信息與通信技術在建筑行業的綜合應用

潘健明 陳祺榮 江幸蓮

摘 要：建筑行業作為我國的一大支柱產業，存在著高能耗、高污染、低效益等問題，也面臨著諸多時代挑戰。以建筑信息模型、虛擬現實、無人機等為代表的一批信息與通信技術，以其潛在的應用價值引起了建筑行業工作者和研究人員的關注。本文首先說明了建筑業數字化轉型的重要性和研究意義，然后對建筑行業中重要的信息與通信技術進行了分類和介紹，最后通過案例制作，具體直觀地說明了應用信息與通信技術可以有效提高效率。

關鍵詞：建筑業；信息與通信技術；數字化轉型

中圖分類號：TP399；TU976.2 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）04-0177-04

Comprehensive Application of Information and Communication Technology in

Construction Industry

PAN Jianming，CHEN Qirong，JIANG Xinglian

（Guangdong Jinghong Construction Co.，Ltd.，Yunfu 527400，China）

Abstract：As a major pillar industry in China，the construction industry has many problems，such as high energy consumption，high pollution，low efficiency and so on. It also faces many challenges of the times. A batch of information and communication technologies，such as building information model， virtual reality and UAV have attracted the attention of construction workers and researchers for their potential application value. This paper first explains the importance and research significance of digital transformation of construction industry，then classifies and introduces the important information and communication technologies in construction industry. Finally，through case study，it illustrates concretely and intuitively that the application of information and communication technology can effectively improve efficiency.

Keywords：construction industry；information and communication technology；digital transformation

0 引 言

建筑業在全球和國內生產總值中分別占6%和7%，為其他產業的發展提供基礎設施，是重要的支柱產業。同時，建筑產業消耗了大量的社會勞動力和原材料，是最大的原材料消費者之一，建筑施工過程也常會產生較多的環境污染，產生了全球30%的溫室氣體。隨著我國社會的不斷發展，城鎮化建設的不斷推動，節能減排的要求不斷提高，人口紅利逐漸消退，工程項目日趨大型化和復雜化，建筑業面臨著愈來愈多的嚴峻挑戰：截至2016年底，城鎮人口數量已達到7.93億，城鎮人口比例從2000年的36.2%上升到2016年的57.3%[1]。2017年初，國務院印發了“十三五”節能減排綜合工作方案，將建筑節能列為重點節能領域，推廣綠色建筑。人口總撫養比從2010年轉降為升，勞動人口從2013年起略微下降[1]。對于勞動密集型的建筑產業，意味著人工費用會不斷提高。港珠澳大橋、上海中心大廈等一些大型的復雜建設項目也不斷增多，業主對建筑產品的要求也不斷提高。

與此同時，建筑信息模型、虛擬現實、3D打印、無人機等一批新興信息與通信技術（Information and Communi-cations Technology，簡稱ICT）被引入建筑行業中，并顯示出其加強信息交流和提高生產效率的巨大潛力，受到了政府、企業及研究人員的廣泛關注。由于建筑產業巨大的體量以及與人類生活密不可分的關系，該產業生產效率的略微提升能帶來巨大的社會效益。在外在約束和內在創新因素的共同推動下，建筑業的數字化轉型成為了一個重要趨勢。

1 信息與通信技術簡介

信息與通信技術作為信息技術的擴展詞，強調了通信技術、計算機以及相關軟、硬件的集成應用在現代人類社會中扮演的重要角色，這類技術使用戶具備了獲取、存儲、傳送及處理數據的能力。運用于建筑業中的信息與通信技術，本文按照其功能分為八類：數據平臺、交互界面、信息網絡、數字化、智能化、自動化、運算力和洞察力。

1.1 數據平臺：BIM和GIS

根據美國BIM規范，建筑信息模型（Building Infor-mation Modeling，簡稱BIM）是建筑物理及功能特性的數字化表達，提供了支持建筑全生命周期決策的信息共享平臺[2]。除建筑3D空間數據外，BIM還可以集成進度、資金等其他多維度信息。

地理信息系統（Geography Information System，簡稱GIS）能夠實現大量空間物理信息的收集、存儲、管理、可視化及空間分析。目前，GIS技術被廣泛應用于城市規劃、地質勘測和施工管理，在水壩、公路等大規模工程建設中有較多應用。

BIM和GIS技術都可以作為集成多種數據的信息平臺，多種數字技術可以與之集成，在此平臺上進行信息管理和分析。區別在于二者針對的對象不同：BIM技術針對建筑或結構，GIS技術針對區域；BIM通常針對城市建設的微觀層面，GIS技術則被用于解決建設宏觀層面的問題。此外，GIS還被用于地鐵、公路和管道等長線工程中。

1.2 交互界面：VR和AR

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），利用計算機創建一個具有視覺、聽覺、觸覺等多種感知的虛擬或模擬環境。用戶可以通過鍵盤、鼠標、頭盔、數據手套等交互設備沉浸到虛擬環境中，并與之進行互動。增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）則可以將現實環境中的某些元素進行加強或弱化，或添加新的元素，再將場景呈現給用戶，帶來不同于實際環境的體驗。

