Autodesk AI 技術(shù)

在工程建設(shè)行業(yè)的探索應(yīng)用

歐特克軟件（中國）有限公司

羅海濤  諶冰  李德橋 王申  李嘉熹

2022 年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確指出，加快智能建造與新型建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展，推廣數(shù)字設(shè)計、智能生產(chǎn)和智能施工。近幾年，人工智能（Artificial Intelligence，AI）已成為全社會備受關(guān)注的熱點(diǎn)，發(fā)展速度迅猛。行業(yè)已經(jīng)有專家提出了人工智能的發(fā)展速度已經(jīng)比摩爾定律快 5–100 倍^[1]。據(jù) OpenAI 發(fā)布的報告^[2]顯示，用于 AI 訓(xùn)練的計算處理能力，可能已經(jīng)達(dá)到 3.5 個月甚至更短的時間會翻一倍。這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今能力、越來越便宜、發(fā)展速度指數(shù)級增長的人工智能技術(shù)和其他正在興起和擴(kuò)散的數(shù)字化技術(shù)，是工程建設(shè)行業(yè)通過技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，構(gòu)建發(fā)展新優(yōu)勢的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)。

Autodesk AI 及愿景

歐特克軟件（中國）有限公司（以下簡稱“歐特克”）對于 AI 的研究始于 2009 年，當(dāng)年歐特克研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了題為《Physics–based Generative Design》的論文^[3]，探討了基于物理的生成式技術(shù)的潛力。2017 年，歐特克發(fā)表了關(guān)于生成式人工智能的研究文章^[4]，證明了生成式人工智能在設(shè)計和制造行業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的可行性。2018 年，歐特克正式成立了人工智能實(shí)驗(yàn)室，開展人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。到目前為止，歐特克研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)表了 50 多篇關(guān)于人工智能相關(guān)發(fā)現(xiàn)的同行評審學(xué)術(shù)論文，使歐特克人工智能實(shí)驗(yàn)室成為世界領(lǐng)先的 3D 幾何和設(shè)計的人工智能研究機(jī)構(gòu)。

在 2023 年 11 月舉辦的 AU（Autodesk University）大會上，歐特克發(fā)布了 Autodesk AI（歐特克人工智能），以增強(qiáng)用戶創(chuàng)造性探索和解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)重復(fù)性任務(wù)的自動化，從而最大限度地減少錯誤并節(jié)省資源；分析復(fù)雜的項(xiàng)目數(shù)據(jù)，提供預(yù)測性業(yè)務(wù)洞察。Autodesk AI 分成自動化 AI、分析AI以及增強(qiáng) AI 三種類型，在歐特克解決方案的多個產(chǎn)品中有所體現(xiàn)，如圖 1 所示。未來，歐特克會推出更多的 AI 功能以使應(yīng)用場景更加完善，而更豐富的人工智能技術(shù)能力，會在 APS（Autodesk Platform Services，原稱 Autodesk Forge）以及基于 APS 的 Forma 上進(jìn)行部署。

圖 1 Autodesk AI 及其目前對應(yīng)的軟件產(chǎn)品

工程建設(shè)行業(yè)不同參建單位在不同的項(xiàng)目階段，基于不同業(yè)務(wù)場景會產(chǎn)生各類數(shù)據(jù)，但受限于目前的技術(shù)，這些數(shù)據(jù)被限制在不同的軟硬件和不同的文件格式中，即使目前有一些數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，但仍然事倍功半，存在數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不完整、不能獲取、不一致與不及時等問題。

