中国智能建造新技术新业态发展研究*

杜明芳

(清华大学，北京 100084)

1 产业发展情况

建筑业是我国国民经济的重要支柱产业。近年来，我国建筑业持续快速发展，产业规模不断扩大，建造能力不断增强，2019年，我国全社会建筑业实现增加值70 904亿元，比上年增长5.6%，占国内生产总值的7.16%，有力支撑了国民经济持续健康发展。近20年来，我国的建筑业信息化大致经历了起步期、发展期、高速发展期3个阶段。近年来，随着国家新型城镇化、工业化、智慧城市等战略的推进，建筑业信息化逐步走向智能化阶段，同时随着信息技术的快速发展，信息技术对建筑业的影响和渗透逐步加大，智能建造的需求日益加大。目前，我国的建筑智能化行业已经具备了相当可观的产业规模(见图1)，产业链正被加速构建和完善，智能建筑工程已经逐步落地到了各种类型建筑，医疗建筑、办公建筑、体育场馆、住宅建筑、轨道交通建筑等各细分产业领域发展迅速，并延伸渗透到周边产业及智慧城市，为我国的城乡建设和产业发展提供了有力支撑。

图1 近20年中国建筑智能化行业市场规模

2 政策环境

根据纽约、波特兰、多伦多和伦敦等城市的新立法，目标是到2030年，所有新建建筑达到碳中和，到2050年使现有建筑达到同样标准。2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会上提出我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。2020年12月，习近平总书记又宣布了为达成应对气候变化行动目标的一系列新举措。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标纲要》提出“制定2030年前碳排放达峰行动方案”。2021年4月，国家发展和改革委员会印发《2021年新型城镇化和城乡融合发展重点任务》，提出“建设宜居、创新、智慧、绿色、人文、韧性城市，推进城市现代化试点示范，使城市成为人民高品质生活的空间”。2020年8月，住房和城乡建设部等13部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，提出：我国到2025年，智能建造与建筑工业化协同发展的政策体系和产业体系基本建立，建筑工业化、数字化、智能化水平显著提高，建筑产业互联网平台初步建立，产业基础、技术装备、科技创新能力以及建筑安全质量水平全面提升，劳动生产率明显提高，能源资源消耗及污染排放大幅下降，环境保护效应显著。推动形成一批智能建造龙头企业，引领并带动广大中小企业向智能建造转型升级，打造“中国建造”升级版。

当前，在“碳达峰、碳中和”及新型城镇化、城乡融合发展的宏观大背景下，智能建造需求旺盛，无论是绿色发展、生态文明，还是建筑工业化，都与智能建造密切关联，智能建造相关政策、标准、理论、技术已出现亟待发展的局面。

3 智能建造新技术新业态

3.1 建筑机器人

应用于建筑环境的机器人近年来呈现出需求量激增的局面，市场潜能巨大。目前，能够服务于不同类型建筑的智能机器人通用技术和个性化技术都尚待系统性深入研究。智能机器人理论和技术与建筑场景之间的紧密融合成为新的研究课题。建筑机器人的研发和产业化应密切结合当前建筑业的实际场景需求，归纳总结不同类型建筑空间中智能机器人的共性技术问题及难点，从智能机器人感知、驱动及控制三大核心技术入手，从机器人学底层原理出发，系统性深入研究建筑机器人关键技术点，从研发不同类型机器人时用到的硬件电路、算法流程、算法模型等角度落实研发方案。建筑机器人的产业化要具有产品思维，应以标准化、模块化方式高效推进各品类建筑机器人的设计、研发、测试工作，应与产品和技术进展同步方式推进相关标准、规范的研制，应加强对产品理论原型与关键技术的创新，应加强对建筑机器人研发的专业性指导，使企业研发人员能够快速上手设计实用化的机器人。

根据前期对市场调研的结果，目前较为实用且未来前景好的建筑机器人有：铺路机器人，挖掘机器人，焊接机器人，砌墙机器人，喷涂机器人，安防机器人，消防机器人，安装机器人，管道检测机器人，模块化建筑装配机器人，垃圾分类机器人，擦玻璃机器人，个人健康管理机器人，审图机器人。未来，国产建筑机器人将朝着智能化、绿色化、标准化、普惠化方向发展。

