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BIM和人工智能、大数据的结合将会怎样改变建筑行业——专访卡耐基梅隆大学土木与环境工程系助理研究教授刘雪松

打印 0条评论来源:中国图学会BIM专业委员会

在国家大力发展装配式建筑的背景下,中国建筑业开启了行业的转型升级,在这一过程中,BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)这一建筑业的新工具正成为转型升级的重要实现形式,并在国家相关政策被多次提及。


2019年11月16日—17日,由中国图学会BIM专业委员会主办,筑友智造科技产业集团承办的第五届全国BIM学术会议将在长沙鑫远白天鹅酒店举行,作为具有全国影响力的BIM学术交流平台,该会议是国内唯一一个以BIM为主题的大型学术会议,现场汇集政府领导、全国BIM科技界专家、TOP30房企代表等,会议规模近600人,本届会议将首次聚焦装配式建筑领域的BIM发展,邀请国内外知名建筑相关行业BIM专家学者出席会议并作主题演讲,承办单位筑友智造科技产业集团还将现场发布最新BIM技术研发成果。



受发达国家与建筑行业改革发展的整体需求的影响,近年来BIM技术逐步在建筑工程领域普及推广。随着影响的不断加强,国家及各地政府也陆续推出相关BIM政策,如住建部发布的《2016-2020年建筑信息化发展纲要》中多次提及BIM,确定了以“十三五时期,全面提高建筑业信息化水平,着力增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用能力”为核心的发展规划;住建部发布的《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》中也明确提出了推进BIM应用的发展目标,即“到2020年末,建筑行业甲级勘察、设计单位以及特级、一级房屋建筑工程施工企业应掌握并实现BIM与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用等。”由此可见,基于BIM的设计、施工、运维等应用已经成为建筑业不可逆转的发展趋势,BIM将会在建筑业中占据越来越重要的位置。


我们有幸采访了卡耐基梅隆大学土木与环境工程系助理研究教授、博士生导师刘雪松先生,听他谈谈BIM、人工智能、大数据和建筑业的那些事。


采访实录


Q1、什么是BIM技术?


刘雪松:Building Information Model (BIM) - 建筑信息模型技术的概念在上世纪90年代提出后,泛指用于保存、表现、管理和分析建筑相关数据和信息的一系列技术、工具和过程,是实现建筑项目数字化、信息化和智能化的基础。建筑信息模型又被称为建筑信息建模 (Building Information Modeling),来强调BIM 不只是某一类文件或一种软件工具,而是在建筑各生命周期来统一协调的管理建筑信息的过程,其中既包括设计、建模工具,也涵盖可视化、分析、系统工作等软硬件产品,以及对建筑信息采集、管理、分析等实施过程和政策。BIM相关的软硬件技术均在飞速发展,因此对BIM技术的定义不应局限在某些工具和软件,而是通过BIM过程所要实现的目标和原则,例如信息的结构化和可交互性、数据表达标准化和参数化、全生命周期信息一致性等,来评判某些技术是否属于BIM过程。广义的BIM同时也突破了建筑项目的范畴,在大土木行业中的基础设施项目中也有应用,例如桥梁、隧道、地下管廊等。城市级别的信息化亦将BIM和GIS – 地理信息系统技术整合起来,为城市信息提供微观和宏观的多维度表达。

Q2、BIM技术是如何应用到建筑设计、施工和运维中的?


刘雪松:BIM技术在建筑设计中首先得到广泛引用,因为其参数化建模和3D虚拟模型相对于传统的2D图纸设计方法,对建筑设计的表达提供了直观、高效的工具。随着建筑项目的日趋复杂,参与到建筑项目中的设计、施工团队和工程师也越来越多,就给建筑行业的相关软件产品提出了新的课题 – 如何避免在用不同的软件设计、分析复杂的建筑信息时,需要重复的信息录入和手动整合,并保证在建筑项目全生命周期里信息不丢失和准确性。因此,在设计和施工过程中,BIM被重点应用在碰撞分析和虚拟建造中。碰撞分析 (Clash Detection) 是指发现在同一个建筑项目中的不同设计团队所做的设计方案是否存在空间上的物理冲突,导致无法施工或后期的运维。BIM支持的信息交互性让不同设计团队的方案可以统一整合在一起,来发现其中的冲突,所以对碰撞分析提供了很好的支持。虚拟建造 (Virtual Design and Construction) 包括了一系列在设计和施工过程中可以使用的技术,包括设计效果渲染、4D CAD施工模拟、施工过程监控等,亦是利用BIM的数字化、参数化特性来提高建筑信息的统一性和可视化,让不同专业的项目参与方可以获取和使用更多的建筑信息。


由于BIM提供了整合的建筑信息,也为设计、施工和运维阶段的一系列分析过程提供了数据基础,例如设计阶段的结构分析、能耗模拟分析、光照分析等,施工阶段的碰撞分析、装配式构件加工、施工性及安全性检测、工期监测等,运维阶段的建筑环境监测、设备故障诊断、能耗监测和优化等。但目前国内外对BIM技术的使用缺乏最佳实践和标准化过程,尤其是在使用BIM来支持信息分析上,不同的项目对采用的BIM技术和过程都较为分散和独立,因此还需要政策和行业的进一步推进。

Q3、BIM技术的应用未来在房地产开发行业里的发展趋势会是怎样?


