智能建造技术的现状与未来

Mirosław J. Skibniewski

Engineering ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (1) : 22 -25.

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Engineering ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (1) : 22 -25. DOI: 10.1016/j.eng.2024.12.024
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智能建造技术的现状与未来

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The Present and Future of Smart Construction Technologies

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Mirosław J. Skibniewski. 智能建造技术的现状与未来[J]. 工程（英文）, 2025, 44(1): 22-25 DOI:10.1016/j.eng.2024.12.024

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1 引言

当前的建筑业正在经历一场深刻变革，在先进技术整合的推动下，行业的生产力和经济效益正在被推向新高[1]。迄今为止，智能建造技术已在工业4.0的框架下持续发展，而为实现这一转型目标所整合的自动化与信息技术体系被称为“建筑4.0”[2]。智能建造技术涵盖建筑信息模型（BIM）、物联网（IoT）、机器人以及基于人工智能（AI）的专业决策支持系统等一系列创新成果。本文旨在探讨这些技术在建筑领域的应用现状，并展望未来发展趋势及其在全球范围内可能产生的影响。

一种被称为“建筑5.0”的新型产业范式正在形成，其目标是在延续“建筑4.0”成果的基础上，进一步实现环境可持续性、人类/社会福祉以及应对气候变化与频发自然灾害的基础设施韧性等拓展性目标。多家行业权威媒体，如Construction Dive [3]和Geo Week News [4]，对日益增多的计算机辅助工具、传感系统解决方案、自动化控制技术、生成式AI模型以及其他变革性技术特征给予了充分关注——这些创新成果正在重塑建筑行业的每个细分领域及相关商业活动。

2 智能建造技术的现状

在“建筑4.0”框架下[2]，当前应用的智能建造技术呈现出多样化的实施手段与方法体系，并包含源于信息与通信技术、工业自动化及机器人技术领域的各类决策支持工具。

2.1 建筑信息模型

BIM已成为一项成熟技术[5]，在发达国家它已经成为现代建筑实践的标志性工具。BIM通过创建物理结构及其关键性能参数的数字化孪生模型，实现了三大核心价值：提升可视化水平；促进设计师、施工方、材料供应商与设备厂商之间的协同作业[6]；以及优化全生命周期项目管理。BIM允许利益相关方参与从设计到拆除再到回收的项目全流程，从而有效减少设计失误、降低建设成本并缩短工期。如今，几乎所有大型建筑公司和项目业主均采用BIM，以提高建筑师、工程师、承包商、供应商及咨询团队间的沟通效率。在虚拟与混合现实应用以及人机交互方面，BIM功能迭代正加速推进，尤其体现在那些能够将点云数据输入模型中从而自动生成实际建成状态更新的技术。

2.2 物联网

IoT正在彻底改变建筑工地的运营模式。通过部署各类传感器与互联设备，可实时采集材料和设备使用状态、环境参数等全维度项目数据。这些实时数据流能够实现预测性维护、减少设备停机时间并强化安全管控机制[7]。例如，搭载生物医学传感器的可穿戴设备[8]能够持续监测工人的生命体征，在健康异常或突发状况时立即发出警报。此外，配备IoT技术的智能机器可实时评估自身运行质量、预警潜在故障并优化燃料/能源消耗与作业效率。更为重要的是，IoT系统能持续监测建成设施的结构性能，并将数据转化为可供设施使用者与管理者参考的有价值的信息。

2.3 机器人技术与自动化技术

建筑领域机器人技术的首个概念设计与原型机[9]可追溯至20世纪70年代末的苏联[10]。十年后，日本大型建筑企业在机器人作业系统研发领域取得重大突破。当前，建筑机器人技术[11]的应用市场持续扩大，尤其是在中国[12]。自主和半自主无人机广泛应用于工地测绘、监测与巡检作业，相较于传统作业方式显著降低时间与经济成本。机械臂在土方开挖、砌筑、焊接及混凝土浇筑等工序中展现高精度与高效率优势，有效提升生产力并降低人力成本。提升施工安全与职业健康水平是推动机器人应用的重要动因。当前研究前沿聚焦人机协作优化配置，旨在通过将建筑拆除转化为解构回收[13]，从而实现建筑材料的循环利用与资源再生。

建筑行业也正在见证3D打印技术的兴起[14]，该技术能够突破传统设计标准限制，快速、经济地制造出各类异形结构性与非结构性建筑构件，实现形状与尺寸的多样化定制。

2.4 智能合约

区块链技术在建筑领域[15]中的应用有望重塑项目的采购与缔约流程。其中“智能合约”的实施潜力尤为引人注目，该技术能够实现合同管理流程的全面自动化，进而对所有项目参与方产生深远影响。

2.5 人工智能

AI技术正在革新建筑行业的决策流程[16]。机器学习算法通过分析海量项目数据，识别趋势并预测结果。例如，AI技术可以通过分析项目数据优化施工进度安排，从而辅助资源分配与风险管理。此外，AI驱动的软件可以辅助生成精准的成本估算并优化工期管理。大型语言模型[17]及其配套软件展现出颠覆性潜力，有望从概念规划、设计、成本估算、采购、项目工程管理到设施运维、改造更新、拆除和回收等环节，全面重塑建筑项目全生命周期的运作模式。

