文／丘家琪 美國(guó)雪城大學(xué) 碩 士

美國(guó)SMITHGROUP 建筑事務(wù)所 二級(jí)建筑師

深圳投資控股集團(tuán)、深圳智慧城市科技發(fā)展集團(tuán)相關(guān)課題組 研究成員

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展特別是城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)，包括建筑業(yè)在內(nèi)的諸多行業(yè)在穩(wěn)定增長(zhǎng)的同時(shí)，都面臨著人力成本上升和勞動(dòng)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(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為建筑行業(yè)提供了新的發(fā)展契機(jī)[1]。以智能化和數(shù)字化為著眼點(diǎn)，以建筑業(yè)高質(zhì)量、高效率、低成本發(fā)展為目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的精細(xì)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(guān)研究和工程實(shí)踐，已成為本行業(yè)的研究或關(guān)注熱點(diǎn)發(fā)，分別通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)（中文）和Web of Science（英文）學(xué)術(shù)資源平臺(tái)，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(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，近20 年來(lái)相關(guān)中英文期刊論文高達(dá)數(shù)千篇，其中知網(wǎng)近5 年來(lái)高度關(guān)聯(lián)的相關(guān)論文約為1200篇，相關(guān)研究引證如圖1 所示。

圖1 建筑智慧化相關(guān)科技論文引證圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

具體而言，建筑智慧化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域智慧化發(fā)展的基礎(chǔ)，更是建設(shè)智慧城市的核心要素。廣義的智慧建筑須實(shí)現(xiàn)建造和運(yùn)維管理全過(guò)程的智能化，包括智慧化設(shè)計(jì)、智慧化施工、智慧化運(yùn)營(yíng)、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(huì)的綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，如2020 年國(guó)家制定的“雙碳目標(biāo)”戰(zhàn)略[3,4]。作為智慧建筑的首要環(huán)節(jié)，智慧化設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期智慧化和構(gòu)建智慧城市有著基石的作用[5]。而目前對(duì)建筑智慧化設(shè)計(jì)的理論分析和工程實(shí)踐的相關(guān)研究較少。

綜上，本文首先探討建筑智慧化設(shè)計(jì)的含義、主體內(nèi)容和重要意義。其次將梳理國(guó)內(nèi)外智慧化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，總結(jié)其面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)而通過(guò)加強(qiáng)建筑智慧化設(shè)計(jì)促進(jìn)建筑行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)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(xiàng)目層面，提出了相應(yīng)的建議。

1 建筑智慧化設(shè)計(jì)

1.1 建筑智慧化設(shè)計(jì)的含義

本文所討論的建筑智慧化設(shè)計(jì)，是指基于智慧、綠色理念，以信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)以設(shè)計(jì)定義的工程項(xiàng)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(shè)。換言之，建筑的智慧化設(shè)計(jì)是智慧城市建設(shè)系統(tǒng)解決方案的前置條件或關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 建筑智慧化設(shè)計(jì)的主體內(nèi)容

建筑智慧化設(shè)計(jì)包括對(duì)環(huán)境的模擬仿真、設(shè)計(jì)方案的比選、成本預(yù)算的控制、多專業(yè)協(xié)同等方面[6]。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)階段，具體的智慧化設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：概念設(shè)計(jì)階段，主要利用智慧化技術(shù)進(jìn)行可行性研究，如場(chǎng)地環(huán)境模擬仿真；草圖設(shè)計(jì)階段，主要利用智慧化技術(shù)進(jìn)行多方案比選，即通過(guò)使用智慧化技術(shù)手段，調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)比分析不同方案之間的優(yōu)缺點(diǎn)；初步設(shè)計(jì)階段，主要使用軟件對(duì)建筑的各種環(huán)境進(jìn)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(xiàng)目的環(huán)境狀態(tài)；施工圖設(shè)計(jì)階段，使用多專業(yè)協(xié)同軟件進(jìn)行碰撞檢查、形成3D 施工圖等[7]。

1.3 建筑智慧化設(shè)計(jì)的重要意義

早在2006 年，吳志強(qiáng)院士針對(duì)IBM 提出的“SMART PLANET”和世博會(huì)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(gè)必然的過(guò)程：一個(gè)讓城市越來(lái)越好的過(guò)程[8]。作為智慧城市的重要組織，建筑業(yè)，特別是建筑設(shè)計(jì)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(guān)理論和技術(shù)的進(jìn)步和解決工程實(shí)際問(wèn)題能力的提升，建筑智慧化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行，且需要不斷迭代演進(jìn)，也需要與“本原設(shè)計(jì)”思想相互融合[9]。

