智能建筑理论与工程实践

程大章

（同济大学  200092）  

摘要： 本文在工程实践与理论研究的基础上提出了智能建筑理论的体系结构与理论特征，并且指出智能建筑已经形成了一个完整的产业链，将在中国的城市现代化中发挥更为重要的作用。

关键词： 智能建筑，系统论，信息论，可持续发展，人本论，产业链

20世纪60年代中期，世界建筑业启动了新一轮的发展，建筑物单体的高度与体量急骤增加，二、三百米的超高层建筑，单体超过10万平方米的大型建筑已十分普通。建筑物规模的增大与工程建设的技术难度不仅体现在高度与面积上，建筑物的多功能使用（同一幢建筑物内分层区具有办公、酒店、商场、公寓、娱乐等使用功能）。各类使用者对建筑物的服务要求多样化与服务性能日趋提高，越来越重视生活条件与环境的舒适性、与社会和人际沟通的便捷性、生存空间的安全性、设施服务的完善性、管理组织的严密性等。在解决这些复杂难题的过程中逐步形成了智能建筑的概念。

1        智能建筑的理论体系

长期以来，对智能建筑是否存在理论与学科特征，一直未能形成比较一致的认识。有些人士认为智能建筑就是把计算机、控制及电子设备运用于建筑物，只是高新技术的综合应用而已，并无理论可言。

然而，笔者认为经过二十年的实践，智能建筑已不如早期那么神秘朦胧，在长期的建设、应用与管理中，已经凸现其深层的特征，有必要对此进行探讨。图1所示为智能建筑理论的结构，下面将分别进行阐述。               

      图1智能建筑理论的结构

1.1   应用对象层   智能建筑为人类活动提供信息化、自动化的工作和生活场所，他的应用对象就是建筑物的使用者、管理者与服务提供者。

1.2   特定功能层   只要是按现代化、信息化运作的机构所在地都有智能建筑的需求，因此智能建筑早已不是办公建筑的专利，公共建筑、住宅建筑、工业建筑、军事建筑都可以按智能建筑建设。    近十年来，中国与全球一样建成了大量智能型的办公楼、洒店、体育场馆、会展中心、医院、学校、法院、图书馆、剧院、博物馆、机场、车站、住宅、电子厂、食品厂、化工厂、发电厂、军营、应急指挥中心等建筑物，这些建筑物在世界的经济与社会中起着极为重要的作用。在这一层面上，智能化系统功能需求与设备配置往往受建筑物个性、建设目标，管理模式和投资力度的影响而有较大的差别。

1.3   应用技术层面   这是智能建筑的技术基础，由通信网络技术、智能控制技术、信息处理技术和综合管理技术等组成。在这技术领域中，最新的技术成果及其形成的装备会以最快的速度应用于建筑业。如在5年前，当软件工程界刚开始讨论中间件技术时，市场上立即推出了采用中间件技术的智能建筑系统集成软件I²BMS。又如当工业以太网技术出现突破，随即出现了基于工业以太网的楼宇自动化系统。

1.4    基础理论层   虽然从表面上看，智能建筑嵌入了许多令人目眩的五光十色的技术，但实质上智能建筑并不仅是新技术的综合与新装备的组合，而在其深层次中是有基础理论的支撑。

自从1945年奥地利人贝塔朗菲创建系统论形成了“系统哲学”，这是把世界看作一个巨大组织的机体主义世界观，它包括了系统本体论、系统认识论、系统价值论和系统方法论。系统理论的概念（等级秩序、渐进分化、反馈、开放等）与方法（图论、集论、控制论、对策论、排队论等）是智能建筑总体设计与工作流程规划中的重要工具。

美国人香农在1948年奠定了信息论的理论基础，使人类传统的科学从以材料与能量为中心的体系，转变为以材料、能量与信息为中心。当建筑物的智能水平日益提高后，人们已不满足仅在通信信道容量、噪声抑制、数据加密上应用信息论，而需要进一步通过统计及随机过程的分析来讨论语义分析、信息的熵的应用。

“以人为本”在如今似乎已成为一句时尚的语句，但在智能建筑的功能设计与运行管理中，如果缺乏针对使用者与管理者的工作和生活便利考虑；缺乏以人机工效学对人机界面、机器与人的共享空间的设计；缺乏在智能化、数字化环境下对不同职能与层次人的行为处理分析和对策，那么任何再先进的智能化系统也是失败的。

智能建筑不仅仅是当前高新技术的尽情应用，必须从可持续发展的角度对建筑物的一切进行考量：设备与材料的环保，系统运行方式的综合能效设计，建筑物节能模式的选择，建筑物管理的组织结构设计，都需要从有利于协调“自然·社会·经济”关系，提高“人口·资源·环境”可持续发展的水平来考虑。这些工作要有助于建立7个项工作：选择资源节约型的经济体系、推进社会公平化的社会体系、重视提高国家综合实力的科技体系、保持自然生产能力的生态体系、促进环境质量提高的环境体系、提高国民整体素质的人口体系和规范合理行为的政策法规体系。“可持续发展”是我国的基本国策之一，已深入到整个社会。智能建筑自然也在“可持续发展”政策的覆盖之下。

显然，在智能建筑所有的相关领域，以上的理论都在工作过程中起着宏观导向与微观指导的作用。

2        智能建筑理论的特征，

通过上述分析可见，智能建筑不仅存在理论，而且其理论结构相当复杂，还具有以下三个特征。

2.1多目标的优化  智能建筑不是机械的技术与设备集合，而是一个大系统，需要多视角地考虑技术、管理、经济、人文、环境等因素的大系统运行目标，并且调动各种手段使系统达到最优的综合目标。即系统的优化目标函数为：S＝f（技术、效率、价格、发展、环境、人气等）。

