中國智能建筑發展與應用研究

建筑行業的發展是衡量一個國家經濟發展水平的重要標志。在建國初期，受限于國內經濟發展水平低的影響，我國建筑行業發展較為緩慢且具有代表性的建筑多集中在經濟較發達的省會城市中，小城市特別是農村中基礎設施建設比較落后。上世紀七十年代隨著改革開放政策的提出與持續推進，我國經濟發展步入新階段。伴隨著經濟的持續發展，建筑行業迎來了發展的高峰期。在此階段，各類具有代表性及歷史意義的建筑物如雨后春筍般在我國廣袤的大地上不斷涌現，標志著我國建筑行業正式步入高速發展期。十九大的勝利召開，習近平總書記明確指出我國社會主義進入新時代，在新時代背景下只有進一步貫徹落實改革開放政策，只有全面進行深化改革才能促進經濟的進一步發展。在新時代背景下，國內經濟的高速發展帶動了建筑行業的持續進步，使建筑行業迎來了高質量發展的又一個高峰新。

回顧近70年我國建筑行業的發展現狀，我們不難發現雖然當前建筑行業整體發展水平較建國初期有了較大提升，但目前同樣面臨許多問題需要解決，如：1）當前建筑行業仍為傳統勞動密集型產業：我國人口眾多，受人口福利影響在我國從事建筑行業的人員也較多，大量勞動力的使用在我國建筑行業發展初期極大的推動了建筑行業的發展。但隨著我國經濟發展的不斷提升，人們對建筑行業的發展提出了新要求，當前仍以勞動密集型為主的建筑行業已不能滿足現階段建筑行業發展需求，因此提高建筑行業人員技術水平、減少建筑行業從業人員數量、提高從業人員質量成為當前建筑行業面臨的一個關鍵問題。2）環境污染大，資源消耗多：建筑行業的發展雖帶動了國民經濟的提升，但同樣對環境造成了較大壓力，環境污染問題已成為當前建筑行業發展難以逾越的一道鴻溝，高排放、高消耗、低利用率的建筑行業發展模式以成為阻礙建筑行業轉型的主要因素。3）人工智能技術在建筑行業應用率低：高科技的發展已成為推動當前各行各業轉型的中堅力量，但是在我國建筑行業領域，由于從業人員整體知識水平較低，這嚴重影響了各種先進智能技術及高效工程機械技術在建筑行業的應用，嚴重阻礙了我國建筑行業的發展轉型。4）建設周期長、投資回報周期長：受既有建筑施工水平影響，我國建筑物的施工周期普遍較長，較長的施工周期不僅造成了施工過程中不確定因素的增加，更是嚴重影響了投資者對投資回報率的及時獲得，致使投資者降低對建筑行業的投資興趣。

以上問題是當前制約我國建筑行業發展的關鍵所在，為解決以上問題實現我國建筑行業發展的成功轉型，近年來針對傳統建筑行業，國家制定并出臺多項措施來推動建筑行業的發展轉型。在眾多措施中裝配式建筑的發展作為其中的典型代表成為實現建筑行業發展轉型的重點。