与智能机器人的核心组成模块一致，高智能型建筑机器人至少应具备以下4个核心模块：①环境智能感知 用来检测、识别、理解周围环境；②运动自动控制 对机器人本体行为进行自动控制，对外界环境变化做出反应性动作；③自学习思考决策 根据环境感知模块得到的信息，综合运动控制反馈结果，通过自学习制定智能决策策略，思考采用什么样的管理与决策措施；④远程通信 通过5G，6G、物联网技术实现与外界的远程通信。环境智能感知模块中常采用的传感器包括视觉、超声波、接近、距离等非接触型传感器和感知力、压觉、触觉等的接触型传感器。运动自动控制模块包括控制器、压电元件、气动元件、行程开关等机电控制装置，移动机构有轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等类型。思考决策模块包括机器学习、规则判断、逻辑分析、综合理解等方面的类脑智力活动。以应用于家庭、办公建筑环境中的“个人健康助理机器人THROB”为例说明高智能型机器人系统技术原理。个人健康助理机器人系统组成及其相互关系如图2所示。

图2 高智能型机器人系统原理(以个人健康助理机器人THROB为例)

传感器是机器人的“眼睛”，目前制约建筑机器人产业化的最主要瓶颈之一是机器人传感器技术及作业环境智能模式识别算法与模型。应用于建筑领域的智能机器人传感器类型包括内部传感器和外部传感器。外部传感器用来检测机器人所处环境及状况(如抓取的物体是否滑落)，具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。内部传感器用来检测机器人本身状态(如手臂间角度)，多为检测位置和角度的传感器。内部传感器和电机、轴等机械部件或机械结构如手臂(arm)、手腕(wrist)等安装在一起，完成位置、速度、力度的测量，实现伺服控制。目前，视觉、力觉、触觉传感器已进入实用化阶段，听觉、嗅觉、味觉传感器技术正在快速进展中。新一代建筑机器人如多关节机器人、特种环境作业机器人则要求具有自校正能力、环境自适应能力、对外界辅助装置的弱依赖能力，依靠传感器信息融合及传感器信息驱动的自动控制能力越强，其自主等级就越高，智能化程度也越高。真正意义上的智能机器人，应是能在未知环境下仍可依靠自身内置的智能感知与控制系统实现自我学习、自主运动的机器人。

3.2 建筑工业互联网

随着全球工业化4.0战略的推进，工业互联网正在重塑产业链和价值链，正在为重构全球工业、激发生产力做出重要贡献，各种垂直行业领域的工业互联网在不久的将来会被开发出来，并通过运营产生巨大价值。智能工厂是工业互联网的核心，“互联”是工业互联网的基本功能，在此基础上通过数据的流动和分析，进一步实现智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸，最终将构建出新商业模式，催生出新业态。由工业互联网的核心要义可其衍生出建筑工业互联网、产业互联网、建筑产业互联网。笔者认为，可行性强的建筑工业化路径模式为“四段式模式”，即：①阶段1 工业互联网(通用型)，发源于制造业，以智能工厂为核心，拓展产业互联网；②阶段2 行业工业互联网(专业型)，是工业互联网的某个分支；③阶段3 产业互联网(通用型)，以服务于产业发展为目的，以产业链协作为根本特征；④阶段4 行业产业互联网(专业型)，是产业互联网的某个分支。目前，建筑工业化特别是在中国建造环境下的建筑工业化尚无清晰的定义。作为工业门类中的一大类，建筑业应遵循工业体系的一般规律。建筑工业互联网可看作是工业互联网的一个垂直分支，建筑产业互联网亦可看作是产业互联网的一类。基于以上分析，本文给出一种对建筑工业化发展路径的理解，如图3所示。

