智慧城市理念在城市建筑設(shè)計(jì)中的滲透研究

黃運(yùn)鎏

（中國土木福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，福州 350011）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制、機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能等新興技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)著城市運(yùn)營與管理模式向數(shù)字化、信息化、智能化、智慧化方向躍階式轉(zhuǎn)型升級，各大城市正著力在管理范圍內(nèi)構(gòu)建萬物互聯(lián)、信息共享的數(shù)據(jù)池，并基于此打造城市智慧大腦，支持物業(yè)服務(wù)、交通導(dǎo)流、應(yīng)急救援、資源統(tǒng)籌等具象化運(yùn)營管理內(nèi)容的深度應(yīng)用。城市建筑是城市物聯(lián)體系的重要構(gòu)成部分，承載著城市居民近80%的工作生活時(shí)長與活動(dòng)內(nèi)容，涵蓋著城市居民的活動(dòng)規(guī)律與行為特征，在城市建筑中滲透智慧城市的理念與技術(shù)手段，可以切實(shí)提高城市建筑居住環(huán)境的便利性與舒適度，為城市居民提供更加安全、高效、靈活的城市生活體驗(yàn)。

2 智慧城市理念概述

2.1 智慧城市的內(nèi)涵與特征

智慧城市是現(xiàn)代信息技術(shù)高度集成并在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)營管理、營商優(yōu)化、為民服務(wù)等方面的深度應(yīng)用成果。

1）從技術(shù)層面來看，智慧城市通過在不同行業(yè)、領(lǐng)域、環(huán)境下布設(shè)相應(yīng)規(guī)格型號的傳感器實(shí)時(shí)，采集城市發(fā)展動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云存儲技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的快速傳輸、組織與管理，通過人工智能與云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效過濾、分析與挖掘應(yīng)用，提取海量數(shù)據(jù)的潛在規(guī)律特征，為政務(wù)服務(wù)、 企業(yè)運(yùn)營、 市民生活與出行等提供各種便利的技術(shù)服務(wù)。

2）從應(yīng)用層面來看，智慧城市的應(yīng)用場景非常廣泛，遍及安防、教育、醫(yī)療、政務(wù)等若干方面[1]，智慧安防通過對危險(xiǎn)信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測與精準(zhǔn)預(yù)警，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的防御式安防為主動(dòng)發(fā)現(xiàn)預(yù)警式安防； 智慧教育通過現(xiàn)代信息技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，為遠(yuǎn)程教學(xué)活動(dòng)開展、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)模擬與演示等提供了更加直觀可視的教學(xué)場景； 智慧政務(wù)通過高效整合原本存在信息孤島現(xiàn)象的政務(wù)服務(wù)資源與數(shù)據(jù)，梳理業(yè)務(wù)辦理邏輯與流程，進(jìn)一步提高政務(wù)服務(wù)的透明度與公開性。

2.2 智慧城市理念對城市建筑發(fā)展的影響

在城市建筑設(shè)計(jì)中，利用現(xiàn)代信息化技術(shù)可以對建筑的各項(xiàng)實(shí)用功能進(jìn)行量化分析與模擬計(jì)算，論證不同設(shè)計(jì)方案的可行性、經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，優(yōu)選出空間結(jié)構(gòu)更優(yōu)、保溫隔熱性能更佳、生活服務(wù)更便捷的城市建筑設(shè)計(jì)方案，為居民提供更加優(yōu)越、方便的居住環(huán)境與居住體驗(yàn)。例如，利用BIM 三維信息化建模技術(shù)對城市建筑進(jìn)行三維可視化建模，根據(jù)建筑設(shè)計(jì)需要，優(yōu)化調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)與外形系數(shù)，科學(xué)測算建筑外立面單位面積能耗[2]；利用Phoenics 軟件對城市建筑外部的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬與分析，精準(zhǔn)研究城市建筑外部的風(fēng)壓差以及轉(zhuǎn)角風(fēng)分布情況，優(yōu)化城市建筑布局設(shè)計(jì)；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市建筑內(nèi)各類電氣設(shè)備設(shè)施的連接與數(shù)據(jù)傳輸，以便城市物業(yè)管理人員實(shí)時(shí)掌握電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，管控建筑內(nèi)部的安全性。

3 智慧城市理念下的城市建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 注重建筑設(shè)計(jì)的安全性

城市建筑全生命周期運(yùn)行階段存在諸多安全隱患，最為常見的即為建筑施工材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，墻體的膠合板、地面的泡沫填料與塑料貼面、 裝飾裝修分部的油漆等材料中都有不同濃度或含量的有毒、有害物質(zhì)（甲醛、甲苯等），建筑室內(nèi)的空氣環(huán)境質(zhì)量較低且存在致癌風(fēng)險(xiǎn)，輕則使居民產(chǎn)生身體不適癥狀，重則影響與危及居民的生命安全。此外，建筑外部的裝飾構(gòu)件與裝飾材料過多，不僅會(huì)影響城市建筑的施工材料用量以及施工成本，還會(huì)給住戶帶來安全隱患，如建筑外圍的玻璃幕墻承重性能較差，或者石材裝飾面的牢固性與黏性不足，容易出現(xiàn)裝飾材料脫落、墜落的風(fēng)險(xiǎn)。在城市建筑設(shè)計(jì)中，應(yīng)高度關(guān)注建筑設(shè)計(jì)的安全性，可以依托智慧城市動(dòng)態(tài)監(jiān)測、精準(zhǔn)預(yù)警、有效防護(hù)的技術(shù)手段，對建筑室內(nèi)外中的安全隱患在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行排查，在使用階段進(jìn)行監(jiān)管，切實(shí)提高城市建筑的安全性能。

