基于數(shù)據(jù)庫的綠色建材在老城區(qū)改造中的應(yīng)用

劉佳穎,黃盛,邱幀文,王璐瑤，吳威，吳陽春，周坤

（1.上海城建物資有限公司，上海 200438；（2.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200120；（3.上海市基礎(chǔ)設(shè)施更新工程技術(shù)研究中心，上海 200032）

隨著我國高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型階段的來臨， 城市老城區(qū)發(fā)展的多元需求對城市有機更新提出了新的要求和挑戰(zhàn)。老城區(qū)一般人口密集，設(shè)施老化、欠缺，城市功能已無法滿足新時期居民需求， 成為城市更新進程中不可忽視的重點區(qū)域。然而，老城區(qū)的改造絕不是簡單地翻新和重建， 而是為了提高居民生活品質(zhì)，滿足人民對美好生活需求。

2022 年1 月21 日，國家發(fā)改委、工信部、商務(wù)部等七部委印發(fā)《促進綠色消費實施方案》，倡導(dǎo)“綠色居住消費”，并將其納入“全面促進重點領(lǐng)域消費綠色轉(zhuǎn)型”的八大條目之一，提出將節(jié)能環(huán)保要求納入老舊小區(qū)改造，全面推廣綠色低碳建材，推動建筑材料循環(huán)利用。 這意味著老城區(qū)改造在規(guī)劃、選材，從原來的安全、成本合理的基本要求，提高到綠色、節(jié)能、健康、低碳等更高的新要求[1]。

1 綠色建材數(shù)據(jù)庫搭建的價值

1.1 綠色建材在老城區(qū)改造中的應(yīng)用堵點

推動綠色建材發(fā)展是建材行業(yè)貫徹新發(fā)展理念、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，也是落實“雙碳”目標的重要途徑?！笆濉币詠恚G色建材產(chǎn)業(yè)已得到了一定程度的發(fā)展， 但仍然存在諸多因素限制其應(yīng)用與推廣。

1）渠道缺失，綠色建材信息流不通暢。對綠色建材相關(guān)知識了解渠道的缺失，導(dǎo)致了設(shè)計師、施工單位等老城區(qū)改造方對綠色建材相關(guān)標準了解不夠全面，對綠色建材信息特點熟悉程度較低，難以高效地獲取綠色建材資源， 這也就導(dǎo)致了綠色建材難以有效的推廣和應(yīng)用，限制了其在老城區(qū)改造中的應(yīng)用。

2）認知偏差，綠色建材整體方案難提出。我國地域遼闊， 屬于不同氣候帶的地區(qū)有著不同的建筑特點，這對老城區(qū)的改造提出了不一樣的需求：有些需要防寒隔熱，有些側(cè)重于采光通風，有些對防潮有著更高的要求，有些需要考慮到歷史風貌的保護。在老城區(qū)改造的過程中， 設(shè)計建造方會基于居民需求提出改造理念， 設(shè)計方需要能夠?qū)⒏脑炖砟钷D(zhuǎn)化為可實施的設(shè)計方案， 再進而轉(zhuǎn)化為綠色建材的整體方案，這對改造設(shè)計提出了更高的要求。如何快速高效地將設(shè)計語言轉(zhuǎn)化為建材方案是影響綠色建材在老城區(qū)改造項目中應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

3）技術(shù)壁壘，綠色建材比選難。綠色建材應(yīng)用方案擬定后，在相同的應(yīng)用場景需求下，要對同類型綠色建材進行比選，擇優(yōu)使用。 與傳統(tǒng)建材相比，綠色建材因其特殊的性能，對施工工藝要求更為嚴苛，只有嚴格按照施工標準來進行操作， 才能將綠色建材的性能優(yōu)勢完全體現(xiàn)出來。因此在比選的過程中，不僅需要包括原來材料行業(yè)重點關(guān)注的價格、 材料性能等維度， 還需要針對改造環(huán)境比選材料的施工工藝和實施方案。這樣的比選要求對實施人員在材料、施工等跨專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)能力要求更高， 因此技術(shù)壁壘成了老城區(qū)利用綠色建材更新改造的一大難點。

1.2 綠色建材數(shù)據(jù)庫在老城區(qū)改造中的應(yīng)用優(yōu)勢

大數(shù)據(jù)（Big Data）指的是規(guī)模巨大、復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)庫是大數(shù)據(jù)的載體，大數(shù)據(jù)庫的作用日漸凸顯，越來越受到各領(lǐng)域和各行業(yè)的重視。大數(shù)據(jù)庫可以對海量的數(shù)據(jù)進行分析整理，輔助決策，也可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、交流、共享、分析等多種功能，在老城區(qū)改造方案中，能夠帶來明顯的效率提升。

