面向科技強國建設的城鎮(zhèn)化領域技術需求與趨勢

■文/王書華（中國科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究院）

城鎮(zhèn)是人居環(huán)境的重要組成部分，城鎮(zhèn)化是我國現代化建設的歷史任務，也是擴大內需的最大潛力所在。城市基礎設施、建筑建材、低碳能源使用、生態(tài)環(huán)境等城市建設，都對科技提出多樣化的需求。在我國的科技發(fā)展戰(zhàn)略和創(chuàng)新政策部署中，一直對城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展領域的科技發(fā)展高度重視，《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》將“城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展”作為科技強國建設的重點領域單獨部署，近年來城市發(fā)展各類相關技術都保持著較快的發(fā)展速度，整體發(fā)展態(tài)勢較好。著眼“十四五”和中長期未來城市化的快速發(fā)展和人民對美好城市生活的需求，城市建設與發(fā)展中的技術需求也必將持續(xù)提升并呈現若干趨勢。

一、當前我國城鎮(zhèn)化領域技術競爭的整體狀況

基于2019—2020年開展的第六次國家技術預測城鎮(zhèn)化領域問卷調查數據，近年來我國城鎮(zhèn)化領域科技水平提升明顯，在部分領域已達到了領先水平，但許多子領域仍以跟跑為主，甚至完全依靠其他國家掌握的技術核心，科技原始創(chuàng)新能力仍有待加強。

（一）美日德等國家城鎮(zhèn)化領域技術顯著領先，我國差距明顯

我國城鎮(zhèn)化領域絕大部分技術都處于跟跑、并跑狀態(tài)。具體表現在各子領域的情況存在一定差異（見圖1）：城鄉(xiāng)規(guī)劃技術、建造技術、建筑節(jié)能技術、重大基礎設施建設專用材料等在國際上處于整體先進、局部“領跑”水平；在建筑設計、城市治理、城市建設與維護等子領域，各項技術以“跟跑”為主；在城市能源系統(tǒng)、城市規(guī)劃等子領域，技術以“并跑”為主。各子領域與國外整體差距均在5年以上，城市建設與維護、城市規(guī)劃、文物保護與文體發(fā)展、綠色建材子領域的差距也在10年以上，在基礎理論研究、基礎數據采集、基礎軟件等方面主要以跟隨國外研究熱點為主，缺乏足夠的自主創(chuàng)新能力。

圖1 我國城鎮(zhèn)化各子領域技術“三跑”情況

（二）我國城鎮(zhèn)化重點技術領域差距明顯，技術短板凸顯

通過對領先技術數量的統(tǒng)計分析，處在領先水平的技術最多的為美國（38%），其次分別為日本（26%）、德國（19%）、英國（10%），我國約有6%的技術處在領先地位，在城鎮(zhèn)化發(fā)展的許多技術領域各國差距很大（見圖2）。從具體領先技術數量和領域分布來看，美國、日本、德國、英國等在城市規(guī)劃、城市建設維護、低碳能源系統(tǒng)與綠色建材等技術領域優(yōu)勢非常明顯，丹麥、瑞典等北歐國家在可再生能源綜合利用及熱電氣協(xié)同的低碳城市能源技術等方面位居國際前列。

圖2 主要國家城鎮(zhèn)化各子領域的領先技術數量情況

（三）發(fā)展階段：國外的技術成熟度普遍高于國內

調查顯示：我國城鎮(zhèn)化領域大部分技術目前處于中試或產業(yè)化階段，城市治理與室內環(huán)境營造子領域的技術處在實驗室階段的比例相對較高；專家普遍認為國外的技術成熟度普遍高于國內。各子領域的技術成熟度與國內外比較如圖3所示。

圖3 城鎮(zhèn)化各子領域技術成熟度國內外對比

二、城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展領域技術發(fā)展呈三大趨勢

（一）數字化、智能化趨勢

我國城市數字化建設開始較晚，各階段發(fā)展也常常處在跟隨的后發(fā)地位。自1998年“數字城市”概念出現之后，1999年我國科學家開始展開針對性研究。近幾年物聯(lián)網、5G、人工智能、無人駕駛、虛擬現實、深度學習等技術研發(fā)和產業(yè)化加速突破，掀起數字化、網絡化、智能化的新一輪浪潮，也為城市數字化帶來了新的機遇，我國城市數字化建設必然向“智能化”發(fā)展。因此，建立描述整個城市幾何、物理、經濟活動和社會活動的量化模型，從而把城市的規(guī)劃、建設、運行管理提升到定量化，這將是今后十五年間這一領域出現的重大發(fā)展變化，也將是城市發(fā)展這一領域將出現的最重要的技術變革。

