智慧城市理念在城市建筑设计中的渗透研究

黄运鎏

（中国土木福州勘察设计研究院有限公司，福州 350011）

1 引言

物联网、云计算、移动互联网、自动控制、机器学习与人工智能等新兴技术的快速发展推动着城市运营与管理模式向数字化、信息化、智能化、智慧化方向跃阶式转型升级，各大城市正着力在管理范围内构建万物互联、信息共享的数据池，并基于此打造城市智慧大脑，支持物业服务、交通导流、应急救援、资源统筹等具象化运营管理内容的深度应用。城市建筑是城市物联体系的重要构成部分，承载着城市居民近80%的工作生活时长与活动内容，涵盖着城市居民的活动规律与行为特征，在城市建筑中渗透智慧城市的理念与技术手段，可以切实提高城市建筑居住环境的便利性与舒适度，为城市居民提供更加安全、高效、灵活的城市生活体验。

2 智慧城市理念概述

2.1 智慧城市的内涵与特征

智慧城市是现代信息技术高度集成并在城市规划设计、运营管理、营商优化、为民服务等方面的深度应用成果。

1）从技术层面来看，智慧城市通过在不同行业、领域、环境下布设相应规格型号的传感器实时，采集城市发展动态数据，通过物联网技术与云存储技术实现传感数据的快速传输、组织与管理，通过人工智能与云计算技术实现数据的高效过滤、分析与挖掘应用，提取海量数据的潜在规律特征，为政务服务、 企业运营、 市民生活与出行等提供各种便利的技术服务。

2）从应用层面来看，智慧城市的应用场景非常广泛，遍及安防、教育、医疗、政务等若干方面[1]，智慧安防通过对危险信息的动态监测与精准预警，转变传统的防御式安防为主动发现预警式安防； 智慧教育通过现代信息技术在课堂教学中的应用，为远程教学活动开展、实验活动模拟与演示等提供了更加直观可视的教学场景； 智慧政务通过高效整合原本存在信息孤岛现象的政务服务资源与数据，梳理业务办理逻辑与流程，进一步提高政务服务的透明度与公开性。

2.2 智慧城市理念对城市建筑发展的影响

在城市建筑设计中，利用现代信息化技术可以对建筑的各项实用功能进行量化分析与模拟计算，论证不同设计方案的可行性、经济性与实用性，优选出空间结构更优、保温隔热性能更佳、生活服务更便捷的城市建筑设计方案，为居民提供更加优越、方便的居住环境与居住体验。例如，利用BIM 三维信息化建模技术对城市建筑进行三维可视化建模，根据建筑设计需要，优化调整建筑结构参数与外形系数，科学测算建筑外立面单位面积能耗[2]；利用Phoenics 软件对城市建筑外部的风环境进行模拟与分析，精准研究城市建筑外部的风压差以及转角风分布情况，优化城市建筑布局设计；利用物联网技术实现城市建筑内各类电气设备设施的连接与数据传输，以便城市物业管理人员实时掌握电气设备的运行状态，管控建筑内部的安全性。

3 智慧城市理念下的城市建筑设计要点

3.1 注重建筑设计的安全性

城市建筑全生命周期运行阶段存在诸多安全隐患，最为常见的即为建筑施工材料质量不达标，墙体的胶合板、地面的泡沫填料与塑料贴面、 装饰装修分部的油漆等材料中都有不同浓度或含量的有毒、有害物质（甲醛、甲苯等），建筑室内的空气环境质量较低且存在致癌风险，轻则使居民产生身体不适症状，重则影响与危及居民的生命安全。此外，建筑外部的装饰构件与装饰材料过多，不仅会影响城市建筑的施工材料用量以及施工成本，还会给住户带来安全隐患，如建筑外围的玻璃幕墙承重性能较差，或者石材装饰面的牢固性与黏性不足，容易出现装饰材料脱落、坠落的风险。在城市建筑设计中，应高度关注建筑设计的安全性，可以依托智慧城市动态监测、精准预警、有效防护的技术手段，对建筑室内外中的安全隐患在设计阶段进行排查，在使用阶段进行监管，切实提高城市建筑的安全性能。

3.2 注重建筑设计的多样性

城市建筑的功能具有多样化特征，商业建筑用于开展商业活动，办公建筑用于承载日常办文办会活动，公共建筑用于开展公共类、群体性、共享性活动。当前，功能的多样化与设计的趋同化存在鲜明的矛盾，在经济实用、效率至上的工作原则下，建筑设计的原创性逐渐被简单的软件模板套用与复制所取代，导致建筑设计的风格存在千篇一律的特征。应将智慧城市的理念渗透在建筑设计中，为城市建筑设计增加智慧元素。例如，在城市建筑设计中嵌入安装智慧家居系统、智能安防系统等，利用智能化技术与手段提高城市建筑内电气设备的智能联动性，以及建筑的安全防护能力，凸显城市建筑的智慧风格与多样性功能。

3.3 注重建筑设计的节能环保性

智慧城市理念强调城市运营、管理、规划的便利性与智能性，可最大限度地节约城市运行的资源，降低城市运行的能耗。（1）在建筑的朝向规划、形体设计、楼间距设计、空间布局设计等方面应贴合当地的地形地貌、地质条件、气候条件、水文条件，最大限度地争取自然光源与自然风，为建筑采光照明、自然通风提供更多清洁能源。（2）选择建筑施工材料时，应最大限度地就地取材，严格控制施工材料加工与运输期间的材料浪费与环境污染现象，并优先选择低能耗、可再生的环保型材料，减少施工材料堆积与废弃造成的环境污染。（3）建筑设计应充分引入标准化应用技术，提高城市建筑施工的效率，减少施工资源浪费与环境污染现象，例如，可以在城市建筑设计中大力推行装配式建筑，利用装配式构件的批量化生产、运输与现场装配，减少建筑工程施工对现场环境带来的噪声、大气污染、土壤污染、水污染等问题。