建筑的智慧化設(shè)計(jì)，盡管從狹義上來(lái)看僅僅是提高了項(xiàng)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(lái)看其對(duì)智慧城市的發(fā)展有著巨大的推動(dòng)作用[10]。如圖2 所示，在實(shí)現(xiàn)建筑智慧化設(shè)計(jì)后，建筑有望實(shí)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(shù)的支撐下，建筑具有智能感知的能力。通過(guò)結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)），實(shí)時(shí)對(duì)建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸，進(jìn)而打造數(shù)字孿生信息化平臺(tái)，整個(gè)過(guò)程中相關(guān)利益方可以實(shí)時(shí)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(shí)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?xì)獾认到y(tǒng)進(jìn)行全面的結(jié)合，最終可實(shí)現(xiàn)智慧城市的建設(shè)。

圖2 建筑智慧化與智慧城市（圖片來(lái)源：作者自繪）

2 國(guó)內(nèi)外建筑智慧化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)

BIM 技術(shù)快速發(fā)展促使建筑智慧化設(shè)計(jì)成為可能。建筑信息模型的核心優(yōu)勢(shì)是對(duì)工程項(xiàng)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(guó)佐治亞理工學(xué)院的查克·伊士曼博士（Chuck Eastman,被譽(yù)為BIM 之父）率先提出，采用三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑工程的可視化分析和量化分析[13]。美國(guó)是最早啟動(dòng)建筑信息化研究應(yīng)用的國(guó)家，在2003 年實(shí)施的BIM 應(yīng)用項(xiàng)目（3D-4D-BIM），從全生命周期的角度來(lái)探索BIM 的應(yīng)用，包括土地空間規(guī)劃、進(jìn)度管理及建筑設(shè)備能耗分析等。新加坡早期也啟動(dòng)一個(gè)名為CORENET（Construction and Real Estate Network）的IT 項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目參與方信息高度共享，同時(shí)使用自動(dòng)化程序?qū)ㄖO(shè)計(jì)成果進(jìn)行數(shù)字化審查。BIM 技術(shù)在英國(guó)被建筑業(yè)廣泛采用，并納入相應(yīng)的法律法規(guī)，目前基本實(shí)現(xiàn)三維BIM 的應(yīng)用。韓國(guó)政府通過(guò)協(xié)同相關(guān)部門，制定了BIM 的標(biāo)準(zhǔn)體系，使得其在發(fā)展過(guò)程中處于領(lǐng)先地位。日本成立軟件聯(lián)盟，運(yùn)用國(guó)產(chǎn)化的BIM系列軟件，配套相應(yīng)的BIM 應(yīng)用指南，為設(shè)計(jì)院和施工企業(yè)提供了必要基礎(chǔ)。

我國(guó)的建筑智慧化設(shè)計(jì)同樣源于BIM 技術(shù)，其起步相對(duì)較晚，總體而言尚處在培育期和跟跑階段。近年來(lái)國(guó)家行業(yè)主管部門連續(xù)出臺(tái)政策，鼓勵(lì)支持BIM 技術(shù)和其他建筑信息化和智慧化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，并呈現(xiàn)迅猛增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。但從應(yīng)用或推廣的成效來(lái)看，由于管理機(jī)制的不完善和相關(guān)專業(yè)人才的不足，目前智慧化設(shè)計(jì)和應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)的普及率還是不高，且相關(guān)理論和技術(shù)的應(yīng)用更多局限于工程量計(jì)算等獨(dú)立環(huán)節(jié)，施工企業(yè)應(yīng)用較少，沒(méi)能充分發(fā)揮BIM 作為數(shù)據(jù)交互集成平臺(tái)的功能作用，因此其對(duì)行業(yè)或智慧城市的構(gòu)建作用十分有限。此外，BIM 等智慧化設(shè)計(jì)相關(guān)軟件和技術(shù)以國(guó)外為主，國(guó)產(chǎn)化的軟件或軟件開發(fā)與應(yīng)用仍處于起步階段，構(gòu)建以國(guó)產(chǎn)軟件或技術(shù)為基礎(chǔ)的智慧化面臨重大挑戰(zhàn)，但前景十分廣闊[13,14]。國(guó)內(nèi)外建筑智慧化設(shè)計(jì)應(yīng)用部分經(jīng)典案例如表1 所示。

表1 國(guó)內(nèi)外建筑智慧化設(shè)計(jì)經(jīng)典案例（表格來(lái)源：作者自制）

3 數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下建筑智慧化設(shè)計(jì)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題分析

近1 年來(lái)，我國(guó)在“十四五”規(guī)劃和“2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要”，都明確對(duì)建設(shè)數(shù)字中國(guó)作了相關(guān)的部署，勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域的重大變革。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下，建筑智慧化設(shè)計(jì)作為建設(shè)領(lǐng)域以數(shù)據(jù)要素驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，在服務(wù)智慧城市建設(shè)和新型建筑工業(yè)化發(fā)展中必將迎來(lái)重大歷史機(jī)遇，與此同時(shí)，其自身技術(shù)提升，解決實(shí)際問(wèn)題的能力也將面臨新的挑戰(zhàn)。

