人工智能驱动下土木工程行业发展的机遇与挑战

2024-05-27孙振宇谯斓王孟佳

科技风 2024年13期

孙振宇谯斓王孟佳

摘要：人工智能已广泛地应用于人类和生活的各个方面，同时也是目前各领域的研究和应用热点，为土木工程行业带来了诸多机遇与挑战。为此，本文从工程建造、智能监管与运维、资源管理与优化等方面，结合铁轨病检测、BIM模型、人工智能神经网络构建、隧道工程施工等具体事例探讨了人工智能对土木工程行业的促进作用，并从土木从业人员工作环境及效率、经济与社会发展、土木从业人员状况等方面分析其影响，最后对土木工程行业的智能化进行了展望。

关键词：土木工程；人工智能；机遇与挑战；智能建造

传统的土木工程设计规划、人力施工建造、人为监督与质量检测能很好地满足20世纪及以前的社会发展需求。然而，步入21世纪，传统的土木工程建设方式已逐渐跟不上飞速发展的社会节奏以及日新月异的变化速度。以铁轨病检测为例，铁轨承担四面八方的客运量和货物运输，而作为承载体的铁轨及道砟由于长年累月暴露于风雨阳光下，在疲劳荷载作用下难免会产生各式各样的铁轨病，需定期按时检测维修。然而铁轨纵横交错、数量众多、穿行地带复杂多样，而铁轨病类型大多是重复的，人为检测不仅会消耗大量的人力物力，还极大地降低了铁轨病的检测效率。此外，现代工程建造中材料利用率不高，对环境也已造成相当大的威胁。如建造施工过程中严重漫长的噪声污染、城市建筑看似光鲜亮丽实则影响巨大的光污染等，现代土木工程还有大量问题亟待改善解决。

步入现代，人工智能这一高科技大军猛然兴起。不同于传统机器或电子设备，人工智能包罗万象，能够自我学习、不断发展与完善，它们像人一样具有“思维”，能与人交互，是人类的得力助手。同样，各行业智能服务系统既为需要帮助的人们带来极大便利，也能够减轻相关工作人员负担，提高工作效率。显然，人工智能已然是人们生产生活的重要伙伴。

因此，在土木工程行业中应用人工智能，会极大地提高行业工作效率，资源利用和分配也会更加合理，施工建造进程能得到大幅提升，对于土木工程行业的壮大及社会发展都有着极大的推动作用。本文就以上背景探讨人工智能背景下土木工程行业发展的机遇与挑战。

1 土木工程智能建造新模式

1.1 人工智能助力工程建造

随着人工智能在社会各领域的发展壮大与积极应用，土木工程也迎来了与之相适应的人工智能技术。智能建造、智慧工程等高新技术助力现代工程建造，极大地提高了工作效率、工作质量，土木行业发展得到了深刻变革。

在实际工程建造中，人工智能与智能建造相辅相成。人工智能技术通过智能算法分析施工现场数据并进行反馈，实现对施工过程的实时智能管控，在施工过程中起着类似于人“大脑”的作用。如2019年竣工的京张高铁在建造过程中以模数驱动和轴面协同为核心，实现了智能建造与协同设计管控，成为又一张“中国智造”的亮丽名片。

智能建造技術融合了工程建设与信息、智能化等要素，贯穿于整个土木工程的设计、施工和运营管理等多个环节，发挥着十分重要的作用［1］。如京张高铁清华园隧道作为智能京张的控制性工程，穿越敏感城市核心区，施工过程中采用BIM+GIS多源信息融合感知技术，构建了智能监管系统平台，在施工过程中实时反馈监测数据，对隧道施工和周边建筑物安全起到了关键作用。

其中，BIM（建筑信息模型）以三维模型的形式展示建筑设施，使建筑设计可视化。它能分解建筑结构具体信息，并对施工过程及环境进行实时监控预警。BIM还能存储建筑信息资源，实现施工人员的质量检查，极大地提高了工程建造的成功率。BIM还可应用于虚拟仿真技术、三维扫描技术，使工程建造全过程透明可视化。这些技术减少了实地考察需要，在一定程度上也极大解放了人力，提高了行业安全性［2］。

同时，智能装备和建筑机器人可按计算机程序或人类的指令工作，代替或协助人完成施工任务［3］。在土木工程建造的高风险工序中，通过智能装备或机器人代替人工操作，一方面实现自动化生产，另一方面降低了人员风险。同样以隧道工程为例，当围岩条件极差时极易发生地层坍塌和突涌水等事故，给施工人员的安全造成威胁，在此地段隧道掌子面采用机器人进行施工，可有效规避施工风险，同时施工质量也有所保障。

1.2 人工智能加持智能监管与运维

人工智能技术主要通过智能算法、数据智能传输以及工程建模等技术手段进行实际应用，与人工方式相比，不仅工作效率更高，且数据统计精确度也较高，目前已开始应用于土木工程数据监测以及工程建模等工作上［4］。