3.4 注重建筑设计的人文关怀

智慧城市建设的核心宗旨在于为城市居民提供更加便捷、高效的服务，为城市管理者提供更加精准、科学的决策支持，充分体现城市建设中的人文情怀以及以人为本的初衷。（1）建筑设计应紧密贴合地域特色与本土文化，建筑设计方案应与当地民众的审美观念高度一致，为其带来视觉层面的亲切感与美感。（2）建筑设计应紧密贴合城市居民的居住需求，通过对现代信息技术的高度集成与巧妙运用为住户掌握建筑内设备的运行状态、控制设备的运行参数、提高建筑的安全防护系数等提供技术支持，为住户提供更为舒适、健康的居住环境。

4 智慧城市理念在城市建筑设计中的应用案例

4.1 城市建筑设计的重要内容

城市建筑设计中深入渗透智慧城市理念，需要充分遵循安全性、节能性、环保性、多样性、人文关怀等基本原则，对建筑朝向、形体、布局、结构等进行优化设计。以建筑形体设计为例进行分析。

1）复杂的建筑形状会增加城市建筑的外表面积，增加城市建筑室内热量散失的对外面积，影响城市建筑的保温隔热性能。利用BIM 技术对城市建筑进行三维可视化建模，实现对不同形体设计方案的三维信息模型构建，并依托模型模拟功能，计算不同形体设计方案下的城市建筑单位面积能耗，从中优选出能耗低且形体美观的建筑形体设计方案。

2）在对建筑结构进行设计时，考虑到城市建筑内部物联网体系搭建，需在结构设计阶段科学规划与设计网络接口装置，根据建筑内部实际联网需要与功能特点科学布线，提高建筑内的网络条件。在布线方式上，建筑内墙可以优先选用颗粒布线法，切实提高建筑内传感器的接口效率；建筑天花板结构设计应做好走线规划与设计，避免建筑内的暖通系统与消防系统线路交叉出现使用故障；地面布线可采用架空方式，为地面走线提供更多的空间。

3）建筑屋顶设计时，应充分考虑到居民的生活需要，合理布设太阳能光伏系统、太阳能热水器、屋顶植草沟、雨水回收装置、排水系统等，最大限度地运用自然资源与清洁能源，提高城市建筑的保温隔热性能，美化装饰城市建筑。

4.2 基于物联网的智慧家居系统设计案例

智能家居系统是智慧城市理念在城市建筑设计中的重要应用，在万物互联的物联网技术支持下，依托传感器与物联网将建筑室内的家居设备设施，如摄像头、温湿度传感器、烟感器、暖通空调系统、通风系统等进行整合，动态感知建筑内环境的实时变化并做出响应。例如，建筑入户厅的摄像头可以自动捕捉来访者的脸部信息，并将来访者信息远程发送至住户的移动终端，以便住户与来访者通过智能终端进行沟通对接；建筑室内的卫生间利用声感装置感知到有人进入后，自动启动卫生间的照明设施，为夜间卫生间的使用提供良好的照明环境；对建筑室内的环境质量与温湿度参数，可以利用温湿度传感器与各类气体检测仪进行精准监测，并自动调控建筑内的暖通空调系统、通风系统、窗帘等状态，改善室内的空气质量与环境条件；利用传感器装置动态监测建筑内的电梯速度、电梯门的工作状态，以及电梯电机的温度，分析电梯的工作规律特征，为上下班与上下学高峰期的电梯资源优化配置提供决策支持。

4.3 基于自动控制技术的智能幕墙系统设计案例

智能呼吸式幕墙是一种新型节能环保型幕墙，主要由外层幕墙、空气交换通道、进风装置、出风装置、智能遮阳系统以及内层幕墙等组成，是建筑的“双层绿色外套”。智能呼吸式幕墙有显著的隔声效果，结构的特质也赋予了建筑可以随着太阳方位的不同而产生“呼吸效应”，使用者能够体验到真正的智慧型冬暖夏凉的效果。以封闭内循环式幕墙在冬季较为寒冷的地区使用为例。其外层原则上是完全封闭的，由断热型材与中空玻璃组成外层玻璃幕墙； 内层一般为单层玻璃组成的玻璃幕墙或可开启窗，以便对外层幕墙进行清洗。封闭式内循环通风幕墙两层幕墙之间的通风换气层一般为100～200 mm，通风换气层与吊顶部位设置的暖通系统抽风管相连，形成自下而上的强制性空气循环，室内空气通过内层玻璃下部的通风口进入换气层，使内侧幕墙玻璃温度达到或接近室内温度，从而形成优越的温度条件，达到节能效果。

5 结语

智慧城市依托现代信息技术为城市规划与建设、 运营与管理提供了更为先进、便捷、高效、高质的服务，将智慧城市的理念与技术方法应用于城市建筑设计中，可以切实提高城市建筑的安全性、环保性以及功能的多样性与智能性，建造经济效益和社会效益最大化的智慧型城市建筑，满足现代城市居民丰富多样的工作与生活需求。