人工智能在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用探索

梁晏愷

沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110168

當(dāng)下人工智能的技術(shù)加持已經(jīng)成為傳統(tǒng)行業(yè)變革的重要突破口，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，工作效率日益提升。人工智能應(yīng)用于傳統(tǒng)行業(yè)必將帶來(lái)發(fā)展的新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)，推動(dòng)行業(yè)的革新和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，也會(huì)帶來(lái)行業(yè)形式和服務(wù)形式的變化。隨著建筑產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)技術(shù)要求的迫切，作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要支柱行業(yè)的建筑業(yè)也開(kāi)始了與人工智能的融合發(fā)展，加速?zèng)Q策、設(shè)計(jì)和管理的綜合效率，推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)，完成產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

1 人工智能技術(shù)概述

人工智能技術(shù)是一門極其復(fù)雜的系統(tǒng)學(xué)科，主要是用來(lái)模擬、研究和擴(kuò)展人工智能的相關(guān)理論與方法，使機(jī)器能夠勝任需要人腦才能完成的復(fù)雜工作。人工智能主要包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、心理學(xué)、語(yǔ)音技術(shù)等，是多學(xué)科為基礎(chǔ)的一門系統(tǒng)學(xué)科。同時(shí)需要廣泛應(yīng)用數(shù)理模型及理論，促進(jìn)人工智能技術(shù)的快速發(fā)展。就目前人工智能技術(shù)的應(yīng)用研究來(lái)看，主要的研究成果集中于銀行數(shù)據(jù)、人臉識(shí)別、拍照優(yōu)化、自動(dòng)駕駛等等系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)人工智能的技術(shù)主要有以下三種方法。

1.1 傳統(tǒng)編程方法

傳統(tǒng)編程方法基于數(shù)理邏輯推理，模擬人類的行為。使用經(jīng)典的邏輯證明理論運(yùn)行的有效性，模擬出復(fù)雜的結(jié)果，并從眾多的結(jié)果中選擇合適的應(yīng)對(duì)策略，這種方法被用于規(guī)劃以及搜索相應(yīng)的最佳算法。滿足某個(gè)場(chǎng)景條件下就執(zhí)行某個(gè)行為，并且將結(jié)果進(jìn)行表示，不需要進(jìn)行大量的細(xì)節(jié)算法。

1.2 機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的核心，主要是通過(guò)在前期的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中掌握改進(jìn)算法的能力，模擬人的學(xué)習(xí)行為，不斷完善自身性能。與傳統(tǒng)編程方法最大的不同是機(jī)器學(xué)習(xí)可以模擬人類的感知，判斷場(chǎng)景。比較常用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法有決策樹(shù)法、集成學(xué)習(xí)方法、聚類算法等。機(jī)器學(xué)習(xí)算法與傳統(tǒng)的數(shù)理邏輯規(guī)則不同，它需要輸入大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以歸納和總結(jié)算法，通過(guò)計(jì)算機(jī)的訓(xùn)練之后，形成一個(gè)模型。

1.3 深度學(xué)習(xí)方法

深度學(xué)習(xí)方法的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)結(jié)合硬件和軟件。硬件層面的APU（即人工智能處理單元，仿生芯片），通過(guò)SDK端口結(jié)合軟件層面大規(guī)模并行處理的算法。能夠通過(guò)高低層次的組合來(lái)獲得更加具有特征性的屬性，這樣能夠有效發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)并將它們結(jié)合起來(lái)。深度學(xué)習(xí)是目前人工智能領(lǐng)域的焦點(diǎn)，它能夠模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)路徑，通過(guò)模擬人的思維方式，而對(duì)于諸多工況進(jìn)行最優(yōu)的決策處理。

2 人工智能技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著AI技術(shù)的投入和發(fā)展，建筑界也將受AI技術(shù)的影響帶來(lái)轉(zhuǎn)型和革新。人工智能和建筑領(lǐng)域的融合運(yùn)用必將會(huì)帶來(lái)空前的高效設(shè)計(jì)環(huán)境和管理環(huán)境。人工智能技術(shù)可以在場(chǎng)地設(shè)計(jì)、建筑本體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工管理等方面發(fā)揮巨大的作用。

