智慧工地上的阿里云數字設計

正如標題所言，這篇文章是想和大家分享：傳統的建筑工地，是如何在AI算法和阿里云設計中心的數字設計雙重加持下，變得更智能的？利用GDS既達到了高定制項目級大屏的視效效果，保留了瀏覽器端的高性能渲染和高復用性，從而形成和同類產品的代差優勢。

為什么是工地？

此時的筆者，站在阿里云EFC的落地窗前，目力所及的城市，只由兩部分構成：高聳的樓宇，和樓宇間的工地。

為什么是工地？

因為如果建筑里有城市的現在，那工地里有城市的未來；

過去數十年，讓整個中國變成一個大工地，而現在這個大工地，正一步步完成數字化轉型。

工地的數字化，是產業數字化轉型的重要一環，這一環所聯結上的，是數十年的高速發展中粗放的建筑開發模式帶來的諸多問題：工地安全事故、建筑質量問題、管理信息化缺失等等。而物聯網的硬件基底、云計算的彈性資源、人工智能的智慧技術相結合下，正孕育著新一代的智慧化工地信息管理解決方案。

阿里云智慧工地AI服務平臺，便是阿里云A組空間智能面向在建工地的一款智慧施工和驗收的產品，結合視覺、語音、文字等AI技術，對項目現場采集到的傳感器數據進實時分析和預警，智慧度量施工品質、智能識別項目進度、多維數據評估工地風險等級，讓工地少出事，管理更輕松。

設計上，我們結合阿里云AI LAB（阿里云人工智能實驗室）的BIM模型智能生成技術，以及阿里云設計中心自研的GDS WebGL圖形技術，實現了實時、三維、全景的數字工地可視化，為智慧工地產品賦予了更震撼的視效和更高效的信息展示。

這時，熟悉可視化設計領域的朋友會說了，這不就是個大屏嗎？

是的，你可以說這就是個大屏。

但在阿里云設計中心GDS的能力加持下，我們既達到了高定制項目級大屏的視效效果，卻也保留了瀏覽器端的高性能渲染和高復用性，從而形成和同類產品的代差優勢。

什么是GDS？全稱Generative Design Studios，取意生成式設計。它是一個 WebGL圖形技術基礎能力，是由阿里云設計中心自研的一個JS代碼庫，可高效復用與迭代于多種實時計算的特效。它用算法思維去做設計，專注在解決渲染層的圖形技術與視覺效果問題，通過參數、配置接口化去反應設計、邏輯、功能之間的響應關系，對基于WebGL的圖形開發做中臺能力支撐。

簡單的說，GDS生成的3D場景：

它不是那種建模一星期渲染三小時、在專業的一體化軟硬件下勉強達到30幀/秒的“游戲級”大屏；

它是那種建筑BIM模型智能生成、大屏級視效實時渲染、同時在消費級電腦上流暢運行60幀/秒的“產品級”大屏；

而為了達到這一點，我們做了三件事情：

從智能生成的BIM模型，到高性能的glTF模型

傳統的建筑模型生產嚴重依賴人工建模，高成本且難以規模化。而BIM建筑信息模型（Building Information Modeling），通過人工智能與計算機算法將CAD施工文件進行解析，并智能生成1:1高還原度的3D建筑模型，為智慧城市等創新與數字管理產品提供更智能的模型來源。

在智慧工地中我們率先使用阿里云AI LAB的BIM技術生成工地的主樓宇模型。

同時，由于智慧工地的客戶端最終是一款在瀏覽器里運行的SaaS級產品，3D可視化部分全部由WebGL技術實現的實時渲染（Real-time Rendering）。在瀏覽器端，為了出色性能表現，需要專業的設計手段對于模型的Mesh（3D多邊形面體），Vertices（節點）以及Faces（面數）進行極高要求的優化與減面，才能使產品能夠高性能地應對龐大的3D場景實時渲染，并達到生產標準。

實時渲染是指屏幕上呈現的圖形是一直在不斷計算，100%通過代碼成像，它能達到60幀/秒代表性能卓越與流暢。實時渲染的動畫并非3D軟件渲染輸出的視頻動畫，因為它是通過代碼在實時運行，所以對于參數化、動態生成、樣式切換、互動事件與操控綁定，以及聯動實時數據方面有著視頻動畫不可替代的優勢與價值；

實時渲染，每一個模型的節點都會牽涉到性能。我們亦使用Blender 3D軟件進行BIM模型的進一步優化，以及對于UV、貼圖等3D開發的前期設計工作進行處理。最終模型質量優化率達到95%+，產出WebGL開發渲染所需的高性能 glTF（Graphics Library Transmission Format）模型。

— 智慧工地通過GDS生成的3D場景線框與高性能表現的低面節點數

三維地理場景自動化代碼生成

要搭建一個真實的工地場景，只有主施工樓宇模型還不夠，還需要還原工地周邊的城市場景，讓空間更加真實和立體。通過GDS的內置能力，除智慧工地的施工樓宇模型之外，周邊所有地理和城市場景，都是100%通過代碼直接生成的。簡單來說，整個城市的三維建筑，不再依賴于人工建模與貼圖，通過圖形的計算，就能把3D場景、樣式用代碼生成出來，這大大提高了生產力。