歐特克的愿景是幫助項(xiàng)目相關(guān)方，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計至建造交付的一體化全流程。通過互聯(lián)開放的技術(shù)和數(shù)據(jù)的架構(gòu)，打造一個脫離特定軟件、與文件格式無關(guān)的從設(shè)計到建造實(shí)現(xiàn)的元數(shù)據(jù)級別平臺。這些數(shù)據(jù)具備豐富的顆粒度，數(shù)據(jù)的管理可以通過代碼管理的方式實(shí)現(xiàn)，第三方開發(fā)伙伴可以通過顆粒化數(shù)據(jù)集成到自己的方案中。工作過程中的變更，將可以快捷地傳遞到其他環(huán)節(jié)，減少文件壁壘，提高數(shù)據(jù)使用和分析的效率。在不同行業(yè)中、流程中進(jìn)行無縫傳遞、變更、追蹤，甚至可將自己的模型云信息化，以顆?；Ｊ脚c APS 數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)，使得行業(yè)企業(yè)將以較低的技術(shù)門檻和成本，賦能企業(yè)管理和技術(shù)人員根據(jù)豐富的業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)邏輯、業(yè)務(wù)場景和業(yè)務(wù)角色，重組需求與數(shù)據(jù)的鏈接，定制出企業(yè)能同時滿足政府、甲方、總包、分包、運(yùn)維等，財務(wù)、采購、管理、技術(shù)等多方要求的數(shù)字化交付平臺。

所以，歐特克基于最新架構(gòu)研發(fā)了覆蓋三大行業(yè)的 Design&Make 一體化數(shù)據(jù)平臺，如圖 2 所示。該平臺包括面向傳媒娛樂行業(yè)的 Flow、面向制造業(yè)的 Fusion 和面向工程建設(shè)行業(yè)的 Forma，提供多元的技術(shù)服務(wù)，包括實(shí)現(xiàn) AI 設(shè)計自動化、數(shù)據(jù)管理、協(xié)作、數(shù)據(jù)分析及可視化，仿真與加工制造、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí) XR（VR、AR、MR 等）、數(shù)字孿生、SaaS 服務(wù)集成，可以讓第三方基于 Design&Make 設(shè)計與建造的數(shù)據(jù)大模型、模塊化服務(wù)和對應(yīng)接口的架構(gòu)，創(chuàng)建和部署自己的 AI/ 機(jī)器學(xué)習(xí)解決方案。類似 ChatGPT 最新的技術(shù)發(fā)布成果，讓非專業(yè)人士定制自己想要的 GPT。

圖 2 Autodesk Design&Make 的一體化數(shù)據(jù)平臺

增強(qiáng) AI

設(shè)計互動與協(xié)作應(yīng)用探索

該應(yīng)用平臺通過衍生式設(shè)計探索設(shè)計師與 AI 協(xié)作，以及設(shè)計師之間協(xié)作的新模式，完成未來社區(qū)的規(guī)劃，類似于搭建樂高積木完成城市級別的規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)。該平臺為客戶提供了三種不同的角色，分別是生態(tài)專家、開發(fā)商和市長，每個角色都有其獨(dú)特的板塊和目標(biāo)。比如，生態(tài)專家的目標(biāo)為創(chuàng)造綠色生態(tài)環(huán)境，開發(fā)商的目標(biāo)為提高城市密度，市長的目標(biāo)為打造便捷的公共服務(wù)以及入口，平臺界面如圖 3 所示。

圖 3 設(shè)計互動與協(xié)作 AI 應(yīng)用

該平臺主要特點(diǎn)包括以下四方面：一是增強(qiáng)他人的能力以提升協(xié)作效率，如不同角色可以查看其他角色規(guī)劃的方案；二是增強(qiáng)設(shè)計師間的相互協(xié)作并與 AI 互動，AI 在后臺工作，根據(jù)用戶的操作提供建議；三是使用指標(biāo)疊加來實(shí)時查看設(shè)計方案的執(zhí)行情況，如光照分析、碳足跡等、密度等；四是在設(shè)計方案完成后，可以通過不同維度和指標(biāo)來綜合評價方案。

