朱 剛（中國聯(lián)通智能城市研究院，北京 100048）

0 前言

在云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等應用全球蓬勃發(fā)展的背景下，未來主義建筑智慧化趨勢凸顯。AI、云計算、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)、新材料、新能源和系統(tǒng)仿真等新技術創(chuàng)新變革現(xiàn)有建筑構(gòu)成形態(tài)功能環(huán)境體驗，重塑人與建筑、設備與建筑、建筑與能源、建筑與建筑、建筑與環(huán)境的關系。創(chuàng)新與價值重構(gòu)雙輪驅(qū)動，技術、商業(yè)、運營、管理、價值完美融合，智能生長，建筑成為天空之城的天空樹，也帶來自身價值的重構(gòu)。

1 未來主義智慧建筑主要特征和發(fā)展趨勢

1.1 未來主義建筑概念的起源

1914年意大利建筑師圣·埃利亞（Sant'Elia）發(fā)表“未來主義建筑宣言”：未來主義建筑是基于計算的、大膽勇敢以及簡潔的建筑；未來主義建筑不是將實用性及有效性的乏味結(jié)合，乃是藝術上，即綜合性和表現(xiàn)力的結(jié)合；建筑，這種按事先確定的模式進行形式組織的藝術已經(jīng)終結(jié)了；建筑意味著人以他的自由及偉大的勇氣，來努力與環(huán)境相協(xié)調(diào)，它是將物質(zhì)世界的東西向精神世界直接投射的結(jié)果［1］。

1.2 嘗試案例

基于上述未來主義思想，有了一系列的未來主義智慧建筑的嘗試。

日本清水建筑公司設計的“空中城市”采用碳纖維超級桁架結(jié)構(gòu)，金字塔基底面積約800萬m2，高2 000 m，可容納75萬人，建設了便捷的交通運輸系統(tǒng)以及快速移動的人行道和電梯網(wǎng)，打造零碳排放的綠色出行系統(tǒng)，解決了空中城市的交通問題。這座超級結(jié)構(gòu)的外立面覆蓋光電涂層，將太陽能轉(zhuǎn)換為電，從而為更加綠色的城市做出貢獻。

法國著名建筑設計師VincentCallebaut設計了一艘“未來版諾亞方舟”，它名叫“Lilypad”，漂泊在赤道兩極的海洋之中，面積為30萬m2，可實現(xiàn)水陸兩用和自給自足，大約可容納5萬人正常生活［2］。

1.3 未來主義智慧建筑的新理解

未來主義智慧建筑是沿襲未來主義建筑理念，伴隨新網(wǎng)絡通信技術、人工智能、云計算、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術加速突破、深度融合產(chǎn)生的一種建筑發(fā)展形態(tài)。

1.4 未來主義智慧建筑主要特征

未來主義智慧建筑主要特征：未來主義科技感、智慧化自適應自進化、資源優(yōu)化、綠色節(jié)能，可實現(xiàn)建筑和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的建筑［3］。

具體表現(xiàn)在以下5個方面：一是萬物智聯(lián)，基于5G+物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術實現(xiàn)萬物互聯(lián)，連接無所不在，進而推動人、機、物深度連接與融合，實現(xiàn)高階的智能人機交互；二是系統(tǒng)協(xié)同，借助萬物智聯(lián)和智慧運營平臺，可實現(xiàn)各智慧子系統(tǒng)的深度協(xié)同和調(diào)用服務，極大地提高智慧化水平；三是數(shù)據(jù)融合，物聯(lián)網(wǎng)和智慧運營平臺像珊瑚蟲一樣，實時收集海量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的量變、質(zhì)變和融合打通，數(shù)據(jù)成為智慧建筑發(fā)展的基石；四是智能驅(qū)動，憑借人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等技術的加持，對建筑全場景進行運營決策和治理，提升運行效率，降低運營成本。五是生態(tài)友好，建筑低能耗、材料環(huán)保、低碳排放甚至是碳捕捉、水資源循環(huán)節(jié)約、底廢棄物和零污染，實現(xiàn)人與建筑，人與自然的和諧、可持續(xù)發(fā)展生態(tài)［4］。

