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(shè)計總裁 | PrincipalKPF建筑設(shè)計事務所Kohn Pedersen Fox Associates紐約，美國New York City, United States

David Malott是創(chuàng)新超高層建筑和未來城市建筑師，并作為KPF設(shè)計總裁開創(chuàng)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(lǐng)導設(shè)計了位于深圳的600米高的平安金融中心，而深圳是中國發(fā)展最快的巨型城市以及全球創(chuàng)新中心。他現(xiàn)任世界高層建筑與都市人居學會主席，領(lǐng)導CTBUH有關(guān)垂直未來的技術(shù)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(shè)計師Kohn Pedersen Fox AssociatesKPF建筑設(shè)計事務所New York City, United States紐約，美國

Jordan Feinstein是一位多才多藝的設(shè)計師以及胸懷抱負的未來主義者，他位于建筑創(chuàng)新和研究的前沿。他對傳統(tǒng)建筑和城市過程中技術(shù)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(shù)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(fā)商、建設(shè)者、建筑師、工程師或城市規(guī)劃師領(lǐng)導的革命?？涨耙?guī)模和速度的技術(shù)創(chuàng)新正在重塑建筑和城市--重新設(shè)計、建造和運營。機械施工、計算機輔助設(shè)計和環(huán)境擴張是幾個破壞傳統(tǒng)過程的例子。本文介紹了垂直未來的初步結(jié)果，垂直未來研究項目由CTBUH發(fā)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(shù)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(shù)進行確認、審計以及分類。

物聯(lián)網(wǎng)、反應環(huán)境、機器人學、智慧城市、可持續(xù)性、技術(shù)

前言

在先進、創(chuàng)新的高層建筑結(jié)構(gòu)開發(fā)熱情空前高漲的今天，學術(shù)團隊和專業(yè)實踐團隊都致力于開展項目，推動高層建筑的建筑設(shè)計、工程、施工和運營領(lǐng)域的發(fā)展。就連原先同高層建筑和城市居住區(qū)沒有交集的技術(shù)專家也加入到高層建筑結(jié)構(gòu)的開發(fā)行列之中?？萍计髽I(yè)更是直接進入高層建筑領(lǐng)域，形成推動智慧城市建設(shè)的特殊力量。在大量研發(fā)的推動下，高層建筑發(fā)展迅速，促使世界高層都市建筑學會、國際建筑與建設(shè)研究創(chuàng)新理事會和聯(lián)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(yōu)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(fā)展在未來數(shù)年內(nèi)更上一層樓。

根據(jù)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(fā)現(xiàn)能夠影響全球高層建筑和城市未來格局的創(chuàng)新技術(shù)。研究的部分經(jīng)費來自特納建設(shè)為了表彰世界高層都市建筑學會在高層建筑行業(yè)中的領(lǐng)導作用而頒發(fā)給世界高層都市建筑學會的2015年建設(shè)創(chuàng)新亨利.C特納獎。

掌握最新的最佳做法，醞釀中的發(fā)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(diào)查技術(shù)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)建筑設(shè)計、工程、施工和運營各環(huán)節(jié)的尖端應用和工藝。 二是在確定技術(shù)“初選清單”以后，對技術(shù)和建筑設(shè)計、工程、施工及運營專業(yè)的各個領(lǐng)域進行分類，關(guān)聯(lián)不同領(lǐng)域。

先進技術(shù)和能力要求傳統(tǒng)的職業(yè)角色擴展范圍，利用多個領(lǐng)域的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的職業(yè)角色因此而迅速轉(zhuǎn)變。建筑師正在虛擬現(xiàn)實中進行設(shè)計。城市設(shè)計師正在方案中考慮中先進傳感器網(wǎng)絡(luò)。了解這些聚合與離散的特性是未來行業(yè)規(guī)劃的關(guān)鍵。 三是建立技術(shù)評價指標，識別有顛覆性發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。指標值將通過對世界高層都市建筑學會會員的調(diào)查計算確定，以便對技術(shù)和行業(yè)進行整體性的統(tǒng)計分析。

技術(shù)審核

世界高層都市建筑學會系統(tǒng)性地審核了大量高層建筑領(lǐng)域的最新技術(shù)和工藝，最后采用多種方法擬定了約有75項先進技術(shù)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(yè)代表組成的核心研究團隊負責項目監(jiān)督。初級研究員對所有公開技術(shù)進行了新聞調(diào)查。研究查閱了100多份出版物、機構(gòu)網(wǎng)站和學術(shù)門戶網(wǎng)站，訪問了眾多行業(yè)領(lǐng)袖和學術(shù)項目領(lǐng)導。最后給世界高層都市建筑學會的會員群發(fā)公開創(chuàng)意征集郵件，為最終清單另外征集到多項技術(shù)?？偟膩碚f，清單充分地代表了建筑設(shè)計、工程、施工和運營行業(yè)，包含大量的重大發(fā)展。

