智慧建筑研究现状与发展展望
在新一轮科技革命与产业变革的宏大背景之下,建筑行业的发展走向、经济结构正在重新构建。由于人们对于建筑品质提升、能源节约、温室气体排放减少等方面的需求愈发急切,我国的建筑正在从 “有房住” 朝着 “住好房” 转变。自 21 世纪以来,我国步入了信息化智能化蓬勃发展的全新阶段,为建筑的转型提供了崭新的思路,智慧建筑成为了建筑领域新的发展趋向。围绕着智慧化转型,国家接连出台了人工智能、智慧城市、云计算以及物联网等一系列政策,有力地推动了建筑信息化、智慧化的发展。
智慧建筑从广义上讲,指的是将通信技术、计算机技术以及自控技术融合运用的建筑。早期的智慧建筑也被称作智能建筑,国家标准《智能建筑设计标准》(GB 50314 - 2015)中提到,智能建筑是以建筑物作为平台,基于对各类智能化信息的综合利用,将架构、系统、应用、管理以及优化组合融为一体,具有感知、传输、记忆、推理、判断和决策的综合智慧能力,形成人、建筑、环境相互协调的整体,为人们提供安全、高效、便利以及可持续发展功能环境的建筑。智慧建筑是在智能建筑的基础之上,基于新一代信息技术的综合应用 。
当下,智慧建筑作为建筑领域关键的发展方向之一,在国内外均获得了广泛的关注与推广。
一、智慧建筑发展历程
1.1 国外发展历程
“智慧建筑”(smart building)是由“智能建筑”(intelligent building)逐步演变而来。早在 20 世纪 80 年代初期,美国率先将“智能化”的理念引入建筑当中,建成了第一座智能建筑“城市广场大楼”,美国发展迅猛且对外开放的信息技术为智能建筑创造了发展的空间和条件。借鉴美国的经验,日本也展开了智能建筑的建设工作,1985 年,于东京建成了“本田青山大厦”。其后,英国、法国、德国、新加坡、泰国以及印度等国家在 20 世纪 90 年代前后相继开启了智能建筑的建设。2008 年 11 月,全球最大的信息技术公司国际商业机器公司(International Business Machines Corporation,IBM)首次提出“智慧地球”的概念,由此开启了智慧城市、智慧国家的发展帷幕。新加坡、美国和日本等国家纷纷拟定了相关的发展战略,并投入到建设之中。作为智慧城市的重要组成部分,智能建筑的概念逐渐向智慧建筑转变,在 2015 年正式迈入智慧建筑时代。当下,国际智慧建筑的发展处于理论与实践的阶段,具有广阔的发展前景。
1.2 国内发展历程
我国智慧建筑的发展滞后于美国和日本,1985 年香港建成了首座智能建筑“汇丰银行总部大楼”。1986 年至 1991 年期间,中国科学院计算技术研究所针对《智能化办公大楼可行性研究》这一课题展开了研究。1989 年,中国大陆的第一座中日合资智能建筑落成,即北京发展大厦。20 世纪 90 年代之前,国内建筑智能化的发展尚处于萌芽状态,主要由以中国科学院计算技术研究所为主的研究专家进行摸索,为后续我国智慧建筑的发展奠定了基础。1992 年,原建设部编制的《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16 - 1992)中出现了楼宇自动化和办公自动化,这标志着我国智能建筑正式步入推广阶段。伴随改革开放以及房地产开发的热潮,20 世纪 90 年代后期,智能建筑在我国沿海一带城市得以迅速推广与普及,受到了社会的广泛关注。原建设部在 1997 年发布了《建筑智能化系统工程设计管理暂行规定》,并于 2000 年出台了国家标准《智能建筑设计标准》(GB/T 50314 - 2000 )。据统计,截止到 2001 年底,我国的智能建筑超过 2300 座。随后,我国的智能建筑由沿海地区向中部地区推进,由一线城市向二、三线城市拓展。