智慧建造概论 (重庆大学)

第1章 智慧建造概述 当前，以物联网、大数据、人工智能为典型代表的新一轮科技革 命和产业变革的浪潮正在席卷全球，深刻地改变和影响着诸多领域， 这为各行业的转型升级、产品开发、服务创新带来了巨大的发展机 遇，建筑业也身在其中。在此大背景下，建筑业作为占全球GDP的 6%、拥有超过1.8 亿从业人员的支柱产业，势必...

第1章 智慧建造概述 当前，以物联网、大数据、人工智能为典型代表的新一轮科技革 命和产业变革的浪潮正在席卷全球，深刻地改变和影响着诸多领域， 这为各行业的转型升级、产品开发、服务创新带来了巨大的发展机 遇，建筑业也身在其中。在此大背景下，建筑业作为占全球GDP的 6%、拥有超过1.8 亿从业人员的支柱产业，势必将迎来一次颠覆性的产 业变革，而工程建造方式、管理方式及其商业模式也必将朝着信息 化、数字化和智能化方向发展。 1.1 传统建筑业的困境 习近平总书记在2019 年新年贺词中首次提到了“中国建造”，并且 随着“一带一路”倡议的不断深入实施，中国建造已开始走向世界。改 革开放40 多年来，高速的城镇化进程以及各类大型基础设施的建设， 使得我国建筑业实现了跨越式发展，取得了巨大成就，实力明显增 强。在美国《工程新闻记录》（Engineering News-Record，ENR）杂志 公布的2019年度全球最大250 家国际承包商中，74 家中国企业上榜， 中国交建、中国电建和中国建筑进入前十名；在国际权威品牌研究机 构“Brand Finance”最新发布的2020 年工程建筑品牌报告中，11 家中国 企业进入TOP 50，中国建筑位列榜首；而在《财富》杂志公布的2020 年世界500 强企业名单中，中国建筑名列第18 位，排在世界工程建筑 类企业第一位，更是成为全球唯一营业收入超千亿美元的基建公司。 在建筑业规模上，我国建筑资产规模及建筑业增加值分别于2015 年和 2016 年先后超过美国，位列全球第一，根据国家统计局2020年GDP初 步核算数据，我国建筑业增加值的绝对额为72 996亿元，约占全国总 GDP的7.18%，实现了稳定增长，支柱产业地位愈发稳固，且在多个领 域处于世界前列。 在超高建筑领域，世界高层建筑与都市人居学会（Council on Tall Building and Urban Habitat，CTBUH）发布的年度报告显示，在2020 年 竣工的全球十大摩天楼中有一半来自中国，在目前全球排名前十的最 高建筑中，中国占比超过1 / 2；在桥梁工程领域，世界桥梁界中流传着 “21 世纪看中国”说法，不仅数量最多，而且跨海大桥、高铁桥、斜拉 桥、悬索桥等诸多世界之最均在中国；在高速铁路领域，截至2020 年 年底，我国高速铁路运营里程达3.79 万千米，超过全球高铁总里程的2 / 3，稳居世界第一，高铁已成为展示中国经济发展水平的一张亮丽名 片。其中诞生了许多代表中国建造的超级工程，如代表“量度”的三峡 水利工程、代表“高度”的上海中心大厦、代表“深度”的洋山港深水码 头、代表“难度”的青藏铁路和“华龙一号”核电工程等，北京大兴国际机 场和港珠澳跨海大桥更是被英国《卫报》选为新的世界七大奇迹。特 别值得一提的是，在我国抗击新冠肺炎疫情的关键时刻，中建三局仅 用10 天便建成了火神山和雷神山医院，向世界展示了中国建造的速 度。 虽然我国已成为建造大国，但与世界建造强国相比还存在一定的 差距，并且随着全球经济发展方式的转变，粗放式增长、劳动力密 集、质量安全问题频发、资源消耗量大等一系列传统建造方式存在的 局限性正逐步暴露，阻碍工程建造领域的高质量发展，已成为全球建 筑业面临的共同困境，转变传统的工程建造方式已成为大势所趋。建 筑行业的主要矛盾和转型需求表现在下述方面。 ▲1.1.1 粗放式增长与高质量发展的矛盾 粗放式增长在建筑业中是一个全球性问题，尤其在中国。科技的 进步和我国的基本国情等都决定了需要推动建筑业进行转型升级，走 新型建筑工业道路，不能再走大量建设、消耗和排放的传统的粗放式 发展道路。然而，我国建筑业现状与高质量增长的发展理念匹配度较 低以及数字化、信息化和绿色化程度较低，主要体现在以下方面。 首先，建筑业的劳动生产效率较低。麦肯锡研究的报告显示，在 过去的20 年里，全球建筑业的总体劳动生产效率年增长率不到1%，显 著落后于世界总体经济2.8%的年增长率，更落后于制造业3.6%的年增 长率。从图1.1 可以看出，全球建筑业生产率增长一直在下降，而农 业、制造业等在持续上升。例如，德国和日本虽然作为全球工业效率 的典范，但近年来在建筑劳动生产率方面几乎没有增长。世界经济论 坛的一份报告显示，美国在过去的50年中，建筑劳动生产率也提高甚 微，其复合平均增长率（Compound Average Growth Rate，CAGR）仅 为-0.4%。而在中国，虽然近年来我国建筑业按总产值计算的劳动生产 率在稳步提升，但整体仍处于全球较低水平，并且在数字化进程中， 与国民经济其他行业相比，建筑业仍然是劳动生产率增长速度较低的 行业之一（图1.2），主要是因为我国建筑业目前采用的建造方法仍以 人工作业为主，没有满足高质量增长中减少人工、提高效率的原则。 图1.1 全球各行业生产率增长走势 （数据来源：麦肯锡《建筑和建筑技术——蓄势待发？》）  图1.2 我国各行业劳动生产率与数字化程度的相关性 （数据来源：麦肯锡《数字中国：推动经济发展 提升全球竞争 力》） 其次，建筑业的数字化程度和盈利能力较低。2015 年麦肯锡的一 项分析发现，从资产、使用和劳动力等方面来看，建筑业是全球经济 中数字化程度较低的行业之一，而我国建筑业的数字化程度更排在国 内所有行业的最后（图1.3）。同时，在过去10 年中，全球建筑业的平 均市盈率为5.8 倍，而标准普尔500 指数为12.4 倍，其盈利能力仅为5% 左右。而我国建筑业近10 年的产值利润率一直在3.5%左右徘徊，低于 国际5%的平均水平，更远低于我国工业常年6%左右的产值利润率，且 近年来持续下跌，属于产值利润率最低的第二产业。 图1.3 中国各行业数字化程度排名 （数据来源：麦肯锡《数字中国：推动经济发展提升全球竞争力》） 再次，我国建筑业的增长方式亟待转变。建筑业总产值是反映建 筑业生产成果的综合指标，建筑业增加值则体现了所有建筑企业在建 设过程中投入劳动所实现的价值。自2010年以来，虽然建筑业增加值 占国内生产总值的比例始终保持在6.6%以上，但对比建筑业总产值增 速和建筑业增加值增速（图1.4）可以发现，在2010—2019 年的10 年 间，我国建筑业总产值增速除2015 年外均大于建筑业增加值增速，这 表明真正在建筑生产建造过程的投入所带来的价值增长较为缓慢。从 长期来看，固定资产投资增速将进入下滑期，建筑业不能一如既往地 依赖国家投资来带动企业的粗放式增长。因此，我国建筑业的增长方 式必须有所改变。 图1.4 2010—2019年建筑业总产值和建筑业增加值及其增速 （数据来源：国家统计局） 最后，我国建筑业产品和服务水平依旧不乐观。根据世界经济论 坛2018 年发布的《2018—2018 年度全球竞争力指数报告》，我国基础 设施工程质量明显低于美国。同时，随着网络媒体的发展，越来越多 的房屋住宅质量问题被消费者在网上披露和曝光，这些问题主要集中 在房屋漏水和渗水、外墙面脱落以及墙面开裂等质量通病，有的甚至 出现了地基不均匀沉降、施工偷工减料等涉及房屋安全的问题。而造 成这些质量问题的原因主要包括设计与施工脱节、机械化程度不高、 管理不规范和不完善等。 ▲1.1.2 劳动力供需之间的矛盾突出 一直以来，建筑业都是劳动力密集型行业，目前在全球拥有超过 1.8 亿的从业人员，并且随着近年来全球人口老龄化趋势加剧，使得劳 动力短缺现象日益严重，正逐渐成为一个全球性的普遍现象。同时， 现代工程项目越来越需要更多的经验和技术来实行，使得大部分建筑 企业都面临着熟练劳动力和技术工人严重短缺的问题。 普华永道曾发布报告称，美国婴儿潮一代的工人已进入退休阶 段，20 世纪60 年代中期至70 年代末出生的一代也在逐渐淡出建筑市 场，使得行业人才流失严重。美国建筑行业协会（Associated General Construction of America，AGCA）在2017 年和2019 年发布的报告中指 出，70%的施工单位难以招到熟练工人以及78%的建筑公司在小时工方 面招工困难。根据世界经济论坛数据，美国2016 年约有71 万家工程建 造领域的公司，其中只有2%的公司员工超过100 人，80%的公司只有 10 名或更少的员工，预计到2030 年，美国现有建筑业劳动力中约有 41%将退休，建筑业劳动力短缺届时将更为严重。 日本建筑业劳动力供给情况也不容乐观，安永2017 年发布的报告 《全球建筑业发展趋势》表明，日本在过去的20 年中，技术型建筑工 人的数量下降为从业人员的28%。未来几年，日本建筑业将面临近100 万人的劳动力缺口。为解决这一问题，日本建筑行业协会正在建立一 个详细记录所有工人各类信息的数据库以帮助相关企业或机构雇用所 需员工，日本政府也在2019 年放开包括建筑业在内的低端劳动力外劳 签证条件限制，并开始招募20 000 名外籍工人。 而在中国，建筑业拥有着超过5 000 万人的庞大从业人员群，吸纳 了大量的农村劳动力，农民工在建筑业一线作业人员中占到95%以上， 已成为支撑我国建筑业发展的主流力量。近年来，虽然农民工总数量 和所占比重持续不断上升，但随着我国劳动力供需矛盾的日渐突出， 建筑业也面临着劳动力短缺的问题。有关数据表明，虽然我国建筑业 从业人员在全社会就业人员中占比为7%左右，但其增长率已连续两年 出现大幅下滑，2019 年甚至出现了负增长（图1.5）。  图1.5 2010—2019年全社会就业人员总数、建筑业从业人数增长情况 （数据来源：中国建筑业协会《2019 年建筑业发展统计分析》） 根据国家统计局近年来发布的《农民工监测调查报告》，2019 年 建筑业一线作业人员平均年龄超过45 岁，老龄化趋势明显，这将会大 大加剧建筑业未来劳动力供给与需求的紧张程度。具体来说就是建筑 业农民工年龄偏大会导致建筑企业的施工效率降低、建筑企业机械化 和工业化的速度减缓、工人生活成本上升以及施工安全隐患加大等问 题。同时，建筑业对一些年龄结构较年轻、文化程度较高的农民工群 体吸引力较低，这一现象使得建筑业缺乏新鲜血液注入，进而造成劳 动力成本的大幅上升。此外，建筑业的高速发展离不开高端技术人 才，而我国建筑业中高层次专业技术人才较为匮乏。2018 年，建筑企 业工程技术人员仅占行业从业人员的12.7%。这都表明劳动力供给总量 的减少、建筑业对新生代农民工吸引力的下降以及建筑业对高端技术 人才的需求都使得建筑业的用工形势变得紧张，这都严重制约着我国 建筑业的发展和转型升级。因此，改变传统的建造方式来解决目前行 业劳动力存在的问题已迫在眉睫。 ▲1.1.3 生产环境与“以人为本”的理念冲突  人是建筑施工企业的竞争力源泉，而其他资源（如技术、机器、 资本）都是围绕着如何充分利用人这一核心资源和如何服务于人而展 开的。虽然科学技术日新月异，但由于机械化、自动化程度低，建筑 业从业人员所处的生产环境恶劣、作业条件差、劳动强度大以及安全 事故频发，使得建筑业已成为高风险行业之一，这与被广泛提倡的“以 人为本”理念相冲突。根据美国职业安全与健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）的调查信息，建筑业在美国 是较危险的行业之一，每年约有1 / 5 的工人死亡发生在建筑业，并且 工人受伤的间接费用比直接费用多17 倍。《安全与健康杂志》的研究 显示，在45 年的职业生涯中，美国建筑工人有75%的可能性经历致残 性损伤以及1 / 200 的概率在工作中受致命伤，并有一定的概率患慢性 阻塞性肺病。英国健康和安全执行局（Health and Safety Executive， HSE）在2020 年发布的一份报告中指出，英国建筑业2020 年约有2.8% 的工人受伤，其致命伤害率（每10 万名工人中有1.74 人受伤）几乎是 所有行业死亡率的4 倍。而且有研究显示，在20 世纪40 年代出生的英 国男性中，有46%的间皮瘤（一种癌症）患者与建筑行业有关，包括木 匠、水管工和电工等。可以看出，建筑业的生产环境仍比较恶劣，亟 须改善，与“以人为本”的发展理念矛盾突出。 第一，建筑施工现场安全事故频出，建筑工人的人身安全得不到 保障。我国住房和城乡建设部公布的数据显示，近年来发生在建筑业 的安全事故数量和死亡人数在逐年上升（图1.6）。2019 年，全国共发 生房屋市政工程生产安全事故773 起、死亡904 人，比2018 年事故数量 增加39 起、死亡人数增加64 人，分别上升5.31%和7.62%。  图1.6 我国建筑业2011—2019年安全事故数量和死亡人数情况 （数据来源：住房和城乡建设部2011—2019 年房屋市政工程生产安全 事故情况通报） 第二，由于建筑施工现场劳动强度大、工作危险、生活环境差且 拖欠农民工工资现象普遍，农民工血汗钱被剥削的情况屡见不鲜，其 社会生产环境堪忧。 由此可见，无论是不断出现的工地施工事故，还是人事纠纷问 题，都体现了作为弱势群体的建筑工人们所工作的社会生产环境与“以 人为本”的观念产生了巨大的冲突，严重制约着我国建筑业的转型升级 和劳动生产率的提高。因此，建筑业更需要改变传统的建造方式、推 广应用先进的信息技术和管理理念，以解决行业生产环境目前存在的 问题，从而推动建筑业的转型升级、适应“以人为本”的发展理念。 ▲1.1.4 高消耗、高污染与绿色发展理念的冲突 建筑业是全球最大的能源和原材料消耗产业，在建筑的全寿命周 期中要消耗大量的资源和能源。据统计，建筑业消耗了全球约50%的钢 铁产量，每年有30 亿吨原材料用于制造建筑产品，这对环境产生了极 大的影响，已无法满足人们的绿色环保可持续发展的要求。国际能源 署在2018 年12 月发布的一份现状报告中表示，2017 年全球建筑运营能 耗已占全球能源消耗总量的36%，如果加上建造施工过程中的能耗，这 一数据将更高。以美国为例，安永的一份研究报告显示，美国住宅和 非住宅的能源消耗占其全国能源消耗总量的41%。 高能耗必然产生高碳排放，根据世界绿色建筑委员会（The World Green Building Council）的数据，建筑及其施工过程中产生的碳排放占 了全球碳排放总量的39%，其中运营排放（用于供暖、制冷和照明的能 源）占28%，整个建筑生命周期内的建造过程占了剩余的11%。建筑产 品的生产施工特性决定了工程建造必定会给环境带来影响，联合国环 境规划署的《2019 排放差距报告》显示，全球碳排放总量持续上升， 如果到2030 年温室气体排放差距未能成功弥合，即使当前《巴黎协 定》下各国提交的国家自主减排贡献都得以兑现，全球温度增长依旧 可能突破2℃。基于目前这种情况，许多发达国家都开始关注建筑节能 减排。美国计划在2050 年前实现所有建筑都在净零能耗（Net Zero Energy，NZE）概念的基础上建造，同时会推出多种新能源效率措施， 如“AIA2030 承诺”“建筑零能耗加速计划”等，预计届时将减少80%的碳 排放；欧盟发布的《能源效率指令》和《建筑能源性能指令》将会着 重通过脱碳处理提高现有建筑的翻新率，此举预计到2030 年会为绿色 建筑市场带来238 亿欧元的收入。英国、日本、新加坡、韩国、印度等 国家也都推出了相应的建筑节能减排计划和净零能耗建筑发展规划， 以推动各自建筑业的绿色可持续发展。 中国是世界第一建筑业大国，也是全球最大的原材料消耗国，消 耗了全世界近40%的水泥和钢材，并且存在着大量的资源浪费和损耗。 但随着我国经济发展进入新常态，国家和政府越来越重视对生态环境 的保护，提出了新发展理念，并将生态文明建设纳入了国家五位一体 总体布局，这也对建筑业的发展提出了新的要求，绿色环保可持续的 理念成为建筑业发展的新主题。而传统建筑业在建造过程中产生的建 筑垃圾、建筑噪声等是城市环境污染的重要源头，是国家严格控制的 污染源，并且国家还对建筑能源消耗提出了更高要求。 建筑垃圾是建筑业污染环境的最直接体现。根据前瞻产业研究院 发布的统计数据，近几年我国每年建筑垃圾的排放总量为15.5 亿～24 亿t，占城市垃圾的比例约为40%，造成了严重的生态危机。建筑噪声 也是工程建设过程中产生的污染之一，会严重影响周边居民的日常生 活。根据生态环境部发布的《2020 年中国环境噪声污染防治报告》， 各级环保部门接到的关于环境噪声的投诉占总投诉量的38.1%，其中建 筑施工噪声扰民问题以45.4%的比例占据首位。同时，我国建筑业能源 消耗量巨大，且随着我国建筑面积的不断增加和消费者对建筑要求的 逐渐提高，建筑业的能源消耗还在不断增长。中国建筑节能协会能耗 统计专委发布的《中国建筑能耗研究报告（2019）》显示，2019 年建 筑业能耗为9.47 亿吨标准煤，占全国能源消费总量的21.11%，而建筑 碳排放量也达到了全国能源碳排放量的19.5%。另外，我国每年老旧工 程拆除量巨大，许多远未达到使用年限的建筑、道路和桥梁等被提前 拆除，浪费现象极为严重。有关数据表明，我国建筑的平均寿命仅为 32 年，而欧美国家的建筑平均寿命均超过了70 年，甚至很多超过100 年。 以上数据表明，当前我国建筑业发展对环境和能源产生的压力较 大，无法满足国家绿色环保可持续的发展要求；并且建筑业的能耗巨 大，施工过程中会大量使用土地、砂石、钢材、水泥等资源，水、 电、煤等能源消耗巨大。因此，迫切需要建筑业改变传统的建造方 式，通过融合现代的信息技术和生产方法，提高资源利用率，向绿色 环保可持续的方向发展。 1.2 全球智慧建造的兴起 以大数据、物联网、云计算、人工智能、移动通信等为代表的新 一代信息技术助力工程建造实现转型升级和创新发展，2019 年，麦肯 锡发布的研究报告《政府可以引领建筑业进入数字时代》表明，新技 术的应用将促进建筑业的成果产出，各国政府都已为行业变革做好了 准备，鼓励企业努力探索智慧建造的技术和实践体系的建构，并出台 了相关战略和计划以推动建筑业进入数字时代。 ▲1.2.1 美国 美国智慧建造的发展侧重于建筑信息化层面的推进。美国是最早 引领建筑业信息技术化发展的国家，其建筑业产业化发展已经进入了 成 熟 期 ， 在 推 动 智 能 建 筑 、 智 能 电 网 和 建 筑 信 息 模 型 （ Building Information Modeling，BIM）技术的发展和应用方面都已取得较大的进 展，而这些都将成为其智慧建造发展的重要组成部分和坚实基础。 1996 年，美国斯坦福大学CIFE 实验室首次提出4D 模型概念和CIFE- 4D-CAD 系统，使得4D 模型技术逐渐走向了施工建造管理，让工程建 造管理信息化逐渐成为现实。1997 年，美国著名建筑设计师弗兰克·盖 里借助计算机建立了三维建筑模型，并完成了西班牙毕尔巴鄂古根海 姆博物馆的设计，随后将数据信息传递到数控机床中进行构建的预制 生产，最后在施工现场完成建筑物的拼装，整个建造过程与数字化建 造理念非常接近。 进 入 21 世 纪 后 ， 美 国 开 始 使 用 和 推 广 BIM 技 术 。 2002 年 ， Autodesk 公司正式提出了Building Information Modeling 的概念，自此 之后BIM 被广泛传播，美国各大软件公司相继推出了BIM 的设计、分 析、模拟建造的软件。于2007 年开始，美国政府就要求大型招标项目 必须提交3D BIM 信息模型，随后还相继出版了美国国家BIM 应用标准 （NBIMS）第一版和BIM 应用手册第二版，第一版主要侧重BIM 理论 体系的建立和BIM 标准的规范，第二版则侧重于BIM 在各建造阶段的 具体应用，为BIM 技术在工程建造全生命周期的发展和应用指明了方 向。后来，美国建筑师协会（American Institute of Architects，AIA）于 2008 年提出全面以BIM 为主整合各项作业流程，使美国在BIM 国际标 准制定、基础软件研发等领域均处于世界领先地位。 美国在“智慧化”的战略部署重点放在智慧城市、基础设施战略方 向的人工智能。在智慧城市方面，自2009 年1 月IBM 正式向美国联邦 政府提出“智慧地球”概念，建议投资建设新一代智慧型信息基础设 施，随后，美国政府在其经济复兴计划中首次描述了智慧城市的概 念。后来又于2015 年9 月发布了《白宫智慧城市行动倡议》，宣布将 在联邦研究中投入至少1.6 亿美元，并通过至少25 项新的技术合作帮助 当地社区应对关键挑战，尤其在减少交通拥堵、打击犯罪、促进经济 增长、解决气候变化影响和提高城市服务水平等方面提供支持。之 后，美国联邦政府融合发动美国国家科学基金会、国家标准与技术研 究院、国土安全局、交通部、能源部、商务部等多个部门，在智慧城 市的基础设施建设研究和实施国家优先领域的新解决方案两个方面投 入资金并开展工作。2017 年，美国政府又发布《美国基础设施重建战 略规划》，提出了打造安全绿色与耐久性建筑产品、建造过程经济效 益和可持续性的同步发展、人工智能与建筑行业融合技术研发的发展 规划。2018 年2 月，特朗普政府出台了《美国重建基础设施立法纲 要》（以下简称《纲要》），拟在10 年内投入2 000 亿美元刺激2 万亿 美元的国内基础设施投资，以期实现美国基础设施现代化、带动经济 增长和降低失业率等目标，从而加强美国的国际竞争力。《纲要》涵 盖了交通、能源、互联网、住宅等多个方面的内容，其中200 亿美元的 创新转型项目包括了无人驾驶汽车、无人机、模块化基础设施等先进 技术。这一政策不仅是对老旧基础设施进行简单的修缮更新，还更加 关注工程领域的科技创新和可持续发展，将深刻影响未来10 年乃至更 长远时期内美国基础设施的提升和工程建造领域的发展。 ▲1.2.2 英国 英国近十年来在建筑业持续发力，2011 年5 月，英国政府发布 《政府建造战略2011—2015》，该战略明确了英国建筑业的发展规 划，提出要重视装配式建筑构件生产标准化和建筑信息模型使用标准 化。次年，英国实现了BIM 技术在设计、施工信息与运营阶段的资产 管理信息的高度协同，并在多个部门确立试点项目，运用3D-BIM 技术 来协同交付项目。 2013 年，为巩固英国建筑业的全球领先地位，英国政府正式提出 “Construction 2025”国家战略，从智能化水平、从业人员素质、可持续 发展、带动经济增长和领导力等5 个方面提出了英国建造2025 愿景， 制订的具体目标为：减少33%的全寿命周期成本、新建和改造工程项目 的完成总时间减少50%、在建筑环境中的温室气体排放量降低50%以及 工程建造出口增加50%。同时，设立了包含政企研三方的建设领导委员 会 进 行 落 地 实 施 ， 并 在 英 国 首 次 提 出 了 智 慧 建 造 （ Smart Construction），认为应在建筑设计、施工和运营等阶段充分利用数字 技术和工业化制造技术来提高生产力和降低建造成本，并强调在技术 方面要提升英国智能建筑和数字化设计水平，以及在产业链培育方面 要推动智能建造供应链建设。由此可见，该战略的提出标志着英国建 造正式朝智能化方向迈进。 在英国政府发布的《政府建造战略2016—2020》中，设置了推动 智能采购和提升数字技术在内的新的战略目标，以持续推动英国建造 转型升级。2015 年，英国政府推出了《数字建造英伦》（Digital Built Britain）计划，拟在未来10 年中将BIM 与物联网、大数据等相结合， 降低建设成本和提升运营效率，并明确了发展智能技术和大数据集成 在内的7 个方面的实施计划，该计划说明了英国在智能建造领域正引领 全 球 方 向 。 英 国 数 字 建 筑 中 心 （ Centre for Digital Built Britain ， CDBB）在2018 年发布了《年度报告：迈向数字化英国建筑》，回顾 了英国在智慧建造方面取得的进展以及制定了未来的发展规划，在 2019 年发布了《英国数字建筑能力框架和研究议程》明确了在数字建 造领域英国所需具备的新知识、技能或能力，从而实现数字化英国战 略。 ▲1.2.3 德国 德国拥有世界上最先进的工业化技术与产业链，从建筑产品的设 计到施工、再到运维都已实现机器标准化作业与管理，为其建筑行业 迈向信息化和智慧化的时代奠定了基础，也为各国智慧建造提供了一 种模式。作为建筑工业化的诞生地和最早倡导者之一，德国的建筑工 业化受到制造业标准化思想的启蒙，于19 世纪40 年代率先提出利用模 块化的产品进行建筑形式的组装。1845 年，德国弗兰兹发明了人造石 楼梯，即德国的第一个预制混凝土（Precast Concrete，PC）构件，标 志着德国PC 装配式建筑道路的开启。 德国在工业4.0 战略的引领下，掀起了第四次工业革命的浪潮，旨 在推动工程建造领域的变革。德国提出的“工业互联网”概念，倡导将 人、数据和机器连接起来，形成开放的全球化的工业网络，其内涵已 经超越制造过程及制造本身，跨越了产品生命周期的整个价值链，甚 至跨越了行业。2014 年，德国建筑行业协会发起了“Planen und Bauen 4.0”倡议，提出德国建筑业应在BIM 应用和其他数字技术的创新中发挥 积极作用。随后，德国联邦政府交通和数字基础设施部在2015 年正式 发布了由德国BIM 工作组制定的《数字化设计与建造发展路线图》， 详细描述了德国建筑业迈向数字化设计、施工和运维的发展路径，提 出要通过应用BIM 技术来降低工程风险和提升项目效率，不断优化工 程建造全寿命周期成本管控，防止出现延误工期和超预算现象。 ▲1.2.4 日本 日本对于智慧建造的推动政策基于日本信息化的发展，最早源自 1990 年代，日本逐步确立了IT 立国的战略，2001 年制定并开始实施 “e-Japan 战略”，该战略的核心目标是促进信息化基础设施建设以及相 关技术的研发，为信息化的发展打下坚实的物质基础，2004 年又出台 了“u-Japan 战略”，通过进一步加强官、产、学、研的有机联合，实现 所有人与人、物与物、人与物之间的连接，2009 年在实现了“u-Japan 战略”后又推动“i-Japan战略”的进一步落实，推广基于数字技术“新的行 政改革”，大幅提高公众办事的便利性，努力实现行政事务的简单化、 效 率 化 和 标 准 化 ， 从 而 实 现 行 政 事 务 的 可 视 化 。 从 “e-Japan” 到 “u- Japan”再到“i-Japan”，标志着日本信息化战略的发展，同时也为智慧建 造的发展奠定了技术基础。 自2009 年起，BIM 大量出现在日本的研究报告和文章中，为推动 BIM 的发展，日本国土交通省也在2010 年3 月选择一项政府建设项目 作为试点，探索BIM 在设计可视化、信息整合方面的价值和实施流 程。日本建筑信息技术软件产业成立国家级国产解决方案软件联盟。 受到美国发布的关于BIM 标准和应用的NBIMS 规范影响，2012 年，日 本建筑师协会发布了从设计师视角出发的JLA BIM Guideline。2014 年，日本国土交通省发布了《BIM导则》，成为日本政府唯一承认的 BIM 应用规范。随后BIM 软件公司根据BIM 导则发布了软件的用户操 作指南。在日本，BIM 被广泛运用于政府项目和大型建筑项目中。日 本的大型建筑企业与BIM 软件公司合作，研究制定出适应自己企业的 BIM 应用于建筑项目的方法和规范，并在实际项目运行中得到了良好 反馈。在设计和施工阶段中，日本进一步尝试在工程监理中运用BIM 与信息通信技术相结合等方式。 2015 年6 月，日本内阁会议通过了新的《日本再兴战略》，明确 提出要以IoT（Internet of Things）、大数据、AI 推进以人为本的“生产 力 革 命 ” 。 为 此 ， 日 本 国 土 交 通 省 开 始 在 建 设 工 地 实 施 “ICT （ Information and communications technology ） 土 木 工 程 ” ， 取 名 “i- Construction（建设工地的生产力革命）”，即在建筑现场导入ICT 技 术。ICT 即通过情报通信技术将计算机、网络等新技术引入建筑现场。 i-Construction 是以“情报化”为前提，主要涉及3个方面的措施。ICT 技 术的全面使用：在施工现场，项目采用无人机等进行三次元测量，采 用ICT 控制机械进行施工以实现高速且高品质的建筑作业；规格的标准 化：施工现场由于尺寸、作业方式的不同施工要求也不同，采用技术 统合进行数据分析将施工现场的规格标准化以实现最大效率；施工周 期的标准化：项目采用更加先进的计划管理系统使施工周期可控，同 时分散周期排序，减少繁忙期和闲散期。 ▲1.2.5 中国 中国的智慧建造是在建筑工业化、建筑信息化的基础之上发展起 来的。在2000 年，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五 年计划的建议》指出：“大力推进国民经济和社会信息化，是覆盖现代 化建设全局的战略举措。以信息化带动工业化，发挥后发优势，实现 社会生产力的跨越式发展。”推进国民经济和社会信息化，是国家发展 战略的重要内容。2002 年，党的十六大报告指出要“以信息化带动工业 化，以工业化促进信息化，走新型工业化道路”。 习近平总书记在2019 年新年贺词中指出：“中国制造、中国创造、 中国建造共同发力，继续改变着中国的面貌。”这是我国首次提出“中 国建造”的理念。为响应这一号召，中国工程院开展了中国建造2035 战 略研究项目，该项目将围绕智能建造、新型工业化建造与装备工程、 中国建造全球化发展等内容展开课题研究，项目研究旨在以智能建造 为技术支撑，以建筑工业化为产业路径，制定“中国建造”高质量发展 战略规划，实现工程建造的转型升级和可持续高质量发展。2020 年7 月，住房和城乡建设部等十三个部门发布《关于推动智能建造与建筑 工业化协同发展的指导意见》（以下简称《指导意见》）。《指导意 见》明确提出，我国要围绕建筑业高质量发展总体目标，以大力发展 建筑工业化为载体，以数字化、智能化升级为动力，形成涵盖科研、 设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产 业体系。到2025 年，我国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，建筑产业互联网平台初步建立，已形成一批智 能建造龙头企业，打造出“中国建造”的升级版。到2035 年，我国智能 建造与建筑工业化协同发展取得显著进展，建筑工业化全面实现，我 国迈入智能建造世界强国行列。  除了BIM 技术外，新一代信息技术如物联网技术、3D 打印技术、 人工智能技术、三维激光扫描等技术也不断与建筑业融合，为智慧建 造添砖加瓦。2012 年，我国开始将物联网技术引入建筑行业，以实现 建筑物与部品构件、人与物、物与物之间的信息交互。2015 年7 月， 我国明确将“互联网+人工智能”列为重点行动之一。2017 年，中国人工 智能核心产业规模占比超过15%。人工智能技术在我国建筑业的应用不 断增强，在建筑规划中结合运筹学和逻辑数学进行施工现场管理；在 建筑结构中利用人工网络神经进行结构健康检测；在施工过程中应用 人工智能机械手臂进行结构安装；以及在工程管理中利用人工智能系 统对项目全周期进行管理。2018 年，清华大学—中南置地数字建筑研 究中心创新发明的机器臂自动砌筑系统，首次将机器臂自动砌砖与3D 打印砂浆结合在一起，形成全自动一体化智能建造系统，并在世界上 首次把该系统运用于实际施工现场。除此之外，以ZigBee 等技术为核 心的无线传感网络和传感器技术，已经在我国建筑领域的施工安全管 理中取得成效。 随着建筑工业化、建筑信息化进程不断加快，新兴技术的不断发 展，建筑业开始探索一种新兴的工程建造模式——建立在信息化、工 业化上的高度互联、深度融合的智慧建造模式。考虑到建筑业与制造 业在产品建造模式上具有趋同性，我国政府借鉴德国“工业4.0”，于 2014 年提出了“中国制造2025”的行动纲领，力求通过新型工业化，让 数字经济和实体经济结合从而提升我国的综合实力。而在我国工业化 的另一个重要优势“中国建造”上，政府提出结合当前的数字经济发展 态势，按照“两化深度融合”的思路，全面提升我国的建造水平。 自此，智慧建造也开始引起了国内学术界的广泛关注，各个学者 基于智慧建造开展研究，相关学术会议不断出现，为我国智慧建造的 发展奠定了理论基础。2010 年以来，若干学者开始阐述智慧建造，鲁 班软件创始人杨宝明博士是“智慧建造”一词的来源。