上海城市建設中“智慧樓宇”的發(fā)展與探索

李卓

（上海同濟工程項目管理咨詢有限公司）

1 研究背景

在“新基建”、“新型城鎮(zhèn)化建設”、“碳達峰”、“碳中和”等多重因素影響和疊加的時代命題中，城市的規(guī)劃、建設和發(fā)展都遇到了極大的沖擊和挑戰(zhàn)，“智慧城市”便是解決這些問題的最佳答案。

當前，在我國的建筑工程領域中，很多先進的測量技術和現(xiàn)代信息化技術已被廣泛采納并應用于各類工程咨詢服務中，其中，BIM技術能夠?qū)⒃O計及施工過程中所有的數(shù)據(jù)進行整合，并將其轉(zhuǎn)化為三維可視化模型中的數(shù)據(jù)，隨后針對項目使用運維階段中不同的應用場景收集信息、處理數(shù)據(jù)，最終一個集成整合的建筑信息模型被賦予了“生命”，具有了參數(shù)化、數(shù)據(jù)化、信息化的特性，也成為了“智慧城市”得以實現(xiàn)和發(fā)展的堅實基礎[1]。

2 “智慧樓宇”的誕生與發(fā)展

2019年“世界人工智能大會”中的“AI賦能-智慧建筑”論壇上，上海市樓宇科技研究會的《智慧樓宇評價指標體系》首次提出了“智慧樓宇”概念，區(qū)別于以往的智能化樓宇，智慧樓宇利用各類新型技術及數(shù)據(jù)信息采集手段，實現(xiàn)了建筑的數(shù)字化、信息化和自動化，使建筑具有投資合理、高效、節(jié)能、舒適和便利的特點[4]。

目前，智慧樓宇在各大設備供應商和商業(yè)地產(chǎn)物業(yè)等相關企業(yè)的推動下發(fā)展迅速，已衍生發(fā)展出了多類應用場景：

1）智慧能耗系統(tǒng)

基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的智慧節(jié)能策略，通過對已有設備的改造升級，將供配電系統(tǒng)接入智能化平臺，實現(xiàn)能耗分析、配電監(jiān)控、超限警告、能耗統(tǒng)計等功能，通過隨時監(jiān)測能耗，適時采取節(jié)能降耗措施[3]。

2）智能安防系統(tǒng)

通過打通多個網(wǎng)絡的鏈接，來加強安防的部署范圍。人臉識別與公安系統(tǒng)連接（通過法律授權(quán)程序）、攝像頭與監(jiān)控中心連接、設備設施與運維中心連接；其次，基于區(qū)塊鏈技術構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)，局部發(fā)生的安全問題可以實現(xiàn)本地自動預處理和同步報警，去中心化模式降低了對中控系統(tǒng)的過度依賴，大大提高了快速應急能力。此外，借助大數(shù)據(jù)和AI技術，對可能存在的突發(fā)事件進行模擬，并籌備針對性的應急方案和應急設備。

3）智能識別系統(tǒng)

將AI設備的生物識別與用戶信息聯(lián)網(wǎng)，在智慧梯控、停車、門禁等領域?qū)崿F(xiàn)無感無觸通行[3]。

4）智能照明系統(tǒng)

根據(jù)自然光的變化自動調(diào)整亮度和色溫，同時聯(lián)動玻璃幕墻進行折射調(diào)節(jié)，最大程度節(jié)省燈光能耗的同時還保護了用戶群體的視力健康。

5）智能空調(diào)系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)連接溫度傳感器，通過人工智能算法分析，根據(jù)不同場景、不同偏好、不同使用者，達到體感的“最佳溫度”，創(chuàng)造一個舒適的環(huán)境。

6）智能新風系統(tǒng)

通過室外空氣質(zhì)量探測器判斷空氣質(zhì)量，有選擇性地抽取新風；同時檢測室內(nèi)的空氣質(zhì)量（CO2、溫濕度、VOC，PM2.5等），聯(lián)動空氣過濾設備、新風裝置、風機等，通過計算得出優(yōu)化的空氣更新方案。

此外，目前德國的西門子公司正在致力于研究樓宇與電網(wǎng)系統(tǒng)的共通和互聯(lián)，嘗試將樓宇作為“電池”，以“熱”力形式存儲多余的電量并通過區(qū)塊鏈技術構(gòu)建能源交易市場，最大程度地減少電力資源的浪費。

