數(shù)字化轉型背景下建筑智慧化設計的機遇和挑戰(zhàn)

文／丘家琪 美國雪城大學 碩 士

美國SMITHGROUP 建筑事務所 二級建筑師

深圳投資控股集團、深圳智慧城市科技發(fā)展集團相關課題組 研究成員

引言

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展特別是城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進，包括建筑業(yè)在內(nèi)的諸多行業(yè)在穩(wěn)定增長的同時，都面臨著人力成本上升和勞動力不足的困境。傳統(tǒng)的粗放式發(fā)展模式已難以支撐行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。工業(yè)化、信息化以及相關技術的迅猛發(fā)展，為建筑行業(yè)提供了新的發(fā)展契機[1]。以智能化和數(shù)字化為著眼點，以建筑業(yè)高質(zhì)量、高效率、低成本發(fā)展為目標，可實現(xiàn)建筑行業(yè)的精細化、綠色低碳和可持續(xù)發(fā)展[2]。

建筑數(shù)字化和信息化的相關研究和工程實踐，已成為本行業(yè)的研究或關注熱點發(fā)，分別通過中國知網(wǎng)（中文）和Web of Science（英文）學術資源平臺，并以建筑（Building）和（或）智慧化（Intelligent）、數(shù)字化（Digital）或數(shù)字孿生（Digital Twin）、建筑信息模型（BIM）、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）等為關鍵詞進行檢索，近20 年來相關中英文期刊論文高達數(shù)千篇，其中知網(wǎng)近5 年來高度關聯(lián)的相關論文約為1200篇，相關研究引證如圖1 所示。

圖1 建筑智慧化相關科技論文引證圖（圖片來源：作者自繪）

具體而言，建筑智慧化設計是實現(xiàn)建筑領域智慧化發(fā)展的基礎，更是建設智慧城市的核心要素。廣義的智慧建筑須實現(xiàn)建造和運維管理全過程的智能化，包括智慧化設計、智慧化施工、智慧化運營、智慧化拆除以及與智慧城市互聯(lián)互通或相互融合，并助力行業(yè)乃至全社會的綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展目標，如2020 年國家制定的“雙碳目標”戰(zhàn)略[3,4]。作為智慧建筑的首要環(huán)節(jié)，智慧化設計對實現(xiàn)建筑全生命周期智慧化和構建智慧城市有著基石的作用[5]。而目前對建筑智慧化設計的理論分析和工程實踐的相關研究較少。

綜上，本文首先探討建筑智慧化設計的含義、主體內(nèi)容和重要意義。其次將梳理國內(nèi)外智慧化設計技術的發(fā)展動態(tài)，總結其面臨的關鍵問題，進而通過加強建筑智慧化設計促進建筑行業(yè)數(shù)字化轉型和可持續(xù)發(fā)展，分別從政策層面、行業(yè)層面和工程項目層面，提出了相應的建議。

1 建筑智慧化設計

1.1 建筑智慧化設計的含義

本文所討論的建筑智慧化設計，是指基于智慧、綠色理念，以信息網(wǎng)絡技術驅動的設計數(shù)字化，實現(xiàn)以設計定義的工程項目全生命周期各環(huán)節(jié)信息高度集成和共享，打造建筑的數(shù)字孿生體，并可融入智慧城市的建設。換言之，建筑的智慧化設計是智慧城市建設系統(tǒng)解決方案的前置條件或關鍵技術。

1.2 建筑智慧化設計的主體內(nèi)容

建筑智慧化設計包括對環(huán)境的模擬仿真、設計方案的比選、成本預算的控制、多專業(yè)協(xié)同等方面[6]。根據(jù)不同的設計階段，具體的智慧化設計內(nèi)容如下：概念設計階段，主要利用智慧化技術進行可行性研究，如場地環(huán)境模擬仿真；草圖設計階段，主要利用智慧化技術進行多方案比選，即通過使用智慧化技術手段，調(diào)整設計參數(shù)，對比分析不同方案之間的優(yōu)缺點；初步設計階段，主要使用軟件對建筑的各種環(huán)境進行分析和優(yōu)化，尤其是聲環(huán)境、光環(huán)境，最后確定適合于項目的環(huán)境狀態(tài)；施工圖設計階段，使用多專業(yè)協(xié)同軟件進行碰撞檢查、形成3D 施工圖等[7]。

1.3 建筑智慧化設計的重要意義

早在2006 年，吳志強院士針對IBM 提出的“SMART PLANET”和世博會主題“城市，讓生活更美好”，提出了“智慧城市”的概念，指出城市的智慧化是一個必然的過程：一個讓城市越來越好的過程[8]。作為智慧城市的重要組織，建筑業(yè)，特別是建筑設計業(yè)需要隨之快速發(fā)展，特別是隨著信息化、數(shù)字化相關理論和技術的進步和解決工程實際問題能力的提升，建筑智慧化設計勢在必行，且需要不斷迭代演進，也需要與“本原設計”思想相互融合[9]。

