智慧建筑2.0和建筑工業互聯網

1.工業4.0背景

18世紀中葉以來，人類歷史上先后發生了三次工業革命，發源于西方國家及衍生國家。加上今天的第四次工業革命，迄今為止，人類歷史上總共經歷了四次工業革命：蒸汽技術革命（第一次工業革命），電力技術革命（第二次工業革命），計算機技術革命（第三次工業革命），綠色智能工業革命（第四次工業革命）。當前階段的第四次工業革命的實質和特征是：大幅度提高資源生產率，經濟增長與不可再生資源要素全面脫鉤、與二氧化碳等溫室氣體排放脫鉤。

工業4.0是由德國政府《德國2020高技術戰略》中所提出的十大未來項目之一。旨在提升制造業的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及基因工程學的智慧工廠，在商業流程及價值流程中整合客戶及商業伙伴。其技術基礎是網絡實體系統及物聯網。德國工業4.0是指利用物聯信息系統將生產中的供應、制造、銷售信息數據化、智慧化，最后達到快速、有效、個人化的產品供應。工業4.0的目標：建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。創造新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組。

2.智能建筑定義回顧

歷史上來自不同方面的對智能建筑的定義如下：

國際定義：通過將建筑物的結構、系統、服務和管理四項基本要求以及他們的內在關系進行優化，來提供一種投資合理，具有高效、舒適和便利環境的建筑物。

國家標準定義：《智能建筑設計標準》GB/T50314-2006）對智能建筑定義：“以建筑物為平臺，兼備信息設施系統、信息化應用系統、建筑設備管理系統、公共安全系統等，集結構、系統、服務、管理及其優化組合為一體，向人們提供安全、高效、便捷、節能、環保、健康的建筑環境”。

Memoori定義：強調全新建筑物聯網(BIoT)的出現，將其定義為IP網絡的疊加、連接整個建筑的服務，無需人為干預監控、分析并且控制。

歐洲定義：智能建筑“創建了一個環境，可以最大限度地提高建筑居住者的使用效率，同時通過最低的硬件和設施壽命周期成本實現高效地資源管理”，將焦點放在通過技術滿足居住者的需求上，同時通過最低的硬件和設施壽命周期成本實現高效的資源管理。

BREEAM守則(1990) 和LEED計劃(2000)中智能建筑側重能源效率和可持續性。智能和綠色為核心特征。

3.從智能建筑到智慧建筑

工業4.0智慧城市賦予智能建筑新的內涵，使之向智慧建筑演進。智慧建筑是在智能建筑基礎上的進一步發展，其內涵的變遷與演進情況可用圖1說明。

從時間維度拓展的角度來理解，智慧建筑應該是覆蓋和貫穿BIM軟件各階段（規劃、概念設計、細節設計、分析、出圖、預制、4D/5D施工、監理、驗收、翻新）的智能化建筑。BIM軟件各階段如圖2所示。

傳統智能建筑是基于“信息-建筑”二元空間的系統，智慧建筑是基于“人-信息-建筑”三元空間的系統。如圖3所示。在“信息（Cyber）”這一維度上，智慧建筑1.0即第一代智慧建筑更多地依賴于物聯網、云計算、大數據技術，智慧建筑2.0即第二代智慧建筑更多地依賴于人工智能技術。這也正是區分智慧建筑1.0和智慧建筑2.0的本質所在。在智慧建筑2.0的三元空間系統圖中，“人（Human）”與“信息（Cyber）”之間由于引入了AI，會更多的體現出“人-機”共融特征。

圖1 從智能建筑到智慧建筑概念

圖2 BIM軟件各階段

圖3 智能建筑二元空間與智慧建筑三元空間

4.建筑工業互聯網

工業互聯網是指全球工業系統與高級計算、分析、感應技術以及互聯網連接融合的結果。它通過智能機器間的連接并最終將人機連接，結合軟件和大數據分析，重構全球工業、激發生產力，讓世界更美好、更快速、更安全、更清潔且更經濟。簡單的說就是將機器、人連接在一起的互聯網。其本質是要有數據的流動和分析。

工業互聯網的核心要義可用圖4進行描述。

從圖4可清晰地看到，“互聯”是工業互聯網的基本功能，在此基礎上通過數據流動和分析，進一步實現：智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸。最終實現新模式，催生新業態。建筑工業互聯網是指面向建筑行業應用的一類垂直領域工業互聯網。

圖4 工業互聯網的核心要義

圖5 基于物理層級的建筑工業互聯網

圖6 基于建筑云腦的建筑工業互聯網

智能建筑系統集成指以搭建建筑主體內的建筑智能化管理系統為目的，利用綜合布線技術、樓宇自控技術、通信技術、網絡互聯技術、多媒體應用技術、安全防范技術等將相關設備、軟件進行集成設計、安裝調試、界面定制開發和應用支持。智能建筑系統集成實施的子系統一般包括綜合布線、樓宇自控、電話交換機、機房工程、監控系統、防盜報警、公共廣播、有線電視、門禁系統、樓宇對講、一卡通、停車管理、消防系統、多媒體顯示系統、遠程會議系統。傳統智能建筑系統集成采用的是集散型計算機控制系統，也稱分布式控制系統(DCS）。工業4.0時代的智慧建筑系統集成架構基于建筑工業互聯網。

