智慧城市理念在城市建筑設(shè)計中的滲透研究

摘要：預(yù)計到2050年，全球城市人口將增長至67億人，多方面的智能城市系統(tǒng)將成為常態(tài)。數(shù)字化解決方案為發(fā)展提供了機會，同時也帶來了一系列挑戰(zhàn)。智慧城市提供的智能服務(wù)依賴于靈活的基礎(chǔ)設(shè)施，以應(yīng)對城市化快速發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)。雖然存在技術(shù)、經(jīng)濟和治理方面的障礙，但智慧城市概念熱度不減，并逐步成為全球的主流。智慧城市要求良好的生態(tài)環(huán)境與人們的健康生活有機融合，使城市達到經(jīng)濟建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護共同發(fā)展的目的。在這種情況下，智慧城市的空間布局必須以生態(tài)環(huán)境保護為主題。在生態(tài)保護理念的指引下，城市的建筑設(shè)計應(yīng)該是綠色環(huán)保的，需要運用網(wǎng)絡(luò)和信息化技術(shù)開展合理的空間布局設(shè)計。對城市空間建筑區(qū)域內(nèi)的設(shè)施和環(huán)境進行生態(tài)保護，可以使智慧城市健康、良好發(fā)展，這是智慧城市發(fā)展的新目標(biāo)和新方向。綠色和智能建筑與人工智能技術(shù)的結(jié)合具有巨大的潛力，可以增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并盡量減少對環(huán)境和社會的負面影響。將智慧城市理念引入建筑設(shè)計，可以有效利用和開發(fā)土地，實現(xiàn)低碳減排目標(biāo)，提高資源使用率，從而為人們提供一個綠色環(huán)保的生活環(huán)境。文章主要研究智慧城市理念與城市建筑設(shè)計融合的相關(guān)性和意義。

關(guān)鍵詞：智慧城市；設(shè)計理念；綠色建筑；建筑設(shè)計

中圖分類號：TU201 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）06-0-04

0 前言

隨著社會的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平有了很大幅度的提高。尤其是在城市建設(shè)步伐加快的同時，越來越多的人從農(nóng)村走向城市，這為城市建設(shè)和發(fā)展提供了充足的勞動力。與此同時，城市人口不斷增加，城市的快速發(fā)展也帶來了一些問題。例如交通堵塞和城市環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞［1］101，這些都直接關(guān)系到城市居民的生產(chǎn)和生活。過度的城市發(fā)展和環(huán)境污染給城市居民的生活帶來了許多問題，這一現(xiàn)象引起了國家和政府的關(guān)注。如何改善城市環(huán)境、科學(xué)規(guī)劃城市空間已成為政府部門、專家學(xué)者共同關(guān)注的問題。從城市建筑設(shè)計的角度來看，科學(xué)合理的城市空間規(guī)劃不僅可以滿足人們對美好生活環(huán)境的追求和向往，而且可以從宏觀角度看待城市環(huán)境保護和環(huán)境污染問題。智慧城市要求良好的生態(tài)環(huán)境與人們的健康生活有機融合，達到經(jīng)濟建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護共同發(fā)展的目的［2］。

可能造成建筑環(huán)境影響的活動包括能源使用、空氣排放、用水和土地使用。環(huán)境影響包括氣候變化、空氣污染、水污染和土地污染。過去幾年氣候的快速變化主要歸因于與人類活動有關(guān)的能源消耗和溫室氣體排放（如二氧化碳和甲烷）。因此，為了避免全球氣候急劇變化，需要在解決碳排放問題和提高能源效率方面付諸行動［3］。

1 基于智慧城市理念的建筑設(shè)計特征

建筑的碳排放發(fā)生在其生命周期內(nèi)，從建筑的原材料采購、施工和運營到建筑生命周期結(jié)束時的最終處置，與建筑運營相關(guān)的碳排放被稱為運營碳，是指用于保持建筑溫暖、涼爽、通風(fēng)、照明和供電的所有能源所釋放的二氧化碳。2020年，建筑運營產(chǎn)生的二氧化碳排放量占全球能源相關(guān)碳排放量的37%。此外，建筑材料的制造產(chǎn)生了約32億噸二氧化碳，這導(dǎo)致全球變暖加劇。因此，應(yīng)高度重視建筑行業(yè)，以減少對環(huán)境的影響?；谥腔鄢鞘欣砟畹慕ㄖO(shè)計特征如下［4］。