VR和AR都提供了一種全新的、高效且直觀的交互界面，使數據變得“可視”、“可聽”、“可感”。用戶面對的不再是冷冰冰的數據、圖表，而是可以通過更為自然和高效的方式獲取信息、操作數據。例如，結合BIM和AR技術，傳統圖紙上的二維線條將被三維模型所代替[3]，如圖1所示。顯然，這些技術將會使非專業人士對于建筑相關信息有更好的理解，便利了溝通交流。

1.3 信息網絡：互聯網和物聯網

互聯網是指通過一系列互聯網協議將設備聯系連接起來的網絡。自上世紀60年代互聯網在美國問世后，經過近50年的發展，現在已經與人類日常生活密不可分。“物聯網”一詞首次于2005年在國際電信聯盟的報告中出現。麻省理工學院自動識別技術中心創始人Kevin Ashton給出了物聯網的定義：物聯網是萬物互聯的網絡，通過運用互聯網及包括射頻識別技術（RFID）的無線通信技術，實現物體的自動識別、信息交互及持續追蹤[4]。

互聯網和物聯網技術都實現了信息傳輸的功能。有時物聯網也被視作互聯網的擴展，雖然物聯網采用的信息流通網絡并不止于互聯網，局域網、私人網絡和無線網絡也是物聯網信息傳送的重要途徑。此外，物聯網中的設備無需時刻保持在線，在沒有網絡時也可以采集數據，并在設備接入網絡時進行上傳。將設備接入到互聯網中則可以使擴寬設備用于進行分析數據的渠道，從而提高其智能化程度。

1.4 數字化：傳感器和三維掃描

3D掃描技術分為接觸式和非接觸式兩類，非接觸式掃描又可以分為主動掃描和被動掃描：主動掃描需要額外的能量，如激光投射到被測物體上；被動掃描則僅利用被測物體表面反射的輻射[4]。3D掃描儀通過向被測物體表面投射某種光束并偵測反射光，從而獲取其距離信息。攝影測量通過對照片的處理獲取幾何信息。攝影測量也符合被動測量的定義[5]，因此，本文采用3D掃描技術來涵蓋激光掃描及攝影測量技術。

傳感器泛指用于記錄事件和偵測變形、溫度、氣壓等物理量的電子元件。傳感器偵測獲得的信息會以電信號或無線電信號的形式傳送到計算機處理器中。

由于ICT是基于數據工作的，高效且便利的數據獲取方式對于充分發揮ICT的潛力具有重大意義。相比于傳統的人工測量、記錄、輸入數據的方式，3D掃描實現了快速、精確的數據采集和建模，廣泛布置的傳感器使得收集各種設備和環境中各類信息成為可能。這些技術都具備了將周圍物理世界數字化的能力，實現了將物理實體和環境轉化為數據的過程，為后續的數據處理鋪平了道路。

1.5 智能化：人工智能

人工智能這個詞匯首次于1956年在達特茅斯會議提出。它指的是用于模擬、擴展及提高計算機、機器的智能化程度的技術。專家系統和機器學習即是人工智能技術的重要分支。專家系統是集聚了某領域大量專業知識與經驗的程序系統，可以模擬人類專家的決策過程，解決復雜問題。機器學習則是計算機用于獲取知識的基本方法。機器學習算法以大量數據作為訓練集，在數據中學習如何完成特定任務。

隨著包括機器學習在內的人工智能技術的發展，在建筑過程中，基于計算機的機器和軟件、流程都可以被智能化，可以很大程度上實現生產效率及客戶體驗的提升。

1.6 自動化：機器人

在建筑施工過程中，機器人可以取代大量的人工操作。備受關注的3D打印機和無人機即是建筑機器人的重要分支。

通過將無人機技術與激光掃描技術、攝影測量技術進行結合，地形測繪的機動性可以得到極大的提高。目前，無人機測繪技術已被應用于工程測量和施工監測過程中。此外，無人機作為飛行機器人，突破了人類施工作業的局限，一些學者對無人機在建筑裝配中的應用進行了探討[6]。無人機飛行裝配試驗如圖2所示。

在設計階段，3D打印技術可以用于迅速打印建筑的整體或局部模型，使建筑方案設計過程中各方的溝通交流更為直觀高效。在施工階段，3D打印技術一方面可以用于打印建筑整體或細部縮比模型，使施工人員對建筑的細部構造（如孔洞、管道留設等）有直觀的認識，便于施工交底，減少返工；另一方面，可以直接將設計模型轉化為建筑實體或構件實體，突破了傳統的建筑施工方式，展現了提高生產效率和環保性能的巨大潛能。

除了以上提到的廣為人知的兩種機器人外，多種多樣的建筑機器人將在施工行業中發揮重要作用。根據機器人的功能，可以將其分為墻體砌筑機器人、土方清理機器人、焊接機器人等。此外，研究人員也對可穿戴的輔助機器人進行了研究。

