當(dāng)前的建筑業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)深刻變革，在先進(jìn)技術(shù)整合的推動(dòng)下，行業(yè)的生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益正在被推向新高[1]。迄今為止，智能建造技術(shù)已在工業(yè)4.0的框架下持續(xù)發(fā)展，而為實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)型目標(biāo)所整合的自動(dòng)化與信息技術(shù)體系被稱(chēng)為“建筑4.0”[2]。智能建造技術(shù)涵蓋建筑信息模型（BIM）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、機(jī)器人以及基于人工智能（AI）的專(zhuān)業(yè)決策支持系統(tǒng)等一系列創(chuàng)新成果。本文旨在探討這些技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及其在全球范圍內(nèi)可能產(chǎn)生的影響。
一種被稱(chēng)為“建筑5.0”的新型產(chǎn)業(yè)范式正在形成，其目標(biāo)是在延續(xù)“建筑4.0”成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)性、人類(lèi)/社會(huì)福祉以及應(yīng)對(duì)氣候變化與頻發(fā)自然災(zāi)害的基礎(chǔ)設(shè)施韌性等拓展性目標(biāo)。多家行業(yè)權(quán)威媒體，如Construction Dive [3]和Geo Week News [4]，對(duì)日益增多的計(jì)算機(jī)輔助工具、傳感系統(tǒng)解決方案、自動(dòng)化控制技術(shù)、生成式AI模型以及其他變革性技術(shù)特征給予了充分關(guān)注——這些創(chuàng)新成果正在重塑建筑行業(yè)的每個(gè)細(xì)分領(lǐng)域及相關(guān)商業(yè)活動(dòng)。
在“建筑4.0”框架下[2]，當(dāng)前應(yīng)用的智能建造技術(shù)呈現(xiàn)出多樣化的實(shí)施手段與方法體系，并包含源于信息與通信技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的各類(lèi)決策支持工具。
BIM已成為一項(xiàng)成熟技術(shù)[5]，在發(fā)達(dá)國(guó)家它已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑實(shí)踐的標(biāo)志性工具。BIM通過(guò)創(chuàng)建物理結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵性能參數(shù)的數(shù)字化孿生模型，實(shí)現(xiàn)了三大核心價(jià)值：提升可視化水平；促進(jìn)設(shè)計(jì)師、施工方、材料供應(yīng)商與設(shè)備廠(chǎng)商之間的協(xié)同作業(yè)[6]；以及優(yōu)化全生命周期項(xiàng)目管理。BIM允許利益相關(guān)方參與從設(shè)計(jì)到拆除再到回收的項(xiàng)目全流程，從而有效減少設(shè)計(jì)失誤、降低建設(shè)成本并縮短工期。如今，幾乎所有大型建筑公司和項(xiàng)目業(yè)主均采用BIM，以提高建筑師、工程師、承包商、供應(yīng)商及咨詢(xún)團(tuán)隊(duì)間的溝通效率。在虛擬與混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用以及人機(jī)交互方面，BIM功能迭代正加速推進(jìn)，尤其體現(xiàn)在那些能夠?qū)Ⅻc(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入模型中從而自動(dòng)生成實(shí)際建成狀態(tài)更新的技術(shù)。
IoT正在徹底改變建筑工地的運(yùn)營(yíng)模式。通過(guò)部署各類(lèi)傳感器與互聯(lián)設(shè)備，可實(shí)時(shí)采集材料和設(shè)備使用狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等全維度項(xiàng)目數(shù)據(jù)。這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)、減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間并強(qiáng)化安全管控機(jī)制[7]。例如，搭載生物醫(yī)學(xué)傳感器的可穿戴設(shè)備[8]能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)工人的生命體征，在健康異常或突發(fā)狀況時(shí)立即發(fā)出警報(bào)。此外，配備IoT技術(shù)的智能機(jī)器可實(shí)時(shí)評(píng)估自身運(yùn)行質(zhì)量、預(yù)警潛在故障并優(yōu)化燃料/能源消耗與作業(yè)效率。更為重要的是，IoT系統(tǒng)能持續(xù)監(jiān)測(cè)建成設(shè)施的結(jié)構(gòu)性能，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可供設(shè)施使用者與管理者參考的有價(jià)值的信息。
2.3. 機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)