土木工程的监测工作中主要通过应用SIM函数进行工程数据的监测［5］。对人工智能设备的BP神经网络结构进行改进，可以保证其结构和数据监测的稳定性。通过构建GABP神经网络，优化内部数据结构，也可将人工智能更好地融入土木工程监测建设中。同时，还可构建以粒子群为算法的PSOBP神经网络，无须多次进行数据调整，具有一定流程稳定性，但其计算过程中未进行混合函数运算。此外，在参数设置中也要保持合理数值，如在参数更新过程中，可根据迭代次数进行设置［6］。

人工智能设备往往还涉及设备的组合运用等，为了保证设备运行质量和效果，需对设备进行良好的维护，从而保证数据监测等工作的可靠性。如浇筑混凝土时，若在温控工作等方面存在数据误差，则将影响工程的稳定施工，而人工智能设备则可通过内部算法以及科学的数据监测减小制作误差［7］。再如人工智能数据分析结合铁轨探伤能够自动检测筛选各类铁轨病害，及时发出警告提醒。相对于传统的人工检测，智能检测效率大大提升，其准确度及病因分析、对症下药能力也得到了极大提升。

1.3 人工智能优化工程及资源管理

人工智能以其对数据存储及分析、综合利用等巨大优势，能极大地优化工程及资源管理。将人工智能模型合理应用于工程全过程，通过自动分析从施工过程到最终工程建造的各建筑参数及各资源消耗，从而提出合理的资源规划方案，并对相应建筑设施进行及时的错误纠正与风险规避。这在很大程度上将优化资源管理，减轻资源消耗程度，相比于传统的人工管理，也能更加精准有效［8］。

2 人工智能对土木工程行业的影响

2.1 土木工程工作环境与效率

土木工程工作环境一直是社会界关注的重点，也是限制行业发展的重要因素。以隧道工程为例，目前隧道施工人员以60、70后居多，而80、90后几乎没有，这也迫使隧道工程施工向机械化和智能化方向转型。而随着人工智能的应用，现代信息科技逐步影响了土木行业的工作环境与效率。

在规划设计方面，通过机器学习和数据分析，人工智能可以处理大量的土地和结构数据，并提供基于这些数据的优化解决方案；人工智能可自动生成和评估多个设计选项，加速设计过程并提高设计质量。在结构设计和优化方面，通过模拟和分析大量数据，人工智能还可以帮助工程师预测和评估结构性能，并优化算法来改进结构设计，以实现更好的耐久性和安全性［9］。在施工安全监测方面，人工智能可监测施工现场的进展情况、质量控制和安全问题；可以帮助识别施工过程中的缺陷或错误，并提供实时反馈，以便及时采取纠正措施［10］。

2.2 助推土木行业经济发展

人工智能可以更好地管理工作并减少错误，也可以帮助建筑师和工程师在项目期间做出更好的决策。通过采用人工智能，企业可以以更快、更有效的方式来管理项目。从经济发展方面考虑，它将为建筑业和土木工程行业带来许多好处。

人工智能的優点是通过减少人为错误、提高生产率、提高决策的准确性和控制质量来实现。首先，可帮助工人更有效地完成工作，从而降低成本；其次，帮助现场工作人员在不同的地理区域或气候条件下安全、高效地施工，帮助决策者识别工程项目中的潜在风险，并提供应对这些风险所需的资源和措施。

可见，人工智能已被广泛应用于土木行业，既减少了成本，又提升了工作效率，从而得以显著提升企业的利润。《新一代人工智能发展规划》明确指出了人工智能的发展方向，即以人工智能为代表的新一代信息技术，要成为数字经济发展的重要驱动引擎［11］。有了国家的助推，人工智能的发展将提高土木工程行业的生产力、效率和竞争力，并为未来的经济增长做出贡献。

2.3 土木行业人员的就业挑战

土木工程专业的就业率近几年都处于下滑状态，主要原因是行业进入一个饱和状态。但在人工智能时代下，这种局面将得以改变。

一方面，将人工智能应用于土木行业，带来了更多的就业机会。不同于传统土木的机械化，人工智能时代下的土木行业，将土木工程与3D打印、大数据、智能算法和机械设备等多学科理论与技术等进行交叉融合［12］，在一定程度上为土木行业人员提供了就业机会。

另一方面，人工智能具有高、精、尖的特点，传统土木行业的机械化任务，如工程制图、工地勘测等，将由人工智能来完成。据美国智库卡内基梅隆大学的调查，美国土木工程师行业的就业人数在过去五年中一直在下降，目前约有3.1万人；而工程技术人员的就业人数则一直在增长，从2008年的约20万人增加到目前的约40万人［13］。美国土木工程师协会的调查显示，土木工程师行业近几年就业率下降，主要原因是人工智能和机器人技术对该行业带来的影响。随着人工智能在土木工程中的应用愈发广泛，这种情况也可能会有所改变。

