中國智能建造新技術新業態發展研究*

杜明芳

(清華大學，北京 100084)

1 產業發展情況

建筑業是我國國民經濟的重要支柱產業。近年來，我國建筑業持續快速發展，產業規模不斷擴大，建造能力不斷增強，2019年，我國全社會建筑業實現增加值70 904億元，比上年增長5.6%，占國內生產總值的7.16%，有力支撐了國民經濟持續健康發展。近20年來，我國的建筑業信息化大致經歷了起步期、發展期、高速發展期3個階段。近年來，隨著國家新型城鎮化、工業化、智慧城市等戰略的推進，建筑業信息化逐步走向智能化階段，同時隨著信息技術的快速發展，信息技術對建筑業的影響和滲透逐步加大，智能建造的需求日益加大。目前，我國的建筑智能化行業已經具備了相當可觀的產業規模(見圖1)，產業鏈正被加速構建和完善，智能建筑工程已經逐步落地到了各種類型建筑，醫療建筑、辦公建筑、體育場館、住宅建筑、軌道交通建筑等各細分產業領域發展迅速，并延伸滲透到周邊產業及智慧城市，為我國的城鄉建設和產業發展提供了有力支撐。

圖1 近20年中國建筑智能化行業市場規模

2 政策環境

根據紐約、波特蘭、多倫多和倫敦等城市的新立法，目標是到2030年，所有新建建筑達到碳中和，到2050年使現有建筑達到同樣標準。2020年9月，習近平總書記在第75屆聯合國大會上提出我國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。2020年12月，習近平總書記又宣布了為達成應對氣候變化行動目標的一系列新舉措。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○三五年遠景目標綱要》提出“制定2030年前碳排放達峰行動方案”。2021年4月，國家發展和改革委員會印發《2021年新型城鎮化和城鄉融合發展重點任務》，提出“建設宜居、創新、智慧、綠色、人文、韌性城市，推進城市現代化試點示范，使城市成為人民高品質生活的空間”。2020年8月，住房和城鄉建設部等13部門聯合印發了《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，提出：我國到2025年，智能建造與建筑工業化協同發展的政策體系和產業體系基本建立，建筑工業化、數字化、智能化水平顯著提高，建筑產業互聯網平臺初步建立，產業基礎、技術裝備、科技創新能力以及建筑安全質量水平全面提升，勞動生產率明顯提高，能源資源消耗及污染排放大幅下降，環境保護效應顯著。推動形成一批智能建造龍頭企業，引領并帶動廣大中小企業向智能建造轉型升級，打造“中國建造”升級版。

當前，在“碳達峰、碳中和”及新型城鎮化、城鄉融合發展的宏觀大背景下，智能建造需求旺盛，無論是綠色發展、生態文明，還是建筑工業化，都與智能建造密切關聯，智能建造相關政策、標準、理論、技術已出現亟待發展的局面。

3 智能建造新技術新業態

3.1 建筑機器人

應用于建筑環境的機器人近年來呈現出需求量激增的局面，市場潛能巨大。目前，能夠服務于不同類型建筑的智能機器人通用技術和個性化技術都尚待系統性深入研究。智能機器人理論和技術與建筑場景之間的緊密融合成為新的研究課題。建筑機器人的研發和產業化應密切結合當前建筑業的實際場景需求，歸納總結不同類型建筑空間中智能機器人的共性技術問題及難點，從智能機器人感知、驅動及控制三大核心技術入手，從機器人學底層原理出發，系統性深入研究建筑機器人關鍵技術點，從研發不同類型機器人時用到的硬件電路、算法流程、算法模型等角度落實研發方案。建筑機器人的產業化要具有產品思維，應以標準化、模塊化方式高效推進各品類建筑機器人的設計、研發、測試工作，應與產品和技術進展同步方式推進相關標準、規范的研制，應加強對產品理論原型與關鍵技術的創新，應加強對建筑機器人研發的專業性指導，使企業研發人員能夠快速上手設計實用化的機器人。

根據前期對市場調研的結果，目前較為實用且未來前景好的建筑機器人有：鋪路機器人，挖掘機器人，焊接機器人，砌墻機器人，噴涂機器人，安防機器人，消防機器人，安裝機器人，管道檢測機器人，模塊化建筑裝配機器人，垃圾分類機器人，擦玻璃機器人，個人健康管理機器人，審圖機器人。未來，國產建筑機器人將朝著智能化、綠色化、標準化、普惠化方向發展。