他指出，智慧建 造是从事智能建筑工程管理、智慧工地建设、工程施工、建造信息技 术工作，利用新技术、新方法进行建造的管理全过程。中国工程院院 士丁烈云表示，智能建造即数字技术与工程建造系统深度融合形成的 工程建造创新发展模式，其技术基础是融合数字化、网络化、智能化 与工程建造。此外，关于智慧建造的组织也陆续出现，如一些地方协 会成立的分会、全国性协会下属的专业委员会等。从2017 年开始，关 于智慧建造的会议不断出现，如“全国基础设施智慧建造与运维学术论 坛”“智慧城市与智慧建造高峰论坛”“中国建筑转型升级与智慧建造高峰 论坛”等。2018 年，由东南大学牵头建设的“智慧建造与运维国家地方 联合工程研究中心”获国家发改委批准并正式成立。 为加快推进工程建造技术科技化、信息化、智能化水平，在人才 培育方面，我国逐步建立了智能建造人才培养和发展的长效机制，加 快形成多领域融合渗透的复合型人才培养体系。2015 年，教育部发布 了新版的高职专业目录，其中设有云计算技术与应用、工业机器人技 术、物联网应用技术、智能产品开发、智能控制技术、智能终端技术 与应用等相关专业，2016 年增补了大数据技术与应用专业。2018 年3 月15 日，教育部首次将智能建造纳入我国普通高等学校本科专业。截 至2020 年8 月，全国开设智能建造专业的大学共有24 所。此外，智慧 化建设项目的落地岗位正式形成，由中国建筑科学研究院认证中心评 价监督，北京中培国育人才测评技术中心组织实施的智能建造师专业 技术等级考试和认定工作正式开启。 智慧建造作为一种建立在高度工业化、数字化、信息化上的互联 互通、智能高效的可持续建造模式，是建筑业发展过程中必然要经历 的一个重要发展阶段，使工程建造向着更加智慧、精益、绿色的方向 发展，以期实现建筑全生命周期的智慧建设，推动建筑业转型升级、 提质增效，深化建筑业供给侧结构性改革。随着物联网、云计算、大 数据、人工智能等新一代信息技术和实体经济的深度融合，智慧城市 建设进入发展黄金期，智慧建筑行业也迎来了新的发展机遇。 1.3 智慧建造的概念与内涵 ▲1.3.1 智慧与智能的本质 尽管国内外学者围绕“智慧（smart）”与“智能（intelligent）”展开 了较为广泛的论述，但对其概念界定，尤其两者内涵的辨析尚未达成 统一。根据《辞海》和《现代汉语词典》的解释，“智慧”（smart）是 指生物体所拥有的一种高级综合能力，主要指的是思考、分析、推 理、决定等能力，其包含情感与理性、意向与认识、生理机能与心理 机能等众多因素；而“智能”（intelligent）则是要感知系统在其中运行 的环境，关联系统周围发生的事件，对这些事件作出决策，解决问 题、生成相应的动作并控制它们。 比较而言，除了两者所共同具备的部分解决能力外，智能通常被 形容为思维敏捷和对反馈的快速响应，智慧是在智能的基础上赋予机 器思考和执行的能力。比起偏重技术化应用的“智能”一词，“智慧”更为 注重技术实现过程中的人的多样化需求。从本质上理解，“智慧”是“智 能”的下一个阶段，新一代信息技术与具体应用场景的深度融合是实现 “智能化”发展的基石，而人的智慧则是这种“智能化”发展的灵魂和精 髓。 从智能化到智慧化的进阶中，有“自感知”“自适应”“自学习”“自决 策”“自执行”等5 个典型的特征，具体如下所述。 （1）自感知 自感知是指对外部世界进行智能感应、感知、识别的技术。人类 通过眼耳口鼻手等工具对外界进行感知，机器设备等则通过传感器、 摄像头等终端设备对外部世界进行感知、测量、捕获和信息传递，以 实现对建筑乃至城市物理空间全面、综合的感知，自感知是自学习、 自决策等行为的基础。 （2）自适应 自适应来自复杂系统的概念，指系统适应环境的变化而自动调整 自身结构和功能的过程。机器设备具有自适应的特征，才能实现在复 杂工况环境中的集群化交互，在运行过程中不断感知外部环境与信 息，以调整自身工作状态，使系统始终保持在最优或者次最优的运行 状态。 （3）自学习 自学习是指能够按照自身运行过程中的经验来改进控制算法的能 力，它是自适应系统的一个延伸和发展。机器设备等通过自学习重新 组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。 （4）自决策 自决策是指在没有人为干预的条件下，系统利用自身的感知能 力、适应能力、学习能力、分析能力等，在设定好的决策原则下做出 自主决策的过程。 （5）自执行 自执行则是将自决策的决策结果在系统中执行并将结果反馈到系 统中。 ▲1.3.2 智慧建造的概念 目前学术界对“智慧建造”的定义尚未达成统一，而“智慧建造”与 “智能建造”“数字建造”等术语有着类似性，这几个概念在一定程度上也 代表着行业数字化、智能化、智慧化的进阶。普遍认为智慧建造是智 慧城市、智能建筑的延伸，即“智慧”“智能”延伸到工程项目的建造过程 中，即产生了智慧建造的概念。智慧建造是智能建造发展的更高阶 段。丁烈云院士指出，智能建造是新一代信息技术与工程建造融合形 成的工程建造创新模式，即利用以“三化”（数字化、网络化和智能 化）和“三算”（算据、算力、算法）为特征的新一代信息技术，在实 现工程建造要素资源数字化的基础上，通过规范化建模、网络化交 互、可视化认知、高性能计算以及智能化决策支持，实现数字链驱动 下的工程立项策划、规划设计、施（加）工生产、运维服务一体化集 成与高效率协同，不断拓展工程建造价值链、改造产业结构形态，向 用户交付以人为本、绿色可持续的智能化工程产品与服务。重庆大学 毛超教授指出，智能建造是在信息化、工业化高度融合基础上，利用 新兴信息技术对建造过程赋能，推动工程建造活动的生产要素、生产 力和生产关系升级，促进建筑数据充分流动，整合决策、设计、生 产、施工、运维等整个产业链，实现全产业链条的信息集成和业务协 同、建设过程能效提升、资源价值最大化的新型生产模式。中国建筑 股份有限公司总工程师毛志兵指出，智慧建造是在设计和施工建造过 程中，采用现代先进技术手段，通过人机交互、感知、决策、执行和 反馈提高品质和效率的工程活动。清华大学马智亮教授指出，智慧建 造意味着在建造过程中充分利用智能技术及其相关技术，通过建立和 应用智能化系统，提高建造过程智能化水平，减少对人的依赖，实现 安全建造，并实现性能价格比更好、质量更优的建筑。 当下，工程建造活动内外部环境不断发生变化，同时也增加了工 程建造系统演化过程中的复杂性和不确定性。对于这类复杂适应系 统，采用物理逻辑来简单实现智能控制已不能满足工程实践的需求， 需要更高维度的“智慧化”建造来不断重新审视在原有认识基础上所建 立的控制规则体系的适应性和正确性，并加以评估、研究和修正。 参考并综合各位学者对智慧建造的定义和理解，本书将“智慧建 造”的概念表述为：智慧建造是智能建造的后一个阶段，以建筑工业化 为基础，以新一代信息技术的融合赋能，全产业链数据系统协同为驱 动，全新搭建工程建设活动和技术“类人化”的知识规则算法，训练各 类业务机器模仿人的专业认知和行为过程，用数据驱动工程建设活动 各种技术或管理的自我学习和自我迭代，让机器设备具备感知、辨 析、判断、决策、反馈、优化的能力，进而实现更大范围、更深层次 的对体力替代和脑力替代，以提升工程建设活动的效率和品质。这个 概念中的“业务机器”是广义内涵的机器，包括了数据分析平台、专家 系统、流程、软件、机械设备、工具等类型机器人。 1.4 智慧建造的特征 智慧建造是在新一代信息技术驱动下的工程建设全产业链、全过 程技术范式和管理范式的转移，包括生产方式、组织形式、管理模 式、建造过程、产业格局等全方位的系统变迁。区别于传统的建筑业 及工程建设活动，类比于智能制造系统，智慧建造在技术与管理等方 面具有下述特征。 ▲1.4.1 技术特征 （1）技术融合性 智慧建造不是单一技术可以支撑的，它需要以智能技术及其相关 技术的融合性应用为前提，以信息物理融合系统（CPS）为核心，融合 包括物联网、定位等感知技术、互联网、云计算等传输技术、移动终 端、触摸终端边缘等存储技术、记忆，BIM、GIS 等专业数据技术、大 数据、人工智能等分析技术，以及三维激光扫描、三维打印、机器人 等机器换人的技术。通过将这些技术进行深度而系统的融合，智慧建 造各阶段各类活动可以实现以灵敏感知、高速传输、精准识别、快速 分析、优化决策、自动控制、替代作业等为集成特征的智慧化转型。 （2）技术迭代性 智慧建造是由数字化、网络化、智能化逐步递进而来的，其技术 是在各个阶段不断地迭代和进化，同时在传统工程建设活动和阶段中 不断叠加新技术而实现的。每一个阶段的技术迭代，都会推进行业进 入下一个新阶段。 （3）基于知识模型的技术 在工程建设各类活动的技术或管理的智慧化升级中，智慧建造以 强有力的专业知识库和知识模型为基础，实现知识从人类到机器的迁 移。 （4）人机一体化 智慧建造人机一体化特点超越了单纯的智能，人机一体化属于一 种混合智能。基于人工智能的智能机器智能地进行机械式的推理、预 测、判断，它只能具有逻辑思维，至多做到形象思维，完全做不到顿 悟思维。智慧高阶的顿悟要以人工智能机器取而代之是不现实的。只 有人类专家才能具备3 种思维能力。因此，智慧建造中依然要强调人的 重要性，以人机一体化为特点，在智能机器的配合下，更好地激发出 人的潜能，使人机之间相互协作，各显其能，相辅相成。 ▲1.4.2 管理特征 （1）以数据驱动的管理可控性 建设项目具有的复杂性、周期性特征导致了全过程中不确定性问 题比较多，智慧建造要实现的就是管理可控可优化。不确定性问题的 基础是数据，智慧建造以数据驱动为主要动力，以BIM 为数据的核心 载体，通过感知、存储、分析、优化、执行，进行过程智能化的持续 迭代，促进数据流端到端的充分闭环式流动。 （2）以CPS 为框架的管理集成性 信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）集成了感知、通 信、计算、控制等信息技术，构建了高效协同、实时交互的信息集成 系统，被广泛应用于各个领域的数据收集和分析工作。CPS 提供了一 种智慧框架逻辑，即数据感知、数据传输、实时分析、控制决策。智 能建造的核心在于，利用CPS 的数据处理逻辑实现工程数据和信息的 集成应用，增强了建筑业实时使用各种信息解决阶段内单个问题的能 力。 （3）超柔性 超柔性是指建筑业生产活动的柔性，建筑业生产活动复杂多变、 柔性较差，而技术的加入使建筑产品具有自适应性，能根据需求变化 实时调整管理方式和施工组织模式等，把建筑业的供应驱动重塑为需 求驱动，针对不同的需求提供灵活可变的个性化服务。 1.5 智慧建造的实现途径 当前智慧建造的实现途径主要包括两个方面：一是，新兴信息技 术对工程建造活动进行智慧化赋能；二是，面向决策、设计、生产、 施工和运维全过程，建筑工业化和建筑信息化在交替演化进程中深度 融合，从而实现建筑业全参与方、全要素、全产业链的协同升级。 ▲1.5.1 新兴信息技术的智慧化赋能 新兴信息技术可对建筑业进行智慧化赋能，实现建筑业向智慧建 造的转型升级。