图3 建筑工业化发展路径

若以企业平台为边界，建筑工业互联网可理解为包括企业内部和企业外部两大组成部分的建筑工业体系，如图4所示。

图4 基于智能工厂内外互联的建筑工业互联网架构

整个建筑工业互联网分为2个层级：工厂内部和工厂外部。工厂内部的主要功能实现为：①产品、设备(点)智能化；②产线、工艺流程(线)智能化；③车间(面)智能化；④工厂(体)智能化。

智能工厂的8个组成要素为：①智能控制；②智能传感；③机器人；④智能物流；⑤检验测试；⑥数据分析；⑦人机交互；⑧智能管理。工厂外部的主要功能实现为：①产业链上下游协作；②企业间协作；③产业集群协作；④产业生态协作。

3.3 绿色智慧建筑产业互联网

消费互联网的服务目标主要集中在线上和个人消费者，难以解决产品开发、产业发展、实体经济发展、服务价值提升、生产效率提升等产业核心问题。产业互联网以服务于实体经济发展为主要目标，关注产业链供给侧的产品制造、制造商、服务商和需求侧的场景需求，通过互联网技术对产业链进行整合优化，理顺产业上下游关系，去除中介、不增值环节，推动产业链组成环节向高增值服务、高价值输出方向转化，实现对生产关系的优化改造和对生产力的赋能提升。

建筑产业互联网是一类服务于建筑行业的特定产业互联网，其目的是实现建筑业供应链的效率提升、成本降低，强调从全产业供应链角度，通过互联网、大数据、数字孪生等技术手段，构筑更加完整、科学、合理、广泛的产业服务体系。建筑产业互联网构建建筑业核心能力与现代服务基础设施，以价值为纽带衔接各利益相关方，通过资源整合、资源共享和服务输出实现价值再造，促进建筑业生产方式向智能制造转变、服务方式向共享服务转变、价值创造方式向合作共赢转变，为建筑业转型升级奠定坚实基础。

中国绿色智慧建筑产业互联网的研究始于住建部科技课题研究开发项目“5G绿色智慧建筑产业互联网关键技术研发及示范应用”。课题通过对绿色智慧建筑产业公共服务平台、绿色智慧建筑全生命周期关键技术的研究，探索现代信息技术——5G，AI、物联网、云计算、大数据、虚拟现实、遥感技术、工业互联网等与绿色建筑产业的融合应用方法及实现路径，探索数字经济背景下能够促进绿色智慧建筑产业可持续发展的“赋能平台+示范项目”新模式。住房和城乡建设部国家级绿色智慧建筑产业互联网平台基础架构如图5所示。平台总部设在住房和城乡建设部，全国各省市设置若干分节点平台，节点平台经评估满足条件后可纳入节点体系，共同构筑起全国一体化绿色智慧建筑产业互联网体系——“绿色智慧建筑一张网”。

图5 中国绿色智慧建筑产业互联网基础架构

中国绿色智慧建筑产业互联网建设内容包括以下6个维度——平台、产业链、产品、标识、安全、工程：绿色智慧建筑产业互联网平台，绿色智慧建筑产业链，绿色智慧建筑产品，绿色智慧建筑产业互联网标识，绿色智慧建筑产业互联网安全，绿色智慧建筑产业互联网工程。包括12个重点板块(领域产业集群)：一期选择12个相对成熟、产业发展前景好的垂直绿色智慧建筑产业互联网板块进行深度构建和发展，二期、三期会根据产业成熟度不断增加新版块。一期绿色智慧建筑产业互联网重点板块包括：装配式建筑产业互联网、绿色建筑材料产业互联网、建筑能源产业互联网、智能家装产业互联网、数字家庭产业互联网、绿色智慧社区产业互联网、绿色智慧工地产业互联网、建筑机器人产业互联网、工程机械产业互联、BIM/CIM产业互联网、自动驾驶+城市基础设施产业互联网、智慧风景园林产业互联网。重点研究突破的理论和技术包括：绿色智慧建筑产业互联网体系架构，绿色智慧建筑供应链，绿色智慧建筑产业大数据AI挖掘分析及智能计算，绿色智慧建筑知识工程，绿色智慧建筑产业互联网安全及AI治理，绿色智慧建筑产业互联网数字孪生。

