基于數據庫的綠色建材在老城區改造中的應用

劉佳穎,黃盛,邱幀文,王璐瑤，吳威，吳陽春，周坤

（1.上海城建物資有限公司，上海 200438；（2.上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200120；（3.上海市基礎設施更新工程技術研究中心，上海 200032）

隨著我國高質量發展轉型階段的來臨， 城市老城區發展的多元需求對城市有機更新提出了新的要求和挑戰。老城區一般人口密集，設施老化、欠缺，城市功能已無法滿足新時期居民需求， 成為城市更新進程中不可忽視的重點區域。然而，老城區的改造絕不是簡單地翻新和重建， 而是為了提高居民生活品質，滿足人民對美好生活需求。

2022 年1 月21 日，國家發改委、工信部、商務部等七部委印發《促進綠色消費實施方案》，倡導“綠色居住消費”，并將其納入“全面促進重點領域消費綠色轉型”的八大條目之一，提出將節能環保要求納入老舊小區改造，全面推廣綠色低碳建材，推動建筑材料循環利用。 這意味著老城區改造在規劃、選材，從原來的安全、成本合理的基本要求，提高到綠色、節能、健康、低碳等更高的新要求[1]。

1 綠色建材數據庫搭建的價值

1.1 綠色建材在老城區改造中的應用堵點

推動綠色建材發展是建材行業貫徹新發展理念、實現可持續發展的必然要求，也是落實“雙碳”目標的重要途徑。“十三五”以來，綠色建材產業已得到了一定程度的發展， 但仍然存在諸多因素限制其應用與推廣。

1）渠道缺失，綠色建材信息流不通暢。對綠色建材相關知識了解渠道的缺失，導致了設計師、施工單位等老城區改造方對綠色建材相關標準了解不夠全面，對綠色建材信息特點熟悉程度較低，難以高效地獲取綠色建材資源， 這也就導致了綠色建材難以有效的推廣和應用，限制了其在老城區改造中的應用。

2）認知偏差，綠色建材整體方案難提出。我國地域遼闊， 屬于不同氣候帶的地區有著不同的建筑特點，這對老城區的改造提出了不一樣的需求：有些需要防寒隔熱，有些側重于采光通風，有些對防潮有著更高的要求，有些需要考慮到歷史風貌的保護。在老城區改造的過程中， 設計建造方會基于居民需求提出改造理念， 設計方需要能夠將改造理念轉化為可實施的設計方案， 再進而轉化為綠色建材的整體方案，這對改造設計提出了更高的要求。如何快速高效地將設計語言轉化為建材方案是影響綠色建材在老城區改造項目中應用的關鍵問題。

3）技術壁壘，綠色建材比選難。綠色建材應用方案擬定后，在相同的應用場景需求下，要對同類型綠色建材進行比選，擇優使用。 與傳統建材相比，綠色建材因其特殊的性能，對施工工藝要求更為嚴苛，只有嚴格按照施工標準來進行操作， 才能將綠色建材的性能優勢完全體現出來。因此在比選的過程中，不僅需要包括原來材料行業重點關注的價格、 材料性能等維度， 還需要針對改造環境比選材料的施工工藝和實施方案。這樣的比選要求對實施人員在材料、施工等跨專業領域的技術能力要求更高， 因此技術壁壘成了老城區利用綠色建材更新改造的一大難點。

1.2 綠色建材數據庫在老城區改造中的應用優勢

大數據（Big Data）指的是規模巨大、復雜多變的數據集合。大數據庫是大數據的載體，大數據庫的作用日漸凸顯，越來越受到各領域和各行業的重視。大數據庫可以對海量的數據進行分析整理，輔助決策，也可實現數據的存儲、交流、共享、分析等多種功能，在老城區改造方案中，能夠帶來明顯的效率提升。

1）有助于完善改造方案。 傳統的老城區改造方案多以建造者經驗及傳統數據為主， 會產生信息不對等的情況。 要制定和諧、高效的方案，就必須建立與之相關的各種綠色建材性能指標、 施工周期以及流程、價格等維度之間的關系，實現社會、環境效益與經濟效益的協調與平衡。老城區改造方案，既要充分考慮居民需求， 還應考慮如何解決過去規劃失誤導致的各種不科學、不和諧結果。新材料大數據庫可以加深項目主導方、 設計方乃至于施工方對綠色建材的理解，使綠色建材發揮出最大的能效。