3.2 注重建筑設(shè)計(jì)的多樣性

城市建筑的功能具有多樣化特征，商業(yè)建筑用于開展商業(yè)活動(dòng)，辦公建筑用于承載日常辦文辦會(huì)活動(dòng)，公共建筑用于開展公共類、群體性、共享性活動(dòng)。當(dāng)前，功能的多樣化與設(shè)計(jì)的趨同化存在鮮明的矛盾，在經(jīng)濟(jì)實(shí)用、效率至上的工作原則下，建筑設(shè)計(jì)的原創(chuàng)性逐漸被簡單的軟件模板套用與復(fù)制所取代，導(dǎo)致建筑設(shè)計(jì)的風(fēng)格存在千篇一律的特征。應(yīng)將智慧城市的理念滲透在建筑設(shè)計(jì)中，為城市建筑設(shè)計(jì)增加智慧元素。例如，在城市建筑設(shè)計(jì)中嵌入安裝智慧家居系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)等，利用智能化技術(shù)與手段提高城市建筑內(nèi)電氣設(shè)備的智能聯(lián)動(dòng)性，以及建筑的安全防護(hù)能力，凸顯城市建筑的智慧風(fēng)格與多樣性功能。

3.3 注重建筑設(shè)計(jì)的節(jié)能環(huán)保性

智慧城市理念強(qiáng)調(diào)城市運(yùn)營、管理、規(guī)劃的便利性與智能性，可最大限度地節(jié)約城市運(yùn)行的資源，降低城市運(yùn)行的能耗。（1）在建筑的朝向規(guī)劃、形體設(shè)計(jì)、樓間距設(shè)計(jì)、空間布局設(shè)計(jì)等方面應(yīng)貼合當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛病⒌刭|(zhì)條件、氣候條件、水文條件，最大限度地爭取自然光源與自然風(fēng)，為建筑采光照明、自然通風(fēng)提供更多清潔能源。（2）選擇建筑施工材料時(shí)，應(yīng)最大限度地就地取材，嚴(yán)格控制施工材料加工與運(yùn)輸期間的材料浪費(fèi)與環(huán)境污染現(xiàn)象，并優(yōu)先選擇低能耗、可再生的環(huán)保型材料，減少施工材料堆積與廢棄造成的環(huán)境污染。（3）建筑設(shè)計(jì)應(yīng)充分引入標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用技術(shù)，提高城市建筑施工的效率，減少施工資源浪費(fèi)與環(huán)境污染現(xiàn)象，例如，可以在城市建筑設(shè)計(jì)中大力推行裝配式建筑，利用裝配式構(gòu)件的批量化生產(chǎn)、運(yùn)輸與現(xiàn)場裝配，減少建筑工程施工對現(xiàn)場環(huán)境帶來的噪聲、大氣污染、土壤污染、水污染等問題。

3.4 注重建筑設(shè)計(jì)的人文關(guān)懷

智慧城市建設(shè)的核心宗旨在于為城市居民提供更加便捷、高效的服務(wù)，為城市管理者提供更加精準(zhǔn)、科學(xué)的決策支持，充分體現(xiàn)城市建設(shè)中的人文情懷以及以人為本的初衷。（1）建筑設(shè)計(jì)應(yīng)緊密貼合地域特色與本土文化，建筑設(shè)計(jì)方案應(yīng)與當(dāng)?shù)孛癖姷膶徝烙^念高度一致，為其帶來視覺層面的親切感與美感。（2）建筑設(shè)計(jì)應(yīng)緊密貼合城市居民的居住需求，通過對現(xiàn)代信息技術(shù)的高度集成與巧妙運(yùn)用為住戶掌握建筑內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、控制設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、提高建筑的安全防護(hù)系數(shù)等提供技術(shù)支持，為住戶提供更為舒適、健康的居住環(huán)境。

4 智慧城市理念在城市建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例

4.1 城市建筑設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容

城市建筑設(shè)計(jì)中深入滲透智慧城市理念，需要充分遵循安全性、節(jié)能性、環(huán)保性、多樣性、人文關(guān)懷等基本原則，對建筑朝向、形體、布局、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以建筑形體設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析。

1）復(fù)雜的建筑形狀會(huì)增加城市建筑的外表面積，增加城市建筑室內(nèi)熱量散失的對外面積，影響城市建筑的保溫隔熱性能。利用BIM 技術(shù)對城市建筑進(jìn)行三維可視化建模，實(shí)現(xiàn)對不同形體設(shè)計(jì)方案的三維信息模型構(gòu)建，并依托模型模擬功能，計(jì)算不同形體設(shè)計(jì)方案下的城市建筑單位面積能耗，從中優(yōu)選出能耗低且形體美觀的建筑形體設(shè)計(jì)方案。