建筑工業互聯網的描述方法一：基于物理層級的建筑工業互聯網。如圖5所示。

建筑工業互聯網的描述方法二：基于建筑云腦的建筑工業互聯網。如圖6所示。

圖6中，建筑云腦層的“人工智能平臺”模塊適宜采用類腦計算模型相關理論和技術，是一個開放的生態平臺。人工智能平臺目前落地較好的核心機器學習算法包括深度學習、神經網絡、強化學習等。核心AI功能包括：語音、視頻、增強現實、機器視覺、機器學習、文本智能。供應鏈層由于AI的使用，大大簡化了供應流程、減少了匹配環節、縮短了供應周期，最終促使生產和工作效率得到大幅提升，故可認為是“大數據+AI”驅動的敏捷供應鏈。其中，產品供應鏈是智慧建筑供應鏈的核心，建造供應鏈是主線，服務供應鏈是產業模式變革的引擎。建筑工業互聯網中的敏捷供應鏈供需周轉如圖7所示。

建筑工業互聯網的通用層級架構可用圖8說明。

5.實現案例——森林城市中的裝配式建筑工業互聯網

由預制部品部件在工地裝配而成的建筑，稱為裝配式建筑。裝配式建筑，是建筑工業化的一種類型，也是建筑業轉型升級的必由之路。裝配式建筑符合綠色建筑的要求，節能環保，是當前打造森林城市的核心元素。據統計，相比傳統建造方式，裝配式建筑可以節水90%，降低70%的廢物、廢渣以及大氣污染。

圖7 建筑工業互聯網中的敏捷供應鏈

圖8 建筑工業互聯網的通用層級架構

圖9 雄安新區裝配式建筑規劃愿景

2016年9月14日召開的國務院常務會議，決定大力發展裝配式建筑，推動產業結構調整升級。2016年9月27日國務院出臺《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，對大力發展裝配式建筑和鋼結構重點區域、未來裝配式建筑占比新建筑目標、重點發展城市進行了明確。按照推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的要求，大力發展鋼結構、混凝土等裝配式建筑，具有發展節能環保新產業、提高建筑安全水平、推動化解過剩產能等一舉多得之效。目前，京津冀、長三角、珠三角城市群和常住人口超過300萬的城市都已將裝配式建筑作為發展重點，裝配式建筑占新建建筑面積的比例正在快速提高。目前全國已有30 多個省市出臺了裝配式建筑專門的指導意見和相關配套措施。很多智慧城市項目也已紛紛引入了裝配式建筑。按照目前的規劃，未來雄安新區百分之八九十都將采用裝配式建筑。圖9為正在規劃設計中的雄安新區裝配式建筑。圖10為正在實施中的碧桂園森林城市裝配式建筑基地施工現場。

圖10 碧桂園森林城市裝配式建筑基地施工現場

裝配式建筑的設計、生產、現場作業、管理可以采用建筑工業互聯網的通用思維進行一體化設計與協同，關鍵環節包括：集成化設計、工業化生產、裝配化施工、一體化裝修。可將智慧城市中的裝配式建筑基地設計成為一個集精益化設計、智能化工廠、數字化物流、信息化現場全產業鏈于一體的建筑工業互聯網產業創新中心。在工廠車間中預制生產裝配式建筑構件（構件種類主要有：外墻板、內墻板、疊合板、陽臺、空調板、樓梯、預制梁、預制柱等），集中運送到施工現場組裝；建筑、裝修一體化設計、施工，理想狀態是通過工業互聯網云腦的統一調配，實現裝修與主體施工同步進行，提高效率；健全與裝配式建筑相適應的發包承包、施工許可、工程造價、竣工驗收等制度，實現工程設計、部品部件生產、施工及采購統一管理和深度融合。強化全過程監管，確保工程質量安全。最終實現建筑工業化與信息化的兩化深度融合。

6.總結與展望

“十三五規劃”指出我國經濟社會發展的“五大任務”為：去產能、去庫存、去杠桿、降成本、補短板。工業互聯網有望成為去產能、去庫存、去杠桿、降成本的有力工具。

當前，智能制造和智慧城市都已上升為核心國家戰略。國家多部委聯合發布《國家新型城鎮化規劃(2014—2020)》《關于促進智慧城市健康發展的指導意見》，提出到2020年建成一批特色鮮明的智慧城市。2014年中國智慧城市的市場規模已達到800多億元。2016年住房和城鄉建設部“十三五規劃”中對智慧城市的投資總規模逾5000億元，這對中國相關行業企業來說將帶來數萬億元的市場大蛋糕。根據相關預測數據，建筑業市場將在2020年增長超過10萬億美元。可以預見，建筑工業互聯網將成為下一個工業互聯網應用和建筑業智慧化轉型的爆發點。以此推算，建筑工業互聯網的市場至少在數千億元。而且，隨著工業4.0時代的開啟，工業互聯網與建筑傳統行業的融合發展將逐步走向深入，建筑工業互聯網將成為新的藍海。