2）有助于優化材料采購環節，降低成本。利用數字化技術， 搭建新材料大數據庫， 建立面向城市更新、老城區改造的綠色建材數據資源庫，同時形成相應的供應商庫， 一方面可以采取多維度指標量化模式來評價綠色建材性能以及供應鏈能力， 另一方面還可以進一步建立數據分析系統， 為老城區改造項目提供綠色建材整體解決方案和比選服務， 為老城區更新改造過程中應用綠色建材的決策提供數據支持，打破“信息孤島”現象，做到全方位的數據共享，最終在城市更新的相關產業中有效推動綠色建材的應用，降低采購成本，提高產業效率。

3）為設施更新提供技術支持。 利用新材料大數據庫可以對已有數據進行深度挖掘分析， 經過數據處理獲取更符合現實情況需求的數據結論， 方便人們對比不同建材的優缺點，從而得到結合實際需求、針對特定的城區的最優解。未來，還可以與人工智能技術相結合通過建立機器自學習能力， 進一步提升數據分析的效率和有效性。

2 國內外材料數據庫現狀調查

2.1 國外數據庫平臺現狀

20 世紀60 年代，IBM 數據庫管理產品IMS 技術的推出，為數據庫的發展奠定了基礎。 以歐美、日韓等為代表的發達和新興工業國家， 先后開始發展材料數據庫，目前都已擁有一定數量的材料數據庫。歐美國家建立材料基因工程數據庫， 如美國Globus數據庫平臺，通過特殊的信息工程技術，保證大數據方便存儲和搜尋等功能， 既可將各地毫無連接的傳統材料數據庫連入整個材料基因數據庫共享平臺，又可鼓勵科研人員上傳、發布新的科學成果，共享數據集。目前，國際知名的商業化材料在線數據庫平臺有美國的MatWeb 和ASM International、 瑞士的Total Materia、日本的NIMS、德國的Key to Steel 等。相比于傳統的材料數據庫，它們提高了商業化程度，強化了對用戶的服務模式[2]。

國外數據庫平臺的服務費較高， 這極大程度地限制了它們在國內的應用推廣。同時，國外數據庫在行業和市場動態信息的發布上往往存在數據信息不及時、數據源范圍不夠廣等問題，且缺乏與國內時事現狀和相關政策的結合度， 缺少對于國內先進案例的詳細剖析（材料的工藝特點、適用范圍、工藝流程等）。這使得項目方在使用這類工具時不能獲取到實時有效的數據，做出正確決策。

2.2 國內數據庫平臺現狀

我國從20 世紀80 年代開始由科研院所、 企業自主建立了大量不同規模、分散獨立的材料數據庫。近年來， 更是創造了許多連接材料界和制造業的材料解決方案一站式服務平臺，其中典型案例就是“有材”數據庫。 該數據庫通過提供CMF 庫、CMF 資訊、案例庫、材料庫、工藝庫、虛擬展館、線上展會等七大功能，搭建設計、材料、工藝完美結合的橋梁，為設計/研發人員提供科學、便捷的設計解決方案和豐富的產品案例， 助力新材料、 新工藝快速應用于新產品，全面提高產品設計研發效率，降低成本。 另一個案例是“材料在線”平臺，它是國內首個設計師創立的互聯網建筑裝飾材料平臺， 致力于全方位幫助設計師解決項目裝飾材料問題。同時，該公司充分依托互聯網的優勢， 大大提升傳統材料企業品牌建設及推廣效率。業務范圍包括設計師的材料認知、工程材料咨詢、材料品牌推廣、項目工程材料供應等。 其運營手段包括公眾號、小程序、線上網絡直播及線下聯合宣講，甚至出版了行業級的材料工具書。

國內現有的數據庫雖為需求與應用兩端提供了一個互通的平臺，打通了雙方的信息渠道，但是缺少綠色建材市場、 不合格綠色建材以及商業行為等及時通報； 此外， 現有的平臺往往只提供供應商的信息，沒有提供多維度指標來對材料進行量化評估，這樣平臺使用方在決策時缺少了有效的數據支撐。 從建材供應商的角度來看，國內現有平臺在選材咨詢、檢測認證、展示體驗、技術推廣的方面也缺少專業性的綠色建材推廣整體服務。