該平臺背后是 AI 根據(jù)前端設(shè)計在后臺持續(xù)優(yōu)化，設(shè)計師使用自組織映射在前端可視化設(shè)計空間，AI 支撐的設(shè)計建議系統(tǒng)在后臺持續(xù)優(yōu)化，基于 AI 實(shí)現(xiàn)設(shè)計方案、設(shè)計空間可視化和用戶設(shè)計軌跡可視化。

快速概念設(shè)計與驗(yàn)證應(yīng)用探索

該應(yīng)用程序?yàn)闅W特克研究團(tuán)隊(duì)與某客戶合作開發(fā)的人工智能解決方案，主要是通過 AI 輔助進(jìn)行建筑體量及平面設(shè)計，可讓建筑師插入建筑物的基本參數(shù)并提供少量的指示，就可估算出體積，并對室內(nèi)布局進(jìn)行程序化的規(guī)劃。

其技術(shù)路線如圖 4 所示，主要利用體素圖這種新的 3D 表達(dá)數(shù)據(jù)集，并設(shè)計了一個跨模態(tài)的圖形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也就是將計劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Program Graph）與表示設(shè)計空間的體素神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Voxel）連接，再基于對專家系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，增加一個判別網(wǎng)絡(luò)（Discriminator），這就具備生成式對抗網(wǎng)絡(luò)的條件。

圖 4 技術(shù)路線圖

通過生成式對抗網(wǎng)絡(luò)，打磨生成的體素模型，最后得到類似 ChatGPT 的效果。設(shè)計師輸入設(shè)計目標(biāo)或條件，AI 通過計劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加體素神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，生成體素模型并用鑒別器進(jìn)行不斷優(yōu)化。如圖 5 所示，左邊計劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代表的大廳、辦公室、會議室、衛(wèi)生間、樓梯間等建筑設(shè)計功能需求，右邊是 AI 生成的體素模型，設(shè)計師可以在任何步驟進(jìn)行干預(yù)，彌合 Building–GAN 和人類建筑師之間的差距。

圖 5 生成式對抗網(wǎng)絡(luò)

完成建筑體量設(shè)計后，進(jìn)一步關(guān)注建筑平面的生成，根據(jù)計劃圖（氣泡圖）生成平面并進(jìn)行大量訓(xùn)練，比較生成的平面布局之間的優(yōu)劣。同時，可以采用基于語義的設(shè)計（圖 6），對自然語言和結(jié)構(gòu)化的自然語言的處理，適合有很多建筑規(guī)范要求和限制的平面設(shè)計場景。

圖 6 基于語義的平面設(shè)計

基于目標(biāo)和結(jié)果驅(qū)動的設(shè)計流程，由 AI 自動給出設(shè)計選項(xiàng)并可以循環(huán)優(yōu)化，AI 在極短的時間內(nèi)極大提升方案優(yōu)化的效率，從而節(jié)省時間。

除了 AI 輔助建筑體量及平面設(shè)計，歐特克還研究探索了基于 AI 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、機(jī)電及橋梁等流域的方案規(guī)劃及優(yōu)化設(shè)計。

分析 AI

Autodesk Forma

2023 年 5 月 8 日，歐特克在全球范圍內(nèi)發(fā)布 Autodesk Forma。Forma 是一個通過云計算和人工智能技術(shù)提供城市和建筑地塊規(guī)劃、建筑方案設(shè)計和即時分析的軟件產(chǎn)品，為城市化和可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計和評估能力，其主要功能及特點(diǎn)如圖 7 所示。

圖 7 Autodesk Forma 主要功能及特點(diǎn)

Forma 可輔助設(shè)計師進(jìn)行即時的規(guī)劃建模，可以實(shí)時評估方案的各項(xiàng)設(shè)計指標(biāo)、工程建成后的租售面積、未來建造運(yùn)營的成本估算，以及地塊的平面布局和建筑物的三維體量的可視化效果。同時，可以根據(jù)早期規(guī)劃，將建筑物模型結(jié)合戶型、容積率、地形、光照、噪音、密度、風(fēng)向、視線、碳排放等因素進(jìn)行實(shí)時模擬分析，輔助設(shè)計師設(shè)計出更合理、優(yōu)秀的設(shè)計方案。