裝配式建筑與傳統現澆建筑相比，其整體性和剛度相對較小且抗震性能相對較弱，因此在建國初期我國裝配式建筑行業發展緩慢。近年來隨著科技水平的提高，對裝配式建筑的研究有了長足發展，其整體性差、剛度低及抗震性能差等問題得到了有效解決。目前由于我國勞動力價格與國家對節能環保等要求的不斷提高以及建筑工業化的不斷發展，使裝配式建筑在我國開始得到逐步推廣。所謂裝配式建筑就是在制造車間將預制部件進行生產加工，然后在施工場地上對已有預制部件進行裝配連接，從而實現在施工現場高效施工、低污染的建筑發展目標。裝配式建筑的類型眾多當前主要分為裝配式鋼結構建筑、裝配式混凝土建筑及裝配式組合建筑等三大類。結合裝配式建筑在我國已有研究成果可知，其與傳統現澆建筑相比具有如下優點：1）環境污染小、實現綠色施工要求：傳統現澆建筑施工模式存在資源消耗大，施工現場環境差，易產生大氣、噪音等污染且施工過程受施工環境影響顯著等問題。裝配式建筑的出現改變了傳統的施工方式，使其由傳統的現場濕作業轉變為現場裝配連接預制構件作業，因此避免了現場澆筑等問題。現場裝配的施工方式有效的較低了噪音及空氣污染等情況且受施工環境的影響程度也顯著降低，滿足了綠色施工要求。2）提高施工效率、縮短工期、有效降低人工成本：裝配式建筑的各構件及連接節點均由工廠機械化加工完成，在施工現場只需進行現場拼接連接即可完成建筑物的建造過程。因此施工現場的機械化程度提高，克服了冬期施工等不利因素、施工速度大大加快，施工周期得到明顯縮短。此外施工人員及現場管理人員的數量明顯減少，在一定程度上降低了人工費用。3）工程質量有效提高，安全隱患顯著降低：構件及連接節點的加工均在工廠完成，因此其加工質量得到有效保障，避免了現場澆筑施工遇到的各類質量問題。由于施工人員的減少及裝配式施工過程的規范化、制度化致使施工風險降低，施工安全得到了顯著提升。4）模數化設計、工業化生產、機械化施工使建筑壽命得以延長：裝配式建筑的一大特點是模塊化設計、標準化制作、批量化生產、機械化施工、整體化安裝，以上生產建造方式使得裝配式建筑擁有靈活的結構形式，豐富的建筑外觀以及較長的使用期限。5）便于構件的更換與維修：裝配式建筑由于其各構件之間的連接為裝配連接而非焊接等一次性連接，因此當建筑物的某一部分受損后，根據其受損程度可及時更換對應構件，實現建筑物的繼續服役，繼續滿足建筑物的使用功能需求。

以上優勢使得裝配式建筑在我國的發展成為必然，此外為了推動裝配式建筑的發展，國務院出臺了關于發展裝配式建筑的若干指導意見，為全力貫徹創新、綠色、協調、共享、開放的五大發展理念，明確指出了裝配式建筑未來在我國新建建筑領域所占比例，明確規劃出未來發展裝配式建筑的重點區域和推進城市。由于我國政府大力提倡發展預制裝配式建筑，因此使得裝配式建筑的發展和推廣變得更為順利。

裝配式建筑在我國的迅猛發展，對建筑行業提出了更高的發展要求，當前仍以人工建造為主的建筑行業已難以滿足新時代裝配式建筑行業的發展需求，因此在建筑行業領域開展以人工智能為主的智能建造技術成為未來建筑行業發展的新趨勢。

所謂智能建造是指將新一代信息工程技術與工程建造技術相結合而形成的一種工程建造創新模式，利用以數字化、網絡化及智能化為代表的三化技術和以算據、算力、算法為代表的三算技術為特征的新一代信息技術，來實現工程建造的數字化建設要求。借助現代互聯網技術通過規范化建模、網絡化互交、可視化認知、高性能運算以及智能化決策，來實現智能建造下的建筑工程立項、設計規劃、施工生產、運營維護與協同工作，以此實現降低工程建造、改造產業結構，給用戶展現以人為本、綠色可持續的智能化工程產品與優質服務。

當前智能建造技術不僅僅是工程建造技術的變革創新，更是從產品形態、建造理念、經營模式、市場運營及行業管理等方面對建筑業進行了全新定位。研究發現，智能建造技術已經成為當前經濟建設與社會發展的新戰略且在建筑領域取得了一定成果。智能建造技術在建筑行業的應用有如下表現形式：如采用機器人焊接技術進行構件的焊接連接、施工現場采用機械臂自動砌筑墻體、機械臂綁扎鋼筋及機械臂焊接作業等，這些自動或智能建造技術有效提升了建筑質量，成功把工人從繁雜的勞動力中解放出來，實現了建筑施工的智能化、機械化發展。