3.1 提升技術(shù)系統(tǒng)功能

信息技術(shù)的提升是智慧化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。現(xiàn)階段，雖然建筑設(shè)計(jì)相關(guān)軟件種類較多，但是存在信息交互困難的問(wèn)題，同時(shí)部分智慧化設(shè)計(jì)軟件是逆向設(shè)計(jì)，浪費(fèi)了時(shí)間和資源，對(duì)推動(dòng)項(xiàng)目沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的作用。要解決上述問(wèn)題，必須以建筑設(shè)計(jì)正向?qū)霝榛A(chǔ)，不斷豐富模型插件工具，進(jìn)一步規(guī)范數(shù)字交互協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等工程項(xiàng)目生命周期信息高度集成和共享。

3.2 服務(wù)智慧城市建設(shè)

建筑智慧化是實(shí)現(xiàn)智慧城市的第一步。在智慧化設(shè)計(jì)的起步階段，就要以目標(biāo)為導(dǎo)向，考慮整個(gè)城市系統(tǒng)的互聯(lián)互通，提前做好布局和規(guī)劃，加強(qiáng)一體化設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)建筑數(shù)字資產(chǎn)交付，聯(lián)通城市信息模型（CIM），構(gòu)筑智慧城市空間數(shù)字底座。要以智能識(shí)別、實(shí)時(shí)傳輸、動(dòng)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(tái)，為智慧城市建設(shè)打好基礎(chǔ)，不斷提高建筑智慧化是為智慧城市服務(wù)的意識(shí)，用大局觀和發(fā)展的眼光來(lái)推動(dòng)建筑智慧化設(shè)計(jì)。

3.3 助力新型建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變。建筑工業(yè)化是以綠色發(fā)展為理念，以技術(shù)進(jìn)步為支撐，以信息管理為手段，運(yùn)用工業(yè)化的生產(chǎn)方式，將工程項(xiàng)目的全過(guò)程形成一體化產(chǎn)業(yè)鏈。建筑領(lǐng)域工業(yè)化的顯著標(biāo)志就是裝配式建筑的產(chǎn)生。建筑智慧化設(shè)計(jì)與裝配式建筑是緊密聯(lián)系的，以設(shè)計(jì)定義裝配式建筑模塊構(gòu)件截面，構(gòu)建不同尺度靈活多樣構(gòu)件模塊數(shù)據(jù)庫(kù)。創(chuàng)新BIM、GIS、5G、大數(shù)據(jù)、云邊計(jì)算、3D 打印、人工智能數(shù)字技術(shù)融合應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工、工業(yè)化生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)管理等橫向到邊縱向到底的數(shù)據(jù)共享和運(yùn)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(shí)代的來(lái)臨，為各行業(yè)和全社會(huì)帶來(lái)了便利，但同時(shí)也產(chǎn)生了諸多風(fēng)險(xiǎn)因素。數(shù)據(jù)安全一直備受關(guān)注，在建筑智慧化設(shè)計(jì)過(guò)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(tái)軟件，但目前我國(guó)使用的BIM 類軟件還是以進(jìn)口為主，亟待提高關(guān)鍵基礎(chǔ)軟件平臺(tái)的自主研發(fā)能力，結(jié)合設(shè)計(jì)運(yùn)用，加強(qiáng)國(guó)產(chǎn)軟件研究開發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證，改善發(fā)展生態(tài)，加快智慧化設(shè)計(jì)相關(guān)軟件和技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化步伐，進(jìn)而保證空間數(shù)字底座數(shù)據(jù)安全。

4 結(jié)論與建議

建筑智慧化設(shè)計(jì)的發(fā)展需要多個(gè)層面的支撐和推動(dòng)?；A(chǔ)研究領(lǐng)域，要以技術(shù)進(jìn)步為核心，與產(chǎn)學(xué)研深度融合，加速智慧化技術(shù)的進(jìn)步，包括BIM 技術(shù)、3D 打印技術(shù)、裝配式技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能等技術(shù)。在工程實(shí)踐方面，相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員要積極反饋?lái)?xiàng)目遇到的問(wèn)題，尤其是應(yīng)用智慧化設(shè)計(jì)技術(shù)的過(guò)程中不斷提出新的問(wèn)題，持續(xù)的思考和改進(jìn)。具體而言，從國(guó)家政策、行業(yè)管理和項(xiàng)目實(shí)施層面的建議如下：

（1）政策支持層面。加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，完善涵蓋數(shù)字化轉(zhuǎn)型各參與方、各階段環(huán)節(jié)的政策支持體系。突出技術(shù)自主創(chuàng)新、場(chǎng)景應(yīng)用、人才培養(yǎng)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，營(yíng)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(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，成立行業(yè)技術(shù)聯(lián)盟和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，制定數(shù)字交互標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布操作指南，組織交流和培訓(xùn)，為數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

（3）項(xiàng)目實(shí)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(shè)計(jì)為抓手，創(chuàng)新業(yè)態(tài)模式，推進(jìn)數(shù)字技術(shù)融合發(fā)展，提高項(xiàng)目整體效益。