3 綠色建材數據庫的搭設

3.1 建設目標

新材料大數據庫計劃形成涵蓋國內外大量新型建筑材料的數據庫，能夠包含材料信息、生產企業、應用案例、標準等相關的數據，著眼于能夠為老城區更新改造提供有力支持，尤其是設計、施工和運維等環節提供綠色建材的數據支持[3]。同時新材料大數據庫通過項目服務和數據資源端的擴充， 實現數據庫的不斷擴大和自我更新，打通需求的前后端，前端即通過網頁、 微信小程序等平臺實現材料數據的可搜索和可下載， 后端則通過數據庫生成新材料咨詢報告提供給設計、施工和運維等環節使用。該數據庫的架構如圖1 所示。

圖1 數據庫架構

3.2 實施路徑

新材料大數據庫需要建立一個統一集中的管理平臺，通過持續集成不同維度的材料數據，對于材料數據統一集中管理， 并完成對于下游應用的數據分發，最終打通材料設計/檢測/認證/使用的全流程。 同時也可以通過大數據庫串聯起材料生命周期中涉及的不同企業和個人關聯方，如材料設計機構，材料生產機構，材料銷售供應機構，材料檢測認證機構，材料購買使用機構等。 管理平臺的搭建包括了數據采集服務層、數據清洗層、平臺數據庫建設、數據計算封裝層和數據應用層5 個部分，如圖2 所示。

圖2 數據庫搭建層級

3.3 功能模塊

1）材料列表。 新材料大數據庫首頁對數據庫內的材料信息進行展示，同時提供按分類檢索、按材料名稱檢索等檢索功能。

2）材料信息。 每個材料的信息展示頁面包含材料的特點、優劣勢、材料參數、規格、價格、材料分類、應用案例以及相對應的標準等數據， 通過全面的數據展示， 從而能夠為老城區改造當中綠色建材的使用提供盡可能完善的數據支持。

3）材料信息完成度評分。 材料信息完成度評分功能對每個材料的每一條數據信息設定相應的評分標準，根據數據信息的完成情況，給到每一個材料的綜合評分，超過60 分為合格，可視為信息較為完整，低于60 分則視為不合格，將無法對其進行檢索和數據導出。

4）解決方案管理。 根據老城區改造相關項目對于綠色建材的需求， 可以在新材料大數據庫中自動生成新材料解決方案，為項目相關的設計單位、施工單位提供參考。

4 應用案例分析

4.1 梅隴三村低碳社區改造

該工程位于上海市梅隴三村小區內， 要求對小區內居民休閑廣場、 分布式光伏以及照明路燈進行改造。新材料大數據庫在本項目實施過程中，對照改造設計要求，從數據庫中篩選出合適的材料品類，再進行技術匹配， 在最短的時間內給到需求方一套完整的改造技術方案。通過信息化技術部分替代人工，解決了傳統項目中遇到的信息不對稱、技術不匹配、選材周期長、設計落地難等問題。

1）休閑廣場改造。原廣場總面積約300 m2，為普通混凝土磚塊地面，磚塊接縫處生有青苔，在下雨天時路面濕滑極易滑倒， 廣場上的四顆松樹已有枯死的現象。 改造設計方案中對此廣場提出了透水、耐用、防滑、降噪的要求。通過大數據庫對相關材料進行篩選，選定高強度鋼渣透水混凝土路面材料，該技術入選國家建筑業10 項新技術（住建部建質[2010]170號文）和全國第一批海綿城市先進適用技術。結合數據庫的其他材料數據， 通過多個維度對改造前后的材料性能進行對比，得到項目方的認可，見表1。

表1 改造前后廣場路性能對比

改造后的廣場地面具有高強度、高透水率、吸音降噪、耐久防滑等特點，在美觀度、實用性、安全性上都大幅提高；并能夠有效補充地下水、改善地面“呼吸”能力、緩解城市“熱島效應”，為社區居民提供了一個舒適的生態環境。廣場改造前、后的效果對比如圖3 所示。

圖3 改造前后廣場對比

2）分布式并網光伏車棚改造。 該試點選在小區內一非機動車棚，屋頂為水泥平面屋頂。 長約100 m，寬約3 m，總面積約300 m2，據統計該車棚年均用電量約為9 500 kWh，改造設計要求光伏發電能滿足車棚日常用電。