刘雪松:信息科技的发展被视为推动社会各行业进步的核心动力,BIM最为信息技术在建筑行业应用的关键技术之一,未来几年在技术研发和应用两方面都会得到长足发展。不过当前BIM技术被更多的应用在大型商业建筑和基础设施项目中,在住宅类项目中使用相对较少,主要是因为后者在我国已经形成了以传统设计为基础的高速可复制化设计、施工流程。随着我国房地产行业逐步从注重数量到注重质量的转变,以及传统的设计、施工成本的不断提高,BIM技术作为提升行业生产效率的重要信息化工具,也作为建筑数字化、信息化的必要基础,将会被更广泛的应用在不同的建筑项目中,目前已经有越来越多的设计机构和房地产企业在投入BIM相关技术的应用和研发。

Q4、BIM与云计算、物联网、大数据的关系是怎样的?


刘雪松:建筑项目本身的复杂性决定了建筑信息的以下特性:

a. 量大: 每个建筑项目都是非常独特的,包含了设计、施工、运维工程中大量的图纸、文档、手册、记录等信息,并且在越来越多的建筑自动化系统和物联网科技推动下,建筑信息的范畴已经大大超出了传统的静态文档和模型,加入了大量动态时序数据。


b. 维度高: 建筑项目从设计、施工到运维阶段的历时长、参与方多,因而建筑信息所包含的内容和分类非常繁杂。从传统的3D模型,到添加施工时序和时间数据的4D CAD来做施工模拟和分析,再到加入成本和费用信息的5D,考虑能耗成本和可持续发展数据的6D,以及加入设备运维数据和建筑使用中动态环境信息的7D等,乃至于大家已经不准备一一列举,而是直接给BIM的维度下个定义为nD。


c. 数据类别和结构复杂:建筑行业软件存在在典型的“软件孤岛”问题,其核心原因亦是因为每一个建筑项目都由大量不同专业类别的机构和人员参与,并使用多种软硬件技术来支持各专业的设计、分析和管理。因此,建筑信息的类别非常庞杂,包括空间、时间、系统、报表、设备参数、流程、手册、图片、影音等大量不同种类的信息,而且信息的表达和存储结构也因为所使用的软件工具和创建信息的人员不同而有巨大的差别,且存在大量非结构化数据。


建筑信息的这些特性决定了其大数据的本质,而且在高纬度、非结构化方面,拥有着建筑信息独有的大数据挑战,所以对BIM的创建、管理和应用都需要依赖大数据存储、查询、分析等技术。云计算作为大数据技术和移动计算的一个实现方法,已经被广泛的应用在建筑信息协同和项目管理中,比如简单的用例是利用云存储来管理和分享建筑图纸和文档,专业性的用例包括刚被Autodesk公司收购的针对建筑项目云端图纸管理和注释分享的PlanGrid产品,同圆数字科技的基于云端的住宅使用说明书等。


物联网技术其实已经由建筑自动化系统的发展打入到建筑运维行业,现代的商业建筑都装配有大量的传感器、控制器来自动调控空调、照明、水泵、电梯等系统。随着通信技术和自动化系统的快速发展,越来越多的物联网设备会被安装到建筑中,其生成的数据本身即是建筑信息的一部分,因此当前的一个行业研发课题就是如何把物联网技术产生的动态时序信息和物联网系统本身的元数据整合到BIM中,最终成为建筑全生命周期管理和分析的一环。

Q5、BIM需要什么样的人工智能?人工智能能为BIM带来什么?


刘雪松:上述建筑信息的大数据特征决定了仅靠人力是无法有效的管理和利用建筑信息, BIM技术的使用和发展必须借力于人工智能技术来高效、自动的生成、管理、理解和分析建筑信息。卡耐基梅隆大学的土木与环境系在使用人工智能技术来解决BIM的相关问题上有多项研究课题和成果,例如当前大多数建筑项目只有图纸信息,要利用BIM的相关工具就必须首先将图纸转换为BIM,这个过程需要大量人力资源。若使用计算机图形学、机器视觉等技术,就可以让计算机自动理解图纸信息并进行BIM建模;建筑系统中的设备手册是非结构化的文本信息,在设备出现问题时进行手工查找效率很低,研究团队使用自然语言分析技术来自动解析文本数据并搭建信息模型和知识图谱,可以为维修过程自动提供信息检索和支持;物联网和建筑自动化系统生成的大量时序信息和动态数据可以通过信号处理、模式识别和深度学习技术,来自动分类和建模,检测和诊断建筑系统潜在的故障。


人工智能作为信息技术革命的一个代表,已经为很多金融、制造、医疗等行业带来巨大的帮助,也必将引领建筑行业的新发展。而人工智能在数据处理的维度上分为数据(Data)、信息(Information)、知识(Knowledge) 和智慧(Wisdom)四个层级,BIM解决数据和信息这两个层级的功能需求,是数字化建筑的核心,也为未来实现智能化建筑打下基础。

结语


相较于金融、新闻、医疗、汽车、家电等产业的“智能”变化趋势,建筑业作为最重要的国民经济支柱之一,数字化程度却是逊色了不少。但目前,人工智能也已搭上了建筑数字化这趟高速列车,整合BIM、大数据、云计算、混合现实和物联网等技术引擎的互联发展,应用前景可谓是非常广阔。


(责任编辑:何雯丽)





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