建筑行業(yè)智慧建筑技術(shù)路線圖研究（建筑）
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建筑行業(yè)智慧建筑技術(shù)路線圖研究（建筑）
孫連營，王 理
（中國建筑科學研究院，北京100013）
[摘要]智能建筑經(jīng)過二十余年的發(fā)展在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛應用，效果顯著。隨著以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑行業(yè)的不斷探索實踐，“智慧建筑”的概念應運而生。本文將通過技術(shù)路線圖的方式研判建筑行業(yè)中智慧建筑的發(fā)展方向，為智慧建筑的深入研究做些初步嘗試。
[關(guān)鍵詞]智慧建筑；物聯(lián)網(wǎng)；云計算；大數(shù)據(jù)；技術(shù)路線圖 [中圖分類號]TU18
0 引言
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，城市信息化應用水平不斷提升，智慧城市的建設正在逐步向前發(fā)展。智慧城市是通過綜合運用現(xiàn)代信息技術(shù)，整合數(shù)據(jù)資源，共享科技成果，加強城市的規(guī)劃、建設和運維管理，為城市相關(guān)者提供智慧化服務。建筑作為城市的基本元素，建筑的智慧化是智慧城市的重要組成部分。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代背景下，互聯(lián)網(wǎng)思維正在悄然影響著各種傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展，新一代信息技術(shù)與建筑行業(yè)的深度融合，使得“智慧建筑”的概念順應時代的發(fā)展而產(chǎn)生，并將給建筑行業(yè)帶來更好的發(fā)展前景。
1 智慧建筑定義與相關(guān)技術(shù)
近年來，隨著科技的不斷進步，工業(yè)化水平和信息化程度的逐步提高，人與自然應該和諧發(fā)展已得到廣泛認同，智能建筑已經(jīng)滿足不了人們不斷豐富的需求，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為代表的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在推動建筑從智能化走向智慧化，“智慧建筑”順應建筑理念和實踐的發(fā)展而產(chǎn)生，它是人、建筑、環(huán)境和科學技術(shù)融合發(fā)展的必然產(chǎn)物。
1.1 智慧建筑的概念
目前，智慧建筑的研究還處在初級發(fā)展階段，無論國際和國內(nèi)都還沒有明確統(tǒng)一的概念和定義，有些觀點認為智慧建筑就是在當下“智慧地球”和“智慧城市”建設浪潮中對建筑的一種時髦叫法；有些觀點認為智慧建筑就是升級版的智能建筑；還有人認為智慧建筑就是更加節(jié)能環(huán)保的綠色建筑，這些對智慧建筑的認識側(cè)重點不同，對智慧建筑的理解也不盡相同。然而，智慧建筑不是“智慧”一詞對建筑的簡單修飾，它有著豐富的內(nèi)涵，是建筑技術(shù)在新一代信息技術(shù)變革影響下，建筑行業(yè)適應新時代、滿足新需求的發(fā)展趨勢。
智慧建筑是以建筑、人與環(huán)境為對象，集計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，提供安全高效、環(huán)境舒適、能耗更低的建筑。智慧建筑是安全的，它能實現(xiàn)對建筑及環(huán)境的深度感知，能實時對建筑結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測，對運行過程中的異常情況進行預警，確保建筑使用安全；智慧建筑是舒適的，它能采集和存儲運行維護中的大量數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)代科學技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分
析與挖掘，實現(xiàn)智能分析與控制，提供功能齊全、環(huán)境舒適、服務更加智慧化的建筑環(huán)境；智慧建筑是節(jié)能和環(huán)保的，智慧設計、智慧建造和智慧運維貫穿建筑的全生命周期，實現(xiàn)節(jié)約能源、降低能耗、減少污染和綠色環(huán)保。
1.2 智慧建筑與智能建筑區(qū)別
從20世紀90年代開始，我國的智能建筑逐步發(fā)展，至今已有20多年的發(fā)展歷程。在國家標準《智能建筑設計標準》中對智能建筑的定義是以建筑物為平臺，基于對各類智能化信息的綜合應用，集架構(gòu)、系統(tǒng)、應用、管理及優(yōu)化組合為一體，具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策的綜合智慧能力，形成以人、建筑、環(huán)境互為協(xié)調(diào)的整合體，為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的建筑。智能建筑是建筑技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)等信息技術(shù)相互融合發(fā)展而成，它關(guān)注的主要是建筑及其附屬設施的智能化，是一種綜合反饋系統(tǒng)，通過對設備的智能監(jiān)控，對信息資源的有效管理和對使用者的信息服務及其功能與建筑的優(yōu)化組合，為人們提供一個投資合理又擁有高效、舒適、便利快捷、安全可靠的建筑環(huán)境空間。