通過新材料大數據庫比選光伏類綠色建材的各項性能指標，選定分布式光伏發電系統，裝機容量為20 kW，首年發電量約2.2×104kWh，完全滿足改造要求。 光伏發電系統按照最佳傾角24 °采用常規固定安裝方式，不破壞原有防水層，反射角度避開居民樓宇，如圖4 所示。 改造后的光伏系統采用發電全額上網模式，除滿足車棚內日常照明、電器等用電需求外，還能產生一定的經濟效益。

3）智能LED 路燈解決方案。 針對原有路燈存在的光伏板使用年限較長導致發電效率低、 鉛酸電池充放電效率低且極易造成環境污染、 未采用節能燈泡，監控設備安裝不合理及部分失效等問題，該改造工程提出，移除小區內所有路燈，替換為節能路燈，并考慮與監控設備協同工作的匹配性。 針對這一項目需求，利用新材料大數據庫的重點開展節能效果、使用壽命、智能化管理效果、路燈綜合功能等維度的對比分析， 最終選擇了壽命≥50 000 h 的智能控制LED 路燈。

通過該路燈改造項目， 小區應用了智能云管理技術，可以根據智能LED 路燈不同位置，結合不同的時間亮燈需求進行節能設置，自動控制LED 燈的亮度及時間；同時還可以遠程監控，對路燈用電情況及報警、維護信息進行實時、動態管理；在改造過程中，結合LED 燈的智能控制器接入光纖，達到了小區Wifi 全覆蓋的目標；同時，通過LED 燈的智能控制器集成視頻監控系統， 還能實現小區安保管理的實時遠程監控，保障小區居民生活的安全。

該項目2016 年開始建設，2017 年投入使用，同年5 月，凌云街道梅隴三村居民區被正式授予首批“上海市低碳示范社區”，成為全市社區爭相學習的模范。

4.2 “暖亭”社區活動中心

該工程位于浦東新區向東新村， 是上海老城區基礎設施更新的典型項目， 改造部位原為老舊公共廁所，曾被改造成社區之家，后因年代久遠，結構不合理等原因無法滿足居民的需求，被廢棄使用。為更好地融入既有社區環境，以“暖”字為出發點，設計希望用親和的白色、木色以及溫暖的燈光，將其改造為社區活動室供居民使用，為社區點亮溫暖。

通過使用新材料大數據庫進行材料比選， 最終選用白色清水混凝土作為主體材料， 并提供了現場澆筑、工廠預制、外掛裝飾板三種工藝供選擇。 根據現場情況及設計效果對比后， 選定了免裝飾現澆白色清水混凝土工藝作為主題結構的改造方案， 以其獨有地裝飾性和藝術性展現混凝土建筑的美， 采用“無梁樓板+短肢剪力墻”的結構體系來釋放空間，完美呈現設計理念，建成上海第一座“白色清水”建筑。

這座有溫度的社區歸屬空間2020 年開始建設，2021 年投入使用，2021 年入選長三角及全國部分城市最美公共文化空間大賽中 “最美公共文化空間獎”，如圖5 所示。

圖5 “暖亭”向東社區之家

5 結論

綜上所述， 以數字化技術引領綠色建材行業革命， 基于數字化技術建立的新材料大數據庫提升了綠色建材的曝光度， 使其在老城區改造項目中的利用率不斷提升。

1）提高設計效率，提升老城區改造綠色度。新材料大數據庫的應用能提高老城區更新改造對于新型綠色建材的認知，擴展設計師的選材范圍，節省用于選材時間和精力， 改變現階段設計師傳統的選材方式， 提高了設計師的設計效率， 從而帶動整個老城區基礎設施更新產業在新材料應用端的發展。

2）提高綠色建材使用率，提升經濟效益。新材料大數據庫提升設計師選材效率的同時， 綠色建材在老城區基礎設施更新中的使用率， 增加相關企業的銷售收入和利潤， 相應地也就增加了國家和地方的財政稅收,對社會經濟將起到一定的積極作用。

3）降低能源消耗，提升人民生活品質。綠色降低更新后的老城區基礎設施的能源消耗， 節省土地資源和水源的使用，減少建筑對水土污染和大氣污染，改善環境，提升老城區居民的生活質量，滿足人們對美好生活的需求，響應國家節能降碳的政策，帶來良好社會效益。