1.1 以人為本

設(shè)計必須整合社會各方面的需求，充分研究新技術(shù)，綜合考慮社會整體需求和經(jīng)濟發(fā)展、尊重歷史和文化。與西方國家的城市化經(jīng)歷了幾個世紀(jì)不同，中國的快速城市化發(fā)生在近幾十年。在這種情況下，應(yīng)進行系統(tǒng)的總結(jié)，整合各個方面的經(jīng)驗。中國城市的空間結(jié)構(gòu)、歷史、文化等要素都面臨著轉(zhuǎn)型重組的要求。

1.2 安全舒適

在建筑中，不僅節(jié)能是理想的性能指標(biāo)，其他可能的指標(biāo)也是理想的，如熱舒適性、視覺舒適性、生命周期成本、環(huán)境保護等。這些指標(biāo)中的一個或多個的優(yōu)化主要基于對建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)的多準(zhǔn)則優(yōu)化，它由幾個組件組成，如不透明墻、玻璃墻、遮陽裝置等。城市設(shè)計應(yīng)注重微觀視角，在人與空間的互動過程中不斷獲得新的發(fā)現(xiàn)，然后從行人友好的角度分析現(xiàn)有的環(huán)境設(shè)計要素和準(zhǔn)則，同時討論它們是否符合人們的需求。

1.3 材料可回收利用

回收資源和材料是《聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展議程》中的一個緊迫議題，可以推進低碳能源使用和可持續(xù)發(fā)展，使城市和人類住區(qū)具有包容性、安全性、復(fù)原力和可持續(xù)性，旨在到2030年“減少城市的人均環(huán)境影響，包括特別關(guān)注空氣質(zhì)量和城市及其他廢物管理”。對城市活動中的廢物和材料的再利用，已經(jīng)成為改善城市環(huán)境和加快可持續(xù)人類住區(qū)建設(shè)的必要條件。木材是制造業(yè)和建筑業(yè)的主要材料之一，在各個領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。作為一種可回收的資源，人類社會發(fā)展和建設(shè)對木材的需求可以通過回收來緩解。

在一系列木材產(chǎn)品的建造、翻新、重建、恢復(fù)和拆除過程中，會產(chǎn)生大量的固體木材廢物。目前，英國每年有超過1.1億噸的木材被加工成建筑材料、家具和工藝品。同時，在相同的時間范圍內(nèi)，產(chǎn)生了大約500萬噸的廢棄木材。從1990年到2020年，原本不到2%的木材廢料增加到80%以上，其中超過88.5%的被降級回收，超過65%的被用作化石燃料。然而這些都不是最理想的回收方法，如何對木材進行合理的回收和再利用成為迫切需要研究的問題。

2 基于智慧城市理念的綠色建筑設(shè)計原則

建筑設(shè)計包括確定大量的設(shè)計變量，如建筑物的形狀、方向和高度，以及確定數(shù)百個建筑部件的材料和尺寸規(guī)格。在實踐中，設(shè)計變量在很大程度上取決于設(shè)計師的經(jīng)驗。因此，能源和碳密集型的設(shè)計決策往往是由于以前的經(jīng)驗無法精確預(yù)見每個設(shè)計變量對碳排放和能源消耗的影響。鑒于這一事實，厘清設(shè)計變量與建筑在其生命周期內(nèi)的碳排放和能源消耗之間的關(guān)系很重要。研究人員已經(jīng)認(rèn)識到建筑設(shè)計變量在制訂環(huán)保設(shè)計方案方面的重要作用。

為了探索設(shè)計變量與建筑環(huán)境影響之間的關(guān)系，對其進行了大量研究。研究主要集中在哪些設(shè)計變量對環(huán)境影響較大、哪些設(shè)計變量不那么重要。例如，有學(xué)者研究了21個設(shè)計變量對建筑能耗的影響，結(jié)果突出了屋頂和窗戶區(qū)域的傳熱率和太陽能吸收率。另一項研究調(diào)查了不同類型和厚度的建筑材料在內(nèi)含碳排放（與建筑材料生產(chǎn)和建筑施工有關(guān)的碳）中的重要性，發(fā)現(xiàn)覆層材料具有降低內(nèi)含碳的巨大潛力，而服務(wù)組件類型和厚度的變化對碳排放的影響較小。這些研究選擇的設(shè)計變量是有限的，并且是由研究人員自主選擇的，一些對建筑環(huán)境有重大影響的變量可能不包括在內(nèi)，無法對其重要性進行分析。

另一個主流研究試圖審查影響建筑運營能耗的設(shè)計變量。文獻表明，熱質(zhì)量、隔熱系數(shù)厚度、窗戶尺寸、玻璃和遮陽對建筑物的運營能耗都有很大影響。