1）有助于完善改造方案。 傳統(tǒng)的老城區(qū)改造方案多以建造者經(jīng)驗及傳統(tǒng)數(shù)據(jù)為主， 會產(chǎn)生信息不對等的情況。 要制定和諧、高效的方案，就必須建立與之相關(guān)的各種綠色建材性能指標、 施工周期以及流程、價格等維度之間的關(guān)系，實現(xiàn)社會、環(huán)境效益與經(jīng)濟效益的協(xié)調(diào)與平衡。老城區(qū)改造方案，既要充分考慮居民需求， 還應(yīng)考慮如何解決過去規(guī)劃失誤導(dǎo)致的各種不科學(xué)、不和諧結(jié)果。新材料大數(shù)據(jù)庫可以加深項目主導(dǎo)方、 設(shè)計方乃至于施工方對綠色建材的理解，使綠色建材發(fā)揮出最大的能效。

2）有助于優(yōu)化材料采購環(huán)節(jié)，降低成本。利用數(shù)字化技術(shù)， 搭建新材料大數(shù)據(jù)庫， 建立面向城市更新、老城區(qū)改造的綠色建材數(shù)據(jù)資源庫，同時形成相應(yīng)的供應(yīng)商庫， 一方面可以采取多維度指標量化模式來評價綠色建材性能以及供應(yīng)鏈能力， 另一方面還可以進一步建立數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)， 為老城區(qū)改造項目提供綠色建材整體解決方案和比選服務(wù)， 為老城區(qū)更新改造過程中應(yīng)用綠色建材的決策提供數(shù)據(jù)支持，打破“信息孤島”現(xiàn)象，做到全方位的數(shù)據(jù)共享，最終在城市更新的相關(guān)產(chǎn)業(yè)中有效推動綠色建材的應(yīng)用，降低采購成本，提高產(chǎn)業(yè)效率。

3）為設(shè)施更新提供技術(shù)支持。 利用新材料大數(shù)據(jù)庫可以對已有數(shù)據(jù)進行深度挖掘分析， 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲取更符合現(xiàn)實情況需求的數(shù)據(jù)結(jié)論， 方便人們對比不同建材的優(yōu)缺點，從而得到結(jié)合實際需求、針對特定的城區(qū)的最優(yōu)解。未來，還可以與人工智能技術(shù)相結(jié)合通過建立機器自學(xué)習(xí)能力， 進一步提升數(shù)據(jù)分析的效率和有效性。

2 國內(nèi)外材料數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀調(diào)查

2.1 國外數(shù)據(jù)庫平臺現(xiàn)狀

20 世紀60 年代，IBM 數(shù)據(jù)庫管理產(chǎn)品IMS 技術(shù)的推出，為數(shù)據(jù)庫的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 以歐美、日韓等為代表的發(fā)達和新興工業(yè)國家， 先后開始發(fā)展材料數(shù)據(jù)庫，目前都已擁有一定數(shù)量的材料數(shù)據(jù)庫。歐美國家建立材料基因工程數(shù)據(jù)庫， 如美國Globus數(shù)據(jù)庫平臺，通過特殊的信息工程技術(shù)，保證大數(shù)據(jù)方便存儲和搜尋等功能， 既可將各地毫無連接的傳統(tǒng)材料數(shù)據(jù)庫連入整個材料基因數(shù)據(jù)庫共享平臺，又可鼓勵科研人員上傳、發(fā)布新的科學(xué)成果，共享數(shù)據(jù)集。目前，國際知名的商業(yè)化材料在線數(shù)據(jù)庫平臺有美國的MatWeb 和ASM International、 瑞士的Total Materia、日本的NIMS、德國的Key to Steel 等。相比于傳統(tǒng)的材料數(shù)據(jù)庫，它們提高了商業(yè)化程度，強化了對用戶的服務(wù)模式[2]。

國外數(shù)據(jù)庫平臺的服務(wù)費較高， 這極大程度地限制了它們在國內(nèi)的應(yīng)用推廣。同時，國外數(shù)據(jù)庫在行業(yè)和市場動態(tài)信息的發(fā)布上往往存在數(shù)據(jù)信息不及時、數(shù)據(jù)源范圍不夠廣等問題，且缺乏與國內(nèi)時事現(xiàn)狀和相關(guān)政策的結(jié)合度， 缺少對于國內(nèi)先進案例的詳細剖析（材料的工藝特點、適用范圍、工藝流程等）。這使得項目方在使用這類工具時不能獲取到實時有效的數(shù)據(jù)，做出正確決策。