2.1 人工智能技術(shù)在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)用

在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，充滿了規(guī)劃師和建筑師對(duì)于方案的諸多思考和協(xié)調(diào)。當(dāng)前人工智能技術(shù)已經(jīng)可以可靠地應(yīng)用于城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)的前期工作。

圖1 xkool 系統(tǒng)

在2016年，由建筑師、軟件工程師、數(shù)學(xué)學(xué)家等行業(yè)專家組成的小庫(kù)科技在深圳成立。第一個(gè)人工智能建筑師xkool已經(jīng)成功研制，2017年6月3日發(fā)布了第一個(gè)內(nèi)測(cè)版。它結(jié)合了大數(shù)據(jù)處理、人工智能技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等多種先進(jìn)的功能，并且能夠?qū)⑾冗M(jìn)的算法輸入到自身的記憶之中，能夠在操作過(guò)程中利用算法優(yōu)化，呈現(xiàn)自己的思維。它是第一款應(yīng)用于實(shí)踐層面上的人工智能的建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能夠有效幫助進(jìn)入開(kāi)發(fā)商實(shí)現(xiàn)建筑規(guī)劃的完整性分析，配合建筑規(guī)劃師以及建筑設(shè)計(jì)師完成前期的設(shè)計(jì)工作，根據(jù)產(chǎn)品的性能介紹，人工智能技術(shù)能夠進(jìn)入設(shè)計(jì)階段的前2/3的內(nèi)容，甚至包括概念設(shè)計(jì)。根據(jù)產(chǎn)品的案例介紹，小庫(kù)xkool原型已經(jīng)成功地在深圳南山區(qū)的深圳灣生態(tài)科技城項(xiàng)目于概念設(shè)計(jì)階段參與了項(xiàng)目的輔助設(shè)計(jì)。

相關(guān)研究學(xué)者在對(duì)于AI技術(shù)的認(rèn)知和理解、以及相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)之上，將人工智能技術(shù)利用于建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，降低設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)成本、加快效率、提高整個(gè)方案的設(shè)計(jì)質(zhì)量并為方案的成型在短時(shí)間內(nèi)帶來(lái)更多的可能。包括周邊環(huán)境的分析研究、場(chǎng)地的使用、建筑形態(tài)上的優(yōu)化和建筑風(fēng)格的取舍。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中人工智能技術(shù)的應(yīng)用

建筑物在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中，受到外界環(huán)境因素的影響以及自身材料老化的作用，很容易出現(xiàn)裂縫以及磨損的現(xiàn)象，或者是由于建筑物經(jīng)過(guò)環(huán)境的振動(dòng)（如地震）承受破損，都會(huì)對(duì)房屋建筑安全造成相當(dāng)大的影響。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全的評(píng)估一直是相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。如果將人工智能技術(shù)應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及建筑結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)中，工程技術(shù)人員就可以利用深度學(xué)習(xí)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)土木工程領(lǐng)域的外觀檢測(cè)。科學(xué)研究人員嘗試?yán)萌斯ぶ悄芗夹g(shù)中的識(shí)別視覺(jué)技術(shù)對(duì)土木工程的結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行有效識(shí)別，并且利用深度學(xué)習(xí)的方法得到結(jié)構(gòu)外觀的實(shí)際狀態(tài)，然后得出結(jié)果，外觀與結(jié)構(gòu)損傷之間所存在的聯(lián)系，同時(shí)能夠?qū)τ谒玫膱D像進(jìn)行高效的識(shí)別。用人工智能深度學(xué)習(xí)的方法能夠減少以往在進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)時(shí)大量布設(shè)檢測(cè)傳感器的方法，提高檢測(cè)效率，降低檢測(cè)成本。

2.3 建筑施工中人工智能技術(shù)的應(yīng)用

建筑施工中也可以廣泛應(yīng)用人工智能技術(shù)，利用人工智能技術(shù)建立資源調(diào)配的模型，跟蹤進(jìn)度計(jì)劃。利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、近場(chǎng)通訊技術(shù)（NFC）以及藍(lán)牙技術(shù)，對(duì)于室內(nèi)的工作狀況進(jìn)行跟蹤，再結(jié)合全球定位系統(tǒng)，對(duì)于戶外情景進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)于項(xiàng)目的遠(yuǎn)程進(jìn)度管理。有效減少施工技術(shù)的時(shí)間，并且減少施工發(fā)生事故的可能性，減少資源浪費(fèi)，降低運(yùn)營(yíng)與維護(hù)的成本。