與智能建筑不同，智慧建筑是在新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用基礎上建立起來的一種創(chuàng)新環(huán)境下的建筑形態(tài)，它具有智能管控的多功能綜合系統(tǒng)，涵蓋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、環(huán)境管理、能耗分析和服務支持等各個方面，可以實現(xiàn)對建筑及環(huán)境中所有事物的廣泛連接、深度感知、智能分析和有效控制。
智能建筑是反饋系統(tǒng)，智慧建筑是前饋系統(tǒng)。智能建筑是以計算機與自動化技術(shù)為依托，智慧建筑是以物聯(lián)網(wǎng)、云計算及大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托的新型建筑生態(tài)模式。如果用“人”來比喻建筑的話，傳統(tǒng)建筑是只具有皮膚和骨架的人體，智能建筑是具有幾大生命系統(tǒng)的完整人，而智慧建筑則是與自然和社會環(huán)境相結(jié)合的社會人。
1.3 智慧建筑的關(guān)鍵技術(shù)
建筑技術(shù)的發(fā)展伴隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，近年來興起的IT新技術(shù)，如：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、BIM技術(shù)以及人工智能技術(shù)等，進一步促進了智能建筑向智慧建筑的轉(zhuǎn)變升級，為智慧建筑的實現(xiàn)和發(fā)展提供了技術(shù)支撐。
1.3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
物聯(lián)網(wǎng)( Internet of Things)是實現(xiàn)物與物之間的智能關(guān)聯(lián)，是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，可以將各種信息傳感設備，如射頻識別( RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等各種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象之間實現(xiàn)互聯(lián)互通的巨大網(wǎng)絡。
物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是將IT基礎設施融入到物理基礎設施中，并被普遍連接，實現(xiàn)物物相聯(lián)，目的是進行實施、動態(tài)、智慧的管理和控制，這一本質(zhì)與智慧建筑的內(nèi)在智能體現(xiàn)在將各種智能裝置嵌入建筑設施的各種物件上，并賦予其自動運行、自我決策的智能工作模式不謀而合。為了實現(xiàn)對建筑的有效管理，實現(xiàn)建筑的“智慧”思考，首先就需要掌握建筑生態(tài)的相關(guān)信息，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正是智慧建筑能夠?qū)崿F(xiàn)全面感知、可靠傳送和智能決策的重要技術(shù)基礎。
1.3.2 云計算技術(shù)
云計算( Cloud Computing)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的新型計算模式，借助這種模式，計算機或者其他設備可以根據(jù)需求共享信息和軟硬件資源。云計算中的“云”由數(shù)以億計的計算機、移動終端組成，具有相當大的規(guī)模，能提供前所未有的計算能力、存儲能力等，并且云計算利用虛擬化技術(shù)來實現(xiàn)對物理資源的集中管理，充分利用各種軟件、硬件資源，提高了設備的利用率，降低了系統(tǒng)能耗。
隨著科技的進步，智慧建筑發(fā)展的需要，未來建筑物中會布滿各種傳感器、數(shù)據(jù)采集設備，這些智能裝置采集的信息量巨大，要想把這些數(shù)據(jù)資源轉(zhuǎn)變成有用的價值信息，普通的計算方式根本無法滿足需求，通過云計算技術(shù)，可以將感知后的信息放在云端服務器上，利用云計算超強的計算能力，加快數(shù)據(jù)處理的速度，提升應用服務的水平和質(zhì)量，滿足用戶的各種需求。
1.3.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)