與智能機器人的核心組成模塊一致，高智能型建筑機器人至少應具備以下4個核心模塊：①環境智能感知 用來檢測、識別、理解周圍環境；②運動自動控制 對機器人本體行為進行自動控制，對外界環境變化做出反應性動作；③自學習思考決策 根據環境感知模塊得到的信息，綜合運動控制反饋結果，通過自學習制定智能決策策略，思考采用什么樣的管理與決策措施；④遠程通信 通過5G，6G、物聯網技術實現與外界的遠程通信。環境智能感知模塊中常采用的傳感器包括視覺、超聲波、接近、距離等非接觸型傳感器和感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器。運動自動控制模塊包括控制器、壓電元件、氣動元件、行程開關等機電控制裝置，移動機構有輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等類型。思考決策模塊包括機器學習、規則判斷、邏輯分析、綜合理解等方面的類腦智力活動。以應用于家庭、辦公建筑環境中的“個人健康助理機器人THROB”為例說明高智能型機器人系統技術原理。個人健康助理機器人系統組成及其相互關系如圖2所示。

圖2 高智能型機器人系統原理(以個人健康助理機器人THROB為例)

傳感器是機器人的“眼睛”，目前制約建筑機器人產業化的最主要瓶頸之一是機器人傳感器技術及作業環境智能模式識別算法與模型。應用于建筑領域的智能機器人傳感器類型包括內部傳感器和外部傳感器。外部傳感器用來檢測機器人所處環境及狀況(如抓取的物體是否滑落)，具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。內部傳感器用來檢測機器人本身狀態(如手臂間角度)，多為檢測位置和角度的傳感器。內部傳感器和電機、軸等機械部件或機械結構如手臂(arm)、手腕(wrist)等安裝在一起，完成位置、速度、力度的測量，實現伺服控制。目前，視覺、力覺、觸覺傳感器已進入實用化階段，聽覺、嗅覺、味覺傳感器技術正在快速進展中。新一代建筑機器人如多關節機器人、特種環境作業機器人則要求具有自校正能力、環境自適應能力、對外界輔助裝置的弱依賴能力，依靠傳感器信息融合及傳感器信息驅動的自動控制能力越強，其自主等級就越高，智能化程度也越高。真正意義上的智能機器人，應是能在未知環境下仍可依靠自身內置的智能感知與控制系統實現自我學習、自主運動的機器人。

3.2 建筑工業互聯網

隨著全球工業化4.0戰略的推進，工業互聯網正在重塑產業鏈和價值鏈，正在為重構全球工業、激發生產力做出重要貢獻，各種垂直行業領域的工業互聯網在不久的將來會被開發出來，并通過運營產生巨大價值。智能工廠是工業互聯網的核心，“互聯”是工業互聯網的基本功能，在此基礎上通過數據的流動和分析，進一步實現智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸，最終將構建出新商業模式，催生出新業態。由工業互聯網的核心要義可其衍生出建筑工業互聯網、產業互聯網、建筑產業互聯網。筆者認為，可行性強的建筑工業化路徑模式為“四段式模式”，即：①階段1 工業互聯網(通用型)，發源于制造業，以智能工廠為核心，拓展產業互聯網；②階段2 行業工業互聯網(專業型)，是工業互聯網的某個分支；③階段3 產業互聯網(通用型)，以服務于產業發展為目的，以產業鏈協作為根本特征；④階段4 行業產業互聯網(專業型)，是產業互聯網的某個分支。目前，建筑工業化特別是在中國建造環境下的建筑工業化尚無清晰的定義。作為工業門類中的一大類，建筑業應遵循工業體系的一般規律。建筑工業互聯網可看作是工業互聯網的一個垂直分支，建筑產業互聯網亦可看作是產業互聯網的一類。基于以上分析，本文給出一種對建筑工業化發展路徑的理解，如圖3所示。