圖1. M-Blocks是邊長5厘米的小方塊，這些方塊沒有外部驅(qū)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(diào)查過的技術(shù)，必須制定統(tǒng)一的分類指南。采用兩種分類方法分析行業(yè)的最新發(fā)展趨勢。

一是世界知權(quán)產(chǎn)權(quán)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(shù)領(lǐng)域。WIPO分類法是全球科技行業(yè)普遍接受的分類方法，每一項專利技術(shù)必須歸入一個領(lǐng)域。WIPO分類系統(tǒng)似乎比較適合用于對“初選清單”中的技術(shù)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(shè)計、工程、施工和運營行業(yè)的專業(yè)，具體如下：

1. 建筑設(shè)計和室內(nèi)設(shè)計

2. 建筑材料和產(chǎn)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(jīng)濟成本

7. 能源：績效、指標和發(fā)電

8. 火災和生命安全

9. 結(jié)構(gòu)性能、多災害設(shè)計和土工

10. 可持續(xù)設(shè)計、施工和運營

11. 城市設(shè)計、城市規(guī)劃和社會問題

每一項技術(shù)歸入一個最相關(guān)的行業(yè)專業(yè)，多數(shù)情況下歸入兩個以上的相關(guān)行業(yè)專業(yè)。由此可見本階段研究工作的艱巨：隨著專業(yè)的日益現(xiàn)代化，專業(yè)所包含的技術(shù)領(lǐng)域迅速增加，專業(yè)之間的重疊現(xiàn)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(yè)的變化，傳統(tǒng)的定義日益模糊。以先進的環(huán)境傳感技術(shù)為例，十年前除了火災和生命安全很少有專業(yè)會把這項技術(shù)納入考慮，今天卻在迅速改變建筑設(shè)計、動線、城市設(shè)計、結(jié)構(gòu)性能及施工專業(yè)。得益于同一基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的事實使這些專業(yè)本身的聚合程度也有所提高。

在建筑設(shè)計、工程、施工和運營的各個環(huán)節(jié)，技術(shù)影響著高層建筑的多個領(lǐng)域，包括生物技術(shù)、化學工程、土木工程、計算機技術(shù)、控制系統(tǒng)、數(shù)字通信、電機、工程、環(huán)境技術(shù)、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(yè)的技術(shù)趨勢

隨著初選清單的編制和完成，我們發(fā)現(xiàn)了多個專業(yè)的良好趨勢，這是對大量行業(yè)趨勢識別研究工作的定性觀察。建筑設(shè)計和室內(nèi)設(shè)計:

乘著設(shè)計中先進算法的東風，建筑設(shè)計迅速轉(zhuǎn)化升級，利用新材料創(chuàng)造前所未有的結(jié)構(gòu) (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(shù)、機械零件、無線通信和高級工作。通過代碼進行參數(shù)化設(shè)計，經(jīng)過工程化后由機器人進行預制。不斷涌現(xiàn)的技術(shù)使建筑能夠自主改變，適應環(huán)境變化、內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)行業(yè)。建筑材料和產(chǎn)品行業(yè)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(shè)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(yè)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(diào)節(jié)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(jié)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(xiàn)前所未有的設(shè)計。

包覆層和外皮：

外立面正經(jīng)歷著一場革命。技術(shù)進步使外立面超越了簡單的外殼功能，具有室內(nèi)環(huán)境保護功能，圍護結(jié)構(gòu)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(shù)使幕墻具備了發(fā)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(tǒng)的能耗要求。通過建筑圍護結(jié)構(gòu)融入開放式風道的綠植有效地改善了室內(nèi)空氣質(zhì)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(tǒng)在太陽直射時被動增加表面氣流，在太陽光移開后關(guān)閉氣流。不同于清單中的某些其他專業(yè)，本專業(yè)的很多先進技術(shù)要么已經(jīng)投入項目使用（盡管規(guī)模較?。?，要么已經(jīng)有成功運轉(zhuǎn)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(shè)計。（來源: David Benjamin）

圖3. 由Gramazio & Kohler建筑事務所設(shè)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(zhì)建筑，由坂茂建筑設(shè)計事務所設(shè)計。其連鎖木結(jié)構(gòu)可達到50米或更高的高度。（來源: Shigeru Ban Architects)