3 人工智能在土木行业应用展望

（1）智能材料的研发。材料的逆向设计以学习算法为主要步骤，从工程需求出发，将力学原理与人工智能有机融合，开发出基于第一性原理的材料设计和整合智能框架，经过多次迭代获得符合设计需求的材料［14］。

（2）土木工程智能建造。通过大数据与物理模型双驱，建立土木工程系统灾害分析模型，实现土木工程智能防灾减灾［14］。人工智能可与BIM技术结合，提供更智能化的建筑设计和管理。通过对BIM数据的分析和处理，可以自动化生成建筑模型、进行冲突检测、优化施工过程等［15］。

（3）土木工程智能运维。土木工程的数字化在运营期间相对较为成熟，随着数字孪生概念的产生和技术发展，智能运维技术也得到了空前关注。在工程施工期间的监测和管理数据通过平台集成，并划分不同模块由专门人员进行管理，在运营期间发现问题时可追本溯源，迅速找出问题症结所在，进而对症下药，快速治理。而工程的智能化还包括应用5G技术能实现结构物的全方位物联感知，通过内置结构安全状态分析模型，实现结构运营状态和功能的实施评估，从而降低运维成本。

尽管人工智能在土木工程领域有很多潜在应用，但并不能取代人类工程师，而是作为辅助工具来提高效率和质量。人类工程师的专业知识和经验仍然至关重要，他们需要对人工智能的应用进行有效监督和管理，确保智能决策的准确性和安全性。如对于隧道工程而言，由于地质环境和工程施工方法的复杂性和多样性，工程影响具有唯一性，当工程地质与水文地质环境极端复杂时，既有的数据库难以支撑隧道工程安全建造，此时则需要经验丰富的设计研究人员进行深化研究和评估，进而更好地做出决策，而这是人工智能所无法做到的。因此，对于土木工程行业，基础理论研究仍是重点强调的内容，而人工智能需紧密结合理论分析指导科学设计与施工。

未来要想使人工智能在土木工程行业中得到更好的应用，需均衡其在土木工程各行业的发展，强化土木工程领域人工智能及智能化的研究深度、广度，将智能算法更好地融入人工智能中；同时还应加强人工智能在土木工程领域的适应能力，针对不同服务对象强化相应能力，从而实现土木工程领域高效、智能、可持续发展。土木行业各个部门之间也应交融合作、共同发展，以更好地解决不同研究团队间集成度不高、信息孤岛等问题，以人工智能技术为切入点实现土木工程全生命周期智能化发展的最终目标［16］。

结语

本文就当下土木工程行业现状为背景，结合人工智能异军突起的发展优势探讨了人工智能时代背景下土木工程行业的机遇与挑战。社会是不断发展进步的，土木工程作为社会基础的重要组成部分，传统土木无法适应现代社会发展需求时，人工智能的加持毫无疑问能改善这一局面，并且为土木工程及社会的发展都提供良好的助推作用。未来土木工程将进一步向智能化和智慧化方向发展，进而使得土木行业这一传统专业获得新的生机，而聚焦于智能建造的高质量创新型人才则必将迎来更为精彩的舞台。

参考文献：

［1］杜润泽.智能建造在土木工程施工中的应用［C］//华教创新（北京）文化传媒有限公司，中国环球文化出版社.2021教学改革成果交流暨专业发展战略研讨会论文集（基础教育）.2021：106111.

［2］黄拓.人工智能在施工企业中的运用［J］.新型工业化，2022，12（08）：265267+271.

［3］夏芳.人工智能在室内改造中的应用［J］.建筑结构，2023，53（07）：172.

［4］倪小磊.智能建造背景下的现代工程管理分析［J］.住宅与房地产，2021（31）：164165.

［5］吕光东.人工智能方法在土木工程监测中的运用［J］.国际公关，2020（02）：233.

［6］丁杨，周双喜，董晶亮，等.人工智能方法在土木工程监测中的运用［J］.材料导报，2019，33（S1）：274277.

［7］姜绍飞，刘之洋.人工智能及其在土木工程中的应用［J］.四川建筑科学研究，1997（01）：5053.

［8］曹君丽，徐芳芳，徐勇戈.人工智能的就业效应：抑制还是促进？——来自建筑业上市公司的证据［J］.工程经济，2022，32（07）：4355.

［9］刘占省，孙啸涛，史国梁.智能建造在土木工程施工中的应用综述［J］.施工技术（中英文），2021，50（13）：4053.

［10］杨小荻.人工智能与建筑［J］.世界建筑导报，2022，37（03）：41+36.

［11］徐阳，金曉威，李惠.土木工程智能科学与技术研究现状及展望［J］.建筑结构学报，2022，43（09）：2335.