圖3 建筑工業化發展路徑

若以企業平臺為邊界，建筑工業互聯網可理解為包括企業內部和企業外部兩大組成部分的建筑工業體系，如圖4所示。

圖4 基于智能工廠內外互聯的建筑工業互聯網架構

整個建筑工業互聯網分為2個層級：工廠內部和工廠外部。工廠內部的主要功能實現為：①產品、設備(點)智能化；②產線、工藝流程(線)智能化；③車間(面)智能化；④工廠(體)智能化。

智能工廠的8個組成要素為：①智能控制；②智能傳感；③機器人；④智能物流；⑤檢驗測試；⑥數據分析；⑦人機交互；⑧智能管理。工廠外部的主要功能實現為：①產業鏈上下游協作；②企業間協作；③產業集群協作；④產業生態協作。

3.3 綠色智慧建筑產業互聯網

消費互聯網的服務目標主要集中在線上和個人消費者，難以解決產品開發、產業發展、實體經濟發展、服務價值提升、生產效率提升等產業核心問題。產業互聯網以服務于實體經濟發展為主要目標，關注產業鏈供給側的產品制造、制造商、服務商和需求側的場景需求，通過互聯網技術對產業鏈進行整合優化，理順產業上下游關系，去除中介、不增值環節，推動產業鏈組成環節向高增值服務、高價值輸出方向轉化，實現對生產關系的優化改造和對生產力的賦能提升。

建筑產業互聯網是一類服務于建筑行業的特定產業互聯網，其目的是實現建筑業供應鏈的效率提升、成本降低，強調從全產業供應鏈角度，通過互聯網、大數據、數字孿生等技術手段，構筑更加完整、科學、合理、廣泛的產業服務體系。建筑產業互聯網構建建筑業核心能力與現代服務基礎設施，以價值為紐帶銜接各利益相關方，通過資源整合、資源共享和服務輸出實現價值再造，促進建筑業生產方式向智能制造轉變、服務方式向共享服務轉變、價值創造方式向合作共贏轉變，為建筑業轉型升級奠定堅實基礎。

中國綠色智慧建筑產業互聯網的研究始于住建部科技課題研究開發項目“5G綠色智慧建筑產業互聯網關鍵技術研發及示范應用”。課題通過對綠色智慧建筑產業公共服務平臺、綠色智慧建筑全生命周期關鍵技術的研究，探索現代信息技術——5G，AI、物聯網、云計算、大數據、虛擬現實、遙感技術、工業互聯網等與綠色建筑產業的融合應用方法及實現路徑，探索數字經濟背景下能夠促進綠色智慧建筑產業可持續發展的“賦能平臺+示范項目”新模式。住房和城鄉建設部國家級綠色智慧建筑產業互聯網平臺基礎架構如圖5所示。平臺總部設在住房和城鄉建設部，全國各省市設置若干分節點平臺，節點平臺經評估滿足條件后可納入節點體系，共同構筑起全國一體化綠色智慧建筑產業互聯網體系——“綠色智慧建筑一張網”。

圖5 中國綠色智慧建筑產業互聯網基礎架構

中國綠色智慧建筑產業互聯網建設內容包括以下6個維度——平臺、產業鏈、產品、標識、安全、工程：綠色智慧建筑產業互聯網平臺，綠色智慧建筑產業鏈，綠色智慧建筑產品，綠色智慧建筑產業互聯網標識，綠色智慧建筑產業互聯網安全，綠色智慧建筑產業互聯網工程。包括12個重點板塊(領域產業集群)：一期選擇12個相對成熟、產業發展前景好的垂直綠色智慧建筑產業互聯網板塊進行深度構建和發展，二期、三期會根據產業成熟度不斷增加新版塊。一期綠色智慧建筑產業互聯網重點板塊包括：裝配式建筑產業互聯網、綠色建筑材料產業互聯網、建筑能源產業互聯網、智能家裝產業互聯網、數字家庭產業互聯網、綠色智慧社區產業互聯網、綠色智慧工地產業互聯網、建筑機器人產業互聯網、工程機械產業互聯、BIM/CIM產業互聯網、自動駕駛+城市基礎設施產業互聯網、智慧風景園林產業互聯網。重點研究突破的理論和技術包括：綠色智慧建筑產業互聯網體系架構，綠色智慧建筑供應鏈，綠色智慧建筑產業大數據AI挖掘分析及智能計算，綠色智慧建筑知識工程，綠色智慧建筑產業互聯網安全及AI治理，綠色智慧建筑產業互聯網數字孿生。

