清華新聞網(wǎng)2月27日電 近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院沈鵬元、呂帥團(tuán)隊(duì)在人工智能與可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)交叉領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，系統(tǒng)闡述了人工智能技術(shù)如何從根本上改變建筑設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)氣候變化的方式，提出了人工智能驅(qū)動(dòng)可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)的實(shí)施框架，為建筑行業(yè)應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)提供了技術(shù)路徑和政策建議。
面對(duì)氣候變化帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，建筑行業(yè)承擔(dān)著全球約35%的能源消耗和約40%的溫室氣體排放。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)方法依賴(lài)于歷史氣候數(shù)據(jù)和靜態(tài)模型，在應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候不確定性、極端天氣事件頻發(fā)等挑戰(zhàn)時(shí)具有局限性。而近年來(lái)以大語(yǔ)言模型（LLMs）和基礎(chǔ)模型為代表的人工智能技術(shù)快速發(fā)展，為氣候響應(yīng)式建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)了機(jī)遇。
研究團(tuán)隊(duì)從四個(gè)層面深入探討了人工智能如何重塑可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)：當(dāng)前人工智能在氣候響應(yīng)型建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀、生成式人工智能和基礎(chǔ)模型對(duì)設(shè)計(jì)流程的變革性影響、這些技術(shù)在實(shí)踐中的部署框架，以及人工智能驅(qū)動(dòng)可持續(xù)建筑的未來(lái)方向與挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了AI-氣候-建筑集成框架（ACBI Framework），該框架包含三個(gè)相互依存的支柱——技術(shù)集成支柱：創(chuàng)建動(dòng)態(tài)信息耦合層，實(shí)現(xiàn)人工智能系統(tǒng)、建筑信息模型（BIM）與實(shí)時(shí)環(huán)境傳感器之間的雙向數(shù)據(jù)流；氣候響應(yīng)支柱：開(kāi)發(fā)能夠處理未來(lái)氣候預(yù)測(cè)、評(píng)估環(huán)境性能并制定自適應(yīng)設(shè)計(jì)策略的系統(tǒng)；治理支柱：建立風(fēng)險(xiǎn)管理協(xié)議、數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管策略，確保人工智能的負(fù)責(zé)任部署。
圖1.涉及關(guān)鍵人工智能技術(shù)、設(shè)計(jì)生命周期、氣候壓力因素、核心挑戰(zhàn)、潛在的未來(lái)解決方案以及研究所提出的ACBI框架
在增強(qiáng)氣候感知與響應(yīng)能力方面，人工智能可將全球氣候模型降尺度到建筑相關(guān)的時(shí)空分辨率，識(shí)別影響設(shè)計(jì)決策的局部氣候變化。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可將全球氣候模型（GCM）降尺度到建筑相關(guān)的時(shí)空分辨率，識(shí)別影響設(shè)計(jì)決策的局部氣候變化。在智能設(shè)計(jì)生成與性能預(yù)測(cè)方面，大語(yǔ)言模型能夠解讀復(fù)雜的建筑項(xiàng)目需求，生成融合可持續(xù)策略的設(shè)計(jì)規(guī)范。文本到3D模型的生成通路可以實(shí)現(xiàn)從概念到幾何形體的快速轉(zhuǎn)化。深度學(xué)習(xí)算法則可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑能耗、熱舒適和采光性能，使性能評(píng)估成為早期設(shè)計(jì)的有機(jī)組成部分。在全生命周期集成優(yōu)化方面，研究展示了團(tuán)隊(duì)在上海設(shè)計(jì)建造的人工智能驅(qū)動(dòng)咖啡館案例，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化和3D打印建造，年能耗降低的同時(shí)建筑材料浪費(fèi)也得以減少，充分展示了人工智能在形式、材料、系統(tǒng)與施工全流程的集成優(yōu)化能力。綜合25項(xiàng)實(shí)證研究表明，人工智能驅(qū)動(dòng)的建筑系統(tǒng)優(yōu)化可節(jié)約20%~50%的能源。
圖2.人工智能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程的應(yīng)用與實(shí)際案例：上海某咖啡館的設(shè)計(jì)生成和3D打印建造過(guò)程
研究提出的實(shí)施框架整合了傳統(tǒng)方法與生成式人工智能，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、驗(yàn)證框架、風(fēng)險(xiǎn)管理和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的關(guān)鍵作用。展望未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)呼吁跨領(lǐng)域協(xié)作，提出三方面建議：建筑實(shí)踐需構(gòu)建多維框架以平衡創(chuàng)新與風(fēng)險(xiǎn)緩解；高等教育機(jī)構(gòu)需修訂課程，培養(yǎng)具備人工智能技能和可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)能力的未來(lái)設(shè)計(jì)師；政策制定者需開(kāi)發(fā)靈活的基于性能的監(jiān)管體系，在擁抱技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)確保問(wèn)責(zé)制。研究同時(shí)指出了人工智能應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)，包括人工智能系統(tǒng)自身的碳足跡、回彈效應(yīng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、氣候不確定性以及公平性等關(guān)鍵問(wèn)題。
圖3.ACBI框架：基于人工智能的可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐的可測(cè)試模型
該研究一方面系統(tǒng)梳理了人工智能技術(shù)在可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)全生命周期中的應(yīng)用現(xiàn)狀，從氣候數(shù)據(jù)處理、早期設(shè)計(jì)生成、體形優(yōu)化、性能預(yù)測(cè)到建筑系統(tǒng)控制和施工規(guī)劃，展示了人工智能技術(shù)的變革潛力；另一方面提出了ACBI框架，為人工智能在建筑實(shí)踐中的部署實(shí)踐提供了可操作的路徑，推動(dòng)可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)從技術(shù)創(chuàng)新走向工程化應(yīng)用和政策支持。
研究成果以“人工智能如何在氣候變化挑戰(zhàn)下塑造可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)的未來(lái)？”（How AI Shapes the Future Landscape of Sustainable Building Design With Climate Change Challenges?）為題，于1月31日發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授沈鵬元為論文第一作者，沈鵬元、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授呂帥為論文共同通訊作者。論文合作者包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院研究助理高小妮、副教授張一，香港城市大學(xué)建筑與土木工程系助理教授鄭星以及新南威爾士大學(xué)建筑環(huán)境學(xué)院杰出教授馬特·圣塔莫里斯（Matthaios Santamouris）。研究得到深圳市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202523238
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：劉芳芳
審核：郭玲
