人工智能应用于建筑与城市设计中的研究

人工智能应用于建筑与城市设计中的研究

刘小丽1刘鑫璐2柳金龙3

1  机械工业第六设计研究院有限公司  河南省郑州市中原区 450000

2  机械工业第六设计研究院有限公司  河南省郑州市中原区 450000

3  广州博厦建筑设计研究院有限公司中原分院  河南升郑州市金水区 450000

摘要：随着大数据的累积和计算力的提升，人工智能技术再次成为人们讨论的热点。在展望人工智能和计算机辅助技术可能带给建筑与城市领域的未来可能之前，有必要首先梳理人工智能和相关数字方法与技术的源起、发展流变及与建筑/城市学科结合的先导研究与探索。

关键词：人工智能；建筑；城市设计

引言

 随着时代不断向前发展，信息技术水平有了很大提升，如今信息技术应用范围越来越广阔，有效改善公众接收信息的方式，对各行各业发展也有积极影响。此外，在信息技术的帮助下，为人工智能技术产生创造良好环境，人工智能技术还包括图像识别、语音识别、机器人等，不少行业在引用人工智能技术之后，工作和生产效率都有很大提高。

1人工智能技术在建筑企业安全管理方面应用的现状

从20世纪90年代后期开始，计算机逐渐兴起并且在很多发达国家的安全管理工作中被广泛应用，很多有名的企业都建立了属于自己的安全管理信息化运营系统，企业的所有部门在交流平台上可以实现信息共享，加快了企业内部信息的传递，对提高企业安全管理能力有重要意义。目前住建部、省级住建厅和地市级建委以及大型建筑企业都具备了信息化管理平台，不过当下的缺点就是无法及时沟通，单纯的信息共享已然无法满足企业需求。而且，很多建筑工程的人工智能技术都没有真正落实，管理部门无法对施工现场进行远程监督。到现在为止，人工智能技术的发展还有很长一段路要走，发展过程中存在的主要问题有下面几点：

1.1 人工智能技术在安全管理中应用意识不到位

建筑工程的特点就是劳动密集，施工人员的整体素质有待提高，没有专业的培训部门，施工人员不知道如何使用人工智能技术，导致整体施工人员的安全管理意识不强。而且大部分管理人员都不注重科技创新，仍然采用老旧的管理制度，建筑行业很难适应当前的社会需求，人工智能技术无法高效推动安全管理的发展。

1.2 人工智能技术在企业安全管理中投入不足

随着社会的发展和进步，现在的建筑行业内部竞争越来越激烈，目前大部分地方的建筑工程都会选择最低中标，建筑企业之间存在着严重的恶性竞争问题，导致建筑行业的收入持续走低，还有一些企业的投标报价还没有成本高，这也是为什么现在的建筑企业根本就没有足够的资金进行创新的主要原因，设备和软件无法得到更新。

1.3 项目部对人工智能技术应用在安全管理中积极性不高

我国建筑行业的人工智能技术需要尽快制定统一的标准，项目在实施期间需要花费大量的资金，项目部门过于看重利益，根本没有重视人工智能技术的应用和发展。而且，当人工智能技术应用在建筑工程当中，对施工现场的监管力度明显提高，可能会威胁到一些工作人员或者是部门的利益。

2人工智能在建筑与城市设计领域的尝试

2.1形态优化与概念设计

“优化”也许是当下计算机科学与人工智能在建筑学科中最广泛的一种应用。“optimization”一词起源于拉丁语“optimus”并最先出现在19世纪的生物学领域，用于描述“最有利的”或“最理想的”状态。在建筑与城市设计中，优化的过程在于不断搜索目标模型的某一最佳状态，并在一定条件限制下提供最佳的方案，包括但不局限于：选取最经济的结构选型、最精确的曲面划分、最适宜的声学环境等。历史上建筑师们通过搭建比例模型、手工计算等多种方式模拟不同的选型并选取相对最优的结果。其中，西班牙天才建筑师安东尼奥·高迪（AntonioGaudi）的做法显得尤为精妙。在19世纪晚期的巴塞罗那圣家堂设计中，他利用倒置悬挂的沙包模拟整个教堂的受力状况，并通过随时比较、改变沙包的重量、数量与位置得出最优选型。这一做法平衡了设计美学与结构的需求，并且实现了重力参数的动态调整和实时比对，大大加快了方案优化的过程。