建筑領(lǐng)域機(jī)器人技術(shù)的首個(gè)概念設(shè)計(jì)與原型機(jī)[9]可追溯至20世紀(jì)70年代末的蘇聯(lián)[10]。十年后，日本大型建筑企業(yè)在機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域取得重大突破。當(dāng)前，建筑機(jī)器人技術(shù)[11]的應(yīng)用市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大，尤其是在中國(guó)[12]。自主和半自主無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用于工地測(cè)繪、監(jiān)測(cè)與巡檢作業(yè)，相較于傳統(tǒng)作業(yè)方式顯著降低時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。機(jī)械臂在土方開(kāi)挖、砌筑、焊接及混凝土澆筑等工序中展現(xiàn)高精度與高效率優(yōu)勢(shì)，有效提升生產(chǎn)力并降低人力成本。提升施工安全與職業(yè)健康水平是推動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的重要?jiǎng)右颉．?dāng)前研究前沿聚焦人機(jī)協(xié)作優(yōu)化配置，旨在通過(guò)將建筑拆除轉(zhuǎn)化為解構(gòu)回收[13]，從而實(shí)現(xiàn)建筑材料的循環(huán)利用與資源再生。
建筑行業(yè)也正在見(jiàn)證3D打印技術(shù)的興起[14]，該技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)限制，快速、經(jīng)濟(jì)地制造出各類(lèi)異形結(jié)構(gòu)性與非結(jié)構(gòu)性建筑構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)形狀與尺寸的多樣化定制。
區(qū)塊鏈技術(shù)在建筑領(lǐng)域[15]中的應(yīng)用有望重塑項(xiàng)目的采購(gòu)與締約流程。其中“智能合約”的實(shí)施潛力尤為引人注目，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)合同管理流程的全面自動(dòng)化，進(jìn)而對(duì)所有項(xiàng)目參與方產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
AI技術(shù)正在革新建筑行業(yè)的決策流程[16]。機(jī)器學(xué)習(xí)算法通過(guò)分析海量項(xiàng)目數(shù)據(jù)，識(shí)別趨勢(shì)并預(yù)測(cè)結(jié)果。例如，AI技術(shù)可以通過(guò)分析項(xiàng)目數(shù)據(jù)優(yōu)化施工進(jìn)度安排，從而輔助資源分配與風(fēng)險(xiǎn)管理。此外，AI驅(qū)動(dòng)的軟件可以輔助生成精準(zhǔn)的成本估算并優(yōu)化工期管理。大型語(yǔ)言模型[17]及其配套軟件展現(xiàn)出顛覆性潛力，有望從概念規(guī)劃、設(shè)計(jì)、成本估算、采購(gòu)、項(xiàng)目工程管理到設(shè)施運(yùn)維、改造更新、拆除和回收等環(huán)節(jié)，全面重塑建筑項(xiàng)目全生命周期的運(yùn)作模式。
雖然智能建筑技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但其全球應(yīng)用程度存在顯著差異。中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等主要經(jīng)濟(jì)體憑借雄厚的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與高素質(zhì)人才儲(chǔ)備，在BIM、機(jī)器人技術(shù)及IoT應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。在荷蘭、丹麥、瑞士、以色列、韓國(guó)、澳大利亞等規(guī)模相對(duì)較小的經(jīng)濟(jì)體，智能建造技術(shù)同樣在推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步中發(fā)揮關(guān)鍵作用。得益于政府與私營(yíng)部門(mén)對(duì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的持續(xù)投入，上述技術(shù)在這些國(guó)家的整合應(yīng)用更為深入。整體而言，智能建造項(xiàng)目及其相關(guān)產(chǎn)品與服務(wù)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將保持穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[18]。
在大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家，采用智能建造技術(shù)手段與方法仍面臨著重大挑戰(zhàn)。技術(shù)獲取渠道受限、培訓(xùn)體系不完善以及資金約束等因素阻礙了技術(shù)推廣進(jìn)程。盡管如此，這些國(guó)家正日益認(rèn)識(shí)到技術(shù)創(chuàng)新的重要價(jià)值，許多國(guó)家正著手投資數(shù)字技能培訓(xùn)與基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)。
智能建造[19]技術(shù)的未來(lái)前景廣闊，多個(gè)發(fā)展趨勢(shì)有望在未來(lái)數(shù)年內(nèi)重塑行業(yè)格局。
隨著AI技術(shù)的不斷進(jìn)步，其與施工流程的融合將不斷深化。未來(lái)的建筑工地或可廣泛應(yīng)用自動(dòng)駕駛車(chē)輛與無(wú)人機(jī)集群，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與分析，從而推動(dòng)項(xiàng)目管理效率的躍升。AI技術(shù)還將在優(yōu)化安全規(guī)程、事故萌芽階段預(yù)判潛在風(fēng)險(xiǎn)等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，AI或?qū)⒅厮芪磥?lái)建筑機(jī)器人的環(huán)境感知與控制邏輯[20]。
在可持續(xù)發(fā)展實(shí)踐日益緊迫的背景下，智能建造技術(shù)將成為推動(dòng)綠色建筑戰(zhàn)略的關(guān)鍵。能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)環(huán)境變化的智能材料與高效節(jié)能施工方法等創(chuàng)新成果有望實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。此外，依托數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)全生命周期追蹤材料性能的“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”[21]模式將加速普及，其核心價(jià)值在于促進(jìn)資源循環(huán)利用與廢棄物減量。