（二）低碳化、綠色化趨勢

這體現在城市低碳能源系統(tǒng)、綠色建材等技術方向上。從全世界城市能源發(fā)展看，隨著低碳化成為國際社會的共識，城市能源結構將從化石能源為主，轉為可再生能源比例迅速增加的電力為主、熱和天然氣并存的狀況。消費側必須進行相應的革命性變化，以電為主，熱電氣協(xié)同，迎接全新的低碳城市能源到來。城市作為能源消費的主體，其能源系統(tǒng)將面臨一場技術革命，適應全球低碳化發(fā)展趨勢。城市能源技術未來發(fā)展將呈現以下特點：一是面對可再生電力生產過程的不確定、不穩(wěn)定性，用電側需要從目前的“剛性用電”轉為“柔性用電”，例如，末端蓄電、恒功率取電，末端根據源側的變化決定用電模式等；二是分布式能源系統(tǒng)與建筑本體、與城市基礎設施系統(tǒng)深度融合；三是徹底改變能源的“產、輸、儲、荷”模式，更加強調源、網、儲、荷的一體化；四是熱電氣等各種能源基礎設施的協(xié)同；五是盡可能減少末端對燃料型能源的需求。另一方面，綠色建材主要包括建筑圍護材料、高性能結構材料、裝飾裝修材料等幾大類材料，這幾類材料技術在未來主要向綠色化、功能化、智能化和國際化方面發(fā)展，包括材料的保溫隔熱性能、太陽能利用、透水混凝土、吸波混凝土等功能化建材。

（三）健康安全和監(jiān)測維護的趨勢

健康已成為市民對美好生活需要的最主要內容，也將是城市建設的重要目標。從城市布局、城市設施及至室內環(huán)境，怎樣全面提供有利于市民健康的室內外生活與工作空間，真正實現健康城市，將是未來城市健康發(fā)展的重要目標。隨著我國城市建設進入從“粗放式”到“品質化”、從支持生產到促進消費、從增量發(fā)展到存量更新的轉型期，我國的基礎設施需求已從大規(guī)模建設以滿足供給需求轉為提升保障能力以滿足安全與高效，智能化技術的發(fā)展將給基礎設施的監(jiān)測、運行和維護改造帶來革命性變化。隨著服役期的增長，受歷史條件限制及環(huán)境、荷載、運營復雜化、人員因素等多方面影響，大批量既有建筑和基礎設施出現安全性、使用功能降低等問題，有效保障既有建筑和基礎設施在服役期的適用性和安全性，并根據需要延長其使用壽命，這些對資源集約、環(huán)境友好、地域適應的追求，智慧城市、綠色建筑、建筑數字技術、建筑策劃與后評估等新型建筑理念、技術和業(yè)態(tài)已逐漸成為我國建筑領域技術的發(fā)展方向。

三、面向科技強國建設的未來，需關注五大技術需求

黨的十九大報告提出，我國社會主要矛盾已轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾，這一矛盾的轉變對包含城鎮(zhèn)化在內的我國各項發(fā)展提出了新的要求。中國社會經濟發(fā)展進入新時期，城鎮(zhèn)化能夠體現以人為核心，提高柔性化治理、精細化服務水平，實現更加宜居、更具包容和人文關懷的城市發(fā)展路徑，需要為下一階段的持續(xù)發(fā)展提供持續(xù)穩(wěn)定的科技支持。同時，全球科學技術出現新的發(fā)展變化格局，包括信息技術、生物技術、人工智能等的多項技術飛速發(fā)展，已經給居民生活與城市發(fā)展帶來了極大變化，甚至在部分領域出現了顛覆性變革，需要更好地順應科技發(fā)展趨勢，為城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展提供支撐。為此，“十四五”乃至更長時期內，推動城鎮(zhèn)化高質量發(fā)展的重大科技需求主要體現在如下五個方面：