1.5 發(fā)展趨勢

在沿襲未來主義思想基礎上，智慧建筑將會呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢。

未來主義思想進入新的階段，繼續(xù)引領未來主義建筑的發(fā)展；建筑設計模型和運營模型的一體化和智慧化；泛在連接和AI云一體化成為建筑信息基礎設施的主要規(guī)劃方向；快速增長的大數(shù)據(jù)成為智慧運營的重要基礎資源；強人工智能和運營大腦功能日趨豐富和完善；各種新技術深度融合改變原有建筑內(nèi)的設備、軟件、建材等；建筑的原始性和智慧化的完美融合。

近期發(fā)展以BIM建筑信息模型、物聯(lián)網(wǎng)、通信等技術應用為主；中期以云計算技術、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、系統(tǒng)仿真、VR/AR、新材料、新能源發(fā)展為目標；遠期目標以人工智能技術、生物芯片、腦機交互等研究為主。由于人工智能技術是建筑實現(xiàn)智慧化的關鍵技術，基于機器學習的弱人工智能將在中期得到應用，遠期則針對強人工智能的深層應用研究。

未來主義智慧建筑具備超高速、大容量的信息通信網(wǎng)絡，擁有多維感知、數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能決策能力的大腦，可與實體空間精準映射、智能交互、虛實融合實現(xiàn)數(shù)字孿生，實現(xiàn)建筑全生命周期的智慧化。其智慧化的路徑，將從信息化到智能化，再到智慧化，建筑不斷進化完善中（見圖1）［5］。

圖1 信息服務特征演變

2 智慧建筑新技術和新應用

2.1 新技術

在云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、軟件定義、被動式建筑、全息投影、VR/AR、生物芯片，腦機通信等各種新技術爆發(fā)式進步和深度融合的作用下，智慧建筑也呈現(xiàn)出日新月異的嶄新面貌，離未來建筑越來越近。以下簡要論述一些較重要的新技術和新應用。

2.1.1 云計算成建筑的智能基礎設施中心

云計算貫穿新型芯片、新型數(shù)據(jù)庫、自驅(qū)動自適應的網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、AI、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、量子計算整個IT技術鏈路，同時又衍生了無服務器計算、云原生軟件架構(gòu)、軟硬一體化設計、智能自動化運維等全新的技術模式，云正在重新定義IT的一切。

基于上述云計算特性，圍繞云計算，建筑內(nèi)的各智能系統(tǒng)可以靈活彈性的源源不斷地將新的IT技術變成建筑內(nèi)觸手可及的服務，使得軟硬件成本更低，實施部署具備彈性，為建筑智能化奠定堅實智能設施基礎［6］。

2.1.2 數(shù)字孿生和智慧仿真打造建筑孿生仿真中心

數(shù)字孿生應用平臺由物聯(lián)網(wǎng)、三維GIS、BIM建筑信息模型構(gòu)成，附著建筑數(shù)字信息，涵蓋安防管理、能源管理、資產(chǎn)管理、運營管理等聯(lián)動使能，可與實體建筑精準映射、智能交互、虛實融合，及時準確反饋建筑運行狀態(tài)，靈敏評估建筑態(tài)勢精準輔助運營，極大提高運營效率并降低成本，還可將運營經(jīng)驗智能化反哺至規(guī)劃設計階段，全面賦能智慧建筑規(guī)劃、建設、運營等生命周期。

智慧仿真以數(shù)字孿生平臺為依托，加持CFD計算流體動力學軟件、多體動力學仿真軟件、計算傳熱學仿真軟件、VR/AR等技術，再將人工智能技術引入仿真系統(tǒng)構(gòu)成“智能仿真系統(tǒng)”，因而具備決策制定、規(guī)劃能力、智能評估、分析、預警、監(jiān)測等強大功能，具有網(wǎng)絡化、虛擬化、智能化、協(xié)同化、普適化等特征。智慧仿真以STREAM、Adams、Simulink等仿真軟件為代表，集合建筑群風環(huán)境、熱環(huán)境、室內(nèi)自然通風、氣流組織分析、洪水模擬、被動式房建筑設計模擬、風機噪聲-周邊建筑影響分析、設備壽命評估等功能，可高效完成仿真建模，提前預判評估建筑運行可能發(fā)生的各項潛在風險及演化趨勢，未雨綢繆助力智慧建筑安全運營［7］。