3 智慧城市理念在綠色建筑設(shè)計中的應(yīng)用

近年來，歷史建筑的能源效率和熱舒適性引起了人們的廣泛關(guān)注［1］101，可以通過能源改造措施來予以改善，如增加墻體或屋頂保溫，升級窗戶，空氣密封，更換燈具和鎮(zhèn)流器，升級加熱、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）設(shè)備。然而，由于傳統(tǒng)建筑的物理特性及應(yīng)用的保護原則和做法，其能源改造受到限制［5］。但是，人們越來越相信，按照目前的能源效率和熱舒適度標(biāo)準(zhǔn)對建筑進行改造，是保護文化遺產(chǎn)的一種有效手段，能夠確保這些改造后的建筑可以繼續(xù)使用，而不是被忽視和拆除［6-7］。

3.1 應(yīng)用于外圍護結(jié)構(gòu)

第一，外墻外保溫。外圍護結(jié)構(gòu)能大幅降低傳熱系數(shù)，還能提高熱阻值。例如，將干掛石材運用在外墻裝飾環(huán)節(jié)，建議選擇質(zhì)地堅硬的菊花黃石材（見圖1）。

第二，外遮陽。窗戶外側(cè)可以安裝外遮陽卷簾（見圖2），相關(guān)研究表明這能夠阻擋超過80%的太陽輻射，從而降低空調(diào)制冷負荷。

3.2 應(yīng)用于新能源系統(tǒng)

近年來，建筑物集成光伏獲得了廣泛關(guān)注，除了能源生產(chǎn)之外，其優(yōu)勢還在于與建筑圍護結(jié)構(gòu)的無縫集成、與光伏板改造相比成本較低以及建筑美學(xué)吸引力等。目前，建筑物集成光伏概念已經(jīng)在歐洲和北美地區(qū)得到了推廣。在歐洲，意大利、法國和德國對建筑物集成光伏市場的區(qū)域增長作出了重大貢獻。2014年，歐洲市場87%的份額是由這三個國家單獨貢獻的。此外，歐盟委員會的財政激勵政策也促進了建筑物集成光伏市場的發(fā)展，如對光伏集成的補貼。2018年貝克勒爾研究所的報告顯示，法國已經(jīng)成為世界上建筑物集成光伏裝機容量最高的國家，裝機容量為2.7GWp，約占全球裝機容量的27%。

建筑物集成光伏的安裝增加了美感，并大大節(jié)省了電力消耗，從而推動了整個商業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品部署。商業(yè)場所主要位于人口高度密集的地區(qū)，因此建筑物被設(shè)計成垂直、狹窄和高層的形態(tài)。這些都成為太陽能設(shè)計者的新挑戰(zhàn)，因為城市高層建筑往往只有很小的屋頂來放置光伏板。最近，研究人員對解決這個問題表現(xiàn)出越來越大的興趣，包括整合半透明和彩色光伏作為外墻、窗戶和墻壁。雖然與普通光伏發(fā)電相比，其發(fā)電效率較低，但由于其建筑美學(xué)價值，對彩色光伏的需求正在增加，它可以在人們的視野中隱藏自己，也可以美化建筑物的外觀。

3.3 應(yīng)用于水資源利用系統(tǒng)

設(shè)計建筑物的供水和廢物管理系統(tǒng)、確保其性能是至關(guān)重要的。其關(guān)鍵功能包括：提供飲用水和基本衛(wèi)生所需的水；清除被廢物污染的水；在排水管和下水道存在的潛在有害瘴氣與可居住空間之間提供一個物理屏障。傳統(tǒng)建筑能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是基于預(yù)定條件的制冷負荷，這通常是基于確定性的模型模擬。然而，許多研究人員在計算制冷負荷和評估建筑能源系統(tǒng)的性能時，已經(jīng)考慮到了不確定性的影響。有學(xué)者研究了峰值制冷負荷分布，考慮了建筑材料、內(nèi)外墻傳熱系數(shù)、內(nèi)部來源等方面的不確定性。通過分解對中間過程進行了不確定性研究，目的是找到建模中最重要的子系統(tǒng)。研究人員提出了一種基于不確定性的優(yōu)化設(shè)計的概率方法，以考慮輸入?yún)?shù)的不確定性來確定冷水機組的規(guī)模，從而確保冷水機組在各種可能的冷卻負荷條件下實現(xiàn)高效運用且消耗最小的成本。

3.4 應(yīng)用于全置換新風(fēng)系統(tǒng)