智能建造技術的推廣與應用在一定程度上推動了我國智能建筑行業的發展。根據已有研究可知：在我國智能建筑從出現到今天已經有了大約30年的發展時間，隨著我國經濟實力與科學技術的不斷提升，智能建筑的內涵與外延得到不斷豐富，如其由早期的單個獨立系統發展到如今多個綜合系統的組合。智能建筑行業在我國30年的發展歷程中，大致可概括為三個重要發展階段，且在每個發展階段均具有其代表性的發展特征。

首先，智能建筑的早期發展階段，此階段的智能建筑是伴隨著科學技術的發展而產生的，其主要標志是4C技術即計算機技術（computer）、通信技術（communication）、控制技術（control）及圖形顯示技術（CRT）的推廣與應用。在建筑物中應用4C技術，能夠實現在建筑物內部形成一個智能化的綜合性網絡系統，實現建筑物管理與運行的智能化發展，為人們提供一個更加安全、更加高效、更加便利且同時滿足可持續發展的新型建筑群體，從而形成人、環境及建筑互相協調的完整發展整體。此階段，由于4C技術的應用使智能建筑具有以下典型特征：1）基礎設施網絡化的實現：隨著計算機技術在我國的興起與發展，計算機技術在建筑行業得到了充分應用，計算機技術的出現代替了傳統的人工技術，使建筑行業的基礎設施建設具備了網絡化的發展要求。2）物業管理更加精細化：通訊技術及控制技術的應用能夠構建“一站式的”物業管理服務平臺，從而實現物業管理的集中化。通過集中化的物業管理能夠及時有效的解決業主的各種需求，從而使物業管理更加精細化。3）服務功能更加專業化：圖形顯示技術的應用使建筑運營與維護的各個階段處于可視化進程中，基于此建立一套公共服務管理平臺為企業、個人及相關管理人員提供更加標準化、專業化的服務體系成為可能。4）運維管理更加集中化：以上措施的實現使得建筑物的運營與維護變得更加方便化、可視化及有效化，因此可以實現運維管理的集中化發展，從而使運維管理變得更加有效迅速。

隨著科學技術的不斷發展，以4C技術為主導的智能建筑所存在的不足逐漸顯現出來，為了適應科學技術的發展，解決智能建筑發展過程中出現的問題，智能建筑的發展步入另一個新發展階段。在該階段，智能建筑的發展仍以4C技術為基礎，同時形成了新一套智能化系統，即5A系統：主要包括設備自動化系統（BAS）、辦公自動化系統（OAS）、通信自動化系統（CAS）、安防自動化系統（SAS）和消防自動化系統（FAS）五大部分。5A系統的應用使該階段的智能建筑具有如下特征：1）監控管理效率得到明顯提升：BAS系統的應用使得監控系統具有集中操作管理及分散控制的特點，實現了相關建筑設備的全面管理與監控，使得建筑物的各項設備一直處于最佳運營狀態，因此顯著提高了監控管理效率。2）信息資源共享度更高、業務處理能力更強：OAS辦公系統的應用，提供了形式多樣及更加高效的辦公手段，因此資源共享率得到進一步提高、物業管理水平顯著提升，在一定程度上提升了物業管理的精細化程度。3）信息傳遞更加及時、便捷、有效：CAS通信系統的提出實現了建筑物內部與外部各種信息的時時交流，保障了信息交流的及時性及有效性，使得管理人員能夠在第一時間掌握建筑物的相關動態，制定恰當對策確保建筑物的正常運營。4）公共安全性得到進一步提高：SAS安防系統的應用實現了安全監控的連續性，在任何時間、任何地點一旦建筑物處于危險之中，對應的警報系統就會啟動，因此能夠及時有效地處理遇到的各種危險，確保建筑物的安全運行。5）建筑物的防火安全等級得到進一步提高：FAS系統主要由火災探測器、報警器、滅火設施和通信裝置組成，其應用成功實現了火災報警與消防聯動系統的獨立運行，提高了高層特別是超高層建筑物的防火等級，實現了火災預警、報警及滅火系統的一體化管理運行，提高了建筑物的防火等級。