2.1.3 大數(shù)據(jù)賦能智慧建筑運營

泛在5G等通信網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)將人和建筑、物和建筑以及物和物之間的泛在連接，使得物理世界的大量信息通過數(shù)字化進入數(shù)字世界，同時疊加建筑創(chuàng)新應用場景持續(xù)涌現(xiàn)，智慧建筑會積淀下更多系統(tǒng)性和價值性的大數(shù)據(jù)，得益于這些大數(shù)據(jù)的滋養(yǎng)，數(shù)字孿生、數(shù)據(jù)智能、機器智能等技術將具有更大的發(fā)揮空間和想象力，繼而獲得更多的數(shù)據(jù)資源，循環(huán)更新迭代推動大數(shù)據(jù)進步。

在未來智慧建筑中，更多的基礎設備隱身于后臺，不再依賴每天人工巡檢，各設備自動在線心跳診斷運行狀態(tài)，基于大數(shù)據(jù)的積淀，建立多種設備故障和壽命模型，結(jié)合人工智能、仿真，可以更及時準確進行預防性檢修和故障維修甚至提前更換設備，真正做到萬無一失。

2.1.4 人工智能將成為智慧建筑管家

AI將成為像IDC、存儲、云計算、網(wǎng)絡一樣的基礎設施，通過行業(yè)專家訓練、強人工智能算法研究、大數(shù)據(jù)資源訓練和仿真器模擬，普惠AI可以在建筑適配落地，幫助智慧建筑以最佳參數(shù)、狀態(tài)、功能來配比選擇，運行，進化。

智慧建筑AI應用的核心是軟硬件的支撐及大數(shù)據(jù)趨勢邏輯的建立。環(huán)境感知技術加上深度的信息分析，進而出現(xiàn)智能感知的機器智能，為智能建筑提供先決條件。這項技術集合了能讓系統(tǒng)認識環(huán)境、自我學習以及自主行動的高級算法。通過大量統(tǒng)計、分析、模擬、論證，得出對于建筑設備、產(chǎn)品、系統(tǒng)、軟件等需求的趨勢，還可對相關模塊的需求趨勢做周期性的預測。甚至未來可能出現(xiàn)智慧建筑AI管家，具備仿生視覺、自組織、自學習、自主控制與決策等功能，管理建筑的方方面面（見圖2）［8］。

2.1.5 軟件定義技術顛覆建筑基礎設施

傳統(tǒng)的軟件可以分為嵌入式、企業(yè)管理軟件、信息安全軟件、中間件、工具軟件等，在云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術新模式?jīng)_擊下，軟件產(chǎn)業(yè)在不斷地進化創(chuàng)新、顛覆自我：軟件定義網(wǎng)絡（SDN）、軟件定義數(shù)據(jù)中心（SDD）、軟件定義系統(tǒng)（SDS）、軟件定義存儲設備等日趨成熟，未來甚至會出現(xiàn)軟件定義的各類設備、智能傳感器，結(jié)合邊緣計算，跨界融合，使得設備更智能，軟硬件融合更自然，服務更彈性。軟件定義使得建筑的基礎設施變得更易于配置和管理，軟件快速迭代部署和測試，從而加速技術的革新［9］。

圖2 基于強人工智能的持續(xù)學習優(yōu)化功能

2.2 建筑新材料

新型綠色環(huán)保型的材料將替代建筑中存在的水泥、涂料類、板材類等污染源，在材質(zhì)、功能、性能等方面大放異彩，更適合建造宜居建筑。主要有以下幾類。

凈化空氣材料主要包括吸附材料和TiO2等納米半導體光催化材料，可吸附分解和氧化分解有機污染氣體，達到除臭、抗菌、凈化空氣、治理室內(nèi)空氣污染的作用；某些森林功能材料涂料建材能誘發(fā)空氣產(chǎn)生負離子，可促進人體心臟細胞的繁殖，提高人體健康水平。

舒適性建材能自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度，從而達到舒適性環(huán)境溫濕度，包括調(diào)溫材料和調(diào)濕材料。調(diào)溫材料是利用相變材料在相變點附近低于相變點吸熱，高于相變點放熱的性質(zhì)，將能量儲存起來，達到節(jié)能調(diào)溫的目的。調(diào)濕材料主要有木纖維、石膏等天然吸濕性材料、天然多孔礦物材料和其他非晶多孔材料等［10］。