（一）生態(tài)文明融入現代城市發(fā)展，如何保證發(fā)展規(guī)模與生態(tài)承載力的平衡？

黨的十八大以來，我國大力推進生態(tài)文明建設，生態(tài)文明理念已逐漸成為我國未來發(fā)展建設的核心內涵，作為我國社會、經濟和科技發(fā)展的基本理念貫穿于我國的全方位發(fā)展中。對于城鎮(zhèn)化與城市建設，需要更加重視以人為本，調整科技研發(fā)理念，形成綠色發(fā)展和生活方式，保證城市與自然的和諧發(fā)展。為此，需要從城市設計與規(guī)劃、運行與維護等全過程深入貫徹生態(tài)文明理念，引導居民對自然資源的合理需求以及合理消費，探索滿足生態(tài)文明理念且與居民美好生活意愿一致的綠色生活方式。從技術發(fā)展的角度，需要將生態(tài)文明思想貫穿到技術需求的分析中，并且在技術運用時充分考慮到綠色發(fā)展理念。

（二）能源革命的持續(xù)推進將帶來能源供給和消費形式的根本變化，城市能源系統(tǒng)的革命將如何推動？

當前，城市發(fā)展面對的主要問題已經從如何保證高速的發(fā)展建設，轉為如何改善和提升城市功能，如何解決污染、擁堵、低效等城市發(fā)展問題，如何為居民提供美好生活的城市空間，如何推進低碳節(jié)能的城市發(fā)展路徑等。新型城鎮(zhèn)化將與能源革命的推動互相促進，共同發(fā)展。具體來說，消費側的能源革命要求推進能源結構調整、落實節(jié)能優(yōu)先方針、提升用能水平、抑制不合理消費、提升能效，供給側的能源革命要求推動能源轉型、大力發(fā)展非化石能源、優(yōu)化能源供應結構。能源技術革命，要求以綠色低碳為主攻方向，發(fā)展先進高效的節(jié)能技術、清潔低碳的能源利用技術、智慧能源技術以及加強能源基礎性研究。從技術發(fā)展的角度，能源需求和供給革命為城市發(fā)展領域的發(fā)展方向提供了能源方面的主要依據，需要在進行技術需求分析時給予足夠的重視。

（三）“雙碳”戰(zhàn)略下城市領域應如何控制碳排放？

2015年，全球各國通過了《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》及其17項可持續(xù)發(fā)展目標，這17項目標中多項目標都與城市發(fā)展密切相關。其中，目標11為建設包容、安全、有抵御災害能力和可持續(xù)的城市和人類居住區(qū)。中國政府在2017年度的《中國落實2030年可持續(xù)發(fā)展議程進展報告》中，指出我國大力推進新型城鎮(zhèn)化、城鄉(xiāng)綠化和氣候適應型城市建設，也提出我國綠色建材、裝配式建筑等技術創(chuàng)新、標準以及人才隊伍均有待加強，城市適應氣候變化的相關經驗和能力依然不足，從技術發(fā)展的角度，需明確城市低碳技術是當前城市發(fā)展路徑的必然選擇，需為緩解氣候變化承擔大國責任做出貢獻。

（四）我國的建設需求將由每年新建25億m2建筑轉為每年25億m2建筑的維修和功能提升，這一轉變將如何實現？

在過去二十年中，我國一直處在高速城鎮(zhèn)化發(fā)展階段，建筑業(yè)迅速發(fā)展，建筑規(guī)模迅速擴大。從2001年起，我國建筑建造速度維持高位，年竣工面積均超過15億m2，2014年達到28.9億m2。2015年起，隨著宏觀經濟形勢的變化，年竣工面積開始呈現下降的趨勢。2017年，我國建筑面積總量約591億m2，與2001年相比增加了近一倍。預計在新常態(tài)下，我國建筑總量還將保持增長，但增速逐漸放慢。如果控制合理，可以將我國建筑總規(guī)?？刂圃?50億m2左右。同時，隨著我國大規(guī)模房屋建設暫時告一段落，既有建筑的維修與功能提升將成為下一階段城市發(fā)展的主要工作，包括節(jié)能改造、適老化改造、基礎設施和建筑使用功能提升改造、環(huán)境綜合整治等。這一改造工作將成為我國下一階段的重點建設任務。如果保持每年對存量建筑與基礎設施的3%～4%進行維修與功能提升，則每年的維修面積約在25億m2左右。