2.2 國內(nèi)數(shù)據(jù)庫平臺現(xiàn)狀

我國從20 世紀80 年代開始由科研院所、 企業(yè)自主建立了大量不同規(guī)模、分散獨立的材料數(shù)據(jù)庫。近年來， 更是創(chuàng)造了許多連接材料界和制造業(yè)的材料解決方案一站式服務(wù)平臺，其中典型案例就是“有材”數(shù)據(jù)庫。 該數(shù)據(jù)庫通過提供CMF 庫、CMF 資訊、案例庫、材料庫、工藝庫、虛擬展館、線上展會等七大功能，搭建設(shè)計、材料、工藝完美結(jié)合的橋梁，為設(shè)計/研發(fā)人員提供科學(xué)、便捷的設(shè)計解決方案和豐富的產(chǎn)品案例， 助力新材料、 新工藝快速應(yīng)用于新產(chǎn)品，全面提高產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)效率，降低成本。 另一個案例是“材料在線”平臺，它是國內(nèi)首個設(shè)計師創(chuàng)立的互聯(lián)網(wǎng)建筑裝飾材料平臺， 致力于全方位幫助設(shè)計師解決項目裝飾材料問題。同時，該公司充分依托互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢， 大大提升傳統(tǒng)材料企業(yè)品牌建設(shè)及推廣效率。業(yè)務(wù)范圍包括設(shè)計師的材料認知、工程材料咨詢、材料品牌推廣、項目工程材料供應(yīng)等。 其運營手段包括公眾號、小程序、線上網(wǎng)絡(luò)直播及線下聯(lián)合宣講，甚至出版了行業(yè)級的材料工具書。

國內(nèi)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫雖為需求與應(yīng)用兩端提供了一個互通的平臺，打通了雙方的信息渠道，但是缺少綠色建材市場、 不合格綠色建材以及商業(yè)行為等及時通報； 此外， 現(xiàn)有的平臺往往只提供供應(yīng)商的信息，沒有提供多維度指標來對材料進行量化評估，這樣平臺使用方在決策時缺少了有效的數(shù)據(jù)支撐。 從建材供應(yīng)商的角度來看，國內(nèi)現(xiàn)有平臺在選材咨詢、檢測認證、展示體驗、技術(shù)推廣的方面也缺少專業(yè)性的綠色建材推廣整體服務(wù)。

3 綠色建材數(shù)據(jù)庫的搭設(shè)

3.1 建設(shè)目標

新材料大數(shù)據(jù)庫計劃形成涵蓋國內(nèi)外大量新型建筑材料的數(shù)據(jù)庫，能夠包含材料信息、生產(chǎn)企業(yè)、應(yīng)用案例、標準等相關(guān)的數(shù)據(jù)，著眼于能夠為老城區(qū)更新改造提供有力支持，尤其是設(shè)計、施工和運維等環(huán)節(jié)提供綠色建材的數(shù)據(jù)支持[3]。同時新材料大數(shù)據(jù)庫通過項目服務(wù)和數(shù)據(jù)資源端的擴充， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的不斷擴大和自我更新，打通需求的前后端，前端即通過網(wǎng)頁、 微信小程序等平臺實現(xiàn)材料數(shù)據(jù)的可搜索和可下載， 后端則通過數(shù)據(jù)庫生成新材料咨詢報告提供給設(shè)計、施工和運維等環(huán)節(jié)使用。該數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

3.2 實施路徑

新材料大數(shù)據(jù)庫需要建立一個統(tǒng)一集中的管理平臺，通過持續(xù)集成不同維度的材料數(shù)據(jù)，對于材料數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理， 并完成對于下游應(yīng)用的數(shù)據(jù)分發(fā)，最終打通材料設(shè)計/檢測/認證/使用的全流程。 同時也可以通過大數(shù)據(jù)庫串聯(lián)起材料生命周期中涉及的不同企業(yè)和個人關(guān)聯(lián)方，如材料設(shè)計機構(gòu)，材料生產(chǎn)機構(gòu)，材料銷售供應(yīng)機構(gòu)，材料檢測認證機構(gòu)，材料購買使用機構(gòu)等。 管理平臺的搭建包括了數(shù)據(jù)采集服務(wù)層、數(shù)據(jù)清洗層、平臺數(shù)據(jù)庫建設(shè)、數(shù)據(jù)計算封裝層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層5 個部分，如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫搭建層級