伴隨著科技的發展與經濟水平的不斷提高，5A系統在智能建筑發展過程中遇到了各種新的問題，如在5A系統具體應用中，我們發現OAS系統與建筑智能化發展理論及工程應用的關系越來越疏遠，此外CAS系統由于其內容過于龐大且分支較多，將其歸類為建筑智能化系統有些牽強，因此關于該系統提及的次數越來越少。為解決智能建筑發展過程中出現的以上問題，進一步提高科技含量在智能建筑中的比例，創新智能建筑發展模式成為當前智能建筑發展需要面臨的新一輪挑戰。

現如今，許多前沿性科學技術在國內取得了突破發展，隨之帶動了智能建筑向著智慧建筑的方向發展。基于以上分析，當前智能建筑的發展步入第三發展階段，該階段是以大數據、人工智能、云計算、物聯網及智能網關等前沿性科學技術為依托的智慧建筑階段。智能建筑的發展本質是為生活在其中的人們提供一種更加高效、舒適、安全及便捷的生活工作環境，因此智能建筑發展的核心就是要“以人為本”。如今，智慧建筑的發展更加突出了“以人為本”的發展理念，因此其具備如下基本特征：1）安全性及防御性有了質的提升：隨著智能技術的不斷發展，智慧建筑中的安全系統與防御系統得到明顯改善且涉及的范圍更加廣泛，其范圍從一開始的建筑物本身到現在的企業、家庭及個人均成為智慧建筑中安全性及防御性所涉及的內容，因此其安全及防御性有了質的提升。2）管理系統更加綜合、更加復雜：如今的管理系統已不單單是針對建筑物本身及物業的管理系統，其涉及的范圍更廣、項目管理更加具體、精細，因此一個更加綜合、更加復雜的管理系統應運而生。3）高科技、新技術，創新發展理念成為智能建筑的常態化：隨著建筑行業科技水平的不斷提高，人工智能技術、云計算技術及智能網關技術等先進的科學技術在建筑行業的應用成為常態化，創新發展理念成為智慧建筑發展的主流，以上技術的應用與實現不斷推動者智慧建筑向著更加智能化的發展方向邁進。4）“以人為本”的發展理念得到進一步體現：各類先進通訊設備、用戶終端、移動辦公軟件及生活設施的應用，進一步滿足了人們對智慧建筑的發展要求。舒適、便捷的工作生活環境極大地體現了“以人為本”的發展理念。

智能建筑在我國從出現到今天經歷了以上三個重要發展階段且每個階段均具有其典型的特征。當前智慧建筑的發展使其范圍得到不斷擴充，以BIM技術、3D打印技術及裝配式建筑技術為代表的建筑數字化設計和建造技術成為當前智慧建筑發展的主流。

現以數字化設計及建造技術具體應用為例，列舉其在國內工程案例中的應用過程，以使人們對智慧建筑有更加直觀的了解。BIM技術因其具有可視化、模擬性、協調性及優化性等特點，因此能夠實現構建與實際情況相符合的建筑工程信息庫，此外通過構建三維模型能夠實現整個建造過程的可視化發展進程。以北京大興國際機場為例，列舉BIM技術在其施工建造過程的典型應用。北京大興國際機場項目是國家重點建設項目，其施工技術要求高，施工難度大。此外，為給祖國70周年獻禮，在建造過程中對其施工周期及施工質量提出了更加嚴格的要求。因此，在機場建造過程中智能建造技術的應用就顯得格外重要，BIM技術作為智能建造技術的典型代表其在機場選址、安置房建設、鋼結構工程、智能監管等領域得到了充分應用。如在安置房建設過程中：為實現安置房等配套設施在施工階段的可視化、項目管理的精細化發展目標，將BIM技術與其施工過程相結合，其應用主要體現在以下幾方面：1）圖模會審階段：該階段運用BIM技術實現了二維圖紙到三維模型可視化發展，成功解決施工圖中存在的各種問題，保證了施工圖紙在交付過程中的正確性。2）施工場地布置階段：運用BIM技術明確各生產、生活要素在施工場地的具體位置，實現施工場地的規范化、合理化管理。3）施工方案模擬階段：采用BIM技術實現施工過程中各重大、危險施工方案的建模分析，模擬施工流程、確定最優施工方案。4）管線安裝的優化設計階段：由于該機場項目工程量大、管線布置復雜，如何實現管線的優化布置是確保新機場正常運營的關鍵，采用BIM技術的優化設計模塊，從建筑物凈空利用率、管線布置層次性及初始設計等方面對各類管線進行優化設計。5）安全質量管理階段：運用云數據平臺實現施工過程的實時監控及時將發現的問題上傳至BIM技術的三維模型中，通過BIM技術及時發現問題、解決問題從而實現在正式施工前能夠做到預防與提前解決可能存在的問題，從而提高工程的安全質量等級。通過以上分析可知，BIM技術在安置房等配套設施的應用不僅實現了施工過程的可視化、項目管理的精細化，更是達到了縮短工期、提高安全質量及降低施工成本的目的。BIM技術在北京大興國際機場鋼結構中的應用：北京大興國際機場鋼結構項目具有類型復雜、數量多、體積龐大且施工難度大等特點，BIM技術的應用能夠實現鋼結構項目的深化設計、提高管理效率、減少項目建設中責任不清等問題。其具體應用集中在以下幾方面：1）鋼結構深化方面：采用BIM技術自帶的深化設計功能實現焊縫、柱腳、各類連接點的深化設計以滿足工程施工需求。2）在鋼結構連接拼裝等方面：通過虛擬的施工模擬，實現鋼結構各構件的虛擬拼接，預先模擬在拼接過程中可能遇到的各類問題并及時提出對應解決措施，確保鋼結構的順利拼接連接。3）在項目管理階段：采用二維碼技術實現BIM技術與互聯網技術的結合，通過網絡控制實現各構件的運輸及安裝，從而提高工作效率，實現科學化的管理運營。

