垂直未來：科技將改造世界

垂直未來：科技將改造世界

David Malott設計總裁 | PrincipalKPF建筑設計事務所Kohn Pedersen Fox Associates紐約，美國New York City, United States

David Malott是創新超高層建筑和未來城市建筑師，并作為KPF設計總裁開創了全球標志性智能建筑，包括世界十大最高建筑中的三座。Malott領導設計了位于深圳的600米高的平安金融中心，而深圳是中國發展最快的巨型城市以及全球創新中心。他現任世界高層建筑與都市人居學會主席，領導CTBUH有關垂直未來的技術研究項目。

An architect of innovative supertall towers and future cities, David Malott pioneered a global portfolio of iconic smart buildings as a design principal at KPF, including three of the world’s ten tallest towers. Malott heads the design of the 600-meter-tall Ping An Finance Center rising in Shenzhen, China’s fastest growing megacity and global innovation hub. He is the current Chairman of the Council on Tall Buildings and Urban Habitat, where he leads the CTBUH technologies research project, Vertical Futures.

Jordan FeinsteinArchitectural Designer | 建筑設計師Kohn Pedersen Fox AssociatesKPF建筑設計事務所New York City, United States紐約，美國

Jordan Feinstein是一位多才多藝的設計師以及胸懷抱負的未來主義者，他位于建筑創新和研究的前沿。他對傳統建筑和城市過程中技術破壞性影響的探索使他加入CTBUH垂直研究項目，其中他在高層建筑和城市棲息地的最先進技術的研究中起到了主導作用。

A multi-talented designer and aspiring futurist, Jordan Feinstein operates at the cutting-edge of architectural innovation and research. His exploration into the disruptive effects of technology in traditional architectural and urban processes led him to participate in the CTBUH Vertical Research projects, where he has played a lead role to investigate state-of-the-art technology in tall buildings and urban habitats.

| Abstract

我們正處在一場建筑革命的風口浪尖，一場第一次不由開發商、建設者、建筑師、工程師或城市規劃師領導的革命。空前規模和速度的技術創新正在重塑建筑和城市--重新設計、建造和運營。機械施工、計算機輔助設計和環境擴張是幾個破壞傳統過程的例子。本文介紹了垂直未來的初步結果，垂直未來研究項目由CTBUH發起，由Henry C. Tuner獎于2015年授予資助CTBUH。以下是CTBUH2014年的“高層建筑未來需求路線圖”，未來技術指標（Future Technology Index）的目的是對那些CTBUH會員認為將改變高層建筑和未來城市的尖端技術進行確認、審計以及分類。

物聯網、反應環境、機器人學、智慧城市、可持續性、技術

前言

在先進、創新的高層建筑結構開發熱情空前高漲的今天，學術團隊和專業實踐團隊都致力于開展項目，推動高層建筑的建筑設計、工程、施工和運營領域的發展。就連原先同高層建筑和城市居住區沒有交集的技術專家也加入到高層建筑結構的開發行列之中。科技企業更是直接進入高層建筑領域，形成推動智慧城市建設的特殊力量。在大量研發的推動下，高層建筑發展迅速，促使世界高層都市建筑學會、國際建筑與建設研究創新理事會和聯合國教科文組織制定了“高層建筑未來研究需求路線圖”。在2010和2014年期間，項目盡力為需要優先進行的研究課題以及需要填補的研究缺口提供指導，以使高層建筑的發展在未來數年內更上一層樓。

根據研究路線圖，世界高層都市建筑學會正在進行一項宏大的項目，旨在發現能夠影響全球高層建筑和城市未來格局的創新技術。研究的部分經費來自特納建設為了表彰世界高層都市建筑學會在高層建筑行業中的領導作用而頒發給世界高層都市建筑學會的2015年建設創新亨利.C特納獎。

掌握最新的最佳做法，醞釀中的發展和先進的理念是取得進步的必要條件。項目有三個目標。 一是調查技術現狀，發現建筑設計、工程、施工和運營各環節的尖端應用和工藝。 二是在確定技術“初選清單”以后，對技術和建筑設計、工程、施工及運營專業的各個領域進行分類，關聯不同領域。