2008 年之后,受“智慧地球”概念的影响,我国逐渐形成了智慧城市和智慧社区的理念。随着人工智能技术在建筑领域的应用日益广泛,我国建筑智能化发展于 2015 年迈入智慧建筑时代。2019 年,国家市场监督管理总局联合中国国家标准化管理委员会发布了国家标准《智慧城市 - 建筑及居住区综合服务平台通用技术要求》(GBT 38237 - 2019 )。2021 年,中国城市科学研究会发布了《智慧办公建筑评价标准》(T/CSUS 16 - 2021)。2022 年,中国工程建设标准化协会批准发布了《智慧建筑评价标准》(T/CECS 1082 - 2022 )。为了健全智慧建筑管理人员的培养体系,中国建筑业协会绿色建造与智能建筑分会牵头编制了行业标准《智能楼宇管理员职业技能标准》(JGJ/T 493 - 2022 )并已发布施行。当下,我国智慧建筑正处于理论体系、标准体系逐步完善以及工程实践不断涌现的阶段。
二、 我国智慧建筑发展现状
2.1 最新政策发布
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》中指出,“十四五”期间,需要加快建设智慧城市、智慧社区等,推动新型城市建设。在国家战略的引导下,近些年来,国家的各部委、各行业机构也颁布了一系列和智慧建筑相关的规划及指导意见,为建筑的智慧化建设营造了良好的政策环境。2021 年 7 月,工业和信息化部等十部门联合发布了《5G 应用“扬帆”行动计划(2021 - 2023 年)》,2021 年 11 月发布了《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》,2022 年 8 月发布了《信息通信行业绿色低碳发展行动计划(2022 - 2025 年)》,都提及要加快数字化改造,推进智慧建筑的发展。
2.2 研究文献综述
智慧建筑乃是汇聚多学科、牵涉多领域的研究方向。本文借助文献调研的方式,针对 2015 年之后我国有关智慧建筑的相关研究予以梳理。将中国知网(CNKI)数据库当作数据源,运用“智慧建筑”这一主题检索式展开检索,总计收集到学术期刊 1301 篇、学位论文 69 篇, 论文年份分布如图所示。
我国智慧建筑的相关文献研究主题颇为广泛,涵盖了智慧城市、BIM、物联网、人工智能以及云计算等等,文献涉及建筑科学与工程、自动化技术、工业经济、计算机软件以及计算机应用等众多学科。通过使用 Cite Space 软件绘制出智慧建筑领域的关键词时间线图,如图 2 所示。总体而言,我国智慧建筑的研究主要集中在三个方面:(1)智慧建筑基础概念:对智建筑、智慧城市和智慧社区等相关理念进行概述;对智慧建筑的方法、模式展开探究,对相关标准及研究进展进行综述。(2)智慧建筑技术:物联网技术、人工智能技术以及基于人工智能的相关技术、楼宇自控技术、BIM 信息模型技术。(3)智慧建筑工程应用:具体类型建筑的智慧化设计;对某智慧建筑工程实践应用的介绍。
2.3 现行评价标准
我国当下现行的智慧建筑相关评价标准涵盖了《智慧办公建筑评价标准》和《智慧建筑评价标准》。《智慧办公建筑评价标准》由清华大学主编,由中国城市科学研究会发布,自2021年6月开始施行,适用于各类办公建筑智慧化性能的评估。《智慧建筑评价标准》由中国建筑科学研究院主编,由中国工程建设标准化协会发布,自2022年11月开始施行,适用于建筑智慧化性能的评价。当下,《智慧办公建筑评价标准》已经开展了项目的评价工作,由中国城市科学研究会负责组织实施。
三、智慧建筑评价工程实践