此外，還有如太陽能幕墻、變色玻璃等建材，一方面可以在節(jié)能減排方面發(fā)揮作用，另一方面可以大幅提升建筑外立面的美感和科技感，更符合未來主義建筑的理念。

2.3 建筑新模式

2.3.1 建筑工業(yè)化

集成科研、設計、制造、裝配、回收及評價一體化的全產(chǎn)業(yè)鏈工業(yè)化體系，以建筑模塊化為突出特征，系統(tǒng)性生產(chǎn)、模塊化安裝、工作量減少，具有良好的品控保障，實現(xiàn)智慧建造。

2.3.2 被動式建筑技術

被動式超低能耗綠色建筑可滿足當?shù)貧夂蛱卣骱妥匀粭l件需求，通過仿真模擬分析對建筑的圍護結(jié)構(gòu)進行高強度的保溫、隔熱性能和氣密性的設計建造，并采用高效暖風回收系統(tǒng)和新風系統(tǒng)來降低建筑對能源的需求，充分利用可再生能源，滿足綠色建筑基本要求。未來被動式建筑結(jié)合新能源和碳捕捉技術，將實現(xiàn)真正的綠色建筑［11］。

2.3.3 建筑仿生

仿生建筑注重環(huán)境、經(jīng)濟效益與形式創(chuàng)新的有機結(jié)合，它通過生物界的相似現(xiàn)象原則和機制來解決空間調(diào)解、空氣交換、照明、通風、溫濕度控制等方面的間題，探索節(jié)約材料、能源和空間的方法。例如，模仿荷葉的葉面結(jié)構(gòu)研制出的硅樹脂外墻涂料可使得外墻保持干燥和美觀，防止霉菌和藻類在墻面上繁殖。

3 未來主義智慧建筑價值重構(gòu)

3.1 當前建筑價值瓶頸

當前建筑一是缺乏統(tǒng)一和前瞻性規(guī)劃，規(guī)劃、建設、運營各自為戰(zhàn)，未能形成有機整體。二是智慧終端基礎較差，智能化水平不高；三是數(shù)字化程度不高，大部分建筑數(shù)字化水平尚處于初、中級水平，數(shù)據(jù)孤島問題亟待解決，數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，大數(shù)據(jù)應用場景不足。四是運營水平有待提升，受限于軟硬件發(fā)展水平，多項業(yè)務和場景依靠人工來完成，運營效率低、運營成本較高，體驗感不佳；五是建筑壽命和功能不足，民用建筑壽命70年，商業(yè)地產(chǎn)壽命50年，建筑金融屬性和投機性質(zhì)濃厚，偏離居住功能太多，造成社會財富的浪費，間接影響新技術、新材料、新能源等技術在智慧建筑的普及應用。

3.2 未來主義智慧建筑價值評價體系的變化

當前的建筑評估側(cè)重在金融屬性和綠色建筑方面，隨著房住不炒的理念深入，建筑將回歸本源，智慧建筑的價值評價體系可擴展至全生命周期價值評估：規(guī)劃、建造工期、成本、功能、質(zhì)量、壽命、能耗、環(huán)境、運營管理、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益等幾方面，完成價值重構(gòu)。

3.3 智慧建筑價值評價體系的重構(gòu)

a）規(guī)劃：全量數(shù)字鏡像模型，結(jié)合VR/AR+BIM數(shù)字孿生，結(jié)合建造、運營的數(shù)據(jù)資源，可持續(xù)改善設計、升級迭代規(guī)劃原型，縮短規(guī)劃周期。

b）建造：全量數(shù)字鏡像模型、建筑3D打印、柔性材料，使能建筑工業(yè)化，可制造新型可裝配式建筑，具有可移動、可拼接、可折疊，低耗能、低成本、膠囊體微單元生態(tài)，可適配不同環(huán)境等特性，可實現(xiàn)大規(guī)模重復制造與施工，可大幅提升建設效率，大大縮短工期。

c）成本：建筑工業(yè)化、新型建材和新技術的應用將大幅降低每平米建安成本，同時弱化金融屬性、新型移動可裝配式建筑和智能交通系統(tǒng)將變革級差地租I決定地租成本過重的現(xiàn)狀，地租成本將不再是建筑最大成本。