1.7 運算力：云計算

作為計算機技術和網絡技術融匯衍生而出的新興技術，云計算使用戶能夠按需獲取計算資源，而不需要購買及更新昂貴的計算硬件。云計算可以將客戶端簡化成輸入端。在設計階段，通過布置在云端的強大服務器，復雜的計算過程，如大型結構分析、模型渲染等可以迅速地完成，大大提高了工作效率，減少了等待時間。云計算同時使很多原本基于計算機的應用和軟件拓展到移動端，如手機或平板電腦，這將為施工現場的數字化應用提供巨大的便利。通過發揮云計算大規模儲存數據的能力，種類繁多、數量巨大的項目信息能夠儲存在云端，使施工現場通過移動端的即時信息訪問成為可能。同時，多種多樣的信息，如位置、圖像、視頻、音頻等其他形式的信息，可以通過移動設備現場采集后上傳到云端，為進一步的信息管理和處理鋪平道路?；谠贫说臄祿Υ嬉脖憷藞F隊協作。

值得注意的是，云計算的應用并不只限于以上提到的方面，在建筑生命周期中，所有要求大量計算、數據儲存及多方協作的階段，都可以采用這種高效的計算方法和存儲方式。

1.8 洞察力：大數據分析

大數據指的是傳統分析工具無法進行管理和處理的大型數據集合。大數據通常具有以下一些特點：大數據涉及視頻、圖片、位置等各類數據，數據體量大、種類多；快速的數據獲取速度也要求與之匹配的數據處理速度；有價值信息的提取來源于海量的數據，需要依托強大的分析算法，數據價值密度低。

大數據分析的運用能夠使建筑企業從建筑生產過程中積累的巨量數據集中挖掘出有價值的指標和數據相關關系，從而幫助項目參與者在建筑規劃、設計、施工、運營過程中制定合理科學的方案。通過發現異常數據，大數據分析可以實現高效的風險監測和識別、發現潛在的優化空間。從全行業的角度，大數據分析也可以為行業管理者在標準制定中提供新的見解。

2 新興信息與通信技術操作案例

2.1 基于點云的逆向建模

三維掃描和逆向工程提供了一種高效準確的實景復制方式，可以對建筑的實際狀況進行快速的測繪和保存。這項技術已經廣泛用于國內的古建筑測繪和修繕中。本例以通過Faro三維掃描儀獲取的一榀嶺南木建筑梁架的點云數據，利用Revit進行逆向建模。本例中逆向建模的流程如下：（1）在點云處理軟件Faro Scene中進行點云的處理，轉化成Revit可以鏈接的E57等格式；（2）根據點云在Revit中繪制軸線和標高；（3）創建參數化的構件族；（4）根據點云數據擬合構件。

首先將掃描獲得的點云數據導入Faro Scene軟件中，進行配準和拼接等過程，如圖3所示。在Scene軟件中可以對點云進行修剪，并利用幾何體進行點云的擬合建?；驅肽Ｐ瓦M行校核。此外，點云數據可以轉化成三角網模型，從而進行進一步編輯。

然后，將點云數據鏈接到Revit軟件中進行逆向建模。由于Revit中內置的構件主要是混凝土結構和鋼結構等，缺乏古代木結構構件，因此需要事先建立相關的參數化構件族，如瓜柱、橫梁等。建模過程中，使用剖切框及不同視圖對局部尺寸進行查看、擬合，調整構件的尺寸。

2.2 基于網絡端的AR展示

前文中已經提到AR在模型展示、便利溝通中存在巨大的潛力。普通的AR展示一般需要下載、安裝特定的軟件或手機應用，而將AR與互聯網結合起來，在查看AR應用時只需要輸入網址而不需下載相應的軟件，這使得移動端的AR展示成為可能，其應用更容易得到推廣。

本案例的實現主要基于three.js庫和js-aruco：前者具有在網頁上進行三維模型展示的功能，后者具有識別標識碼的功能。AR展示的總體步驟如下：（1）利用navigator.getUserMedia（）等獲取視頻流；（2）利用js-aruco在視頻流中識別標識碼；（3）將虛擬物體疊加在識別碼上；（4）顯示最終結果。

3 結 論

本文以建筑業數字化為主題，首先介紹了數字化轉型的時代背景，然后對建筑業中重要的8類信息與通信技術進行了介紹，最后完成2個操作案例，直觀地展示了數字技術的應用效果，并指出了存在的問題。

從以上的研究中可以得到以下結論：（1）建筑業數字化轉型對于提升該行業的效益具有重大意義，是行業發展的必然趨勢；（2）各項信息與通信技術各具功能，但并非相互孤立，各項技術的綜合應用將不斷提高整體系統的工作性能；（3）目前國內建筑行業的數字化應用水平仍然較低，未充分發揮其潛力，與國外相關研究、實踐相比仍有較大差距。

參考文獻：

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[5] 趙昕，馬智亮，張建平，等.中國建筑施工行業信息化發展報告（2015）：BIM深度應用與發展 [M].北京：中國城市出版社，2015.

[6] 于軍琪，曹建福，雷小康.建筑機器人研究現狀與展望 [J].自動化博覽，2016（8）：68-75.

作者簡介：潘健明（1987.02-），男，漢族，廣東韶關人，設計經理，中級工程師，碩士研究生，研究方向：建筑施工技術。