产业转型升级是指发展方式的转变，核心是所采用的 产业技术升级、运作模式或管理方式改善，强调产业内各企业的协作 方式优化，产业链价值提升，形成更完善、更高效的产业体系。技术 创新是产业转型升级的关键。作为创新理论的鼻祖约瑟夫·熊彼特提 出，“所谓创新，就是建立一种新的生产函数，也就是说，把一种从来 没有过的关于生产要素和生产条件的新组合引入生产体系”。技术创新 提升了产业的生产力、改善了产业的生产关系，以实现对不同生产要 素和资源的配置与优化。技术创新的外部效应可引导市场需求的变 动，进而将产业的供应驱动重塑为需求驱动，促进了产业的转型升 级。  建筑业的智慧化转型是指新兴信息技术对建筑业的生产要素、生 产力和生产关系进行赋能，使建筑业具备自感知、自适应、自学习、 自决策、自执行等智能化特征。新兴信息技术对生产要素的升级是指 人、材料、机械设备等生产要素向机器人、新型建筑材料、智能化的 机械设备、智能终端等要素转变。新兴信息技术对生产力的升级是指 各阶段的生产工具、生产技术的优化，如设计工具、施工技术、信息 管理技术等，以更好地实现对建筑数据资源的利用，减轻工作对人的 体力依赖和脑力依赖。新兴信息技术对生产关系的升级是指工程建造 活动涵盖的各参与主体间管理活动的优化，使管理者从传统的管理思 维中跳脱，武装上智能化的管理思维，最终实现建筑产品的智慧化， 如图1.7 所示。 图1.7 建筑业的智慧化赋能 ▲1.5.2 建筑工业化和建筑信息化的高度融合 建筑工业化首要的转变，就是将使用人力畜力来建造的方式转变 为使用机械工具进行辅助生产。我国工业化发展是从20 世纪50 年代初 开始发展预制技术的，建筑信息化则从手工绘图导向计算软件辅助设 计为开端，80 年代初我国才开始发展建筑信息化，以解决建筑结构分 析。建筑工业化与建筑信息化都是我国建筑业发展的两个阶段，我国 信息化基础设施建设已逐渐完善，信息化发展也处于一个较高水平， 但信息化在建筑行业中的应用仍然没有达到一定的深度，与建筑工业 化的融合发展更是处于探索阶段。因此有必要界定二者之间的区别与 联系。 建筑工业化就是采用现代化机械设备、科学合理的技术手段，以 集中的、先进的、大规模的工业化生产方式代替过去分散的、落后的 手工业生产方式的建造方式。第一，要实现这些特征和手段必须依靠 相应的信息技术手段，在建筑工业化不断发展的前提下，对这些信息 技术手段的需求越加强烈，不断促使信息技术得以改进和升级。指引 工业化发展可以极大地拉动信息化的发展。第二，信息化是以信息技 术和知识为主要生产要素，这一特性使得它必然是作为一种辅助工具 和服务对象而存在的，而建筑工业化的发展恰恰为其提供了良好的载 体，只有在建筑工业化发展的基础上，信息化所包含的抽象生产要素 才能够得以具体化和实践化，并且在实践中使信息技术得到检验和改 进，从而使信息化不断发展。 建筑业信息化是通过信息技术在建筑领域的应用，促进改造和提 升建筑业技术手段和生产组织方式，从而提高建筑企业经营管理水平 和核心竞争能力，提高建筑业主管部门的管理、决策和服务水平的过 程。而这一过程正是基于采用现代化机械设备、科学合理的技术手 段，以集中的、先进的、大规模的工业化生产方式来实现的。因此， 信息化对建筑工业化生产方式具有很大的反向促进作用。第一，信息 化可以为建筑工业化的发展注入先进的生产要素，信息化所包含的信 息技术要素具有高技术性和高智能性等特点，可以帮助建筑工业化实 现工业化生产方式，第二，信息化可以极大地提升建筑工业化的生产 效率，在建筑生产过程中，信息化通过发挥具体信息技术的强大作 用，可以大幅度提高建筑构配件的生产加工精度，确保实现自动化、 集成化和智能化建造，同时实现建筑生产的全过程管理，从而大幅度 提高建筑工业化的生产水平和生产效率。通过提供新的生产要素和集 成高效的生产方式为建筑工业化与信息化融合提供有力保障和支撑。 因此，工程建造领域的智慧化则是在工业化与信息化高层次深度 融合的背景下产生的。图1.8 就表达了智慧建造阶段将由信息化、数字 化、智能化走向智慧化的进阶。  图1.8 建筑工业化与建筑信息化的高度融合形成智慧化 智慧建造则是工业化和信息化高度融合后达到的又一个新阶段。 建筑工业化对信息化有着巨大拉动作用，而信息化反过来又可以极大 地促进建筑工业化的发展，二者并不是同步发展的，是行业进行的两 个阶段，将建筑工业化与信息化有机结合起来，实现两者深度融合是 智慧建造的契机和关键点，将促进建筑业变革，实现中国建造高质量 发展。它将助推建筑行业迈向发展新时代。2020 年7 月，我国住房和 城乡建设部等十三个部门联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化 协同发展的指导意见》，强调建筑业向工业化、数字化、智能化方向 升级，加快建造方式转变，推动建筑业高质量发展，打造“中国建造” 品牌。《意见》指出要以大力发展建筑工业化为载体，以数字化、智 能化升级为动力，加大智能建造在工程建设各环节的应用，推动建筑 业由智能建造向智慧建造转变，形成涵盖科研、设计、生产加工、施 工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产业体系。 ▲1.5.3 智慧建造的演化阶段  基于“智慧”“智能”的理解，毛志兵指出，实现智慧建造的路径就是 以工业化筑基、用信息化赋能，推动建造的“数字化、网络化、自动 化、智慧化”，智慧建造的演化和发展需要经历感知阶段、替代阶段、 智慧阶段3 个阶段。 （1）感知阶段 感知阶段就是借助信息技术，扩大人的视野、拓展人的感知能力 以及增强人的部分技能。比如现在智慧工地就大体处于这个阶段，利 用物联网、传感器等技术采集施工过程中的相关数据，通过设计安 全、环境、动作等算法，智能辅助管理人员进行判断和决策。这一阶 段的智慧仅起“辅助性”作用。 （2）替代阶段 替代阶段就是要借助工业化和信息技术，采用从体力方面进行“机 器换人”，解决劳动力问题，利用机器人完成人类低效率、低品质或高 风险的工作。这一阶段的智慧可以起到“体力替代”作用。 （3）智慧阶段 智慧阶段就是全面借助大数据、物联网、人工智能等信息技术， 在各个环节活动和决策上建立“类似人”的思考能力，由一部具有强大 的自我学习、自我进化能力的“建造大脑”，完全替代人的大部分体力 性生产及脑力性管理活动。这一阶段的智慧可以起到“脑力替代”作 用。 3 个演化阶段的实现面临不少挑战，并不是一蹴而就的，而是需要 从技术层面不断地进行迭代，也需要分阶段分重点逐步实现。 1.6 智慧建造各生命周期概述 建筑业的各阶段经过智慧赋能后，从传统的建筑产品阶段升级为 智慧决策、智慧设计、智慧生产、智慧施工、智慧运维等新生命周 期。本书第3 至第5 章将对相关阶段的技术和应用等情况做详细介绍。 建设工程活动各个阶段的智慧化转型如图1.9 所示。  图1.9 建设工程活动各个阶段的智慧化转型 ▲1.6.1 智慧决策概述 新兴信息技术给决策阶段升级包括决策思路的升级和决策工具的 升级。 （1）决策思路由“经验决策”升级为“数据决策” 工程建造活动中产生了大量的数据，这些数据中往往隐藏着消费 规律、市场趋势等，通过对数据进行挖掘和分析，实现数据的规律显 性化，一条条规律组合起来辅助决策者决策，让决策有据可依。如利 用大数据技术分析所收集的购房者对建筑风格、建筑户型、建筑价格 等的评价，对建筑产品进行需求导向的定位。 （2）决策工具从“简单的统计分析”改为“技术支撑下的智能分析” 人工智能、大数据等技术对决策阶段收集到的信息进行分析，搭 建数据模型对实际情况进行模拟仿真和预测，通过仿真结果来决策并 进行优化。如利用人工智能技术建立可行性研究所需的数据库，以调 研数据为基础，以专家系统的形式为用户提供各种相关模型（如消费 市场结构模型、选址模型、风险模型等），从而为可行性研究报告的 编制提供参考借鉴。 ▲1.6.2 智能设计概述 新兴信息技术对建筑设计阶段的升级体现在两个方面，即设计工 具的升级和设计逻辑的转化。 （1）设计工具的升级 CAD 技术的出现推动了建筑设计的第一次飞跃发展，而BIM、人 工智能等新兴信息技术推动了设计工具从CAD 绘图到三维建模设计、 计算机建模辅助设计的飞跃。它们可以协助设计人员完成手工难以完 成的测量、计算和设计工作。BIM 在设计中产生了大量的应用场景， 如虚拟施工、碰撞检查、综合优化、砌体排布等，这也使建筑设计的 建筑、结构、水电、设备、装修等多专业协同成为可能。 在上述的设计过程中，技术的升级只减轻了设计人员的体力工 作，但是没有减轻他们的脑力工作。而人工智能技术通过模拟设计人 员的思考过程，使设计过程更加智能化。如衍生式设计就是智能设计 的一种，它是基于逻辑、算法或者基于规则的设计过程，模拟人脑思 维，计算机自动探索设计方案所有可能的排列组合。智能设计的应用 场景较多，如AI智能设计系统会根据建筑师布置的任务进行设计，并 与建筑师进行设计互动；利用VR 和GIS 等技术实现建筑设计环境的实 时仿真模拟。从三维建筑信息模型到智能设计，是一个设计更加自动 化的过程。 （2）设计逻辑的转化 新 兴 信 息 技 术 带 来 的 更 重 要 的 是 设 计 逻 辑 的 转 变 。 英 国 NBS （National Building Specification）发布的《国家BIM 报告2018》提出， BIM 在建筑业和制造业之间搭起了桥梁，建筑业的设计逻辑向制造逻 辑转变。建筑设计参考工业化的思维进行产品标准化设计，设计标准 化的特征即通用化、模块化（组合化）、系列化。标准化的设计逻辑 可表述为：首先根据人体工学和模数化，将人的尺度翻译成通用的空 间尺度，形成基本的活动单元（如盥洗单元、如厕单元、淋浴单 元），基本活动单元是符合建筑模数通用化的部品部件；不同的活动 单元组成功能房间（卧室、起居室、卫生间、厨房等），即为模块 化；功能房间组合形成系列化的户型产品。 ▲1.6.3 智慧生产概述 智慧生产是对生产管理思路和生产技术的升级。 （1）需求驱动的生产管理 建筑智能生产包括生产准备、原材料采购、构件生产等步骤。生 产准备阶段，引入现代数字工厂的概念，根据用户的需求，迅速收集 资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析规划，为材料 采购和构件生产做准备。技术支持下的生产信息集成可实现预制构件 质量管理、生产计划管理和生产进度管理，还可以根据施工进度调整 生产计划。如基于BIM、RFID 技术的预制构件管理系统，可以实现对 预制构件的跟踪管理、质量追溯等功能。 （2）工厂生产方式向智能化方向转变 构件生产方式包括离散制造和流式生产，离散制造更加灵活，用 于制造生产流程和工序不固定的小型构件；流式生产适用于制造生产 工序相同、尺寸不同的构件。多种生产方式适配不同的构件生产需 求，体现了柔性生产的理念。