3 全球应用和挑战

虽然智能建筑技术优势明显，但其全球应用程度存在显著差异。中国、美国、英国、德国、日本等主要经济体凭借雄厚的基础设施建设与高素质人才储备，在BIM、机器人技术及IoT应用方面处于领先地位。在荷兰、丹麦、瑞士、以色列、韩国、澳大利亚等规模相对较小的经济体，智能建造技术同样在推动行业进步中发挥关键作用。得益于政府与私营部门对数字化转型的持续投入，上述技术在这些国家的整合应用更为深入。整体而言，智能建造项目及其相关产品与服务市场预计将保持稳步增长态势[18]。

在大多数发展中国家，采用智能建造技术手段与方法仍面临着重大挑战。技术获取渠道受限、培训体系不完善以及资金约束等因素阻碍了技术推广进程。尽管如此，这些国家正日益认识到技术创新的重要价值，许多国家正着手投资数字技能培训与基础设施升级。

4 未来前景

智能建造[19]技术的未来前景广阔，多个发展趋势有望在未来数年内重塑行业格局。

4.1 AI解决方案整合

随着AI技术的不断进步，其与施工流程的融合将不断深化。未来的建筑工地或可广泛应用自动驾驶车辆与无人机集群，实现实时数据采集与分析，从而推动项目管理效率的跃升。AI技术还将在优化安全规程、事故萌芽阶段预判潜在风险等方面发挥关键作用。此外，AI或将重塑未来建筑机器人的环境感知与控制逻辑[20]。

4.2 可持续施工实践

在可持续发展实践日益紧迫的背景下，智能建造技术将成为推动绿色建筑战略的关键。能够动态响应环境变化的智能材料与高效节能施工方法等创新成果有望实现标准化应用。此外，依托数字技术实现全生命周期追踪材料性能的“循环经济”[21]模式将加速普及，其核心价值在于促进资源循环利用与废弃物减量。

如上所述，“建筑5.0”的新产业范式正在形成[22]。这一范式以IoT、AI、自动化与机器人技术等现有建筑技术为基础，新增了三个核心侧重点：实现环境可持续性发展、提升行业利益相关者福祉以及增强灾害抵御能力。

4.3 协同平台和数字孪生技术

数字孪生（即物理资产的虚拟电子复制体）这一概念将日益普及[23]。此类平台将促进项目利益相关方之间的实时协作，并能够根据持续分析和反馈即时进行调整。这种程度的整合可显著降低成本并提升项目成果。

4.4 地外建造

在地球上成功掌握智能建造的技术手段与方法是未来开展外层空间[24]探索性与商业性[25]建设相关活动的必要前提。美国、欧洲及中国等由政府支持的航天机构正积极推进源自地球智能建造解决方案的相关技术研发与测试。早在20世纪80年代美国柏克德公司（Bechtel Corporation）的商业计划中，就已出现对大型工程建设企业设立太空建设部门的构想，相关规划延续至今。

5 结论

十年前，美国计算研究协会旗下智库——美国计算社区联盟（US Computing Community Consortium）就曾指出，必须加快建筑行业在性能传感与分析技术、性能信息建模与仿真技术、自主化作业技术等领域的创新解决方案研发进程[26]。如今，十年过去，这些领域及相关方向已形成的技术储备正为实现“建筑5.0”范式目标提供支撑。智能建造技术通过提升效率、保障安全、促进可持续性等维度重塑建筑产业格局。尽管智能建造已在基础设施完备的发达国家和地区取得显著突破，但其在全球欠发达区域仍面临技术应用困境。未来，AI、IoT与机器人技术的深度融合将释放更大潜能，绿色可持续发展理念也将获得更深层次的工程实践响应[27]。随着全球建筑行业不断向节能和碳中和解决方案演进，采用这些创新技术对于满足快速变化的世界及其产业需求至关重要。通往更智能、更安全、更可持续的建筑发展进程，以及实现其全部技术潜力的旅程才刚刚开始，由此带来的裨益或将持续数十年之久。

多个国际组织，包括国际建筑自动化与机器人协会[28]、国际智能建造学会[29]以及国际智能建造与生产学会[30]，正致力于引领智能建造技术研发与应用的未来发展。多本学术期刊，如《建筑自动化》（Automation in Construction）、《智能建造》（AI in Civil Engineering）、《智能建造与智慧运维》（Smart Construction）、《智能建造与可持续城市》（Smart Construction and Sustainable Cities）、《智能基础设施与建筑》（Smart Infrastructure and Construction）、《智能建筑研究》（Smart Construction Research）以及《智能建造学报》（Journal of Intelligent Construction），聚焦于体现智能建造全领域方法与技术的主题。未来亟需在这些实体之间建立新的协同机制，并加强各机构利益相关方之间的合作。

智能建造技术的转移中面临诸多严峻挑战，这些挑战必须通过未来研究与开发加以解决。建筑行业具有高度竞争性，因此成功的技术转移需要可靠且经济高效的解决方案，这对于发展中国家实现智能建造尤为重要，因为这些国家缺乏资金和人员培训，获取先进技术知识的渠道有限。必须开发新型、适应性强、灵活的技术转移模式，才能使智能建造技术在全球范围内真正落地应用。

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