以上是BIM技術在北京大興國際機場成功應用的兩個典型案例，此外智能建造技術如智能機器人焊接技術同樣在北京大興國際機場中得到有效體現，機器人焊接技術的實現不僅確保了施工質量，更是推動了智能建造技術在我國重大項目工程中的應用，為我國智能建筑的發展提供了參考。

人工智能技術與大數據技術在國家速滑館項目中的應用：人工智能技術與大數據技術伴隨著我國建筑行業的發展，在智能建筑領域得到廣泛應用。在國家速滑館建造過程中，采用人工智能的專家系統，實現了控制系統的運行與構造都能嚴格按照專家意見進行。采用專家系統能夠實現將特定領域的專家意見與計算機智能軟件相結合，使得計算機智能軟件系統具有與專家相同的專業知識及處理問題的能力，從而減少在施工現場召開專家論證會的次數，提高了施工效率，同時能夠為在工程中遇到的各種專業問題提供及時有效的專業性解答，確保了工程的順利進行。此外?，人工神經網絡系統作為人工智能的核心技術之一，其在語音識別、模式識別、信息處理及最優化計算等方面有其獨特優勢。國家速滑館項目，由于施工復雜、施工周期長因此需要大量施工人員協助完成。大量勞動力的使用為現場施工管理帶來巨大壓力。因此在施工過程中借助人工智能的人臉識別技術，基于大數據分析，成功實現了人工智能的勞務管理。具體為采用人臉識別技術進行施工場地的出入管理，以此取代傳統門禁技術。同時對施工過程中出現的各種不文明施工行為進行實時監控，做到及時發現、及時改正，通過人臉識別技術實現責任到人的管理目標。通過以上應用可知，大數據、人工智能技術以成為當前智能建筑發展的新趨勢，提高建筑行業的科技水平以成為未來建筑行業發展的必然。

智能建筑在我國的發展與歐美國家相比雖起步較晚，但是近年來卻得到了國家有關部門的高度關注與大力支持。“以人為本”的智能建筑發展理念隨著我國科學技術的不斷提高，在智能建筑中得到了更加充分的體現。展望未來，智能建筑的發展必定會取代現有建筑技術成為未來建筑行業發展的中流砥柱。

本刊作為新辦刊物重點介紹了我國在智能建筑與工程機械等領域的最新研究進展，后續本刊將繼續為廣大讀者提供有關智能建筑與工程機械最前沿的科研成果，以便讀者能夠對我國智能建筑與工程機械的研究與發展有更加全面、系統的了解。