3.4 城市信息模型(CIM)

CIM(city information modeling)是貫徹落實黨中央、國務院關于建設網絡強國、數字中國、智慧社會的戰略部署，指導各地開展城市信息模型基礎平臺建設的重要舉措。2020年召開的全國住房和城鄉建設工作會議在部署年度重點工作任務時提出，要加快構建部、省、市三級CIM平臺建設框架體系。目前，CIM已成為推進新城建戰略的主要抓手，CIM在廣州、南京等試點城市已經取得了較好應用成效，全國各地在新一輪的智慧城市建設項目招標中明確提出采用CIM。CIM是在BIM基礎上拓展的一項新技術，同時也是一種新建設模式和新發展理念。CIM將建筑信息模型上升到城市信息模型，容納了更多數字技術要素，更加注重業務系統建模，更加注重技術的優化(例如模型輕量化)，亦更加強調數字技術與城市業務的相互滲透與深度融合。CIM的研究與發展仍處于起步期，其內涵、理論及實踐體系均需不斷豐富和完善，CIM與數字孿生建筑、數字孿生城市的關系及相互支撐方法仍需嚴謹論證和不斷探索。本文認為，以CIM大數據為切入點，以城市知識智算模型為核心，構建、開發、優化數字孿生城市將是“十四五”時期我國新型智慧城市建設發展的有效路徑。

以CIM知識智算平臺為管控中心構建出云邊端一體化CIM知識工程是當前行之有效的技術方案。CIM知識智算平臺是指以城市業務知識智能建模與智能計算為核心的CIM基礎平臺，綜合采用知識圖譜、數字孿生、管理與決策軟件機器人等技術實現對城市知識的統一加工、處理及智能演算。知識在數據的基礎上作了進一步凝練與提升，將數據轉化為計算機能夠理解的語義，是對原始數據的智能化、規范化、程序化表達，直接用于知識庫、規則庫的構建，進一步參與推理模型計算，因此從智能系統模型的角度看知識比數據更加實用。CIM知識智算平臺強調的是城市知識計算，而非以往的數據直接計算，這對面向海量大數據的城市實時計算來講是非常便捷實用的方法。基于CIM知識智算平臺的數字孿生城市應重點關注并解決以下關鍵問題：城市部件空天地統一編碼，多規合一統籌規劃設計，數據可控化共享，數據融合模型(BIM+GIS與物聯網數據深度融合并建立融合模型)，知識智算模型(采用智慧專家系統、知識圖譜等理論)，魯棒決策模型(降低決策不確定性)。CIM知識智算平臺及CIM知識工程的構建應以建筑產業互聯網智能知識體系為基礎支撐。可以預測，未來發展潛力大、市場前景好的建筑產業互聯網具體形態是5G/6G綠色智慧建筑產業互聯網。建筑工業化4.0應建立具有發現城市治理一般規律和增強城市治理能力的“智能知識體系”，同時應以建筑產業互聯網為基礎搭建“神經網絡體系”。

3.5 數字孿生建筑

黨的十八大以來，習近平總書記在推進政治、經濟、軍事、科學、文化等方面的思維和決策，表現出系統思維方法的科學性與系統性。主要體現在：注重用系統思維方法來推進黨和國家治理體系的變革。注重系統的整體性和要素與要素的協同性。注重系統的開放性與環境的協調性。注重系統的重點突破與整體推進。注重解決非平衡問題，推進系統走向動態平衡。在系統思維的啟發與指導下，數字孿生仍需結合實際應用持之以恒的探索，以使其發揮更大作用，為經濟社會發展提供通用智能基礎設施。基于數字孿生建筑系統集成實現數字孿生城市及城市信息模型是系統思維方法的一個典型實踐，為系統思維方法的實踐提供了案例。期待能夠基于該思路持續推進我國建筑產業數字化轉型升級，持續推進我國新型城鎮化高質量建設發展。

