系統(tǒng)集成理念驅(qū)動下的智能建筑設計研究
——以墨爾本地區(qū)公共建筑為例

范 樂， 王燕語， 崔劍鋒，宋 寧, 盧湘蓉

(1. 中國建筑科學研究院有限公司西南分院， 四川成都 610041; 2. 四川中建研科技有限公司，四川成都 610041； 3. 哈爾濱工業(yè)大學建筑學院， 黑龍江哈爾濱 150006;4. 黑龍江省寒地建筑科學重點實驗室， 黑龍江哈爾濱 150006)

智能建筑(Intelligent Building)及建筑自動化(Building Automation)由于高度結合了計算機技術、通信技術與現(xiàn)代控制技術的最新成果，通過打造高度自動化的管理及運營體系[1]，為建筑的使用者提供了舒適及高效的室內(nèi)空間環(huán)境，改善傳統(tǒng)建筑物理環(huán)境及使用體驗的同時促進了社會生產(chǎn)生活方式的革新，成為當今建筑設計領域新的研究熱點與發(fā)展方向。本文擬在現(xiàn)有相關研究的基礎上，通過對智能建筑內(nèi)涵與系統(tǒng)集成理念的解析，圍繞智能建筑創(chuàng)作的性能化、服務導向與信息集成三方面的核心特征[2]，以筆者在墨爾本地區(qū)對公共建筑調(diào)研為例，提出了基于建筑性能表現(xiàn)的空間造型設計、基于功能服務導向的功能分區(qū)及流線設計與基于信息系統(tǒng)集成的運營管理模式的三方面問題。

1 智能建筑的內(nèi)涵與系統(tǒng)集成理念

1.1 智能建筑的定義與功能構成

1.1.1 智能建筑的定義

智能建筑的概念源起于20世紀末的美國[3]，雖然當前對“智能建筑”的定義并沒有形成共識，但董惠在《智能建筑》一書中總結了當前主要的定義有以下幾類[2]：

(1)美國智能建筑學會認為智能建筑是對建筑物的結構、系統(tǒng)、服務和管理四個基本要素進行最優(yōu)化組合，旨在為用戶提供高效經(jīng)濟的環(huán)境。

(2)日本智能建筑研究會認為智能建筑應提供包括商業(yè)支持功能、通信支持功能等在內(nèi)的高度通信服務。

(3)歐洲智能建筑集團認為智能建筑是使其用戶發(fā)揮最高效率，同時又以最低的保養(yǎng)成本、最有效的管理本身資源的建筑。

(4)我國GB 50314-2015《智能建筑設計標準》中認為智能建筑是以建筑為平臺，兼?zhèn)浣ㄖO備、辦公自動化及通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，集結構、系統(tǒng)、服務、管理及它們之間的最優(yōu)化組合，向人們提供一個安全、高效、舒適、便利的建筑環(huán)境。這些定義的共性在于高度重視計算機及通信技術在建筑性能及運營管理上起到的重要作用，通過系統(tǒng)集成理念落實建筑用戶對便捷高效使用需求。

1.1.2 智能建筑的功能構成

智能建筑對用戶的使用要求是通過建筑智能化系統(tǒng)實現(xiàn)的。根據(jù)現(xiàn)有研究對建筑智能化系統(tǒng)的概述，其主要由建筑設備自動化系統(tǒng)(BAS)、通信網(wǎng)絡自動化系統(tǒng)(CAS)和辦公自動化系統(tǒng)(OAS)三大功能要素構成。其中建筑設備自動化系統(tǒng)又包括了電力供應、環(huán)境控制、火災自動報警、安全防范和物業(yè)管理服務等子系統(tǒng)[4]。但真正賦予建筑“智能”意義的，在于這些系統(tǒng)之間運用計算機網(wǎng)絡及通信技術建立了功能相互關聯(lián)、信息高度整合、資源高度共享與控制高度自動化的有機整體。通過中樞控制平臺的信息處理與資源協(xié)調(diào)，實現(xiàn)建筑物理環(huán)境、建筑使用體驗及管理效率的提升。

1.2 系統(tǒng)集成的特征及內(nèi)涵延伸

系統(tǒng)集成是整合建筑硬件和軟件資源，落實建筑使用需求的關鍵手段。這要求設計師必須具備全局觀，在建筑設計流程中把握與貫徹系統(tǒng)集成理念的運用。系統(tǒng)集成理念下的智能建筑大體包括以下三個方面特征：

