智慧城市理念在城市建筑設計中的滲透研究

黃運鎏

（中國土木福州勘察設計研究院有限公司，福州 350011）

1 引言

物聯(lián)網、云計算、移動互聯(lián)網、自動控制、機器學習與人工智能等新興技術的快速發(fā)展推動著城市運營與管理模式向數(shù)字化、信息化、智能化、智慧化方向躍階式轉型升級，各大城市正著力在管理范圍內構建萬物互聯(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、交通導流、應急救援、資源統(tǒng)籌等具象化運營管理內容的深度應用。城市建筑是城市物聯(lián)體系的重要構成部分，承載著城市居民近80%的工作生活時長與活動內容，涵蓋著城市居民的活動規(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手段，可以切實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。

2 智慧城市理念概述

2.1 智慧城市的內涵與特征

智慧城市是現(xiàn)代信息技術高度集成并在城市規(guī)劃設計、運營管理、營商優(yōu)化、為民服務等方面的深度應用成果。

1）從技術層面來看，智慧城市通過在不同行業(yè)、領域、環(huán)境下布設相應規(guī)格型號的傳感器實時，采集城市發(fā)展動態(tài)數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網技術與云存儲技術實現(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算技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效過濾、分析與挖掘應用，提取海量數(shù)據(jù)的潛在規(guī)律特征，為政務服務、 企業(yè)運營、 市民生活與出行等提供各種便利的技術服務。

2）從應用層面來看，智慧城市的應用場景非常廣泛，遍及安防、教育、醫(yī)療、政務等若干方面[1]，智慧安防通過對危險信息的動態(tài)監(jiān)測與精準預警，轉變傳統(tǒng)的防御式安防為主動發(fā)現(xiàn)預警式安防； 智慧教育通過現(xiàn)代信息技術在課堂教學中的應用，為遠程教學活動開展、實驗活動模擬與演示等提供了更加直觀可視的教學場景； 智慧政務通過高效整合原本存在信息孤島現(xiàn)象的政務服務資源與數(shù)據(jù)，梳理業(yè)務辦理邏輯與流程，進一步提高政務服務的透明度與公開性。

2.2 智慧城市理念對城市建筑發(fā)展的影響

在城市建筑設計中，利用現(xiàn)代信息化技術可以對建筑的各項實用功能進行量化分析與模擬計算，論證不同設計方案的可行性、經濟性與實用性，優(yōu)選出空間結構更優(yōu)、保溫隔熱性能更佳、生活服務更便捷的城市建筑設計方案，為居民提供更加優(yōu)越、方便的居住環(huán)境與居住體驗。例如，利用BIM 三維信息化建模技術對城市建筑進行三維可視化建模，根據(jù)建筑設計需要，優(yōu)化調整建筑結構參數(shù)與外形系數(shù)，科學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環(huán)境進行模擬與分析，精準研究城市建筑外部的風壓差以及轉角風分布情況，優(yōu)化城市建筑布局設計；利用物聯(lián)網技術實現(xiàn)城市建筑內各類電氣設備設施的連接與數(shù)據(jù)傳輸，以便城市物業(yè)管理人員實時掌握電氣設備的運行狀態(tài)，管控建筑內部的安全性。

3 智慧城市理念下的城市建筑設計要點

3.1 注重建筑設計的安全性

城市建筑全生命周期運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量不達標，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（甲醛、甲苯等），建筑室內的空氣環(huán)境質量較低且存在致癌風險，輕則使居民產生身體不適癥狀，重則影響與危及居民的生命安全。此外，建筑外部的裝飾構件與裝飾材料過多，不僅會影響城市建筑的施工材料用量以及施工成本，還會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、墜落的風險。在城市建筑設計中，應高度關注建筑設計的安全性，可以依托智慧城市動態(tài)監(jiān)測、精準預警、有效防護的技術手段，對建筑室內外中的安全隱患在設計階段進行排查，在使用階段進行監(jiān)管，切實提高城市建筑的安全性能。