建筑的智慧化設計，盡管從狹義上來看僅僅是提高了項目整體的綜合效益，如降低成本、提高效率并提高工程質(zhì)量，但從廣義上來看其對智慧城市的發(fā)展有著巨大的推動作用[10]。如圖2 所示，在實現(xiàn)建筑智慧化設計后，建筑有望實現(xiàn)綠色低碳、健康舒適和智能化，在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化技術的支撐下，建筑具有智能感知的能力。通過結合大數(shù)據(jù)技術（物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術），實時對建筑數(shù)據(jù)進行采集和傳輸，進而打造數(shù)字孿生信息化平臺，整個過程中相關利益方可以實時溝通和管控[11]。建筑單元或社區(qū)、城區(qū)作為智慧城市的核心模塊，在實現(xiàn)智慧化以后，與城市交通系統(tǒng)、城市通信系統(tǒng)以及城市水電燃氣等系統(tǒng)進行全面的結合，最終可實現(xiàn)智慧城市的建設。

圖2 建筑智慧化與智慧城市（圖片來源：作者自繪）

2 國內(nèi)外建筑智慧化設計技術發(fā)展動態(tài)

BIM 技術快速發(fā)展促使建筑智慧化設計成為可能。建筑信息模型的核心優(yōu)勢是對工程項目的數(shù)字化建模和可視化展示[12]。BIM 概念起源于1975 年，最早由美國佐治亞理工學院的查克·伊士曼博士（Chuck Eastman,被譽為BIM 之父）率先提出，采用三維技術實現(xiàn)建筑工程的可視化分析和量化分析[13]。美國是最早啟動建筑信息化研究應用的國家，在2003 年實施的BIM 應用項目（3D-4D-BIM），從全生命周期的角度來探索BIM 的應用，包括土地空間規(guī)劃、進度管理及建筑設備能耗分析等。新加坡早期也啟動一個名為CORENET（Construction and Real Estate Network）的IT 項目，實現(xiàn)項目參與方信息高度共享，同時使用自動化程序對建筑設計成果進行數(shù)字化審查。BIM 技術在英國被建筑業(yè)廣泛采用，并納入相應的法律法規(guī)，目前基本實現(xiàn)三維BIM 的應用。韓國政府通過協(xié)同相關部門，制定了BIM 的標準體系，使得其在發(fā)展過程中處于領先地位。日本成立軟件聯(lián)盟，運用國產(chǎn)化的BIM系列軟件，配套相應的BIM 應用指南，為設計院和施工企業(yè)提供了必要基礎。

我國的建筑智慧化設計同樣源于BIM 技術，其起步相對較晚，總體而言尚處在培育期和跟跑階段。近年來國家行業(yè)主管部門連續(xù)出臺政策，鼓勵支持BIM 技術和其他建筑信息化和智慧化技術的應用與發(fā)展，并呈現(xiàn)迅猛增長態(tài)勢。但從應用或推廣的成效來看，由于管理機制的不完善和相關專業(yè)人才的不足，目前智慧化設計和應用的相關技術的普及率還是不高，且相關理論和技術的應用更多局限于工程量計算等獨立環(huán)節(jié)，施工企業(yè)應用較少，沒能充分發(fā)揮BIM 作為數(shù)據(jù)交互集成平臺的功能作用，因此其對行業(yè)或智慧城市的構建作用十分有限。此外，BIM 等智慧化設計相關軟件和技術以國外為主，國產(chǎn)化的軟件或軟件開發(fā)與應用仍處于起步階段，構建以國產(chǎn)軟件或技術為基礎的智慧化面臨重大挑戰(zhàn)，但前景十分廣闊[13,14]。國內(nèi)外建筑智慧化設計應用部分經(jīng)典案例如表1 所示。

表1 國內(nèi)外建筑智慧化設計經(jīng)典案例（表格來源：作者自制）

3 數(shù)字化轉型背景下建筑智慧化設計面臨的關鍵問題分析

近1 年來，我國在“十四五”規(guī)劃和“2035年遠景目標綱要”，都明確對建設數(shù)字中國作了相關的部署，勢必會進一步促進生產(chǎn)和生活領域的重大變革。在數(shù)字化轉型的時代背景下，建筑智慧化設計作為建設領域以數(shù)據(jù)要素驅動的關鍵技術，在服務智慧城市建設和新型建筑工業(yè)化發(fā)展中必將迎來重大歷史機遇，與此同時，其自身技術提升，解決實際問題的能力也將面臨新的挑戰(zhàn)。