2.4 建筑施工管理領(lǐng)域中人工智能技術(shù)的應(yīng)用

人工智能技術(shù)在建筑施工管理中也有著廣泛的應(yīng)用，施工現(xiàn)場(chǎng)的管理者可以采用人工智能決策系統(tǒng)。人工智能決策系統(tǒng)的主要任務(wù)是為了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，對(duì)可能發(fā)生的險(xiǎn)情進(jìn)行診斷。現(xiàn)場(chǎng)的施工管理是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，因此在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行診斷的過(guò)程中，可以有效分析異常的過(guò)程，同時(shí)能夠采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧Ｈ斯ぶ悄芟到y(tǒng)在建筑施工領(lǐng)域中還可以廣泛發(fā)揮全程監(jiān)控以及全稱診斷的作用。人工智能系統(tǒng)能夠利用知識(shí)化的體系系統(tǒng)進(jìn)行集中的梳理，將所獲得的信息及時(shí)傳遞至建筑工程的管理者，并為管理者作出的決策提供相應(yīng)的參考。人工智能系統(tǒng)能夠在環(huán)境友好的界面中，對(duì)于所要求的變量進(jìn)行分析和控制。在施工現(xiàn)場(chǎng)的資源管理中廣泛應(yīng)用到數(shù)據(jù)庫(kù)方法與技術(shù)。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理工具可以建立施工現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)信息來(lái)源的數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)包括施工的精度技術(shù)以及產(chǎn)品規(guī)劃等。

人工智能技術(shù)還能夠在建筑施工管理中用于現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目的現(xiàn)金流管理，對(duì)于現(xiàn)金流的管理可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，并且融合遺傳算法以及粒子群算法對(duì)于項(xiàng)目所需的現(xiàn)金進(jìn)行有效的評(píng)估。工程技術(shù)人員開(kāi)發(fā)了有關(guān)項(xiàng)目持續(xù)評(píng)估的軟件，因此可以對(duì)工程項(xiàng)目現(xiàn)金流進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的檢測(cè)，這樣就能夠?qū)崟r(shí)關(guān)注項(xiàng)目投資收益的變化。經(jīng)過(guò)工程試驗(yàn)表明，改進(jìn)型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能技術(shù)能夠有效對(duì)項(xiàng)目的需要進(jìn)行檢測(cè)，并且能夠成功的輸出最適合工程項(xiàng)目的相關(guān)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)化評(píng)估。

人工智能技術(shù)還能夠用于建筑安全管理中實(shí)現(xiàn)對(duì)于企業(yè)員工的安全培訓(xùn)工作。安全培訓(xùn)工作最主要的突破口是實(shí)現(xiàn)情景模擬，人工智能技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠解決企業(yè)員工安全培訓(xùn)工作中實(shí)踐操作訓(xùn)練問(wèn)題，并且在現(xiàn)有的平臺(tái)上進(jìn)行充分發(fā)揮，確保新員工安全培訓(xùn)工作落到實(shí)處。

人工智能技術(shù)在建筑施工管理中還能夠針對(duì)建筑材料開(kāi)發(fā)出特有的項(xiàng)目，對(duì)于工程現(xiàn)場(chǎng)操作效率比較低的問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)，并研究新型的傳感器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)整個(gè)建筑功能實(shí)現(xiàn)效能的提升，最主要的目的是對(duì)于建筑材料的持續(xù)跟蹤，有助于建筑工程的全壽命周期管理，保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)人工智能和建筑領(lǐng)域的融合和應(yīng)用進(jìn)行了探索。人工智能技術(shù)在規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)和工程管理領(lǐng)域已經(jīng)逐漸開(kāi)始了應(yīng)用和推廣，但在具體的建筑設(shè)計(jì)內(nèi)容上還有很大提高的空間。建筑師進(jìn)一步掌握將人工智能平臺(tái)作為輔助設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法，推動(dòng)行業(yè)的更新和轉(zhuǎn)型。建筑從業(yè)人員應(yīng)重視人工智能的技術(shù)，將人工智能技術(shù)與建筑領(lǐng)域相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展。