2）在對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到城市建筑內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)體系搭建，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段科學(xué)規(guī)劃與設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)接口裝置，根據(jù)建筑內(nèi)部實(shí)際聯(lián)網(wǎng)需要與功能特點(diǎn)科學(xué)布線，提高建筑內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)條件。在布線方式上，建筑內(nèi)墻可以優(yōu)先選用顆粒布線法，切實(shí)提高建筑內(nèi)傳感器的接口效率；建筑天花板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做好走線規(guī)劃與設(shè)計(jì)，避免建筑內(nèi)的暖通系統(tǒng)與消防系統(tǒng)線路交叉出現(xiàn)使用故障；地面布線可采用架空方式，為地面走線提供更多的空間。

3）建筑屋頂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到居民的生活需要，合理布設(shè)太陽能光伏系統(tǒng)、太陽能熱水器、屋頂植草溝、雨水回收裝置、排水系統(tǒng)等，最大限度地運(yùn)用自然資源與清潔能源，提高城市建筑的保溫隔熱性能，美化裝飾城市建筑。

4.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

智能家居系統(tǒng)是智慧城市理念在城市建筑設(shè)計(jì)中的重要應(yīng)用，在萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，依托傳感器與物聯(lián)網(wǎng)將建筑室內(nèi)的家居設(shè)備設(shè)施，如攝像頭、溫濕度傳感器、煙感器、暖通空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等進(jìn)行整合，動(dòng)態(tài)感知建筑內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)變化并做出響應(yīng)。例如，建筑入戶廳的攝像頭可以自動(dòng)捕捉來訪者的臉部信息，并將來訪者信息遠(yuǎn)程發(fā)送至住戶的移動(dòng)終端，以便住戶與來訪者通過智能終端進(jìn)行溝通對接；建筑室內(nèi)的衛(wèi)生間利用聲感裝置感知到有人進(jìn)入后，自動(dòng)啟動(dòng)衛(wèi)生間的照明設(shè)施，為夜間衛(wèi)生間的使用提供良好的照明環(huán)境；對建筑室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量與溫濕度參數(shù)，可以利用溫濕度傳感器與各類氣體檢測儀進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測，并自動(dòng)調(diào)控建筑內(nèi)的暖通空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、窗簾等狀態(tài)，改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量與環(huán)境條件；利用傳感器裝置動(dòng)態(tài)監(jiān)測建筑內(nèi)的電梯速度、電梯門的工作狀態(tài)，以及電梯電機(jī)的溫度，分析電梯的工作規(guī)律特征，為上下班與上下學(xué)高峰期的電梯資源優(yōu)化配置提供決策支持。

4.3 基于自動(dòng)控制技術(shù)的智能幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

智能呼吸式幕墻是一種新型節(jié)能環(huán)保型幕墻，主要由外層幕墻、空氣交換通道、進(jìn)風(fēng)裝置、出風(fēng)裝置、智能遮陽系統(tǒng)以及內(nèi)層幕墻等組成，是建筑的“雙層綠色外套”。智能呼吸式幕墻有顯著的隔聲效果，結(jié)構(gòu)的特質(zhì)也賦予了建筑可以隨著太陽方位的不同而產(chǎn)生“呼吸效應(yīng)”，使用者能夠體驗(yàn)到真正的智慧型冬暖夏涼的效果。以封閉內(nèi)循環(huán)式幕墻在冬季較為寒冷的地區(qū)使用為例。其外層原則上是完全封閉的，由斷熱型材與中空玻璃組成外層玻璃幕墻； 內(nèi)層一般為單層玻璃組成的玻璃幕墻或可開啟窗，以便對外層幕墻進(jìn)行清洗。封閉式內(nèi)循環(huán)通風(fēng)幕墻兩層幕墻之間的通風(fēng)換氣層一般為100～200 mm，通風(fēng)換氣層與吊頂部位設(shè)置的暖通系統(tǒng)抽風(fēng)管相連，形成自下而上的強(qiáng)制性空氣循環(huán)，室內(nèi)空氣通過內(nèi)層玻璃下部的通風(fēng)口進(jìn)入換氣層，使內(nèi)側(cè)幕墻玻璃溫度達(dá)到或接近室內(nèi)溫度，從而形成優(yōu)越的溫度條件，達(dá)到節(jié)能效果。

5 結(jié)語

智慧城市依托現(xiàn)代信息技術(shù)為城市規(guī)劃與建設(shè)、 運(yùn)營與管理提供了更為先進(jìn)、便捷、高效、高質(zhì)的服務(wù)，將智慧城市的理念與技術(shù)方法應(yīng)用于城市建筑設(shè)計(jì)中，可以切實(shí)提高城市建筑的安全性、環(huán)保性以及功能的多樣性與智能性，建造經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益最大化的智慧型城市建筑，滿足現(xiàn)代城市居民豐富多樣的工作與生活需求。