由于 Autodesk Forma 是基于云計算的，因此每個分析的計算都可以同步完成，從而釋放計算機(jī)上的資源；顯著減少分析等待時間，將反饋周期從幾天（使用顧問和他的軟件）縮短到幾分鐘。

Forma 基于 AI 可實(shí)現(xiàn)地塊布局的自動生成，根據(jù)地塊的邊界條件探索不同設(shè)計方案，生成對應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，用作多項(xiàng)分析及與其他設(shè)計平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。Forma 采用無文件存儲，可與 Revit 數(shù)據(jù)互通，基于瀏覽器隨時隨地開展設(shè)計協(xié)作。此外，Forma 與 Rhino 可實(shí)現(xiàn)同步聯(lián)動創(chuàng)建方案模型，利用 Rhino 創(chuàng)建更富細(xì)節(jié)的模型并同時使用 Forma 進(jìn)行即時性能分析。

Midjourney 和 Stable Diffusion 等 AI 繪圖軟件可根據(jù)文字生成圖像。同樣，Forma 已發(fā)布 AI 渲染插件 Veras for Autodesk Forma，可以實(shí)現(xiàn)基于 Forma 設(shè)計成果的 AI 效果圖渲染。

Autodesk InfoDrainage

Autodesk InfoDrainage 是排水系統(tǒng)的設(shè)計和分析軟件，可用于可持續(xù)排水系統(tǒng)（SuDS）、綠色基礎(chǔ)設(shè)施和傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的規(guī)劃、初步設(shè)計及詳細(xì)設(shè)計。其中，在加速洪水風(fēng)險評估領(lǐng)域，歐特克推出了內(nèi)置于 InfoDrainage 的開創(chuàng)性功能——基于機(jī)器學(xué)習(xí)的洪水評估工具。利用此工具可大幅提高洪水評估工作中的速度、穩(wěn)定性、適應(yīng)性和交互性，簡化工作流程。

傳統(tǒng)的洪水評估通常涉及復(fù)雜的模擬，計算量大、耗時長。新機(jī)器學(xué)習(xí)工具利用先進(jìn)的算法解決了這個問題，該算法可以快速分析整個排水方案的水深，在短時間內(nèi)獲得快速而準(zhǔn)確的洪水地圖。例如，排水設(shè)計師調(diào)整了池塘的位置，洪水地圖會快速進(jìn)行更新，幾乎實(shí)時地反映池塘位置的調(diào)整對整個排水方案帶來的改變。借助這個工具，可以使得排水設(shè)計更加智能、反應(yīng)更快、效率更高。

自動化 AI

PDF 到 BIM

工程建設(shè)行業(yè)中的設(shè)計單位、施工單位及業(yè)主單位積累了大量紙質(zhì)或 PDF 文檔，大量的數(shù)據(jù)被限制在 PDF 文檔中，歐特克研究團(tuán)隊(duì)利用 Autodesk Dynamo 作為原型設(shè)計工具探索 PDF 到 BIM 的可行性，探索通過 AI 技術(shù)實(shí)現(xiàn) PDF 圖紙到 BIM 模型的轉(zhuǎn)變，從而能夠?yàn)?nbsp;Revit 用戶增加真正價值。例如，從 PDF 文檔平面圖中進(jìn)行特征提取，識別出門、窗、墻等對象，從而實(shí)現(xiàn)從 2D PDF 自動生成 3D BIM 模型的目的，如圖 8 所示。