3.4 城市信息模型(CIM)

CIM(city information modeling)是贯彻落实党中央、国务院关于建设网络强国、数字中国、智慧社会的战略部署，指导各地开展城市信息模型基础平台建设的重要举措。2020年召开的全国住房和城乡建设工作会议在部署年度重点工作任务时提出，要加快构建部、省、市三级CIM平台建设框架体系。目前，CIM已成为推进新城建战略的主要抓手，CIM在广州、南京等试点城市已经取得了较好应用成效，全国各地在新一轮的智慧城市建设项目招标中明确提出采用CIM。CIM是在BIM基础上拓展的一项新技术，同时也是一种新建设模式和新发展理念。CIM将建筑信息模型上升到城市信息模型，容纳了更多数字技术要素，更加注重业务系统建模，更加注重技术的优化(例如模型轻量化)，亦更加强调数字技术与城市业务的相互渗透与深度融合。CIM的研究与发展仍处于起步期，其内涵、理论及实践体系均需不断丰富和完善，CIM与数字孪生建筑、数字孪生城市的关系及相互支撑方法仍需严谨论证和不断探索。本文认为，以CIM大数据为切入点，以城市知识智算模型为核心，构建、开发、优化数字孪生城市将是“十四五”时期我国新型智慧城市建设发展的有效路径。

以CIM知识智算平台为管控中心构建出云边端一体化CIM知识工程是当前行之有效的技术方案。CIM知识智算平台是指以城市业务知识智能建模与智能计算为核心的CIM基础平台，综合采用知识图谱、数字孪生、管理与决策软件机器人等技术实现对城市知识的统一加工、处理及智能演算。知识在数据的基础上作了进一步凝练与提升，将数据转化为计算机能够理解的语义，是对原始数据的智能化、规范化、程序化表达，直接用于知识库、规则库的构建，进一步参与推理模型计算，因此从智能系统模型的角度看知识比数据更加实用。CIM知识智算平台强调的是城市知识计算，而非以往的数据直接计算，这对面向海量大数据的城市实时计算来讲是非常便捷实用的方法。基于CIM知识智算平台的数字孪生城市应重点关注并解决以下关键问题：城市部件空天地统一编码，多规合一统筹规划设计，数据可控化共享，数据融合模型(BIM+GIS与物联网数据深度融合并建立融合模型)，知识智算模型(采用智慧专家系统、知识图谱等理论)，鲁棒决策模型(降低决策不确定性)。CIM知识智算平台及CIM知识工程的构建应以建筑产业互联网智能知识体系为基础支撑。可以预测，未来发展潜力大、市场前景好的建筑产业互联网具体形态是5G/6G绿色智慧建筑产业互联网。建筑工业化4.0应建立具有发现城市治理一般规律和增强城市治理能力的“智能知识体系”，同时应以建筑产业互联网为基础搭建“神经网络体系”。

3.5 数字孪生建筑

党的十八大以来，习近平总书记在推进政治、经济、军事、科学、文化等方面的思维和决策，表现出系统思维方法的科学性与系统性。主要体现在：注重用系统思维方法来推进党和国家治理体系的变革。注重系统的整体性和要素与要素的协同性。注重系统的开放性与环境的协调性。注重系统的重点突破与整体推进。注重解决非平衡问题，推进系统走向动态平衡。在系统思维的启发与指导下，数字孪生仍需结合实际应用持之以恒的探索，以使其发挥更大作用，为经济社会发展提供通用智能基础设施。基于数字孪生建筑系统集成实现数字孪生城市及城市信息模型是系统思维方法的一个典型实践，为系统思维方法的实践提供了案例。期待能够基于该思路持续推进我国建筑产业数字化转型升级，持续推进我国新型城镇化高质量建设发展。