大數(shù)據(jù)（Big Data）單從字面來看，它表示數(shù)據(jù)規(guī)模的龐大。國際數(shù)據(jù)公司( IDC)把大數(shù)據(jù)定義為：大數(shù)據(jù)技術(shù)描述了新一代的技術(shù)和架構(gòu)體系，通過高速采集、發(fā)現(xiàn)或分析，提取各種各樣的大量數(shù)據(jù)的經(jīng)濟價值。從這一定義來看，大數(shù)據(jù)的特點是數(shù)據(jù)體量巨大、數(shù)據(jù)類型復雜多樣和生成速度快，而大數(shù)據(jù)技術(shù)的意義不在于掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，而是通過專業(yè)化的處理分析和數(shù)據(jù)挖掘，從中獲得價值信息。
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧建筑實時感知著由建筑所發(fā)出的各種信號，這些日積月累產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)是復雜的、多樣的，需要經(jīng)過存儲、處理、查詢和分析后才能充分用于各類應用，從而提供快捷、高效的服務，而智慧建筑要想成為經(jīng)驗豐富的“智者”，大數(shù)據(jù)技術(shù)為其可持續(xù)化的發(fā)展提供了必要的技術(shù)保障。
1.3.4 BIM技術(shù)
我國《建筑工程信息模型應用統(tǒng)一標準》指出：BIM是指全壽命期工程項目或其組成部分物理特征、功能特性及管理要素的共享數(shù)字化表達，而工程項目全壽命期可劃分為策劃與規(guī)劃、勘察與設計、施工與監(jiān)理、運行與維護、改造與拆除五個階段。從定義來看，BIM技術(shù)可以貫穿建設的全過程，實現(xiàn)全程的信息化、智能化。
智慧建筑是建筑全生命周期的智慧化，BIM技術(shù)可以幫助智慧建筑實現(xiàn)智慧設計、智慧建造和智慧運維的各個階段。設計階段，BIM技術(shù)對建筑物各專業(yè)建立三維模型，可以進行各種各樣的建筑性能分析，將建筑更直觀地展示出來；建設階段，BIM技術(shù)可以對整個建造過程進行模擬，優(yōu)化施工方案，進行精細化管理；在運行和維護階段，BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)，云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)對智慧建筑的結(jié)構(gòu)、環(huán)境和能耗等方面的監(jiān)測與分析，通過可視化的應用將智慧建筑的全要素生動直觀地表達給終端用戶。
1.3.5人工智能技術(shù)
人工智能( Artificial Intelligence)是計算機科學、控制論、信息論、神經(jīng)生理學、心理學、語言學等多種學科互相滲透發(fā)展起來的一門綜合性學科，主要研究運用計算機應用系統(tǒng)來模擬和延伸人類的智能活動。
智慧建筑是一個被智能管控的生態(tài)系統(tǒng)，是集計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于一身的建筑綜合體。智慧建筑的關(guān)鍵在于建筑的智慧化，即具有類似人的感知、記憶與思維的自我學習與進步的能力，智慧建筑具有自己的“大腦”，能夠控制和自動調(diào)節(jié)建筑物內(nèi)的各種感知設備，能在建筑遭遇突發(fā)情況下，具有分析能力和判斷力，智慧化決策。人工智能技術(shù)為智慧建筑實現(xiàn)真正的智慧化提供了重要的技術(shù)手段。
2 智慧建筑的行業(yè)發(fā)展目標
2.1智慧建筑的行業(yè)目標
現(xiàn)代科學技術(shù)的進步促進了建筑行業(yè)的向前發(fā)展，建筑被賦予了新的使命。智慧建筑將不僅僅是一棟建筑，它將是一個智慧化的建筑生態(tài)系統(tǒng)。隨著建筑技術(shù)的成熟進步和市場的逐漸完善，智慧建筑的發(fā)展將朝著智慧化、綠色化、生態(tài)化和可持續(xù)化的行業(yè)目標前進。
①智慧化：智慧建筑最終要實現(xiàn)建筑智慧化的目標，讓建筑具備人的思維，具有自我感知、自我判斷、自我分析和自我決策的能力，給建筑本身足夠的自由空間，減少人為干預，讓建筑真正智慧起來。
②綠色化：智慧建筑是全生命周期的建筑，從規(guī)劃與設計、建造與運維到最終拆除的各個階段都要考慮綠色化的理念，為使用者提供安全可靠、舒適適用、節(jié)約能源、減少污染、綠色環(huán)保的建筑環(huán)境。
③生態(tài)化：智慧建筑的實質(zhì)是一個生態(tài)系統(tǒng)，無論是建筑外形還是建筑構(gòu)造，都要符合生態(tài)化的標準。智慧建筑要實現(xiàn)適應環(huán)境和保護生態(tài)的目標，讓建筑、人與環(huán)境三者融合發(fā)展、和諧共處。
④可持續(xù)化：智慧建筑可以有效地提高設備功能、降低運行成本、減少資源消耗、保護生態(tài)環(huán)境，堅持智慧建筑的發(fā)展理念，推動行業(yè)進步和技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)智慧建筑的可持續(xù)化發(fā)展目標。
2.2 智慧建筑的政策需求