當(dāng)今社會，人們的能源意識日益增強，現(xiàn)有的建筑群占全球能源使用量的36%，占全球排放量的39%，因此具有很大的減排潛力。然而，在當(dāng)?shù)貧夂虻淖兓绾斡绊懡ㄖ倪\行，空間調(diào)節(jié)、峰值需求和熱舒適度方面的能源使用，以及建筑如何對抗更嚴(yán)重和更頻繁的極端天氣事件等方面，還有很多亟待研究的問題。因此，氣候變化是建筑設(shè)計需要關(guān)注的重要問題。在過去的十年中，能源運用效率的提高（包括建筑設(shè)計和內(nèi)部設(shè)備性能）使建筑能源使用的某些部分保持不變甚至有所減少。盡管如此，自2010年以來，空間冷卻強度（每單位建筑面積的能源使用）提高了6%以上，這是夏季氣溫升高和建筑面積增加造成的。同期，更溫暖的冬季也使空間供暖減少了約18%。這種供暖和制冷平衡的變化對指導(dǎo)未來的建筑設(shè)計至關(guān)重要。

東歐、東南亞、非洲和中東地區(qū)的商業(yè)建筑面積大幅增加，預(yù)計到2050年，全球商業(yè)建筑的空調(diào)總能耗將比2010年高84%。在炎熱、潮濕的氣候條件下，商業(yè)建筑群的熱適應(yīng)性較差，預(yù)計增幅較大，而在商業(yè)建筑適應(yīng)性較強的氣候條件下，預(yù)計增幅不大（澳大利亞、北美和西歐的建筑空調(diào)能耗增加20%）。全球空間供暖和制冷大趨勢的影響，特別是這些變化的影響（如供暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)尺寸和對電力基礎(chǔ)設(shè)施的額外壓力），對暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計適應(yīng)未來氣候條件至關(guān)重要。該系統(tǒng)能夠確保室內(nèi)全天擁有新鮮空氣。新鮮空氣經(jīng)過處理后能夠以0.2～0.3m/s速度送進室內(nèi)，而且新風(fēng)能夠連續(xù)進行下送上回，這樣便是置換運用。系統(tǒng)不僅濕度相對穩(wěn)定、運行成本較低，而且機組本就具備加濕除濕、全熱回收的功能，一方面熱回收率超過60%，另一方面降低30%的空調(diào)負荷，具有十分明顯的節(jié)能效果。

3.5 應(yīng)用于恒溫體系

建筑能耗的主要領(lǐng)域是供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)。在美國，家庭供暖和制冷消耗的能源占住宅總能源的42%，占總能源的9%。由于能源資源有限，所以建筑節(jié)能非常重要。恒溫器在住宅中的主要功能是控制暖通空調(diào)系統(tǒng)，以提供熱舒適性和實現(xiàn)節(jié)能。隨著時間的推移，建筑行業(yè)中恒溫器的使用量有所增加。近年來，許多研究人員針對如何提升建筑物中恒溫器的性能展開了研究。

有研究人員使用EnergyPlus軟件研究了擴大供暖和制冷的恒溫器室內(nèi)溫度范圍的后果。根據(jù)結(jié)果，設(shè)定值每增加或減少1℃，能節(jié)省大約10%。還有研究人員通過耦合個性化的熱舒適偏好和能源消耗模式來改善HVAC系統(tǒng)的運行。通過解決能源的優(yōu)化問題來選擇區(qū)域溫度設(shè)定點，同時考慮到了舒適度、室內(nèi)空氣質(zhì)量和系統(tǒng)性能的限制。

通過對節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用分析，可以通過優(yōu)化組合的方式達到理想的節(jié)能效果。因此，在綠色建筑設(shè)計理念下，要提高建筑的節(jié)能價值，有必要綜合設(shè)計節(jié)能系統(tǒng)。

4 結(jié)語

智慧城市需要良好的生態(tài)環(huán)境與人們的健康生活有機融合，達到經(jīng)濟建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護共同發(fā)展的目的。在生態(tài)保護理念的指引下，城市的建筑社區(qū)和建設(shè)用地應(yīng)該是綠色環(huán)保的，需要運用網(wǎng)絡(luò)和信息化技術(shù)開展合理的空間布局設(shè)計。本文主要從城市建筑設(shè)計的角度，研究信息技術(shù)與生態(tài)環(huán)境融合下智慧城市的空間發(fā)展。在全面分析生態(tài)環(huán)境影響下不同城市和地區(qū)的智慧城市空間規(guī)劃之后，分析生態(tài)保護理念下智慧城市空間建筑布局規(guī)劃的指導(dǎo)作用和發(fā)展方向。

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作者簡介：王毅飛（2002—），男，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方向：智慧城市、建筑設(shè)計。