3.3 功能模塊

1）材料列表。 新材料大數(shù)據(jù)庫首頁對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的材料信息進行展示，同時提供按分類檢索、按材料名稱檢索等檢索功能。

2）材料信息。 每個材料的信息展示頁面包含材料的特點、優(yōu)劣勢、材料參數(shù)、規(guī)格、價格、材料分類、應(yīng)用案例以及相對應(yīng)的標準等數(shù)據(jù)， 通過全面的數(shù)據(jù)展示， 從而能夠為老城區(qū)改造當中綠色建材的使用提供盡可能完善的數(shù)據(jù)支持。

3）材料信息完成度評分。 材料信息完成度評分功能對每個材料的每一條數(shù)據(jù)信息設(shè)定相應(yīng)的評分標準，根據(jù)數(shù)據(jù)信息的完成情況，給到每一個材料的綜合評分，超過60 分為合格，可視為信息較為完整，低于60 分則視為不合格，將無法對其進行檢索和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

4）解決方案管理。 根據(jù)老城區(qū)改造相關(guān)項目對于綠色建材的需求， 可以在新材料大數(shù)據(jù)庫中自動生成新材料解決方案，為項目相關(guān)的設(shè)計單位、施工單位提供參考。

4 應(yīng)用案例分析

4.1 梅隴三村低碳社區(qū)改造

該工程位于上海市梅隴三村小區(qū)內(nèi)， 要求對小區(qū)內(nèi)居民休閑廣場、 分布式光伏以及照明路燈進行改造。新材料大數(shù)據(jù)庫在本項目實施過程中，對照改造設(shè)計要求，從數(shù)據(jù)庫中篩選出合適的材料品類，再進行技術(shù)匹配， 在最短的時間內(nèi)給到需求方一套完整的改造技術(shù)方案。通過信息化技術(shù)部分替代人工，解決了傳統(tǒng)項目中遇到的信息不對稱、技術(shù)不匹配、選材周期長、設(shè)計落地難等問題。

1）休閑廣場改造。原廣場總面積約300 m2，為普通混凝土磚塊地面，磚塊接縫處生有青苔，在下雨天時路面濕滑極易滑倒， 廣場上的四顆松樹已有枯死的現(xiàn)象。 改造設(shè)計方案中對此廣場提出了透水、耐用、防滑、降噪的要求。通過大數(shù)據(jù)庫對相關(guān)材料進行篩選，選定高強度鋼渣透水混凝土路面材料，該技術(shù)入選國家建筑業(yè)10 項新技術(shù)（住建部建質(zhì)[2010]170號文）和全國第一批海綿城市先進適用技術(shù)。結(jié)合數(shù)據(jù)庫的其他材料數(shù)據(jù)， 通過多個維度對改造前后的材料性能進行對比，得到項目方的認可，見表1。

表1 改造前后廣場路性能對比

改造后的廣場地面具有高強度、高透水率、吸音降噪、耐久防滑等特點，在美觀度、實用性、安全性上都大幅提高；并能夠有效補充地下水、改善地面“呼吸”能力、緩解城市“熱島效應(yīng)”，為社區(qū)居民提供了一個舒適的生態(tài)環(huán)境。廣場改造前、后的效果對比如圖3 所示。

圖3 改造前后廣場對比

2）分布式并網(wǎng)光伏車棚改造。 該試點選在小區(qū)內(nèi)一非機動車棚，屋頂為水泥平面屋頂。 長約100 m，寬約3 m，總面積約300 m2，據(jù)統(tǒng)計該車棚年均用電量約為9 500 kWh，改造設(shè)計要求光伏發(fā)電能滿足車棚日常用電。

通過新材料大數(shù)據(jù)庫比選光伏類綠色建材的各項性能指標，選定分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，裝機容量為20 kW，首年發(fā)電量約2.2×104kWh，完全滿足改造要求。 光伏發(fā)電系統(tǒng)按照最佳傾角24 °采用常規(guī)固定安裝方式，不破壞原有防水層，反射角度避開居民樓宇，如圖4 所示。 改造后的光伏系統(tǒng)采用發(fā)電全額上網(wǎng)模式，除滿足車棚內(nèi)日常照明、電器等用電需求外，還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