传统的生产方式是将建筑构件生产搬到 工厂中，是人工作坊式的生产方式，模台不动，人流动，是静态的施 工，自动化程度较低；现在工厂中虽然有半自动化的生产线，但仍旧 是流水化工人作业；而未来可能实现全自动化的工厂生产线，以数控 生产线、3D 打印、机械臂的人机协同的工作方式进行生产，提升生产 质量和生产效率。 ▲1.6.4 智慧施工概述 技术在施工阶段的应用主要带来了施工生产要素的升级、建造技 术的升级和项目管理的智慧化，产生了新的施工组织方式、流程和管 理模式。 （1）施工生产要素升级体现在材料、设备的智能化  施工生产要素升级是指建筑材料和施工机械设备的升级，包括新 型建筑材料和智能机械设备的应用。智能设备是以智能传感互联、人 机交互、新型显示及大数据处理等新一代信息技术为特征，以新设 计、新材料、新工艺硬件为载体的新型智能终端产品及服务，如在安 全管理中常用的智能安全帽、智能手环、无人机等设备。智能安全帽 可以监测工人的不安全行为，将数据汇总到后台进行实时监控。智能 机械包括挖掘机、起重机等，如智能挖掘机，综合利用传感、探测、 视觉和卫星等多信息融合，使挖掘机具有环境感知能力、作业规划及 决策能力。此外，施工机器人的引入也是生产要素的升级，施工机器 人可完成建筑墙面砂浆刮平、砌墙等工作，大大提高施工效率，降低 施工风险，如现在生产的砌砖机器人，铺砖量可达到1 000 块 / h，并可 连续7 天×24 h 工作。 （2）建造技术的升级体现在装配化施工 建造技术的升级是指施工方式从传统的现浇混凝土施工到装配化 施工，目前建筑施工装配化主要有3 种方式。较为常见的生产方式是现 场建造方式，是现浇与现场装配的配合，这种建造方式可以实现生产 和装配同时进行。第二种生产方式是工厂化建造方式或者预制装配 式，70%～90%的工作都是在工厂完成，然后运输到施工现场进行拼 装。根据装配化程度不同，又可分为全装配式和半装配式。装配式建 筑体系包括大型砌块建筑、装配式大板、骨架板材、盒式建筑、装配 整体式建筑。第三种是使用3D 打印技术实现现场整套打印，实现了建 筑自动化建造，减少了劳动力投入，降低了施工成本和施工时间，增 加了建筑的自由度。3D 打印分为施工现场打印或者异地打印再运输到 现场。 （3）项目管理的智慧化体现在智慧工地整体解决方案 “智慧工地”是建立在高度信息化基础上的一种支持人和事物全面 感知、工作互通互联、信息协同共享、决策科学分析、风险智慧预控 的新型信息化管理手段。其特征包括全面感知，即可感知不同主体、 不同对象的各类工程信息；工作互联互通，将分散在不同阶段、不同 主体、不同终端中的各种信息汇集在智慧管理信息平台，实现生产过 程可视化；更智能化，利用大数据、人工智能等方法实现复杂数据的 处理、分析和预警，从而进行安全管理、质量管理等。例如，RFID 技 术被广泛应用于人员定位与管理、物料追踪、设备使用权限管理等； 计算机视觉技术在结构变形检测、不安全行为识别等方面发挥了巨大 作用。 ▲1.6.5 智慧运维概述 智慧运维主要是从智慧家居到智慧物业的智能化升级。 （1）智慧家居 智慧家居系统是随着科技的进步，为了适应现代家庭生活而产生 的家庭集成网络。智慧家居的最终目标是解决“人”的需求，在全屋智 能阶段，将所有与信息相关的通信设备、智能电器、家庭保安装置等 联合成为统一的整体，集中地监视、控制、管理家庭事务。智慧家居 主要应用场景包括智能电器、智能用水、智能安防等。 （2）智慧物业 智慧物业是指利用大数据、物联网等先进信息技术手段，通过统 一的大数据云平台将物业的各个单位紧密连接起来，实现物业单位数 据的融合，并且对融合数据进行深度的分析和挖掘，建立起高效的联 动机制，从而有效、快速地解决物业管理中方方面面的问题。智慧物 业主要应用场景包括安防管理、能耗管理、应急疏散管理、建筑维护 管理等。如BIM 和物联网技术集成，可在灾害发生时检测受困者的位 置，计算最短疏散路径，实现应急管理。 思考题 1.智慧建造出现的背景有哪些？它们存在什么关系？ 2.简述建筑业发展从工业化到信息化、再到智慧化的内在逻辑。 3.用自己的话阐释发展智慧建造的积极作用或重大意义。 4.比较各国智慧建造的发展进程，并探索其发展规律和特点。 5.说明各国推动智慧建造的相关政策的侧重点分别是什么。  6.建筑工业化与建筑信息化分别是什么？简述它们之间的区别与联 系。 7.智慧建造的定义是什么？ 8.智慧建造的特征是什么？ 9.如何理解智能建造和智慧建造？ 10.简述智慧建造的逻辑。 第2章 前沿信息技术在智慧建造中的 融合应用 新一代信息技术作为先进的生产方式，正在深刻地影响和改变着 传统行业，带动着各个领域走向变革，迎来了新的机遇与发展。大数 据、区块链、虚拟现实、增强现实、物联网等技术，使得万物互联、 数据驱动成为可能，催生出协同办公、智能决策等新型生产场景，同 时也反向促进了技术本身的迭代与进步。在信息化技术促进产业变革 的工业4.0 时代，各项前沿信息技术已经深刻融入每个行业、每个企 业，甚至每个人。罗兰·贝格分析了时下150 个新兴科技，总结出最能 引导行业变革的八大技术，分别是物联网、人工智能、虚拟现实、增 强现实、机器人技术、3D 打印、无人机技术和区块链等。这些技术对 传统建造各个阶段的技术迭代，就是智慧化的实现。 本章就主要的几个关键信息技术进行阐述，明确技术边界，涵盖 金融、医疗、交通等多个领域的应用场景，并从一般行业的普适性思 考前沿信息技术在建筑领域的适用性。 2.1 大数据与工程大数据 ▲2.1.1 大数据 1）大数据的概念 “大数据”这一术语最早可追溯到apache org 的开源项目Nutch，其 用来表达批量处理或分析网络搜索索引产生的大量数据集。自2008 年 起，Nature 和Science 等国际杂志相继出版了“Big Data”和“Dealing with Data”专刊，讨论大数据的重要影响和挑战。随着大数据的流行，大数 据的定义呈现多样化趋势。2011 年，Mc Kinsey 咨询公司将大数据定义 为“无法用传统数据库软件工具捕获、存储、管理和分析数据能力的数 据集”。同年，作为大数据研究先驱的国际数据中心（International Data Center，IDC）在其报告中指出，“大数据技术可用于从大规模多样化的 数据中通过高速捕获、发现和分析技术提取数据的价值”。美国国家标 准 与 技 术 研 究 院 （ National Institute of Standards and Technology ， NIST）则认为“大数据是指数据的容量、数据的获取速度或者数据的表 示限制了使用传统关系方法对数据的分析处理能力，需要使用水平扩 展的机制以提高处理效率”。Gartner 公司认为大数据是需要新型处理方 式的高容量、高生成速率、种类繁多的信息资产。从大数据的主流定 义可以看出，大数据技术的标准随着时间推移和技术进步不断地发生 着变化，高增长的数据规模和需要新处理模式是其两个关键特征。 2）大数据的特点 Gartner 分析员道格·莱尼在2001 年指出，数据增长有4 个方向的挑 战和机遇，即数量（Volume）、多样性（Variety）、速度（Velocity） 和 价 值 （ Value ） 。 在 莱 尼 的 理 论 基 础 上 ， 国 际 商 业 机 器 公 司 （International Business Machines Corporation，IBM）也提出了大数据 的4V特征，如下所述。 （1）数据体量大（Volume） 数据体量大是指大数据巨大的数据量与数据完整性，数量的单位 从TB 级别跃升为PB级别甚至ZB 级别。随着新一代信息技术的发展及 各类设备的使用，人和物的所有轨迹都可以被记录，机器—机器 （M2M）方式的出现，使得交流的数据量成倍增长。 （2）数据种类多（Variety） 伴随着传感器以及智能设备、社交网络等的飞速发展，数据类型 也变得更加复杂，不仅包括传统的关系数据类型，也包括以网页、视 频、音频、e-mail、文档等形式存在的原始、半结构化和非结构化的数 据。 （3）处理速度快（Velocity） 处理速度快通常理解为数据的获取、存储以及挖掘有效信息的速 度快。现在有些数据是爆发式产生，且数据是快速动态变化的，难以 用传统的系统去处理。因此，大数据也有批处理和流处理两种范式， 以实现快速的数据处理。 （4）价值密度低（Value）  在数据量呈指数增长的同时，隐藏在海量数据中的有用信息却没 有相应比例地增长，反而使人们获取有用信息的难度加大。以视频为 例，在连续的监控过程中，有用的数据可能仅有一两秒。 3）大数据在其他行业的应用 大数据改变了互联网的数据应用模式，为各行业的发展带来新机 遇。目前，大数据应用已经融入各行各业，如电子商业领域、金融领 域、医疗卫生领域、交通领域等，大数据产业正快速发展成为新一代 信息技术和服务业态。 （1）大数据在电子商业领域的应用 在电子商业领域，通过数据挖掘和数据分析，总结规律并预测未 来趋势，电子商业企业可以制定推动企业发展的全局性、系统性决 策，寻找最佳的电子商务解决方案。沃尔玛基于对消费者购物行为这 种非结构化数据进行分析，掌握顾客购物习惯，通过销售数据分析为 顾客推荐相关产品，创造了“啤酒与尿布”的经典商业案例。“淘宝数据 魔方”是淘宝平台在大数据应用的典型案例，淘宝通过“淘宝数据魔方” 可以收集分析买家的购物行为，宏观地了解市场情况，找出问题的先 兆。在2016 年12 月12 日的电商促销期，淘宝推出了“时光机”，基于对 淘宝注册用户的购买商品记录、浏览点击次数、收货地址等网购数据 进行分析处理，刻画出了每位用户的网购日志。 （2）大数据在金融领域的应用 金融领域，大数据在银行、证券和保险业务中得到了广泛应用， 基于大数据进行对客户行为、客户满意度和投资者情绪的分析，能够 调整金融企业的营销策略，开展金融欺诈行为检测和风险管理。华尔 街德温特资本市场公司基于全球3.4 亿微博账户的留言分析民众情绪， 以此判断人们对公司股票的买入或卖出，为该公司在2012 年第一季度 创造了7%的收益率。美国三大征信所之一的Equifax 公司，存储了包括 全球5 亿个消费者和8 100 万家企业在内的财务数据，如贷款申请、租 赁、房地产、纳税申报、报纸与杂志订阅等，通过对数据的交叉分享 和索引处理，可得出消费者的个人信用评分，判断客户支付意向与支 付能力。阿里巴巴的信用贷款通过企业交易数据来进行自动分析，然 后再发放贷款，截至2018 年，阿里巴巴已借出的贷款中仅有0.3%不良 贷款，远低于其他商业银行。  （3）大数据在医疗卫生领域的应用 大数据还能促进医疗卫生行业优化，利用大数据技术，可对各个 层次的医疗信息和数据进行有效存储、处理、查询和分析，能够改善 医疗服务，降低患者支出。2007 年，为管理个人健康信息和家庭医疗 设备，微软发布的HealthVault，用户可以输入和上传健康信息，通过第 三方机构导入个人医疗记录。