先進技術和能力要求傳統的職業角色擴展范圍，利用多個領域的優勢，傳統的職業角色因此而迅速轉變。建筑師正在虛擬現實中進行設計。城市設計師正在方案中考慮中先進傳感器網絡。了解這些聚合與離散的特性是未來行業規劃的關鍵。 三是建立技術評價指標，識別有顛覆性發展潛力的技術。指標值將通過對世界高層都市建筑學會會員的調查計算確定，以便對技術和行業進行整體性的統計分析。

技術審核

世界高層都市建筑學會系統性地審核了大量高層建筑領域的最新技術和工藝，最后采用多種方法擬定了約有75項先進技術的“初選清單”。首先成立一個由世界高層都市建筑學會會員和行業代表組成的核心研究團隊負責項目監督。初級研究員對所有公開技術進行了新聞調查。研究查閱了100多份出版物、機構網站和學術門戶網站，訪問了眾多行業領袖和學術項目領導。最后給世界高層都市建筑學會的會員群發公開創意征集郵件，為最終清單另外征集到多項技術。總的來說，清單充分地代表了建筑設計、工程、施工和運營行業，包含大量的重大發展。

圖1. M-Blocks是邊長5厘米的小方塊，這些方塊沒有外部驅動器但能移動甚至跳躍。（來源: John Romanishin）

分類方法

為了準確地編制和理解大量調查過的技術，必須制定統一的分類指南。采用兩種分類方法分析行業的最新發展趨勢。

一是世界知權產權組織使用的分級分類法（簡稱“WIPO分類法”），共有化學、電氣工程、儀表、機械工程、其他五大類35個技術領域。WIPO分類法是全球科技行業普遍接受的分類方法，每一項專利技術必須歸入一個領域。WIPO分類系統似乎比較適合用于對“初選清單”中的技術進行分類。

二是世界高層都市建筑學會研究路線圖，共確定了11個包含建筑設計、工程、施工和運營行業的專業，具體如下：

1. 建筑設計和室內設計

2. 建筑材料和產品

3. 動線：垂直交通和疏散

4. 包覆層和外皮

5. 施工和項目管理

6. 經濟成本

7. 能源：績效、指標和發電

8. 火災和生命安全

9. 結構性能、多災害設計和土工

10. 可持續設計、施工和運營

11. 城市設計、城市規劃和社會問題

每一項技術歸入一個最相關的行業專業，多數情況下歸入兩個以上的相關行業專業。由此可見本階段研究工作的艱巨：隨著專業的日益現代化，專業所包含的技術領域迅速增加，專業之間的重疊現象總體日益嚴重。材料、制造和計算能力的巨大進步帶來了各行各業的變化，傳統的定義日益模糊。以先進的環境傳感技術為例，十年前除了火災和生命安全很少有專業會把這項技術納入考慮，今天卻在迅速改變建筑設計、動線、城市設計、結構性能及施工專業。得益于同一基礎技術領域的事實使這些專業本身的聚合程度也有所提高。

在建筑設計、工程、施工和運營的各個環節，技術影響著高層建筑的多個領域，包括生物技術、化學工程、土木工程、計算機技術、控制系統、數字通信、電機、工程、環境技術、分子化學、材料、機械零件、冶金、高分子、特殊機械、交通及無線通信。

專業的技術趨勢

隨著初選清單的編制和完成，我們發現了多個專業的良好趨勢，這是對大量行業趨勢識別研究工作的定性觀察。建筑設計和室內設計:

乘著設計中先進算法的東風，建筑設計迅速轉化升級，利用新材料創造前所未有的結構 (圖1)。建筑師在工作中需要理解的東西和需要掌握的個人能力超過了以往任何時候，包括計算機技術、機械零件、無線通信和高級工作。通過代碼進行參數化設計，經過工程化后由機器人進行預制。不斷涌現的技術使建筑能夠自主改變，適應環境變化、內部人流變化、噪聲變化乃至住戶的壓力水平變化 (圖2)。

建筑材料和產品：

先進的制造工藝帶來全新的高分子和合金，改變著眾多建筑材料和產品生產行業。建筑材料和產品行業的很多進步雖然可喜，但目前仍然處于初級階段。能夠改變形狀、密度、透明度和硬度的材料尚在醞釀之中，一旦推出無疑將使可行性設計更上一層樓，為我們帶來靈感，形成全新的建筑功能概念 (圖3)。