我国智慧建筑的评价工作目前仍处于起始阶段,评价流程以及相关管理措施还有待摸索。借由某智慧办公建筑评价项目,本节将对标准的工程实践情况予以介绍。此项目属于综合体建筑,地处夏热冬暖地区,总计 44 层,用地面积约 14982㎡,建筑面积约 137213㎡,办公楼塔楼采用全钢结构,商业裙楼为钢筋混凝土结构,最高建筑高度约为 212m。
3.1 主要技术措施
项目运用了多种创新型的智慧建筑技术,满足了评价标准的 5 类指标。在安全保障方面,项目配置了信息网络系统、视频安防监控系统、紧急报警系统以及出入口控制系统,以此作为建筑的安全保障。与此同时,项目采用了消防智能安全管理平台,运用物联网技术、交互技术和人工智能技术等,来保障建筑在消防方面的安全。在健康舒适方面,项目设置了室内空气监测系统,并与空气改善设备联动,以保障空气质量。另外,借助各类终端设备实现了室内环境质量的可视化。在工作效率方面,项目设有访客管理系统,能够识别访客并通知被访人员,还与停车管理系统联动,访客能够通过线上预约预定停车位。项目对电梯、暖通空调、照明等系统进行了智慧化设计,达成高效运行。在管理效益方面,通过建筑设备监控系统,对建筑机电设施进行集中监视、控制、管理、测量和记录,实现智慧化的设施管理;通过智能照明系统,对建筑公共空间的照明采取分区、定时、分组控制,实现智慧化的空间管理;通过建筑能效监管系统,对建筑能耗进行分类、分项实时监测、统计、分析及用能异常提示,实现智慧化的能源管理;通过运维 BIM 和 IoT 云管理平台,将建筑各种零碎、分散、割裂的信息数据,包括资产信息,纳入到楼宇的日常运维管理功能之中,实现智慧化的资产管理。在用户满意度方面,项目设有停车场管理系统、车位引导系统,具备自动车牌识别、车位引导等功能,实现月租卡不停车进出,系统自动计费。临时车支持电子支付等,有效地提高了车辆进出的通行效率。设置自助储物柜、智能快递柜、自助机器人等,从多个维度保障并提高用户满意度。
3.2 指标得分情况
通过智慧建筑技术的应用,按照《智慧办公建筑评价标准》规定,该项目总得分74分,获得智慧办公建筑预评价金级标识,得分情况如图3所示。安全保障、健康舒适、工作效率、管理效益、用户满意度和提高与创新分别获得88分、42分、66分、72分、66分和6分,安全保障、健康舒适和工作效率3类指标的预评价最大得分均为100分,管理效益、用户满意度和提高与创新最大得分分别为92分、91分和20分。项目各类指标得分较为平均,对总得分贡献度最大的是安全保障指标,为23.36%,其次是管理效益,贡献度为20.77%,再次是用户满意度指标,贡献度为19.25%,再次是工作效率,贡献度为17.52%,健康舒适和提高与创新指标贡献度较小,分别为11.15%和7.96%。
四、当前我国智慧建筑应用方向的思考
考虑我国现状,智慧建筑未来应用方向主要有以下三个方面。
(1)全生命周期的建筑管理。建筑工程周期长、跨度广,全生命周期各阶段都需要进行管理,往往数据留存困难,难以进行精细化管理。智慧建筑采用物联网、智慧化和信息化等技术,可以有效解决上述问题,实现建筑的成本管理、施工管理、运营管理等。
(2)智慧建筑是智慧城市的支持和应用。智慧城市一直是全球城市发展的方向之一,智慧建筑作为智慧城市的重要组成部分,将其纳入智慧城市建设体系中,是十分有必要的。近年,各大信息技术厂家也关注到智慧建筑的发展潜力,纷纷投入研究,为智慧建筑赋能,智慧建筑也将更具有生命力。
(3)智慧建筑助力双碳目标。我国碳排放量在全球是最高的,《巴黎气候变化协定》后,习近平总书记提出了双碳目标:中国力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。建筑是主要碳排放部门之一,减排压力大。然而,传统建筑数据缺失严重、缺乏数据保障体系、难以测算,这阻碍了我国建立精准的建筑碳排放数据库。智慧建筑可依据自身优势,精益化碳排放管理,助力双碳目标达成。