建筑業(yè)的預制復興產(chǎn)生了成本大幅下降，控制品質(zhì)優(yōu)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(zhì)量方面的研究進展使均勻的大樓結(jié)構(gòu)構(gòu)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(shù)進展，改變建筑業(yè)的格局 (圖4)。機器人已經(jīng)全面參與建設(shè)進程，輔助或協(xié)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(shè)，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(jié)構(gòu)構(gòu)件智能化，自動爬進相關(guān)位置，自行永久固定的方法。救災時可以把這種構(gòu)件大量放入危險區(qū)域，讓它們在短時間內(nèi)自行組裝成避難處。大量的高級機器人研發(fā)投資雖然不會在近期內(nèi)引發(fā)變革，但會拉開未來機器人進入包括建筑業(yè)在內(nèi)的各行各業(yè)的序幕。

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

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

結(jié)構(gòu)性能、多災害設(shè)計和土工：

結(jié)構(gòu)工程與高層建筑的其他元素日益融合。用外立面系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度和支撐是大樓建設(shè)的趨勢。這項技術(shù)加上先進算法和先進材料實現(xiàn)的設(shè)計自由度的提升進一步解放了結(jié)構(gòu)施工，使結(jié)構(gòu)施工能夠兼顧項目美觀。已經(jīng)有人開始研究如何用三維打印混凝土和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件實現(xiàn)更高效、更優(yōu)秀的設(shè)計，發(fā)展下去，三維打印混凝土和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件將進一步提升建設(shè)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(zhì)地堅固的輕型格架?？沙掷m(xù)設(shè)計、施工和運營：

可持續(xù)設(shè)計在研究路線圖的相關(guān)期限內(nèi)從一個熱門詞匯演變成一個基本目標?，F(xiàn)在，世界各國都越來越重視可持續(xù)性及能效提升帶來的成本效益，全新的可持續(xù)性創(chuàng)意、技術(shù)和實踐大量涌現(xiàn)?，F(xiàn)在可以用發(fā)電排放物生產(chǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)件 (圖6)。此外人們還在研究將真菌等活材料納入建筑構(gòu)件的技術(shù)。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(yè)與覆蓋層和外皮專業(yè)日漸重合，得益于覆蓋層和外皮專業(yè)的眾多能效技術(shù)。

圖7. 下一個東京項目旨在解決人口密度的關(guān)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(shè)計、城市規(guī)劃和社會問題：

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

擬議分析指標及下階段工作

本技術(shù)初選清單的用途不僅在于維持全面的技術(shù)能力調(diào)查，還在于分析、交叉評價各項指標，發(fā)現(xiàn)醞釀中的最有前景的技術(shù)發(fā)展。為執(zhí)行分析，我們提議為每一項技術(shù)指定四項指標：普遍性、可擴展性、變異性、價值。普遍性是技術(shù)的當前市場飽和度與采用率估計。技術(shù)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(yè)分析指標，用于確定產(chǎn)品的成功與否。

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

變異性是技術(shù)的新穎性指標。技術(shù)與現(xiàn)行最佳實踐有什么區(qū)別？變異性是一項成熟、有用的指標，用于評價學術(shù)期刊所述作品的重要性，非常適合此處的新技術(shù)分析。價值是終極指標。簡單來說，技術(shù)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(shù)的重要因素。如果新創(chuàng)意不能比現(xiàn)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(shù)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(shù)的成熟度：

一項成熟的技術(shù)會在潛在市場達到較高的采用率。成熟的技術(shù)歷經(jīng)多次改進和優(yōu)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(shù)的影響力：

可能對行業(yè)有重大的影響技術(shù)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(guān)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(wǎng)絡(luò)發(fā)送標準問題，通過調(diào)查確定指標值。在各項調(diào)查中對每一項技術(shù)所賦的值將進行統(tǒng)一，然后取全部回答的平均值，以實現(xiàn)各項技術(shù)及領(lǐng)域整體的實證統(tǒng)計分析。最有意思的地方在于分析有助于我們發(fā)現(xiàn)具有未來潛力的技術(shù) (圖8)。

我們會指定一項成熟度評分低，影響力評分高的技術(shù)，世界高層都市建筑學會認為這樣的技術(shù)可能成為下一個大熱門。這些看法非?？少F，能讓各行各業(yè)明白未來的考慮因素和努力方向，幫助我們轉(zhuǎn)變觀念，在大樓越造越高，城市居住區(qū)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(shù)調(diào)查的調(diào)查結(jié)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.