動線：垂直交通和疏散

動線專業的能力取得了長足的進步。大樓都安裝了傳感器和攝像頭陣列，以跟蹤“人流”，相應調節動線裝置（電梯、電動扶梯和引導標示）。智能算法和先進機械的結合使用大幅提高了電梯效率。建筑師有望在不久的將來把碳纖維帶（能讓電梯在一個井道中行駛1000米）和磁性推動轎廂（不需要電纜，甚至能橫向行駛）納入選擇范圍，從而極大地提高大樓的核心效率，實現前所未有的設計。

包覆層和外皮：

外立面正經歷著一場革命。技術進步使外立面超越了簡單的外殼功能，具有室內環境保護功能，圍護結構是改變高層建筑的主要因素，在能效方面的改變尤為顯著。太陽能風能集成捕獲技術使幕墻具備了發電功能，滿足大樓的部分運行電力需求。全新的充水陶瓷管被動供冷極大地降低了暖通系統的能耗要求。通過建筑圍護結構融入開放式風道的綠植有效地改善了室內空氣質量，形成氣候屏障，減少了制成品的使用需求。未來的智能反應材料將使外立面像毛孔一樣張開和閉合，系統在太陽直射時被動增加表面氣流，在太陽光移開后關閉氣流。不同于清單中的某些其他專業，本專業的很多先進技術要么已經投入項目使用（盡管規模較小），要么已經有成功運轉的原型。

施工和項目管理：

圖2. Hy-Fi是第一座用真菌磚壘成的高塔，由紐約The Living建筑事務所設計。（來源: David Benjamin）

圖3. 由Gramazio & Kohler建筑事務所設計的飛機組裝式建筑：一群無人機在法國奧爾良用聚苯乙烯磚組裝一座高塔。（來源: Gramazio & Kohler）

圖6. 位于瑞士蘇黎世的Tamedia辦公大樓是一座7層的木質建筑，由坂茂建筑設計事務所設計。其連鎖木結構可達到50米或更高的高度。（來源: Shigeru Ban Architects)

建筑業的預制復興產生了成本大幅下降，控制品質優良的“單元化”項目。三維打印即將得到廣泛的采納和使用，材料質量方面的研究進展使均勻的大樓結構構件的打印成為可能。醞釀中的高級機器人方面的革命性進展將超越任何其他技術進展，改變建筑業的格局 (圖4)。機器人已經全面參與建設進程，輔助或協同人類工作。未來的某一天，會有成千上萬的爬行機器人、爬升機器人和飛行機器人組成的智能機器人施工隊完成大樓建設，幾乎不需要人類參與。有一些研究團隊甚至開始研究讓建筑結構構件智能化，自動爬進相關位置，自行永久固定的方法。救災時可以把這種構件大量放入危險區域，讓它們在短時間內自行組裝成避難處。大量的高級機器人研發投資雖然不會在近期內引發變革，但會拉開未來機器人進入包括建筑業在內的各行各業的序幕。

圖4. M-Blocks還處在發展的早期，未來的M-Blocks將能夠自動組裝復雜結構，為先進的施工技術鋪平道路。（來源: John Romanishin）

圖5. 該項目綜合了現代技術、古老的玻璃工具以及具有許多潛在應用的新的玻璃結構技術。（來源: MIT Media Lab)

結構性能、多災害設計和土工：

結構工程與高層建筑的其他元素日益融合。用外立面系統實現結構剛度和支撐是大樓建設的趨勢。這項技術加上先進算法和先進材料實現的設計自由度的提升進一步解放了結構施工，使結構施工能夠兼顧項目美觀。已經有人開始研究如何用三維打印混凝土和鋼結構構件實現更高效、更優秀的設計，發展下去，三維打印混凝土和鋼結構構件將進一步提升建設能力 (圖5)。有很多改進金屬材料效率的方法正在研究當中，包括在開孔泡沫塑料中注入材料，在泡沫溶解后留下質地堅固的輕型格架。可持續設計、施工和運營：

可持續設計在研究路線圖的相關期限內從一個熱門詞匯演變成一個基本目標。現在，世界各國都越來越重視可持續性及能效提升帶來的成本效益，全新的可持續性創意、技術和實踐大量涌現。現在可以用發電排放物生產螯合的二氧化碳混凝土。一些新的處理工藝和制造工藝讓木材回歸高層建筑，很多籌備中的項目（其中有些項目高達40層）以木材作為主要的結構構件 (圖6)。此外人們還在研究將真菌等活材料納入建筑構件的技術。二氧化鈦幕墻涂層等新材料能氧化有機物，生成水蒸汽和二氧化碳，從而有效地清除大氣污染物。本專業與覆蓋層和外皮專業日漸重合，得益于覆蓋層和外皮專業的眾多能效技術。