3.2 注重建筑設計的多樣性

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，辦公建筑用于承載日常辦文辦會活動，公共建筑用于開展公共類、群體性、共享性活動。當前，功能的多樣化與設計的趨同化存在鮮明的矛盾，在經濟實用、效率至上的工作原則下，建筑設計的原創(chuàng)性逐漸被簡單的軟件模板套用與復制所取代，導致建筑設計的風格存在千篇一律的特征。應將智慧城市的理念滲透在建筑設計中，為城市建筑設計增加智慧元素。例如，在城市建筑設計中嵌入安裝智慧家居系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)等，利用智能化技術與手段提高城市建筑內電氣設備的智能聯(lián)動性，以及建筑的安全防護能力，凸顯城市建筑的智慧風格與多樣性功能。

3.3 注重建筑設計的節(jié)能環(huán)保性

智慧城市理念強調城市運營、管理、規(guī)劃的便利性與智能性，可最大限度地節(jié)約城市運行的資源，降低城市運行的能耗。（1）在建筑的朝向規(guī)劃、形體設計、樓間距設計、空間布局設計等方面應貼合當?shù)氐牡匦蔚孛病⒌刭|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，為建筑采光照明、自然通風提供更多清潔能源。（2）選擇建筑施工材料時，應最大限度地就地取材，嚴格控制施工材料加工與運輸期間的材料浪費與環(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）建筑設計應充分引入標準化應用技術，提高城市建筑施工的效率，減少施工資源浪費與環(huán)境污染現(xiàn)象，例如，可以在城市建筑設計中大力推行裝配式建筑，利用裝配式構件的批量化生產、運輸與現(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 注重建筑設計的人文關懷

智慧城市建設的核心宗旨在于為城市居民提供更加便捷、高效的服務，為城市管理者提供更加精準、科學的決策支持，充分體現(xiàn)城市建設中的人文情懷以及以人為本的初衷。（1）建筑設計應緊密貼合地域特色與本土文化，建筑設計方案應與當?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）建筑設計應緊密貼合城市居民的居住需求，通過對現(xiàn)代信息技術的高度集成與巧妙運用為住戶掌握建筑內設備的運行狀態(tài)、控制設備的運行參數(shù)、提高建筑的安全防護系數(shù)等提供技術支持，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計中的應用案例

4.1 城市建筑設計的重要內容

城市建筑設計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、人文關懷等基本原則，對建筑朝向、形體、布局、結構等進行優(yōu)化設計。以建筑形體設計為例進行分析。

1）復雜的建筑形狀會增加城市建筑的外表面積，增加城市建筑室內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 技術對城市建筑進行三維可視化建模，實現(xiàn)對不同形體設計方案的三維信息模型構建，并依托模型模擬功能，計算不同形體設計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計方案。

2）在對建筑結構進行設計時，考慮到城市建筑內部物聯(lián)網體系搭建，需在結構設計階段科學規(guī)劃與設計網絡接口裝置，根據(jù)建筑內部實際聯(lián)網需要與功能特點科學布線，提高建筑內的網絡條件。在布線方式上，建筑內墻可以優(yōu)先選用顆粒布線法，切實提高建筑內傳感器的接口效率；建筑天花板結構設計應做好走線規(guī)劃與設計，避免建筑內的暖通系統(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）建筑屋頂設計時，應充分考慮到居民的生活需要，合理布設太陽能光伏系統(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)網的智慧家居系統(tǒng)設計案例

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

4.3 基于自動控制技術的智能幕墻系統(tǒng)設計案例

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、進風裝置、出風裝置、智能遮陽系統(tǒng)以及內層幕墻等組成，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，結構的特質也賦予了建筑可以隨著太陽方位的不同而產生“呼吸效應”，使用者能夠體驗到真正的智慧型冬暖夏涼的效果。以封閉內循環(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，以便對外層幕墻進行清洗。封閉式內循環(huán)通風幕墻兩層幕墻之間的通風換氣層一般為100～200 mm，通風換氣層與吊頂部位設置的暖通系統(tǒng)抽風管相連，形成自下而上的強制性空氣循環(huán)，室內空氣通過內層玻璃下部的通風口進入換氣層，使內側幕墻玻璃溫度達到或接近室內溫度，從而形成優(yōu)越的溫度條件，達到節(jié)能效果。

5 結語

智慧城市依托現(xiàn)代信息技術為城市規(guī)劃與建設、 運營與管理提供了更為先進、便捷、高效、高質的服務，將智慧城市的理念與技術方法應用于城市建筑設計中，可以切實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，建造經濟效益和社會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。