圖 8 PDF 到 BIM 研究探索

點(diǎn)云掃描到 BIM

目前，點(diǎn)云掃描和傾斜攝影在工程建設(shè)行業(yè)中應(yīng)用日益廣泛，但從原始點(diǎn)云及照片中提取對象特征基本需要其他軟件或手動進(jìn)行處理，如果可以基于原始點(diǎn)云或照片文件提取基礎(chǔ)設(shè)施和建筑特征可以大幅提高設(shè)計、施工效率。Autodesk ReCap Pro 為現(xiàn)實(shí)捕捉和三維掃描軟件，具有各種預(yù)處理功能，用于處理 Autodesk 各種產(chǎn)品中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建能增強(qiáng)與歐特克產(chǎn)品兼容性的數(shù)據(jù)，從而可以輕松處理設(shè)計項(xiàng)目中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)段。

在 ReCap Pro2023.1 及后續(xù)版本中，更新了通過提供高效的預(yù)處理分割功能。通過此更新，用戶可以自動將地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)分開，提取既有道路特征，并可在 Civil 3D 中作為要素線進(jìn)行使用。這減少了數(shù)據(jù)大小并提供了高效設(shè)計過程所需的數(shù)據(jù)。

未來，歐特克將在 ReCap Pro 產(chǎn)品中整合更多的 AI/ 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更多場景的特征提取。例如，從點(diǎn)云掃描到 BIM，通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，讀取點(diǎn)云對象的特征，進(jìn)行自動分類和智能分段，提取墻、柱、門、窗等要素，將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為原生 BIM 模型，以快速跟蹤改造項(xiàng)目，如圖 9 所示。

圖 9 點(diǎn)云掃描到 BIM 研究探索

BIM 聊天 AI——Otto AI

歐特克研究團(tuán)隊(duì)正在研發(fā) BIM 聊天機(jī)器人——Otto AI，基于對 Revit 等數(shù)據(jù)格式的解構(gòu)，通過類似于 ChatGPT 問答的方式可以提供不同場景、不同團(tuán)隊(duì)所需的信息，如圖 10 所示。目前，Otto AI 提供了設(shè)計主管、造價主管、業(yè)主三種角色。

圖 10 Otto AI 界面

設(shè)計主管：可驗(yàn)證設(shè)計模型的合規(guī)性，如輸入“顯示所有未設(shè)置防火等級要求的門”，Otto AI 可以通過表格、列表、二維視圖和三維視圖等方式顯示結(jié)果，并可以追問是誰設(shè)計創(chuàng)建了這些門，將結(jié)果以 Excel 文件通過發(fā)送郵件給相關(guān)設(shè)計師進(jìn)行修改工作。

造價主管：可提取模型的某個類型的清單類目數(shù)據(jù)，如通過 Otto AI 可創(chuàng)建該項(xiàng)目的門窗規(guī)格表，并導(dǎo)出成 Excel 文件。

業(yè)主：可提取業(yè)主關(guān)心的相關(guān)信息，如提取項(xiàng)目中可出租的辦公空間的面積數(shù)據(jù)和可能獲得的收入信息。

實(shí)踐案例

從 2019 年開始，歐特克對美國的模塊化預(yù)制住房供應(yīng)商 Factory_OS 進(jìn)行了兩次戰(zhàn)略投資。歐特克正在積極致力于通過自動化和人工智能創(chuàng)建更高效的建筑流程，從而減少時間、投資、材料和碳排放等。例如，基于 Factory_OS 的模塊化產(chǎn)品體系和制造工藝，利用歐特克的軟件和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計與制造的融合，打造出設(shè)計、制造、運(yùn)營一體化的全過程工業(yè)化體系。

項(xiàng)目概況

菲尼克斯項(xiàng)目（圖 11）位于美國加利福尼亞州。1989 年，菲尼克斯鋼鐵廠搬遷，原建筑和設(shè)備被拆除，留下了一個 2.02 公頃的混凝土平地。近 30 年來，盡管該地區(qū)人口不斷增長，建筑成本不斷增加，住房危機(jī)也變得更加緊迫，但該地點(diǎn)一直處于空置狀態(tài)。歐特克與 Factory_OS 團(tuán)隊(duì)將空地變身為“菲尼克斯”（The Phoenix），一個由 316 個經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和可持續(xù)的住宅單元組成的綜合住宅區(qū)。