圖7. 下一個東京項目旨在解決人口密度的關鍵問題，并為從東京灣崛起的未來城市解決海平面上升的問題。（來源: FPF）

城市設計、城市規劃和社會問題：

城市設計成為正在經歷重大變化的最活躍的領域之一。很多大企業明確要求自己的團隊利用智能算法衡量城市密度、環境風險及基地分析公平性等因素（圖7）。現代城市規劃必須考慮不斷增加的大量的傳感器陣列網絡，這些網絡能讓城市有效適應不斷變化的指標。例如，智能全市網絡能重新規劃路線，安排增加的公交前往人流驟增區域。由于創意前景良好，政府和私人領域爭相投入數千億美元開發智慧城市。隨著計算機分析和無線硬件技術成為城市設計最佳實踐工作的先決條件，城市設計的技能要求同其他專業一樣水漲船高。

擬議分析指標及下階段工作

本技術初選清單的用途不僅在于維持全面的技術能力調查，還在于分析、交叉評價各項指標，發現醞釀中的最有前景的技術發展。為執行分析，我們提議為每一項技術指定四項指標：普遍性、可擴展性、變異性、價值。普遍性是技術的當前市場飽和度與采用率估計。技術目前是否在潛在市場上有高比率的使用？市場飽和度是普遍接受的商業分析指標，用于確定產品的成功與否。

可擴展性是技術的大規模采用潛力。了解潛在市場規模是評價新品潛在價值和影響力的關鍵，因此可擴展性是新品可行性經濟分析中的另一個常用指標。

變異性是技術的新穎性指標。技術與現行最佳實踐有什么區別？變異性是一項成熟、有用的指標，用于評價學術期刊所述作品的重要性，非常適合此處的新技術分析。價值是終極指標。簡單來說，技術是否能很好地解決問題？價值主張是潛在投資者考慮是否投資新技術的重要因素。如果新創意不能比現有方法更好地解決問題，那客戶就不大可能改用新方法。

這四項指標可用于計算技術的兩項分類：成熟度和影響力，非常有用。

用以下公式計算每一項技術的成熟度：

一項成熟的技術會在潛在市場達到較高的采用率。成熟的技術歷經多次改進和優化，代與代之間的變化不大，變異性也較小。用以下公式計算每一項技術的影響力：

可能對行業有重大的影響技術應該與當前方案有很大的差異，有可能得到廣泛的使用，能夠很好地解決問題。關于四個指標的值，我們將通過電子郵件向世界高層都市建筑學會的會員網絡發送標準問題，通過調查確定指標值。在各項調查中對每一項技術所賦的值將進行統一，然后取全部回答的平均值，以實現各項技術及領域整體的實證統計分析。最有意思的地方在于分析有助于我們發現具有未來潛力的技術 (圖8)。

我們會指定一項成熟度評分低，影響力評分高的技術，世界高層都市建筑學會認為這樣的技術可能成為下一個大熱門。這些看法非常可貴，能讓各行各業明白未來的考慮因素和努力方向，幫助我們轉變觀念，在大樓越造越高，城市居住區越來越智能的未來重塑高層建筑功能。

Vertical Futures: Technologies that will Shape the World

Internet of Things, Responsive Environments, Robotics, Smart Cities, Sustainability, Technology

圖8. 技術調查的調查結果摘要。（來源: CTBUH）

We are at the cusp of a building revolution which, for the first time, won’t be led by a developer, builder, architect, engineer, or urban planner. Technological innovation operating at unprecedented scale and speed is reshaping how buildings and cities are designed, constructed, and operated. Robotic construction, computer enhanced design, and augmented environments are a few examples that are disrupting traditional processes. This paper presents the initial results of Vertical Futures, a research project initiated by CTBUH and funded by the Henry C. Tuner Prize awarded to CTBUH in 2015. Following on CTBUH’s 2014 “Roadmap on the Future Needs of Tall Buildings,” the Future Technology Index aims to identify, audit, and classify the leading-edge technologies CTBUH members believe will transform tall buildings and future cities.