— GDS 全參數化100%代碼生成的城市樓宇元件與地形元件，實現去人工、零手工模型貼圖

傳統的大屏工作流中，真實的城市環境生成，強依賴于城市GIS地圖衛星數據，這有著很高的采購和接入門檻。而在GDS的圖形能力中，我們需要的只是一張簡單的公共地圖圖片：施工中的工地是沒有GIS地圖衛星數據來源的，我們從公共數據（e.g 高德地圖）獲取到工地的片區圖，用設計工具勾勒出地理位置概貌，將其轉換為SVG色塊，再通過GDS的解析腳本算法，把SVG形狀換算為3D空間的相對位置坐標，用于3D場景的幾何生成。

— GDS解析地理場景，把SVG點位換算為3D生成所需的分層幾何數據

— GDS解析不同數據，對應生成不同3D場景。無需人工建模、大量提效

在消費級電腦上實時渲染大屏級視效

所有人都喜歡酷炫的視效，但酷炫的視效總是需要價格不菲的硬件支撐。在智慧工地項目中，同樣基于GDS針對城市場景的高度優化和高性能，代碼生成的大屏級的視覺效果得以實時運行在更多更廣泛的設備平臺上。

在設計智慧工地的可視化中，為了達到更好的視覺特效，我們所有的材質都來自GDS的多種Shader（圖形著色器），包括實時計算的環境映射模擬（HDRI Refelection）、車流道路模擬、根據深度計算的漫反射陰影（Depth-based Soft Shadow）、SSAO、極光聚焦特效和進度指示器等等，通過自研的Shader等技術方式，最大化與最靈活的達到理想的設計效果。

— 實時數據聯動施工進度演示

代碼生成的設計，原生也讓我們有了更多設計上的可能性，比如：參數化樣式可秒級切換；

智慧工地可視化原生集成了參數化配置，且擁有極高的復用性與易于迭代。目前GDS提供了數套不同風格的樣式配置預設，在樣板間中我們可以看到整個3D場景的風格無縫切換在秒級速度中智能完成。利用參數化風格的原理，我們也可以聯動實時數據，零成本、智能地實現深色、淺色、日夜的不同風格切換。

除了基礎的建筑模型展示之外，還有諸多業務信息也要進行可視化呈現，例如施工進度、施工現場傳感器狀態、天氣信息、報警信息等。這些數據并不是生硬地以二維圖表傳統的數字呈現，而是通過不同視效的表達融合在三維場景中。這樣一個基于“真實業務場景”的三維工地，才是一個與現實同步運轉，實現視覺表達、數據流轉和人機互動統一的數字平行世界。

基于傳感器數據的計算機視覺智能識別是智慧工地產品的核心能力，我們通過上文提到的GDS地理位置解析與計算，可以映射出施工現場傳感器設備的相對坐標，實現在可視化中聯動設備的掛載。結合阿里巴巴達摩院的視覺智能識別等多重技術能力，工地中每一個傳感器設備的狀態，報警等信息都可以在三維場景里一鍵點擊獲取。

— 傳感器設備在3D場景中通過坐標換算進行掛載

THE SMART

CONSTRUCTION SITE

BY ALIBABA CLOUD

TECHNOLOGY

—?阿里云智慧工地樣板間演示

如果說以上還更多是視覺和技術的展示，那接下來的問題是：

我們為什么從設計出發，卻要不斷突破邊界，去追求技術、性能和設計表達上的極限平衡呢？

因為海和山就在那里。

〇?海是藍海。

2018年，我國智慧工地行業市場規模就達到99.1億元，同比增長24.03%；與此同時，全國95%以上的工地仍處于原始狀態。粗略估算，國內整個智慧工地市場規模容量可達上千億元。

市場的規模只是一部分，建筑業的務工人員，數以億計。國務院安委辦通報顯示，建筑業事故總量已連續9年排在工礦商貿事故第一位，事故起數和死亡人數自2016年起連續“雙上升”。解決工地數字化的問題，也是在解決施工安全和施工質量的問題。

〇?山是高山。

智慧工地的普及，難點之一是效率。市場中常規的智慧工地產品往往以定制化項目的形式進行交付，每覆蓋一個新的工地場景，都需要針對性的從頭進行三維場景的設計和搭建，時間和人力成本巨大。

而智慧工地借助BIM模型自動生成及GDS的代碼生成能力，最大程度節約了人工環節的耗時。參數化配置的視覺樣式，也能無縫在任何一個項目中使用。

目前阿里云A組空間智能智慧工地AI服務平臺已經成功落地阿里內外多個項目，并被10家以上智慧工地集成服務商集成，正面向全國各地的工地進行全面應用，驅動傳統行業數智化。我們希望設計能力的植入，能為行業提供一套標準化的三維場景搭建方案，縮短項目開發時間，保證高復用性，并借助生態伙伴的力量，真正實現規模化的智慧工地產品。

所以，為什么是工地？

仔細看，那一片片智慧工地中的，是襁褓中的智慧城市。

原文地址：阿里云設計中心（公眾號）

作者：阿里云設計中心