如上所述，“建筑5.0”的新產(chǎn)業(yè)范式正在形成[22]。這一范式以IoT、AI、自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)等現(xiàn)有建筑技術(shù)為基礎(chǔ)，新增了三個(gè)核心側(cè)重點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展、提升行業(yè)利益相關(guān)者福祉以及增強(qiáng)災(zāi)害抵御能力。
4.3. 協(xié)同平臺(tái)和數(shù)字孿生技術(shù)
數(shù)字孿生（即物理資產(chǎn)的虛擬電子復(fù)制體）這一概念將日益普及[23]。此類(lèi)平臺(tái)將促進(jìn)項(xiàng)目利益相關(guān)方之間的實(shí)時(shí)協(xié)作，并能夠根據(jù)持續(xù)分析和反饋即時(shí)進(jìn)行調(diào)整。這種程度的整合可顯著降低成本并提升項(xiàng)目成果。
在地球上成功掌握智能建造的技術(shù)手段與方法是未來(lái)開(kāi)展外層空間[24]探索性與商業(yè)性[25]建設(shè)相關(guān)活動(dòng)的必要前提。美國(guó)、歐洲及中國(guó)等由政府支持的航天機(jī)構(gòu)正積極推進(jìn)源自地球智能建造解決方案的相關(guān)技術(shù)研發(fā)與測(cè)試。早在20世紀(jì)80年代美國(guó)柏克德公司（Bechtel Corporation）的商業(yè)計(jì)劃中，就已出現(xiàn)對(duì)大型工程建設(shè)企業(yè)設(shè)立太空建設(shè)部門(mén)的構(gòu)想，相關(guān)規(guī)劃延續(xù)至今。
十年前，美國(guó)計(jì)算研究協(xié)會(huì)旗下智庫(kù)——美國(guó)計(jì)算社區(qū)聯(lián)盟（US Computing Community Consortium）就曾指出，必須加快建筑行業(yè)在性能傳感與分析技術(shù)、性能信息建模與仿真技術(shù)、自主化作業(yè)技術(shù)等領(lǐng)域的創(chuàng)新解決方案研發(fā)進(jìn)程[26]。如今，十年過(guò)去，這些領(lǐng)域及相關(guān)方向已形成的技術(shù)儲(chǔ)備正為實(shí)現(xiàn)“建筑5.0”范式目標(biāo)提供支撐。智能建造技術(shù)通過(guò)提升效率、保障安全、促進(jìn)可持續(xù)性等維度重塑建筑產(chǎn)業(yè)格局。盡管智能建造已在基礎(chǔ)設(shè)施完備的發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)取得顯著突破，但其在全球欠發(fā)達(dá)區(qū)域仍面臨技術(shù)應(yīng)用困境。未來(lái)，AI、IoT與機(jī)器人技術(shù)的深度融合將釋放更大潛能，綠色可持續(xù)發(fā)展理念也將獲得更深層次的工程實(shí)踐響應(yīng)[27]。隨著全球建筑行業(yè)不斷向節(jié)能和碳中和解決方案演進(jìn)，采用這些創(chuàng)新技術(shù)對(duì)于滿(mǎn)足快速變化的世界及其產(chǎn)業(yè)需求至關(guān)重要。通往更智能、更安全、更可持續(xù)的建筑發(fā)展進(jìn)程，以及實(shí)現(xiàn)其全部技術(shù)潛力的旅程才剛剛開(kāi)始，由此帶來(lái)的裨益或?qū)⒊掷m(xù)數(shù)十年之久。
多個(gè)國(guó)際組織，包括國(guó)際建筑自動(dòng)化與機(jī)器人協(xié)會(huì)[28]、國(guó)際智能建造學(xué)會(huì)[29]以及國(guó)際智能建造與生產(chǎn)學(xué)會(huì)[30]，正致力于引領(lǐng)智能建造技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展。多本學(xué)術(shù)期刊，如《建筑自動(dòng)化》（Automation in Construction）、《智能建造》（AI in Civil Engineering）、《智能建造與智慧運(yùn)維》（Smart Construction）、《智能建造與可持續(xù)城市》（Smart Construction and Sustainable Cities）、《智能基礎(chǔ)設(shè)施與建筑》（Smart Infrastructure and Construction）、《智能建筑研究》（Smart Construction Research）以及《智能建造學(xué)報(bào)》（Journal of Intelligent Construction），聚焦于體現(xiàn)智能建造全領(lǐng)域方法與技術(shù)的主題。未來(lái)亟需在這些實(shí)體之間建立新的協(xié)同機(jī)制，并加強(qiáng)各機(jī)構(gòu)利益相關(guān)方之間的合作。
智能建造技術(shù)的轉(zhuǎn)移中面臨諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)必須通過(guò)未來(lái)研究與開(kāi)發(fā)加以解決。建筑行業(yè)具有高度競(jìng)爭(zhēng)性，因此成功的技術(shù)轉(zhuǎn)移需要可靠且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，這對(duì)于發(fā)展中國(guó)家實(shí)現(xiàn)智能建造尤為重要，因?yàn)檫@些國(guó)家缺乏資金和人員培訓(xùn)，獲取先進(jìn)技術(shù)知識(shí)的渠道有限。必須開(kāi)發(fā)新型、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活的技術(shù)轉(zhuǎn)移模式，才能使智能建造技術(shù)在全球范圍內(nèi)真正落地應(yīng)用。
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