智慧建筑的研究與發(fā)展需要政府的大力支持與推動。政府部門應該充分發(fā)揮主導和協(xié)調(diào)作用，做好智慧建筑的統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設計，制定相關(guān)的政策或條例，指引智慧建筑的發(fā)展；圍繞智慧建筑的專業(yè)需求、關(guān)鍵技術(shù)、行業(yè)目標等方面制定相應的標準與規(guī)范，加強指導和監(jiān)督，提供技術(shù)支持，完善專業(yè)人才隊伍的建設，促進智慧建筑及相關(guān)產(chǎn)業(yè)循環(huán)有序的發(fā)展；重視智慧建筑發(fā)展過程中可能帶來的安全問題和社會問題，及早展開研究論證和立法規(guī)劃，
對數(shù)據(jù)安全、隱私保護、問題追責等方面提供相關(guān)的保護機制和法律保障；智慧建筑的發(fā)展不是一蹴而就的，是個長期的過程，這就需要政府、研究機構(gòu)、行業(yè)協(xié)會和企業(yè)等社會各行各界的共同努力才能更好的實現(xiàn)，合作與分享是各方實現(xiàn)共贏的創(chuàng)新環(huán)境，更是發(fā)展的需要。
3 建筑行業(yè)智慧建筑技術(shù)路線圖
技術(shù)路線圖作為一種提供分析、戰(zhàn)略規(guī)劃的技術(shù)工具，能夠聯(lián)系技術(shù)、產(chǎn)品和市場等相關(guān)因素，通過清晰簡潔的方式表達出復雜的過程和大量的內(nèi)容，從而對某個行業(yè)的未來做一個較為準確的分析，為行業(yè)發(fā)展和科學研禿進程指明方向。
通過對智慧建筑的關(guān)鍵技術(shù)、行業(yè)目標和政策需求的分析，結(jié)合技術(shù)路線圖的理論和方法，構(gòu)建建筑行業(yè)的智慧建筑技術(shù)路線圖，如圖1所示。其中：橫軸為時間軸，根據(jù)時間長短劃分為近期、中期和長期；縱軸為智慧建筑的關(guān)鍵技術(shù)、行業(yè)目標和政策需求的相互關(guān)聯(lián)。
BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)是建筑實現(xiàn)智慧化的關(guān)鍵技術(shù)，為智慧建筑的發(fā)展與研究提供了重要的技術(shù)支撐，是智慧建筑追求行業(yè)目標的必要手段，各種技術(shù)之間相輔相成，既需要發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢，又需要相互之間的技術(shù)合作。BIM技術(shù)可以對智慧建筑生命周期的各個階段進行建筑性能分析、模擬預測，結(jié)合大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)探索智慧建筑的前瞻性研究；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智慧建筑實現(xiàn)全面感知的重要技術(shù)基礎，實時采集的大量數(shù)據(jù)為建筑實現(xiàn)智慧化提供了必要的信息資源；云計算的計算能力、存儲能力、交互能力為智慧建筑的數(shù)據(jù)分析與計算提供了可靠的技術(shù)保障，它的高可靠性保證了建筑系統(tǒng)的服務質(zhì)量；云計算技術(shù)與大數(shù)據(jù)的技術(shù)合作可以對采集的各建筑專業(yè)數(shù)據(jù)做出有效的分析和智能的挖掘，為建筑做出智慧化的決策提供可靠的依據(jù)；人工智能技術(shù)為建筑能夠擁有自己真正的“智慧”提供了有力的技術(shù)幫助。
在智慧建筑的行業(yè)目標中，智慧化是它的近期目標，讓建筑具有自我分析、判斷與決策的能力，而智慧化的實現(xiàn)可以加快綠色化和生態(tài)化的實現(xiàn)，讓建筑可以高效節(jié)約能源、保護生態(tài)，更好地實現(xiàn)智慧建筑綠色化與生態(tài)化的目標，進而實現(xiàn)智慧建筑的可持續(xù)化發(fā)展目標，促進建筑行業(yè)的健康發(fā)展。智慧建筑的實現(xiàn)離不開政府的參與，政策的制定、方向的指引、標準的執(zhí)行、規(guī)范的市場和有效的運行機制等因素是實現(xiàn)智慧建筑行業(yè)發(fā)展目標的有力保障，
創(chuàng)造一個良好的發(fā)展環(huán)境，對智慧建筑的發(fā)展至關(guān)重要。
4 結(jié)語
智慧建筑是現(xiàn)代信息技術(shù)與建筑廣泛、深度融合而建立起來的建筑生態(tài)系統(tǒng)，能為使用者提供智慧化的服務，促進入、建筑與環(huán)境三者的協(xié)調(diào)發(fā)展。智慧建筑將是建筑領域未來的發(fā)展趨勢，具有廣闊的發(fā)展空間，不僅能促進建筑技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)進步，還會創(chuàng)造良好的社會效益和經(jīng)濟效益。智慧建筑技術(shù)路線圖的研究為智慧建筑的實現(xiàn)理順了思路，為建筑行業(yè)的發(fā)展指明了方向，為決策者制定決策提供了有用的參考價值。智慧建筑的研究與發(fā)展是一
項系統(tǒng)性和持久性的工作，在建設過程中必將遇到新的問題和挑戰(zhàn)，需要有針對性地加快關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與推廣應用，制定配套政策，營造開放共贏的發(fā)展環(huán)境，讓建筑擁有真正的智慧。