2021年2月，上海市發(fā)布《關于本市“十四五”加快推進新城規(guī)劃建設工作的實施意見》，明確了“強化城市韌性，建設智慧安全的基礎設施和保障體系”的城市建設方向，提出“要超前布局新型基礎設施，推進基礎設施智能化運用”。而“智慧樓宇”作為“智慧城市”的微觀縮影，在目前的新城建設與舊城更新改造工作中都有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛯崿F(xiàn)價值，以BIM模型為媒介匯聚并共享建筑物及設備的各類數(shù)據(jù)信息，“智慧樓宇”能夠以點帶線，以線成面，整體覆蓋城市，加快推動城市管理信息平臺、城市信息模型（CIM）平臺、數(shù)據(jù)中心等新型基礎設施建設。最終實現(xiàn)城市整體的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將人、信息和城市緊密地聯(lián)系在一起，促進經(jīng)濟、物質(zhì)、社會和環(huán)境的和諧發(fā)展，保持經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)性，助力產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排，改善人民生活質(zhì)量，提升城市綜合管理。

3 BIM技術的應用與拓展

BIM技術在我國發(fā)展已有十余年，BIM技術應用的重心也逐步從最早CAD圖紙翻模的單一化工作轉(zhuǎn)向了建筑信息的整合與開發(fā)[2]，BIM咨詢工作亦從設計和施工階段向前后不斷衍生至項目決策階段與運維階段，BIM正向設計和運維階段的設施管理成為了BIM技術咨詢工作體現(xiàn)價值與意義的最佳實施路徑，而如何賦予建筑物感知能力和生命力，并通過集成物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術使建筑物從設計、施工、運維管理等全面體現(xiàn)“智慧建筑”概念，成為了目前BIM咨詢服務發(fā)展的重要風向標。

2010年之前，由于BIM信息模型中的數(shù)據(jù)較為單一且關聯(lián)性差，且不具有實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、預警等功能，實用價值較低，BIM咨詢服務在建筑市場及各級政府立法層面獲得的推動和支持緩慢甚至停滯，在全過程工程咨詢項目中的使用也僅是作為施工階段的項目管理輔助手段[1]。而得益于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術的興起，近些年來，BIM信息模型打破了信息孤島的狀態(tài)，借助射頻識別、紅外感應器、溫度傳感器、激光掃描器、GPS定位系統(tǒng)等信息傳感設備在虛擬空間中形成了精細化的孿生模型，完成了設備硬件與建筑信息模型的跨界合作[1]。

目前，在各地“智慧樓宇”試點項目中，可用于運維管理的BIM模型有兩種形成模式：

①新建項目在設計、施工階段便建立完善的建模標準，在模型源頭即建筑設備建模過程中保證數(shù)據(jù)的完整性、標準化，對設備屬性信息的導出、整合與利用進行統(tǒng)一的規(guī)劃和處理，此外，BIM建模時還應采用統(tǒng)一的族與類型并對設備管線、系統(tǒng)命名等信息采用標準規(guī)范化的格式，以方便運營機構(gòu)信息的查詢、統(tǒng)計和管理?？⒐そ桓稌rBIM模型便具備了項目建設全過程中所應用的所有材料及設備信息數(shù)據(jù)，例如供應商信息、設備詳細規(guī)格、檢驗檢測信息、保修記錄等。且由于建筑的各類信息數(shù)據(jù)從設計階段便開始積累，其完整程度對于后期的運維管理有著巨大的助力[1]。

②對于既有建筑的升級改造，通過激光掃描及無人機掃描的方式獲取項目的數(shù)字化模型，同時將各類智能化系統(tǒng)建筑設備自控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等及根據(jù)用戶場景需求定制的相關數(shù)據(jù)采集裝置接入模型系統(tǒng)，最終得到建筑運維模型。

建筑物日常運行維護階段，其所需的信息除了建筑及設備實體物理信息之外，還應包括日常運行維護過程中產(chǎn)生的各種運行信息（零件更換、設備升級），信息主要來源于運營過程，包括維護人員的培訓情況，以及維護人員的維護記錄。

BIM模型的集成化特征，可以幫助進行建筑位置信息和性能信息的集成，建筑元素和設備的集成，加強管理效率[1]。BIM可以存儲屬性信息，為建筑的性能分析與附加功能提供幫助，通過對氣候、日照、通風、舒適度等信息集成分析，優(yōu)化建筑性能，如設施管理過程，光照與節(jié)能的聯(lián)合效率，可以幫助設施管理過程降低運行成本，提高建筑收益。