为了实现医院之间对病患信息的共享， 2010 年，我国公布的“十二五”规划中指出要重点建设国家级、省级和 地市级三级卫生信息平台，建设电子档案和电子病历两个基础数据库 等。为预测代谢综合患者以帮助其复苏，安泰人寿保险公司在102 位患 者的一系列检测结果中扫描600 000 个化验结果和180 000 个索赔，得 出了一个应对危险因素的个性化治疗方案和应对大多数此类患者的方 案。美国的西奈山医疗中心使用Ayasdi 技术分析大肠杆菌的上百万 DNA 基因序列，从而成为研究细菌耐药菌株的医疗大数据公司。 （4）大数据在交通领域的应用 利用大数据海量、多样性的基本特点，通过对交通大数据的收 集、挖掘、分析，对交通状况等进行实时监控和预测，可以缓解道路 堵塞、解决停车困难、提升交通系统的安全水平、提高交通运营效率 和道路通行能力，有效驱动交通行业的发展。 “车来了”软件是在公交车上安装GPS 定位系统进行实时的位置和 时间数据采集，再利用大数据技术进行分析处理，结合车次时刻表即 可预测出每一辆公交车的到站时间。通过开源平台Github、Open Trip Planner 和MTA 获取的数据，WNYC 开发的Transit Time NYC 将纽约市 划分成2 930 个六边形，分析得出每个六边形重点的边缘时间，最终建 模出4 290 985条虚拟线路，用户通过输入地址便可获取到达时间。 INRIX-Traffic 通过实时采集用户的行驶数据，通过大数据汇总分析， 可计算出最佳线路，让用户避免交通堵塞。武汉将全市停车场数据进 行汇总、分析及资源共享。目前，武汉交警已完成约1 900 家停车场的 调研，系统注册停车场594 家，上线473 家，可实现对17 万个车位的实 时管控。 ▲2.1.2 工程大数据及应用  工程大数据是指在建设工程项目全生命周期产生的所有数据汇聚 而成的数据集，这些数据通过采集、存储、分析、展示，能够从中汲 取知识、预测未来、风险管理，辅助项目进行系统性决策，以促成项 目。IBM 提出了大数据的4V 特征，同样的工程大数据也具备4个特 点，具体如下所述。 1）工程大数据的特征 工程大数据具有数据体量大、数据类型多、数据管理困难和数据 价值大等特征。 （1）数据体量大 随着项目的开展，工程数据体量将不断增加，普通单体建筑所产 生的文档数量可达到104 数量级。 （2）数据类型多 同其他大数据一样，工程大数据包括各种结构化数据、半结构化 数据、非结构化数据，如成本、建筑尺寸、施工日志、各类音频图片 等。 （3）数据管理困难 工程项目具有一次性、不确定性等特点，这使得工程数据的收 集、管理、共享等具备一定的困难。 （4）数据价值大 与传统大数据较低的价值密度相比，工程大数据能够通过规模效 应，将低价值密度的数据整合为高价值密度的信息资产。 2）工程大数据的应用价值 我国在建筑工程施工建设中运用大数据技术，可以为海量工程数 据分析和处理提供便利，同时也有效规避了工程建设中各环节容易出 现的弊端。在工程建设招标投标上，容易出现定价机制市场化不足、 评标履约能力不足的问题，该技术为项目招投标活动合理开展提供了 保障。在建筑工程施工过程中，既可对工程数据进行统计、处理和评 估，也可为建筑工程开展提供决策依据，从而推进项目质量、安全、 环境等管理的信息化。  （1）基于大数据的工程招投标 目前，在我国招投标过程中仍存在诸如串通投标、虚假招标等问 题。而通过对工程大数据的收集、存储、分析后，既能快速核实招投 标中各方信息，预测招投标相关情况，还能为交易决策提供强有力的 数据支撑。此外，基于工程大数据，还能统计行业内的信用信息，建 立招投标市场主体履约信息系统，促进工程招投标过程的公平、公 正、公开。 自2015 年起，贵州省公共资源交易中心将大数据应用于工程招投 标管理。贵州省发布了全省统一建设工程招投标流程、工程招标电子 化交易操作细则以及一系列数据交换标准，促进全省的数据互联互 通、交互共享。此外，贵州省还以全省统一的公共资源电子交易流程 为基础，搭建“云上贵州”大数据平台，实现企业注册信息共享、数字 证书全省通用，目前全省已有61 218 个数字证书在交易平台互联互 通。2015 年，贵州省交易中心开发建设了交易数据分析系统，通过工 程招投标数据分析，一年内共发现各类交易违规问题15 起，提出工作 建议8 条。 2020 年5 月，湖南省对工程建设招投标开展大数据分析，通过对 全省2017 至2019 年20 000 多个招投标项目的招标人、投标人、专家评 委等数据的采集、深度分析，新建了30多个大数据分析模型，重点查 找“标王”、陪标专业户等问题线索。截至2020 年9 月，通过工程招投 标大数据分析，湖南省发现了25 家中标次数过高的知名建筑企业，并 组织开展了约谈、自查自纠。此外，通过此次大数据比对，还查处了 32 起串通投标问题。 沈阳市通过采集2013 年以来全市所有人防工程的项目审批信息和 招投标信息等，建立工程数据库，运用不同的分析算法，发现全市有 68 个项目存在少批应建人防工程情况；运用行权痕迹分析法建立比对 模型，发现多起围标串标问题。 （2）基于工程大数据的施工管理 在安全管理方面，工程项目具有一定复杂性，传统施工项目难以 对人、材、机等进行有效控制和管理，规避安全隐患。而通过工程大 数据的采集、存储、分析等环节实现其有效利用，并对工程项目安全 进行风险预测。从2015 年起，丁烈云院士的数字建造与工程安全团队 通过自主研发的地铁施工安全风险控制系统，采集了300 余个地铁工程 的CAD 图纸及BIM 模型、施工日志、环境监测数据、进度跟踪照片、 隐患排查照片和相关监控视频等。该团队基于每年收集的超过1 500 TB 非结构化数据，超过50 万条的结构化数据，开展施工现场安全巡视、 监测数据采集与分析、专家诊断及预警等服务。此外，基于采集到的 工程数据，还可以对结构主体、机械设备、人员的安全行为等进行实 时监测。 在进度管理方面，现阶段的施工进度计划管理难以离开现有的软 件以及部分进度管理系统，基于现有软件、系统收集的进度数据，并 对其进行汇集、分析，可得出影响进度的因素及工期履约情况。如珠 江三角洲水资源配置工程融合进度计划、进度监控、作业状态等信 息，运用工程进度大数据可进行评价和预测模型，识别进度滞后的标 段或工区，辅助管理人员及时掌握进度态势，提前发现和处理工程进 度风险，进而实现工程进度的有效管控。 在质量管理方面，依靠对工程大数据分析，施工单位能够全面掌 握混凝土抗压强度、钢筋的焊接等数据，从而有效预判、管理和解决 施工质量问题。美国马里兰大学、北卡罗来纳州立大学和AECOM 联合 研发了桥梁综合健康监测系统，用于收集桥梁影像视频数据、桥梁结 构监测数据、桥梁交通通行数据和桥梁设计建造数据等4 类数据，实现 了马里兰州317 座桥梁的远程、实时监控，对于桥梁性能退化、安全问 题进行早期诊断和预警服务。 在环境管理方面，施工单位已陆续建立相关管理平台，对相关数 据进行采集、存储、管理。如施工单位可利用建筑废弃物监管系统， 实现对现场废弃物的计量、运输、处理等环节的信息化管理，政府则 能宏观地了解项目废弃物的总体排放、回收情况。自2006 年起，中国 香港政府实施建筑废弃物处置收费计划，用于监督施工和拆除过程中 产生的建筑废弃物，并推动资源回收和重复利用。该计划规定施工单 位对日期、废物清运车辆、进出场质量等废物倾倒信息进行记录，基 于这些信息进行分析、处理、建模，可对废物阶段清运量、车辆需求 等进行预测，提升废物处理效率。 2.2 物联网与工程物联网 ▲2.2.1 物联网 1）物联网的定义 目前关于物联网（Internet of Things，IOT）的定义还没有一个统一 的标准，但就物联网本质而言，物联网既是新一代信息技术的高度集 成与综合应用，也是“信息化”时代的重要发展阶段，最初是指利用感 知设备、网络技术等实现物与物之间的相互连接。但随着信息技术的 飞速发展，物联网的定义也随之不断地发生变化。 国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）于 2005 年发布的《ITU 互联网报告2005：物联网》指出，物联网是指通 过传感手段和一些相关设备对任何物品或物体进行感知，并按照约定 的协议，实现与互联网的有效连接，进行信息交换和通信，以便完成 对物体智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种新型网络。2009 年9 月，欧盟也提出了物联网的定义，即基于标准和交互通信协议具有 自配置能力的动态全球网络设施，在物联网和虚拟的“物件”具有身 份、物理属性、拟人化、使用智能接口等特征，并能无缝综合到信息 网络中。工信部于2011 年5 月在《物联网白皮书》中提出，物联网是 指通过依托网络进行计算、处理、传输、互联，实现人物、物物信息 交互和无缝连接，来利用感知技术、拓展、网络延伸，智能装置感知 识别通信网和互联网，并且依次实现对物理世界的精确管理、实时控 制、科学决策，总体上包括感知层、网络层和应用层3 个大层次。 因此，物联网是指通过识别技术、传感器技术、智能通信技术等 信息技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集 其物理、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成一 个巨大网络，以实现物物、物人、人人等所有物品与网络的连接，进 行信息交换、通信和智能处理。 2）物联网的起源 物联网的说法最早可追溯到1995 年比尔·盖茨撰写的《未来之路》 一书中，但受限于当时感知设备、智能设施以及网络技术的发展，使 其未能得到广泛认可。美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology ， MIT ） 继 1998 年 提 出 了 当 时 被 称 作 产 品 电 子 代 码 （Electronic Product Code，EPC）系统的“物联网”构想后，在1999 年美 国召开的移动计算机和国际网络会议上，首先提出了物联网的概念， 即依托射频识别（RFID）技术、电子代码等技术，并借助于互联网， 构 造 了 一 个 实 现 全 球 物 品 信 息 实 时 共 享 的 实 物 互 联 网 “Internet of Things”。 2003 年美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生 活的十大技术之首。2005 年11 月17 日，在突尼斯举行的信息社会世界 峰会（World Summit on the Information Society，WSIS）上，国际电信 联盟发布了《ITU 互联网报告2005：物联网》，引用了“物联网”的概 念。