數字孿生是一個對物理實體或流程的實時數字化鏡像，以數據為線索實現對物理實體的全周期集成與管理，實現數據驅動的信息物理系統雙向互控及混合智能決策，人工智能貫穿于整個系統。數字孿生至少包含6個維度：系統仿真與多模型驅動(SM)，數據線索與數據全周期(DT)，知識模型與知識體系(KM)，CPS雙向自主控制(AC)，混合智能決策(ID)，全局人工智能(AI)。數字孿生內涵可基于六維度表達，數字孿生={SM，DT，KM，AC，ID，AI}。數字孿生的基礎是計算機輔助(CAX)軟件(尤其是廣義仿真軟件)。在工業界，人們用軟件來模仿和增強人的行為方式，增強人機交互能力。典型的模擬如：用CAD軟件模仿產品的結構與外觀，CAE軟件模仿產品在各種物理場情況下的力學性能，MES軟件模仿車間生產的管理過程，BIM軟件模擬建筑構件及建筑工程管理。

數字孿生建筑(digital twin building，DTB)是指綜合運用BIM，GIS、物聯網、人工智能、大數據、區塊鏈、智能控制、系統建模與仿真、工程管理等技術，以建筑物為載體的信息物理系統。它可以看作是數字孿生系統在建筑物載體上的一個具體實現。數字孿生建筑的目標是實現建筑規劃、設計、施工、運營的一體化管控，繪制智慧建筑系統集成“一張圖”，構建智能建筑集成管理“一盤棋”，打造建筑產業服務“一站式”。數字孿生建筑為建筑產業現代化提供了新思維和新方法，同時也為建筑智能化由工程技術向工程與管理融合轉變開辟了新途徑。建筑數字孿生系統可分為建筑物理孿生體和建筑數字孿生體兩部分，對應建筑物理空間和建筑信息空間，以數據為紐帶實現建筑信息物理系統的系統集成，以控制算法與模型為核心實現虛實建筑間的知識交互與迭代優化。建筑數字孿生體從數據和模型的角度，依據復雜系統控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學性和落地性都極強的解決方案。基于數字孿生理論和方法發展起來的智慧建筑系統集成新方法，有可能成為未來5年內智慧建筑系統集成理論與工程實踐的主導模式。基于數字孿生建筑和建筑信息模型，可構建出由模型到系統再到體系的微觀與宏觀一體化的智慧建筑系統集成模式，真正實現基于模型的建筑系統工程。進一步，可基于數字孿生建筑系統集成實現真正意義上的城市信息模型和數字孿生城市。

如果將建筑看作一種物理系統，那么智慧建筑系統集成就可看作是人(人類智慧)、建筑物理實體、建筑信息虛體三者的融合。在以海量大數據、人工智能、5G物聯網、區塊鏈可信計算為主要技術代表的智能時代，智慧建筑系統集成的內涵呈現出“五全”綜合特征：全域立體感知、全系統可信互聯、全體系精準管控、全數據智能決策、全景實時可視交互。在以上特征不斷深化發展的基礎上，智慧建筑系統集成正朝著數字孿生建筑方向快速演進。數字孿生建筑是數字建筑與物理建筑的融合體，其技術模式的核心是數據線程和模型體系。數字孿生建筑是智慧建筑系統集成的有效方法與根本路徑。

4 我國智能建造發展展望

目前，圍繞著智能建造這一主題，建筑機器人、建筑工業互聯網、建筑產業互聯網、數字孿生建筑、城市信息模型等技術和產業正處于快速發展狀態，相關理論和實踐體系正得到不斷完善，產業呈現出強勁的發展勢頭，市場空間巨大，發展前景光明。

未來，基于現實中出現的短板和不足，結合產業發展的實際需求，建議從以下3個方面繼續加強研究和實踐。①應以多學科融合、多思維模型綜合為理論出發點，以實際場景需求為原始驅動力，將技術體系與應用體系緊密融合起來，實現有機的、簡潔的、科學的相互滲透，爭取在短時期內探索出一條符合我國建筑產業和城市建設特點的智能化發展新路徑。②加強對人工智能、數字孿生這類偏工業化基因的理論和技術的研究與投入，在工業智能化的驅動下大力發展綠色智慧建造和綠色智慧城市，并為產業發展帶來新動能、新方向。③堅持系統思維，打通智能制造和智能建造的邊界，不斷探索和實踐智能制造與智能建造相互賦能、相互促進的新型發展模式，基于中國市場給出中國方案、中國模式。