分为几何建模、对象识别和对象关系建模三个阶段,并总结BIM建模过程中可能存在的问题,在BIM建模方面具有一定的研究基础。Vanlande等[3]总结5种BIM模型的数据存储及交换方法,并创新性地开发Active 3D协作平台,在BIM数据储存和交换方面提供新思路和新方法,解决BIM 应用过程中不同阶段、不同软件之间存在的信息壁垒问题。Gu N等[4]提出需要同时考虑技术工具因素和非技术策略因素促进BIM在建筑行业的发展,并构建“BIM 决策协作框架”集成多学科操作模式,从而达到协同工作的目的。Eastman C M等[5]认为IFC标准并不能完全实现完整的建筑信息模型之间的互操作性,并定义信息交付手册 (IDM),能够捕获精准的信息并实现交换。Jung Y等[6]提出实际项目的BIM应用框架,从三维空间和六个类别处理 BIM 理论和实践中的变量,为BIM领域应用前景评估和驱动因素识别提供依据,如图1所示。

图1 BIM近几年研究热点

2 下一代BIM技术内涵

BIM是一种理念,旨在服务整个建筑行业全生命周期,需要各个行业人员参与进行多学科融合。

2.1 BIM 2.0助传统行业抢占制高点

目前国家主要职能部门均开始推行数字经济与实体经济的深度融合,在这一导向下,诸多传统行业(如建筑行业)想要抢占未来产业的制高点就需要推进数字化转型和智能化改造,而转型最好的切合点就在信息技术领域,也即“数转智改”。

2.2 BIM 2.0也是信息专业的契机

目前是互联网信息技术高速发展的时代,但是对深度内卷的信息行业而言,真正的契机却是在传统行业。以高校为例,非信息类院校的信息类专业真正的春天在于如何和传统行业深度融合。这是因为非信息类院校的信息专业无论在师资、生源、硬件及政策上都被边缘化,必须要与传统行业挂钩。正如传统行业需要信息专业助力腾飞一样,信息行业也需要一个契合点,开辟一个全新的赛道。

2.3 BIM 2.0是行业发展的多样化需求

以江苏建筑职业技术学院为例,其中与建筑类相关的9个二级学院还在应用传统的BIM模式,亟须与信电工程学院进行深度合作。而在能够与信息化、智能化相结合的几个二级学院专业中,建筑智能学院虽然涵盖智能家居、智能建筑、数字化社区、BIM等系统设计和施工领域,但是主要集中在设备的维护使用、数据的采集和传输方面,在系统性、模块化开发设计、顶层设计和云计算、大数据以及人工智能领域结合方面有所欠缺,可以与信电工程学院形成行业服务优势互补。

2.4 BIM 2.0助力行、企、校做好顶层设计

BIM+本身的内涵并没有太多区别,只是彼此间的侧重点略有不同。从设备、装置、开关等基础设施和组成部件的角度来看,应用领域是BIM+物联网;从数据的存储与展示角度来看,应用领域是BIM+大数据;从分布式计算和并行计算的角度来看,应用领域是BIM+云计算;从智能化算法的角度来看,应用领域是BIM+人工智能;从新模式、新业态的宏观角度来看,应用领域是BIM+互联网。弱化信息技术概念,强调行业属性,做好顶层设计,是下一代BIM2.0的核心思想。

3 人工智能视角下BIM 2.0探索

从传统BIM的角度来看,建筑信息化被分为BIM的设计、施工、运维和拆除四个阶段或方向,围绕这四个阶段以人工智能的视角展开讨论,逐步完善并形成BIM 2.0模式,如图2所示。

图2 智能建造发展方向

3.1 设计智能化方向

在这方面主要是利用新一代信息技术开展仿真、模拟、虚拟化等工作,大致包括以下几个研究点：利用人工智能和深度学习技术建立建筑能耗模型,通过模拟建筑能耗进行系统优化并将优化结果融入建筑节能化设计中;利用现实增强AR和虚拟现实VR技术增强可视化设计和人机交互,为建筑专业人员提供便利;利用机器学习算法和模型实现建筑性能的模拟和仿真;利用WebGis技术将地理信息系统和一张图技术融入建筑设计的管线、水道、网络设计中;利用Python等工具实现不容软件、数据、图纸、文档之间的接口和格式转换,突破专业软件单一化的束缚等。

3.2 施工高效化方向

该方向主要是利用物联网、大数据和人工智能辅助高效施工,涉及传感技术、采集技术、传输技术等共性技术。以5G环境下的智慧工地为例,智慧工地大致包括人、机、物、环、管五大方面：人员方面,包括利用可穿戴设备实现人员数据的采集;设备方面,主要包括利用物联网技术实现小型设备如推车、叉车、运料车的定位和管理,利用数字孪生技术和专家决策系统实现建筑工地大型设备如提升设备、吊车等的故障诊断和预知维修,提高效率避免风险;物资方面,可利用RFID技术实现预制件的定位和管理,利用条码技术实现易耗物资的精细化管理;环境方面,可利用多传感器技术实现环境数据的采集和监测;管理方面,由于建筑工地是一个复杂的环境,涉及多个系统,因此需要有系统集成、异构网络传输、数据转化等信息化手段,此外,还需要结合大数据技术在管理层面建立一套工程模拟和预评估系统。

3.3 运维智慧化

建筑的分类多种多样,其维护的方法、方式和手段都不尽相同,但是其中的信息化技术具有共性。在这里仅探讨小区的智慧化运维,大致包括以下几个方面：利用IoT技术实现建筑设施运维数据的采集,通过数据监测和分析实现运维管理;利用大数据和云计算技术实现建筑设备的健康状态感知与维护;利用大数据和人工智能技术实现小区能源系统的管理;利用网络安全技术和人工智能技术实现小区应急管理系统;此外还有建立小区虚拟云,以及利用物联网技术和可穿戴装备提升小区的服务能力,保障小区中老人、儿童的人身安全等。

3.4 拆除绿色化

这一阶段主要利用VR和AR技术提供可视化的拆除工程模拟,提高工程效率;利用大数据分析技术提供管理层面的工程量评估和价格预算;利用人工智能方法选择最优的拆除方法,从而保证破坏性最小并减少废弃物产生。

4 结语

无论是BIM+云计算、BIM+物联网、BIM+大数据还是BIM+人工智能,都不是推翻现有的BIM 1.0模式重来一遍,而是在现有基础上将BIM技术和新一代信息化深度融合,利用信息化技术解决传统行业无法解决的专业难题。BIM 2.0将借助信息学科的力量,在解决行业、专业难题的同时一方面加速形成交叉学科或专业,从而开拓新的市场和研究领域;另一方面,借助传统行业的平台与市场导向,开展企业、高校间的联合协同攻关。