3）智能LED 路燈解決方案。 針對原有路燈存在的光伏板使用年限較長導(dǎo)致發(fā)電效率低、 鉛酸電池充放電效率低且極易造成環(huán)境污染、 未采用節(jié)能燈泡，監(jiān)控設(shè)備安裝不合理及部分失效等問題，該改造工程提出，移除小區(qū)內(nèi)所有路燈，替換為節(jié)能路燈，并考慮與監(jiān)控設(shè)備協(xié)同工作的匹配性。 針對這一項目需求，利用新材料大數(shù)據(jù)庫的重點開展節(jié)能效果、使用壽命、智能化管理效果、路燈綜合功能等維度的對比分析， 最終選擇了壽命≥50 000 h 的智能控制LED 路燈。

通過該路燈改造項目， 小區(qū)應(yīng)用了智能云管理技術(shù)，可以根據(jù)智能LED 路燈不同位置，結(jié)合不同的時間亮燈需求進行節(jié)能設(shè)置，自動控制LED 燈的亮度及時間；同時還可以遠程監(jiān)控，對路燈用電情況及報警、維護信息進行實時、動態(tài)管理；在改造過程中，結(jié)合LED 燈的智能控制器接入光纖，達到了小區(qū)Wifi 全覆蓋的目標；同時，通過LED 燈的智能控制器集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 還能實現(xiàn)小區(qū)安保管理的實時遠程監(jiān)控，保障小區(qū)居民生活的安全。

該項目2016 年開始建設(shè)，2017 年投入使用，同年5 月，凌云街道梅隴三村居民區(qū)被正式授予首批“上海市低碳示范社區(qū)”，成為全市社區(qū)爭相學(xué)習(xí)的模范。

4.2 “暖亭”社區(qū)活動中心

該工程位于浦東新區(qū)向東新村， 是上海老城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施更新的典型項目， 改造部位原為老舊公共廁所，曾被改造成社區(qū)之家，后因年代久遠，結(jié)構(gòu)不合理等原因無法滿足居民的需求，被廢棄使用。為更好地融入既有社區(qū)環(huán)境，以“暖”字為出發(fā)點，設(shè)計希望用親和的白色、木色以及溫暖的燈光，將其改造為社區(qū)活動室供居民使用，為社區(qū)點亮溫暖。

通過使用新材料大數(shù)據(jù)庫進行材料比選， 最終選用白色清水混凝土作為主體材料， 并提供了現(xiàn)場澆筑、工廠預(yù)制、外掛裝飾板三種工藝供選擇。 根據(jù)現(xiàn)場情況及設(shè)計效果對比后， 選定了免裝飾現(xiàn)澆白色清水混凝土工藝作為主題結(jié)構(gòu)的改造方案， 以其獨有地裝飾性和藝術(shù)性展現(xiàn)混凝土建筑的美， 采用“無梁樓板+短肢剪力墻”的結(jié)構(gòu)體系來釋放空間，完美呈現(xiàn)設(shè)計理念，建成上海第一座“白色清水”建筑。

這座有溫度的社區(qū)歸屬空間2020 年開始建設(shè)，2021 年投入使用，2021 年入選長三角及全國部分城市最美公共文化空間大賽中 “最美公共文化空間獎”，如圖5 所示。

圖5 “暖亭”向東社區(qū)之家

5 結(jié)論

綜上所述， 以數(shù)字化技術(shù)引領(lǐng)綠色建材行業(yè)革命， 基于數(shù)字化技術(shù)建立的新材料大數(shù)據(jù)庫提升了綠色建材的曝光度， 使其在老城區(qū)改造項目中的利用率不斷提升。

1）提高設(shè)計效率，提升老城區(qū)改造綠色度。新材料大數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用能提高老城區(qū)更新改造對于新型綠色建材的認知，擴展設(shè)計師的選材范圍，節(jié)省用于選材時間和精力， 改變現(xiàn)階段設(shè)計師傳統(tǒng)的選材方式， 提高了設(shè)計師的設(shè)計效率， 從而帶動整個老城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施更新產(chǎn)業(yè)在新材料應(yīng)用端的發(fā)展。

2）提高綠色建材使用率，提升經(jīng)濟效益。新材料大數(shù)據(jù)庫提升設(shè)計師選材效率的同時， 綠色建材在老城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施更新中的使用率， 增加相關(guān)企業(yè)的銷售收入和利潤， 相應(yīng)地也就增加了國家和地方的財政稅收,對社會經(jīng)濟將起到一定的積極作用。

3）降低能源消耗，提升人民生活品質(zhì)。綠色降低更新后的老城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的能源消耗， 節(jié)省土地資源和水源的使用，減少建筑對水土污染和大氣污染，改善環(huán)境，提升老城區(qū)居民的生活質(zhì)量，滿足人們對美好生活的需求，響應(yīng)國家節(jié)能降碳的政策，帶來良好社會效益。