(1)智能化設計。這要求一開始便整合制約建筑設計的使用者行為、文化及文脈要素，從設計源頭把控設計目的，提出后續(xù)智能技術應用必須解決的關鍵問題。

(2)智能技術的適當應用。技術應用的本質(zhì)源于解決矛盾而非先進技術的簡單堆砌，因此系統(tǒng)集成范疇下智能技術的選用應以用戶的內(nèi)在需求為核心，依托于建筑性質(zhì)及其空間特點。

(3)智能化的使用與維護方式。傳統(tǒng)生產(chǎn)生活方式與社會觀念的慣性是先進理念的受益者，同時也可能對新理念、新技術的普及與應用造成阻礙?；蛉狈τ^念更新與行為模式的重構環(huán)節(jié)，“智能”便失去了其應有的意義，通過系統(tǒng)集成提升運營效率與減少經(jīng)濟、環(huán)境成本的嘗試也將面臨考驗。

2 基于集成理念的智能建筑設計——以墨爾本地區(qū)公共建筑為例

2.1 基于建筑性能表現(xiàn)的空間造型設計

歐洲智能建筑集團(EIBG)曾指出建筑的性能表現(xiàn)衡量標準應在兩個層面得到體現(xiàn)：首先，業(yè)主需要明確建筑的性質(zhì)及其使用模式，設計活動應基于建筑用戶的需求展開；其次應運用技術手段落實特定的設計目標，解決建筑自身的物理環(huán)境、節(jié)約資源與降低能耗等問題。如圖1所示為墨爾本大學的建筑學院新館，由于自習、模型制作、作品展示與小組討論在平時學習活動中占的比重很高，因而利用通高的中庭與周邊環(huán)廊來組織其中主要的公共活動，采光中庭的設置解決了日常大多數(shù)的公共活動自然采光需求，同時也大量運用了LED燈等作為補充光源，降低了建筑照明系統(tǒng)的能耗。如圖1(a)所示，通高采光頂用巨大的樹形鋼結構進行支撐，其發(fā)散狀不均勻布置的梁結構引入自然光線的同時避免了陽光直射對學習活動的干擾。同時將采光需求較小的藏書及展陳空間置于地下室，而閱覽區(qū)域結合建筑周邊的半地下采光頂設置，并通過光敏感應裝置實現(xiàn)對補充光源的照度調(diào)控，如圖1(b)所示。建筑的表皮也使用了可自動調(diào)節(jié)的遮陽擋板，增加了室內(nèi)光環(huán)境的舒適度，如圖1(c)所示。

(a) 通高采光頂

(b) 半地下采光頂

(c) 自動調(diào)節(jié)的遮陽擋板

圖2所示為斯威本科技大學的行政樓，設計者基于當?shù)厝照諚l件通過控制山墻面采光面的面積與角度營造室內(nèi)光環(huán)境，如圖2(a)所示。樓體內(nèi)部設置通高中庭，充分利用拔風效果調(diào)節(jié)室內(nèi)風環(huán)境，同時中央空調(diào)的給風口沿各層走廊環(huán)狀布置，屏蔽中庭熱空氣的同時降低冷風直吹的影響，如圖2(b)所示。在西曬面采用外走廊與遮陽表皮相結合的方式，降低陽光直射的強度，走廊成為隔熱層而具有較好的通風散熱效果，降低了空調(diào)系統(tǒng)能耗，如圖2(c)所示。

(a) 山墻采光面積與角度可調(diào)

(b) 通高中庭調(diào)節(jié)室內(nèi)風環(huán)境

(c) 走廊成為隔熱層

2.2 基于人本服務導向的功能分區(qū)及流線設計

智能及自動化技術的應用目標是為建筑用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務，通常通過通信網(wǎng)絡自動化系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)來實現(xiàn)。智能建筑的服務性特征體現(xiàn)在：