数字孪生是一个对物理实体或流程的实时数字化镜像，以数据为线索实现对物理实体的全周期集成与管理，实现数据驱动的信息物理系统双向互控及混合智能决策，人工智能贯穿于整个系统。数字孪生至少包含6个维度：系统仿真与多模型驱动(SM)，数据线索与数据全周期(DT)，知识模型与知识体系(KM)，CPS双向自主控制(AC)，混合智能决策(ID)，全局人工智能(AI)。数字孪生内涵可基于六维度表达，数字孪生={SM，DT，KM，AC，ID，AI}。数字孪生的基础是计算机辅助(CAX)软件(尤其是广义仿真软件)。在工业界，人们用软件来模仿和增强人的行为方式，增强人机交互能力。典型的模拟如：用CAD软件模仿产品的结构与外观，CAE软件模仿产品在各种物理场情况下的力学性能，MES软件模仿车间生产的管理过程，BIM软件模拟建筑构件及建筑工程管理。

数字孪生建筑(digital twin building，DTB)是指综合运用BIM，GIS、物联网、人工智能、大数据、区块链、智能控制、系统建模与仿真、工程管理等技术，以建筑物为载体的信息物理系统。它可以看作是数字孪生系统在建筑物载体上的一个具体实现。数字孪生建筑的目标是实现建筑规划、设计、施工、运营的一体化管控，绘制智慧建筑系统集成“一张图”，构建智能建筑集成管理“一盘棋”，打造建筑产业服务“一站式”。数字孪生建筑为建筑产业现代化提供了新思维和新方法，同时也为建筑智能化由工程技术向工程与管理融合转变开辟了新途径。建筑数字孪生系统可分为建筑物理孪生体和建筑数字孪生体两部分，对应建筑物理空间和建筑信息空间，以数据为纽带实现建筑信息物理系统的系统集成，以控制算法与模型为核心实现虚实建筑间的知识交互与迭代优化。建筑数字孪生体从数据和模型的角度，依据复杂系统控制与决策理论为建筑信息模型提供了科学性和落地性都极强的解决方案。基于数字孪生理论和方法发展起来的智慧建筑系统集成新方法，有可能成为未来5年内智慧建筑系统集成理论与工程实践的主导模式。基于数字孪生建筑和建筑信息模型，可构建出由模型到系统再到体系的微观与宏观一体化的智慧建筑系统集成模式，真正实现基于模型的建筑系统工程。进一步，可基于数字孪生建筑系统集成实现真正意义上的城市信息模型和数字孪生城市。

如果将建筑看作一种物理系统，那么智慧建筑系统集成就可看作是人(人类智慧)、建筑物理实体、建筑信息虚体三者的融合。在以海量大数据、人工智能、5G物联网、区块链可信计算为主要技术代表的智能时代，智慧建筑系统集成的内涵呈现出“五全”综合特征：全域立体感知、全系统可信互联、全体系精准管控、全数据智能决策、全景实时可视交互。在以上特征不断深化发展的基础上，智慧建筑系统集成正朝着数字孪生建筑方向快速演进。数字孪生建筑是数字建筑与物理建筑的融合体，其技术模式的核心是数据线程和模型体系。数字孪生建筑是智慧建筑系统集成的有效方法与根本路径。

4 我国智能建造发展展望

目前，围绕着智能建造这一主题，建筑机器人、建筑工业互联网、建筑产业互联网、数字孪生建筑、城市信息模型等技术和产业正处于快速发展状态，相关理论和实践体系正得到不断完善，产业呈现出强劲的发展势头，市场空间巨大，发展前景光明。

未来，基于现实中出现的短板和不足，结合产业发展的实际需求，建议从以下3个方面继续加强研究和实践。①应以多学科融合、多思维模型综合为理论出发点，以实际场景需求为原始驱动力，将技术体系与应用体系紧密融合起来，实现有机的、简洁的、科学的相互渗透，争取在短时期内探索出一条符合我国建筑产业和城市建设特点的智能化发展新路径。②加强对人工智能、数字孪生这类偏工业化基因的理论和技术的研究与投入，在工业智能化的驱动下大力发展绿色智慧建造和绿色智慧城市，并为产业发展带来新动能、新方向。③坚持系统思维，打通智能制造和智能建造的边界，不断探索和实践智能制造与智能建造相互赋能、相互促进的新型发展模式，基于中国市场给出中国方案、中国模式。