2.2人工智能体与环境行为

代理人基建模（agentbasedmodelling,ABM）在城市设计的相关的学术讨论中已经有超过30年的历史。从早期的原胞自动机（cellularautomata）和20世纪80年代末克雷格·雷诺兹（CraigReynold）提出的集群模型（flockingmodels）开始，设计师与学者们便在不断发掘与探索其潜在的应用方法与范式。其中代理人的适应性行为与集群智慧被认为是人工智能的一大体现，并且和深度学习、神经网络等其他AI研究方向有紧密的联系。

2.3人工智能与公众参与

随着人工智能的介入，我们还可以进一步期待设计中公众的参与决策权力的下放。基于方案的列举和可视化呈现，使得终端用户有可能从设计系统中挑选自己更青睐的选项。而设计师在AI技术的辅助下，将有可能从单一的设计方案输出者转化为一个设计系统的组织者，从而更好地满足多元客户群体的需求。SmartVillage项目是由墨尔本大学和印度阿萨姆邦政府合作的项目，旨在通过计算机模拟辅助设计并通过预制构件技术完成新社区的营造，同时用户可以通过可调节的算法参与设计进程，在利用人工智能提高设计效率的同时，增加当地民众的参与性。

3人工智能在建筑与城市设计中的应用

3.1人工智能技术在建筑规划中的应用

美国加州的EthymiosA.Delis和澳大利亚昆士兰州AlexDelis（AlexDelis）建立了一套能够自动检测建筑物防火设计与规格相符的专业体系。整个体系由三个主要组成部分组成：结构体系描述了建筑物的各个构件（如门、过道）以及它们之间的联系；在该体系中，使用IF/THEN体系表达了该体系在该体系中应符合的各个条款；一组由几个几何运算法则组成的运算法则，用以决定各个元件之间的关系。美国斯坦福学院的查尔斯S•汉等人，通过电脑，可以对建筑物的设计进行检测，以确定其是否达到规范或标准。首先将二维CAD图形转化为三维的三维资料（IFCEXPRESS档案），利用基于FIFC文档的结构知识表达方法进行表达。设计员将IFC格式的设计资料经由网路传送至检测机构，由电脑进行自动检查，再将相关的资料传送至网站或以网站显示。刘西拉等在高层建筑物的结构系统中应用了神经网络技术。

3.2人工智能技术在建筑电气中的应用

达到节电节电是电力系统的关键。目前，人工智能技术已经在电力系统中得到了越来越多的应用。哈尔滨建筑学院朱学莉等应用了人工智能技术，在电力系统中实现了电力系统的电力系统的补偿。在此基础上，采用生成式表达法，采用正态推理的方法，得到了系统的优化性能。美国科罗拉多大学AnstettM.利用神经网络对建筑能耗进行了估算，能够对长期能耗、短期能耗、甚至小时能耗进行了估算。英国诺森比亚大学M.Gouda等利用神经网络和SVD（SVD）法来预报房间的气温。为了节约能源，采用SVD算法在神经网络中引入了192个输入参数，并将其转化为10个输入参数，从而实现了节能降耗。在各类升降机中都有专家系统、模糊控制、神经网络等先进的智能化技术。

3.3城市设计中的人工智能

在计算机技术与城市计划的发展过程中，我们可以区别于我们对其认知和设计的方法。后者是指城市体系本身演化和发展的途径；而后一类是规划师和设计师如何理解城市的空间规划，并透过规划与设计来改善居民的福利，使城市变得更加宜居、公平、高效。也就是说，我们可以通过城市模式来研究自己所关心的都市行为，并运用规划与设计模式，来处理都市出现的问题。最好的情况当然是，我们要按照我们的计划和设计来发展这座城市。但是，实际中更普遍的情形是两者有很大差异。

结语

基于建筑行业发展趋势良好的背景下，人工费用、建材费用等有一定提高，所以建筑施工过程中，需要做好成本控制，以保障效益。在人工智能技术的帮助下，有很多适用于建筑工程的机器人被创造出来，建筑机器人不仅工作效率高，还能满足绿色、环保、安全等基本需求，对提高施工水准有着积极意义。

参考文献

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[2]杨俊宴,朱骁,孙昊成.深度学习与特征参数结合的人工智能城市设计方法研究[J].当代建筑,2022(6):33-36.

[3]杨天人,金鹰,方舟.多源数据背景下的城市规划与设计决策[J].国际城市规划,2021,36(2):1-6.