（五）隨著居民生活水平的提升，城市健康已成為重大需求，城市布局、運行、建筑狀況等與居民健康都有很大關聯(lián)，如何完成“健康城市”的建設目標？

隨著我國經濟社會的發(fā)展，我國居民的生活需求已逐漸從物質層面轉向健康、文化等非物質層面的美好生活。2019年7月，國務院發(fā)布《國務院關于實施健康中國行動的意見》，其中提出要“全方位干預健康影響因素”，“實施健康環(huán)境促進行動”，推進“健康城市”的建設。城市健康環(huán)境的建設包含了城市布局、運行、建筑室內環(huán)境狀況等多方面工作，需要解決由老齡化社會帶來的新問題等，在污染防治、環(huán)境營造等多方面需協(xié)同共治。

四、思考與建議

大數據技術、5G通訊、人工智能等技術的迅速發(fā)展，都會在未來給城市帶來運行、管理、建設等全方面的顛覆性變革，世界政治格局的變化也對城市安全系統(tǒng)提出了新要求，城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展領域的技術發(fā)展、研發(fā)方式、研發(fā)方向等提出了新特征與新趨勢。

（一）海量數據收集、高性能運算分析成為主要研究素材與手段

在傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展領域中，大量研究以定性分析為主，定量分析也有許多是基于單個案例展開，其代表性與普適性是長期以來這一類研究爭論的問題。隨著大數據及相關技術的飛速發(fā)展，獲取大量城市級別的數據并進行大規(guī)模分析計算逐漸成為可能，城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展的研究也隨之逐漸從傳統(tǒng)的定性分析向定量的分析預測和優(yōu)化發(fā)展。這一轉變將給城市規(guī)劃、設計和運行管理工作帶來全新的革命性變化，并能夠極大程度地解決目前城市發(fā)展的諸多問題，實現城市的可持續(xù)發(fā)展。海量信息采集、大規(guī)模數據處理與分析，以及采用人工智能方法的數據挖掘和預測，是實現這一革命性變化的技術基礎。利用這些最新發(fā)展出來的數據與智能技術，恰當地解決城市發(fā)展與科學化管理中的問題，同時以解決這些城市問題為導向，也能夠從需求的角度推動數據和智能化技術的新發(fā)展。

（二）以需求為導向、多學科交叉融合成為主要研究領域與熱點

我國城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展進入新時代，帶來城市建設需求的巨大改變，包括城市由建設轉向建設與運維并重，居民需求由滿足物質需求為主轉向獲得健康舒適的美好生活，經濟發(fā)展驅動力轉向服務業(yè)、高新產業(yè)以及“一帶一路”地區(qū)建設等。這些新需求有許多都與目前傳統(tǒng)研究中設定的發(fā)展目標存在一定差別，即已有研究成果或研究方法難以滿足這些新需求。因此，需要盡快從問題出發(fā)，對現有研究范式進行重新審視與梳理，使相關研究能夠盡可能貼近實際訴求，以更好地解決城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展領域的問題。這一發(fā)展趨勢也給我國現行研究機制與人才培養(yǎng)帶來一定挑戰(zhàn)。目前，我國許多研究機構的學科組成相對單一，人才培養(yǎng)偏重在學科范圍內。對于交叉學科研究的需求，除了在科研方向設計上要有更多的體現，也需要各個機構、高校等給予足夠的政策與制度支撐。

（三）對短板技術的合力攻堅應成為主要研究任務與方向

由于近年來世界格局發(fā)生的重大變化，結合中美科技競爭等產生的諸多不確定因素，我國亟須擺脫部分關鍵核心技術受制于人的隱患，從根本上掌握這些技術的競爭和發(fā)展主動權，提升自主創(chuàng)新能力，如核心計算與模擬軟件的開發(fā)技術、智能建造技術、城市的道路橋梁和交通基礎設施的安全運維技術、城市的低碳能源供給與消費技術等，以對相關技術的充分了解為基礎，對技術有完整的調整與優(yōu)化能力，發(fā)展出適宜于我國國情的技術體系。