3.1 提升技術系統(tǒng)功能

信息技術的提升是智慧化設計的關鍵。現(xiàn)階段，雖然建筑設計相關軟件種類較多，但是存在信息交互困難的問題，同時部分智慧化設計軟件是逆向設計，浪費了時間和資源，對推動項目沒有實質(zhì)性的作用。要解決上述問題，必須以建筑設計正向導入為基礎，不斷豐富模型插件工具，進一步規(guī)范數(shù)字交互協(xié)議標準，實現(xiàn)設計、施工、運營等工程項目生命周期信息高度集成和共享。

3.2 服務智慧城市建設

建筑智慧化是實現(xiàn)智慧城市的第一步。在智慧化設計的起步階段，就要以目標為導向，考慮整個城市系統(tǒng)的互聯(lián)互通，提前做好布局和規(guī)劃，加強一體化設計，提高系統(tǒng)解決方案能力，統(tǒng)籌感知層和外網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)資源，打造數(shù)字孿生體，實現(xiàn)建筑數(shù)字資產(chǎn)交付，聯(lián)通城市信息模型（CIM），構筑智慧城市空間數(shù)字底座。要以智能識別、實時傳輸、動態(tài)控制為閉環(huán)，打造高度數(shù)字化和智慧化的數(shù)字孿生平臺，為智慧城市建設打好基礎，不斷提高建筑智慧化是為智慧城市服務的意識，用大局觀和發(fā)展的眼光來推動建筑智慧化設計。

3.3 助力新型建筑工業(yè)化轉型

傳統(tǒng)的建筑業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)向工業(yè)化生產(chǎn)方式轉變。建筑工業(yè)化是以綠色發(fā)展為理念，以技術進步為支撐，以信息管理為手段，運用工業(yè)化的生產(chǎn)方式，將工程項目的全過程形成一體化產(chǎn)業(yè)鏈。建筑領域工業(yè)化的顯著標志就是裝配式建筑的產(chǎn)生。建筑智慧化設計與裝配式建筑是緊密聯(lián)系的，以設計定義裝配式建筑模塊構件截面，構建不同尺度靈活多樣構件模塊數(shù)據(jù)庫。創(chuàng)新BIM、GIS、5G、大數(shù)據(jù)、云邊計算、3D 打印、人工智能數(shù)字技術融合應用場景，實現(xiàn)規(guī)劃、設計、現(xiàn)場施工、工業(yè)化生產(chǎn)、運營管理等橫向到邊縱向到底的數(shù)據(jù)共享和運行協(xié)同。

3.4 保障空間數(shù)字底座數(shù)據(jù)安全

大數(shù)據(jù)時代的來臨，為各行業(yè)和全社會帶來了便利，但同時也產(chǎn)生了諸多風險因素。數(shù)據(jù)安全一直備受關注，在建筑智慧化設計過程中，必須提前布局和規(guī)劃。如BIM 系列軟件是空間數(shù)據(jù)重大平臺軟件，但目前我國使用的BIM 類軟件還是以進口為主，亟待提高關鍵基礎軟件平臺的自主研發(fā)能力，結合設計運用，加強國產(chǎn)軟件研究開發(fā)和測試驗證，改善發(fā)展生態(tài)，加快智慧化設計相關軟件和技術的國產(chǎn)化步伐，進而保證空間數(shù)字底座數(shù)據(jù)安全。

4 結論與建議

建筑智慧化設計的發(fā)展需要多個層面的支撐和推動?；A研究領域，要以技術進步為核心，與產(chǎn)學研深度融合，加速智慧化技術的進步，包括BIM 技術、3D 打印技術、裝配式技術、虛擬現(xiàn)實技術、人工智能等技術。在工程實踐方面，相關專業(yè)技術人員要積極反饋項目遇到的問題，尤其是應用智慧化設計技術的過程中不斷提出新的問題，持續(xù)的思考和改進。具體而言，從國家政策、行業(yè)管理和項目實施層面的建議如下：

（1）政策支持層面。加強頂層設計，完善涵蓋數(shù)字化轉型各參與方、各階段環(huán)節(jié)的政策支持體系。突出技術自主創(chuàng)新、場景應用、人才培養(yǎng)、知識產(chǎn)權保護，營造可持續(xù)發(fā)展生態(tài)環(huán)境。

（2）行業(yè)管理層面。借鑒歐盟、日本和韓國等發(fā)達國家和地區(qū)的經(jīng)驗，成立行業(yè)技術聯(lián)盟和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，制定數(shù)字交互標準，發(fā)布操作指南，組織交流和培訓，為數(shù)字技術的應用提供指導。

（3）項目實施層面。樹立智慧、綠色理念和數(shù)字賦能整體觀，以智慧化設計為抓手，創(chuàng)新業(yè)態(tài)模式，推進數(shù)字技術融合發(fā)展，提高項目整體效益。