(1)通過對信息的接受、傳遞等集成流程形成對管理決策的支撐；

(2)保證建筑用戶舒適便利的使用體驗；

(3)通過優(yōu)化管理資源提升服務質(zhì)量的同時降低管理成本；

(4)改善用戶的社交環(huán)境，提升與優(yōu)化復雜工作條件下的管理模式。

如圖3所示為墨爾本的皇家兒童醫(yī)院，該醫(yī)院通過建構自助掛號與問診平臺極大了分流了患者人群，使原本人滿為患的一層公共空間變成了安靜怡人的休閑服務空間。通過左側平面圖可以觀察到，醫(yī)院的信息化辦公與管理系統(tǒng)解決了原本復雜的集中人流問題后因利導勢，運用整個一層帶狀醫(yī)院街布置各式服務用房。形成了綜合醫(yī)療服務、財務及現(xiàn)金服務和餐飲、文化用品服務三大功能分區(qū)，通過優(yōu)雅室內(nèi)空間環(huán)境的營造彰顯了醫(yī)院管理的服務性導向與人本關懷。由圖3可以看出，通過醫(yī)院街中央總服務臺的設置，將患者及家屬所需的預約、診療、導向及其它服務信息進行集成匯總，通過高度信息化的服務流程降低了患者的就診難度，同時減少了醫(yī)院的管理成本。醫(yī)院采用了層級式管理的門禁系統(tǒng)，通過對管理者、醫(yī)生、護士、病人等人群的門禁卡賦予不同的可進入權限，極大降低了大型綜合醫(yī)院的管理成本。

圖3 墨爾本皇家兒童醫(yī)院中庭服務空間

2.3 基于信息集成的運營管理模式

除了從建筑物理性能與辦公服務上運用智能化技術改善建筑品質(zhì)，智能建筑的優(yōu)勢還在于通過信息的高度集成與自動化控制系統(tǒng)的嵌入，精準而高效地達到監(jiān)視、控制與管理的目的。例如建筑的電力、空調(diào)、供熱、供水的各類機電設備的運行信息可通過傳感器、高度集成的數(shù)字網(wǎng)絡和終端設備進行收集、儲存、傳送、處理和控制一體化，極大提高了建筑內(nèi)各類信息的交換效率和簡化了信息處理流程，不僅有利于信息的綜合管理與資源共享，還優(yōu)化了辦公及建筑維護流程，甚至通過建立數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)量化數(shù)據(jù)對辦公決策的支持，充分發(fā)揚了當今大數(shù)據(jù)與計算計技術發(fā)展的成果與優(yōu)勢。如圖4所示的墨爾本皇家兒童醫(yī)院沿街既為主立面同時也是西曬面，設計師從使用者的需求出發(fā)運用可控遮陽擋板作為醫(yī)院的立面元素，結合建筑形體與遮陽板的顏色變化形成獨特韻律。通過傳感器與計算機預設程序，遮陽擋板可隨時間變化自動調(diào)整擋板的迎光面角度，營造了良好的室內(nèi)光環(huán)境且降低了建筑能耗。

(a) 醫(yī)院沿街立面

(b) 遮陽擋板可自動調(diào)整迎光面角度圖4 墨爾本皇家兒童醫(yī)院沿街立面表皮

信息集成技術的應用更是拓展到城市街區(qū)尺度。如圖5所示的Flinders St. 火車站是墨爾本市區(qū)范圍內(nèi)輻射狀鐵路網(wǎng)的中心樞紐站，由于人流量巨大，城市管理者在附近主要街道沿線結合路燈安置了紅外裝置統(tǒng)計行人數(shù)量，收集到的流量數(shù)據(jù)匯總到相關管理部門，為城市交通與管理的決策者提供關鍵的決策依據(jù)。其次，由于墨爾本施行了一卡通的交通政策，所有公交車、電車和鐵路交通的信息均可在管理部門匯總和統(tǒng)計，市區(qū)內(nèi)各火車站均施行了購票、查詢、檢票出入的一站式自助服務，也基本實現(xiàn)了無人辦公。此外墨爾本所有建筑均設置了煙感報警器，自動報警檢測平臺不僅能獲取報警位置的精確城市坐標，還能獲取危險信號所在的動態(tài)蔓延趨勢，大大降低了城市的火災隱患，提升了城市管理者的決策水平(圖6)。

圖5 墨爾本Flinders St. 火車站

圖6 墨爾本南十字火車站

3 結束語

本文通過分析智能建筑的內(nèi)涵與系統(tǒng)集成理念的特點，從智能建筑的性能化、服務導向與信息集成三方面的核心特征出發(fā)，探討了系統(tǒng)集成理念驅(qū)動下智能建筑方案創(chuàng)作的思路，結合墨爾本地區(qū)公共建筑的實際案例，提出了智能技術在 空間造型設計、功能分區(qū)與流線設計、運營管理三方面的設計策略。但在當今新型技術不斷涌現(xiàn)的情況下，如何有效整合各類資源，充分挖掘建筑智能化與自動化在各個環(huán)節(jié)的應用潛力，設計出符合業(yè)主乃至社會新型生產(chǎn)生活方式的作品，是該領域在后續(xù)研究中亟待解決的問題。