d）功能：建筑從居住、容納人的活動空間原始需求衍生到各種智慧化服務的載體，數(shù)字孿生平臺在建筑中部署各類云化的前沿科技應用滿足業(yè)主辦公和生活需要，同時實現(xiàn)建筑智能化運維管控，并對建筑內(nèi)的空間、資產(chǎn)、設備設施實現(xiàn)數(shù)字化有效管理，兼具運營、檢測、預警、分析、指揮等功能。

e）質(zhì)量和壽命：壽命長且可回收利用的物聯(lián)傳感器、網(wǎng)關、智能設備、新建材等可直接提升建筑的質(zhì)量，進而再次定義建筑的壽命，實現(xiàn)價值重構(gòu)。

f）能耗：新能源、新材料、能源管理系統(tǒng)等實現(xiàn)精細化用能，安全用能，節(jié)能減排，為智能建筑提供源源不絕的綠色動力。

g）環(huán)境：環(huán)境屏蔽罩，凈化空氣，阻擋外界污染物質(zhì)。實現(xiàn)環(huán)境友好，水資源循環(huán)節(jié)約、底廢棄物和零污染，人與建筑，人與自然生態(tài)和諧，可持續(xù)發(fā)展。

h）運營管理：數(shù)據(jù)正逐漸成為與設備、資本和土地相并列的關鍵生產(chǎn)要素，大數(shù)據(jù)能力、物聯(lián)網(wǎng)能力、AI能力、安全能力為建筑運營發(fā)展提供充足新動能，同時大幅降低運營成本，提高運營效率，增加建筑的使用感官。

4 未來主義智慧建筑發(fā)展建議

智慧建筑建立在理性基礎上的對建筑內(nèi)涵和外延的探索，強調(diào)形式與內(nèi)涵的有機結(jié)合。如未來科技進步、未來地球的生態(tài)危機、未來人類的生活方式，未來人文需求等，這類探索涉及跨學科多領域的研究和合作，需要建筑師、工程師、科學家、藝術家的共同努力來完成。建議關注建筑的原始性和未來性的融合，立足人的傳統(tǒng)原始性需求，開展新的創(chuàng)新，增加新的體驗，確保設計模型整體和技術、歷史、空間的感動性與細部布局等要素和諧適配。

4.1 形式方面

未來主義智慧建筑發(fā)展建議關注大量參數(shù)化風格（工業(yè)感）建筑，非線性曲面帶來極富幾何和技術美感，帶有生物學特質(zhì)的設計傾向、獨特的建筑設計回應，大量高科技成熟應用、仿生等學科內(nèi)容滲透、超大超遠懸挑技術突破帶來的建筑形式突破、數(shù)字化建造控制等方面的發(fā)展。

4.2 科技內(nèi)涵

智慧建筑的發(fā)展需要平衡用戶需求、技術先進性、經(jīng)濟性的矛盾，實現(xiàn)價值體現(xiàn)和市場認可，走可持續(xù)發(fā)展的路徑。建議重點發(fā)展以BIM等建模技術、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、系統(tǒng)仿真為核心的數(shù)字孿生仿真平臺，以VR/AR、新材料、新能源發(fā)展為輔助，循序漸進建立落地示范效應。不同技術標準產(chǎn)生了大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)，融合才能實現(xiàn)統(tǒng)一共享價值；建立智慧建筑的評測平臺，實現(xiàn)檢測流程指標的標準化。

5 結(jié)束語

在物聯(lián)網(wǎng)市場快速發(fā)展的今天，在5G網(wǎng)絡商用和AI、云計算、系統(tǒng)仿真、仿生技術等新技術、新材料不斷應用的背景下，未來主義智慧建筑領域孕育著巨大的市場潛力。國內(nèi)運營商和企業(yè)應當抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)，充分利用國內(nèi)資源優(yōu)勢，整合國際資源，提升科技服務能力，為客戶提供全球一體化解決方案，同時堅持開放與合作，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)共贏，將“未來主義智慧建筑”作為物聯(lián)網(wǎng)領域新的發(fā)展動力和突破方向，實現(xiàn)價值重構(gòu)。