圖 11 菲尼克斯項(xiàng)目

AI 輔助設(shè)計減少成本并改善宜居性

使用 Autodesk Forma 進(jìn)行前期設(shè)計，快速探索滿足復(fù)雜項(xiàng)目目標(biāo)的大量設(shè)計方案。例如，在建筑物上增加一層樓、將結(jié)構(gòu)的位置向北或向南移動、將游樂場或綠地從開發(fā)項(xiàng)目的邊緣轉(zhuǎn)移到中心等每次方案的改變，Forma 均可實(shí)時評價不同方案的成本、碳排放和宜居性等指標(biāo)，圖 12 為公路對建筑噪音的分析。

圖 12 利用 Forma 對高速公路噪音影響進(jìn)行分析

Forma 具有較強(qiáng)的開放性，用戶可基于 API 創(chuàng)造本地部署的插件，利用 Forma 的人工智能相關(guān)算法，加上客戶的定制化數(shù)據(jù)和設(shè)計目標(biāo)要求，形成了屬于用戶自己的人工智能應(yīng)用。在該項(xiàng)目中，根據(jù)用戶輸入，自動化生成基于 Factory_OS 的標(biāo)準(zhǔn)單元戶型的單體模型，包含外立面、內(nèi)部隔墻與平面圖，切換查看戶型組合、碳排放、租售收入等指標(biāo)，并快速專注于最大限度地提高預(yù)期結(jié)果的設(shè)計，通過使用歐特克工具和新的工作流程，將前期設(shè)計周期由兩周縮短至 6 個小時。

新材料使建筑物成為負(fù)碳

為了盡可能減少幕墻的碳排放，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過玉米秸稈等農(nóng)作物殘?jiān)c結(jié)合菌絲體進(jìn)行有機(jī)發(fā)酵，經(jīng)過 40 天在模具中發(fā)酵，然后高溫殺菌脫模，形成新型的幕墻材料，如圖 13 所示。該幕墻材料符合防火、防水、保溫等性能要求，而且能夠主動吸收大氣中的二氧化碳，生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)幕墻更低，目前已經(jīng)具備了規(guī)模化生產(chǎn)的條件。

圖 13 負(fù)碳幕墻材料制作過程

該項(xiàng)目的建設(shè)成本、時間和碳足跡僅為舊金山灣區(qū)典型多戶建筑的一半，不僅實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量項(xiàng)目的高效交付，而且積累了大量可落地的探索經(jīng)驗(yàn)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研究并驗(yàn)證了結(jié)果驅(qū)動的工作流程，完成了負(fù)碳建筑材料的成功應(yīng)用，并計劃在未來將該成功經(jīng)驗(yàn)拓展至更多、更豐富的建筑類型中。

總結(jié)與展望

歐特克將 Autodesk AI 定位為 Autodesk Design&Make 一體化數(shù)據(jù)平臺的顧問，賦能設(shè)計與建造。未來，歐特克將會不斷更新 AI 領(lǐng)域的研究，為用戶更快地提供更多、更豐富反饋和選擇；利用自動化代替重復(fù)繁瑣的工作任務(wù)，減少工程各階段的錯誤，提升效率，解放用戶的時間和精力去做更有價值、更有創(chuàng)意的任務(wù)；幫助用戶打開想象力空間，讓用戶變得更加有創(chuàng)意。同時，歐特克極度尊重用戶的數(shù)據(jù)權(quán)利，在 AI 時代建立與用戶之間的信任，保有對 AI 技術(shù)的可控，符合法律和道德要求。

參考文獻(xiàn) 

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