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，依托RFID、 传感器等技术获取世界上任何物体信息，并利用互联网进行主动交 换。 2008 年年底，国际商业机器公司在向美国政府提出的“智慧地球” 战略中强调，利用物联网技术实现智慧型基础设施的建设，使得地球 所有的物体“充满智慧”。欧盟分别于2009 年6 月和9 月发布了《欧盟物 联网行动计划》《欧盟物联网战略研究路线图》，旨在构建新型物联 网框架来引导世界物联网的发展。 我国于2010 年正式将物联网列为国家五大新兴战略性产业之一， 并写入《政府工作报告》。之后为更好地推进物联网产业体系的发 展，《物联网“十二五”发展规划》《关于推进物联网有序健康发展的 指导意见》《关于物联网发展的十个专项行动计划》及《中国制造 2025》等多项政策不断出台，《关于推进物联网有序健康发展的指导 意见》指出“掌握物联网关键核心技术，基本形成安全可控、具有国际 竞争力的物联网产业体系，成为推动经济社会智能化和可持续发展的 重要力量”。 3）物联网的网络技术架构 物联网通过传感器、电子代码、摄像头等设备对现实世界进行感 知，并通过以互联网为核心的各种通信技术，对感知信息及控制信息 等实现可靠传输，最后以大数据、云计算、人工智能等各种数据处理 技术实现智能应用。因此，物联网的网络技术架构主要分为3 个层次， 即感知层、网络层和应用层，详见图2.1。  图2.1 物联网的网络技术架构 （1）感知层 物联网要实现任何物体间的通信，离不开对“物”的感知。感知层 作为物联网的感觉器官，用来识别物体、采集信息，主要由各种传感 器以及传感器网关构成，包括传感器（如温度、湿度、光照强度、二 氧化碳浓度等传感器）、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、 全球定位系统（Global Positioning System，GPS）等感知终端。感知层 是物联网发展和应用的基础，关键技术包括自动识别技术、传感器技 术、嵌入式计算技术和无线通信技术等。其中，自动识别技术就是通 过被识别物品和识别装置间的活动，自动获取识别物品的信息，并由 后台计算机处理系统进行相应的转化；而传感器作为信息源，将物理 世界中的物理量、化学量、生物量转化成可供处理的数字信号。通过 嵌入式系统对信息进行处理，同时借助随机自组织无线通信网络，以 多跳中继的方式将所感知的信息传递到接入的基站节点和网关。 （2）网络层 物联网的网络层是建立在现有的网络和互联网基础上，相当于人 体的神经中枢，主要承担着对感知层获取的相关信息进行传递和处理 功能。网络层根据感知层的业务特征，优化网络特性，实现感知层与 应用层之间的互联互通，促进物与物、物与人、人与人之间的信息交 流。网络层综合了各种通信技术（包括短距离无线通信技术、低功耗 广域网技术、卫星通信技术、光纤通信技术等），以实现感知数据上 传。无线通信是实现万物互联的基础，而多种通信技术并存与互补的 趋势将更好地提升信息交互的效率。短距离无线通信技术是指利用各 种无线传输技术（如蓝牙、ZigBee、Wi-Fi、LiFi 等）在较小的范围内 实现无线通信；为了满足远距离物联网设备的需求，低功耗广域网技 术应运而生，主要由LoRa、Siafox、RPMA 等非授权频谱的专利技术和 NB-IoT、EC-GSM、eMTC 等授权频谱的蜂窝技术构成，具有低宽带、 低功耗、远距离及大容量等特点；卫星通信技术是以卫星作为中继站 转发微波信号，实现多个地面站之间的通信，具有覆盖面广、通信容 量大、传输质量好等特点；光纤通信技术就是运用光导纤维作为传输 信号，以实现信息传递的通信方式，不仅有较大的信息容量，其在抗 干扰能力、安全性能以及传输距离等方面均有较大的优势。 （3）应用层 应用是物联网发展的驱动力和目的。物联网的应用层是利用大数 据、云计算、人工智能等技术对感知数据进行处理和分析，做出正确 的决策和控制，以实现智能化服务。物联网的应用可分为监控型（例 如物流监控、人脸识别和环境感知等）、查询型（例如智能监控、远 程查表等）、控制型（例如智能交通、路灯控制和智能家居等）、扫 描型（例如门禁系统、高速公路不停车收费等）等。为了更好地实现 物联网的应用，智能化信息技术发挥着重要作用。如随着社交网络、 物联网等的飞速发展，大量非结构化数据呈指数级增长，大数据技术 可以用来表达批量处理或分析网络搜索索引产生的大量数据集；云计 算作为下一代计算模式，以公开的标准和服务为基础，把互联网作为 传输途径，提供安全、便捷、快速的数据储存和网络计算，在科学和 商业等计算领域发挥着重要的作用；人工智能技术是在通信技术研究 基础上的重要的新兴技术类型，能较大程度地实现物联网工作中内在 驱动力的优化，切实改进当前物联网运用在网络应用、计算以及信息 储存等方面的缺陷，提高其灵活性和运维性。 ▲2.2.2 工业物联网及其应用 工业物联网（Industrial Internet of Things，IIOT）概念最早是由美 国通用电气公司（General Electric Company，GE）于2013 年6 月在北 京举办的主题为“当智慧遇上机器”的领袖论坛上提出的，是指将具有 感知、监控能力的各类采集、控制传感器或控制器，以及移动通信、 智能分析等技术不断融入工业生产过程各个环节，从而大幅提高制造 效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，最终实现将传统工 业提升到智能化的新阶段。2013 年以来，随着传感技术、云计算技 术、异构网融合技术等关键技术的不断成熟，物联网从以往的孤立、 碎片化阶段步入了跨行业整合、大规模发展创新的实质阶段，从而促 使物联网技术被应用于各行各业中。 （1）工业物联网在交通领域的应用 交通领域被认为是物联网所有应用场景中较有前景的应用之一。 随着城市化的发展，交通拥堵、交通事故和环境污染等问题越发严 重。而物联网技术的出现，为有效解决交通问题提供了思路。例如， 驾驶人利用物联网技术可以实时获取周围路况和停车场车位信息，从 而引导车辆实时优化行程，有效缓解了交通压力。高速路口设置道路 电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection，ETC）就是以摄像头 识别车辆信息，根据行驶里程计费，实现无感收费，从而提升车辆的 通行效率。智能公交通过RFID、传感等技术，实时发布公交车的位置 及到站时间，乘客可以根据搭乘路线确定出行，免去不必要的时间浪 费。交通管理部门可以通过物联网技术实时获取车辆行程和违法信 息，进一步提高交通违法行为判定的精度和准确度。此外，社会车辆 逐渐增多，在增加交通压力的同时，停车难也日益成为一个突出问 题。不少城市基于云计算平台，并结合物联网技术与移动支付技术， 推出了智慧路边停车管理系统，以实现共享车位资源，提高车位利用 率和用户的方便程度。另外，该系统可以兼容手机模式和射频识别模 式，用户通过手机端App 软件就能实时了解车位信息、车位位置等信 息，提前做好预定并实现交费等操作，有效解决了“停车难、难停车” 的问题。 （2）工业物联网在物流领域的应用 在供给侧结构性改革背景下，传统物流业发展方式难以为继，随 着物联网技术的出现，促使传统物流业向智慧物流转型升级。智慧物 流是指利用物联网技术实现货物在供需双方面之间的智能转移，包括 实现运输、仓储、配送、包装、装卸、信息服务等全过程的系统感 知、全面分析、及时处理等功能，在满足供方利益最大化的同时，为 需求方提供最佳服务。2010 年，我国首个物联网物流应用平台在江苏 启动，该平台创新运用“三网融合”技术形成互联互通、高速安全的信 息网络，应用RFID 系统、GPS、GIS、无线视频及多种物流技术，帮 助企业构架数字化、网络化、可视化和智能管理系统，从而形成各级 “物流公共信息平台”为信息结点的物联网络，包含了车货仓三方对 接、危化品全方位监督等九大物联网示范工程，每个示范工程可为应 用方提供融合通讯、加油、保险等综合一体化服务，将使整体物流行 业“感知”范围进一步拉大，实现多方共赢。2011 年1 月，Omnitrol Networks公司与全球领先的英国电信全球服务部合作，共同部署基于 RFID 的资产追踪与追溯解决方案，以用于追踪库存实际移动情况以及 发出实时补货提醒，实现实时库存管理与追溯，从而提高供应链智能 化水平。 （3）工业物联网在农业领域的应用 农业作为我国第一产业，在新农村建设中占据着重要的地位。随 着节能减排理念的提出，当前农业生产中也要求能够实现精耕细作， 实现机械化生产，由此提高农业生产的产量和质量。而物联网技术在 农业生产中的应用，促使其正朝着自动化、规模化和机械化的方向发 展。农业物联网作为物联网技术在农业生产中的应用形式，是指通过 对农业生产全过程的信息感知、精准管理和智能控制，实现农业实时 检测、远程控制、灾害预警和安全追溯等功能。物联网技术在农业生 产中具有较为广泛的应用，并且能够对农作物的质量和产量带来积极 意义。农业物联网运用到温室农业生产中，使其变得简单化、规范 化，做到对农业生产全过程的可视化、可控化，通过各类传感器（如 温度、湿度、pH 值、二氧化碳浓度等无线传感器）、RFID 以及视频 监控等方式，采集农业生产的各种现场信息，并利用智能化操作终端 实现农业生产的智能化管理、最优化控制等。除此之外，农业物联网 也可以实现农产品的安全追溯，利用条码技术、RFID 等技术对农产品 的生产、加工、运输、贮存、销售等整个供应链的全过程进行跟踪、 监测及识别，形成“生产有记录、流向可追踪、信息可查询、质量可追 溯”的农产品质量监督管理新模式。2004 年日本基于RFID 技术构建了 农产品追溯实验系统，其借助RFID 标签，实现农产品的流通管理和个 体识别。 （4）工业物联网在工业生产领域的应用 工业生产是我国现代化城市建设的重要物质保障，但工业生产中 存在的生产力不高等问题也成为制约城市发展的核心问题。将工业物 联网技术应用于生产线过程监测、实时参数采集、生产设备与产品监 控管理、材料消耗监测等方面，通过对数据的分析处理可以实现智能 监控、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护等功能，有利于提 高工业生产数字化和智能化水平。微电子企业FMCS 项目通过能源管 理系统，监控所有管路中流量计的流量，各类电表电能的采集，设监 控站对各类能源进行监控分析统计，建立全厂能源计量网络图，实现 对主要生产过程参数、水、电、煤、蒸汽等相关数据的监测和分析， 以实现数据采集、处理分析、实时监控、指标管理、班组考核、自定 义报表服务和能效管理等。日本电气股份有限公司（NEC）在日本甲 府营业点所在的服务器制造工厂采用了数据平台技术，利用客户提供 的数据进行订制生产。 ▲2.2.3 工程物联网及其应用 随着智能化时代的到来，智慧建筑、智慧社区、智慧城市、智慧 地球不断推进，物联网正在建?