此外，BIM模型儲存并同步建筑物運行信息后，可以幫助項目實現(xiàn)資產(chǎn)設施管理。利用資產(chǎn)設施管理子系統(tǒng)的檔案資料，可以監(jiān)控各設施的性能狀態(tài);利用設施運行記錄，了解設施已運行時間和運行狀態(tài);利用設施故障記錄，對故障設施進行及時的處理并將故障信息進行記錄借鑒;利用設施維護維修，確定故障設施的及時反饋[1]。

在物聯(lián)網(wǎng)概念問世之后，互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的互通實現(xiàn)了人類社會與物理設備系統(tǒng)的一次有機整合，而BIM+大數(shù)據(jù)、BIM+AI、BIM+云計算等技術結(jié)合應用拓展基于物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)亦擁有了無限的可能。青島中德生態(tài)園被動房技術中心項目是目前BIM運維模型與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術結(jié)合應用的優(yōu)秀案例，是建筑與自然的完美融合。項目坐落于青島西海岸新區(qū)的中德生態(tài)園，占地面積約4843平方米，總建筑面積約13800平方米，是一座集被動式超低能耗綠色建筑技術研發(fā)、體驗、展覽、會議、居住等多功能于一體的綜合性建筑體。項目建成至今，每年節(jié)約能源消耗130萬千瓦時。每年節(jié)省能源費用50萬人民幣，每年減少碳排放664噸約等于53120棵樹的吸收效率[5]，在節(jié)能減耗方面早早實現(xiàn)了“碳中和”。在樓宇自動化方面，項目采用西門子樓宇管理系統(tǒng)Desigo CC與BIM信息模型進行數(shù)據(jù)互通互聯(lián)，通過1200個數(shù)據(jù)采集器對建筑進行持續(xù)的監(jiān)控和分析，能耗數(shù)據(jù)、設備運行、室內(nèi)外環(huán)境等參數(shù)都事無巨細地體現(xiàn)在項目三維動態(tài)運維管理平臺上，供維護管理人員隨時查看。同時系統(tǒng)植入人工智能技術自動根據(jù)不同的用戶需求適時調(diào)節(jié)室內(nèi)的燈光、濕度、空氣質(zhì)量等，提高了室內(nèi)的舒適性和最大程度地減少了能源消耗[5]。青島中德生態(tài)園被動房技術中心項目對我國建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級有著深遠的影響，將全面推動整個建筑產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代。

BIM技術作為建設工程領域第二次信息化革命的發(fā)起者，在“智慧樓宇”方向吹響進攻的號角，在物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)的基礎上，通過數(shù)據(jù)模型、各類傳感器等綜合打造信息+物理系統(tǒng)，建立帶有回路反饋的全生命跟蹤，在虛擬空間中完成對建筑物生命活動的數(shù)字化映射，同時結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等對各類數(shù)據(jù)模型進行分析、挖掘和預判，最終能夠達成現(xiàn)實世界向賽博空間數(shù)字化模型的反饋，實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字孿生。

4 總結(jié)與展望

經(jīng)過了多年的發(fā)展，上海的城市建設發(fā)展模式已經(jīng)由最初的外延擴張轉(zhuǎn)向了內(nèi)涵提升，從大規(guī)模的增量建設轉(zhuǎn)向了存量更新為主的新階段，在2021年8月25日召開的市人大常委會第三十四次會議上，《上海市城市更新條例》表決通過，城市更新正式上升到了地方立法高度。

在新城建設和上海發(fā)展的過程中，“智慧樓宇”將成為上海智慧城市建設的重要的構(gòu)成環(huán)節(jié)，無論是新建建筑智能化技術的直接應用，還是既有建筑的數(shù)字化改造升級，AI技術、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、云計算、5G等新型技術與基礎設施的深度融合都將有效地整體激活城市空間、功能、產(chǎn)業(yè)、設施等發(fā)展全要素活力，助力城市更高效的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和更便捷的智慧化管理，實現(xiàn)城市空間與社會形態(tài)的互通互聯(lián)，最終達成“人民城市人民建，人民城市為人民”的美好愿景，將上海打造成城市宜居（Livable）、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新（Innovative）、運行可靠（Viable）、透明高效（Effi‐cient）與區(qū)域（District）示范的活力城市。