2.2  多学科的综合  这一点是显然的，智能建筑的规划、设计、运行和管理，所涉及的技术，经济、管理以及法律问题，都必须有效地应用各学科的知识成果来解决。

2.3  多因素的相关性    智能建筑与社会信息化、社会经济发展、管理模式、装备技术发展、政府导向等具有十分密切的关系，尽管就表面来看智能建筑仅是一种建设行为与经营管理方法。但是从建筑物的生命周期成本（LCC  Life  Cycle  Cost

2.4  ）来看，当某种设备与技术采用后，可改变其生命周期中许多相关的分项状态。

       图2  建筑物生命周期成本（LCC）分布

比如采用完善的BA系统进行照明系统的节能控制（按照度、时间、夜间最低照度、分区等），可以有效降低电耗与照明设备的运行时间，而照明设备因此而延长寿命减少了照明设备的维护更新费用。这可使建筑物生命周期成本中的能耗费与设备更新费用减少。但是要实现这一目标需要设置完善的BA系统，要增加建设的一次投资。同时，降低能耗的效益并不仅仅体现在LCC的图中，他对于广义的环境保护价值更是巨大的。

3        智能建筑工程实践的分析。

近年来，随着中国综合国力的增强，全国各地的智能建筑热潮有涨无退。由于我们已经历了较长期的探索，在工程建筑中有许多成功的经验，也有不少失败的教训，无论是建设方/业主，工程技术人员，还是物业管理人员，都逐步趋于成熟。因而最近起步建设智能建筑的地区（暂称为后行地区），往往可以比北京、上海、广州等先行开发建设的大城市（暂称为先行地区）有更好的建设效果。我们将之称为后发优势，见图3。

图3  先行地区与后行地区的智能化系统应用周期

智能化系统工程先行地区由于一开始处于探索前进的过程，不可避免地在早期建设中存在着各种过份的行为（控制论中称之为超调），随后又出现因失误而放弃的行为（称之为振荡过程），最后趋向于合理的装备与功能水平。而后行地区由于可以借鉴先行地区的经验与教训，可以比较合理稳妥地确定自己的智能化系统工程建设目标与行为，虽然起步稍迟，但最终可以与先行地区趋向于同样的建设效果，而他所化的代价则比先行地区要小得多（如早期智能住宅小区建设成本高达230元/M²，而近年来则在60元/M²左右，而且装备的性能与质量更好）。

4        智能建筑已经形成产业链

建筑业是中国经济发展的重要抓手。中国经济发展的历史与现实清楚地告诉我们，国民经济状态上升建筑业必然兴旺，建筑业发达了国民经济必然形势大好。中国近年来持续的经济增长其中就有1-2个百分点来自建筑业贡献。

随着中国城市化进程的加快，全国的基本建设规模不断增大，北京市2008年的奥运会与上海市2010年的世博会，大大刺激了建筑业发展，智能建筑与智能住宅小区则成为建筑业的精品。在工业建筑物、民用建筑物、军事建筑物与市政建筑物中的电气设备投资已从上一世纪80年代总投资的7%—6%，增长到总投资的10%—18%，并且还在不断上升。与此同时，市场中的各类智能建筑电气设备不仅引进了大量国外先进技术与产品，也推出了一定数量具有自主知识产权的产品。据不完全统计，与智能建筑电气设备相关的国内企业约有6—8千家，智能建筑电气设备的民族企业在稳定成长。目前智能建筑行业，已基本形成了一条稳定的产业链，产业链的各方关系可以用下图来描述。

头表示各方的相互关系：

①提供建筑化系统设备工程与技术服务

②提供智能化系统设备功能信息、设备使用改进意见

③提供产品与设备技术信息

④提供系统设备需求信息与系统设备功能信息

⑤人才与技术的需求与供应

                图4  智能建筑的产业链示意图

图4所示的关系中，工作的基础是国际标准、国家标准与行业标准（注：GB50314 为《智能建筑设计标准》，GB50339为《智能建筑施工及验收规范》）。

5  智能建筑应用的发展趋势

随着文明的进步，人们对工作与生活的环境要求不断地提高，建筑物的功能与相应的标准也逐步提升。智能建筑作为现代建设技术的核心，面临着新的挑战。

城市的规模越来越大，建筑群的功能特征日趋明显，出现了中央商务区CBD（Center Business District）、休闲商务区RBD ( Recreation Business District)、工业园区、行政中心区、经济开发区、住宅小区等特定功能的区域。现代城市管理必须采用信息化手段对这些区域的建筑群与建筑设备进行综合管理，这对智能建筑提出了新课题。在美国“911”事件之后，建筑物的防灾、减灾及反恐等安全问题凸现，建筑物中的消防、安防、防灾及应急供电等已不可缺少，唯有借助智能化的应用系统，才能使之精准、有效、稳定与可靠地工作。

显然，当我们的视角从一栋建筑物扩展到一组建筑群乃至一个城市来讨论智能建筑时，系统论、信息论、人本论、可持续发展论的作用与价值将更为巨大的。

结束语

本文是笔者从多年从事智能建筑研究与工程建设中摸索而得的认识，这一关于智能建筑的理论构想希望能得到业内专家的批评与指导。

Intelligent Building Theory and Engineer Practice

Cheng Dazhang

(Tongji University, Shanghai, 200092, China)

Abstract:  According to the practice in projects and research in theory, this article put forward the system structure and character in theory of intelligent building. The article indicates that intelligent building has been an integrity supply chain, and it will react on the development of modern city.

Keywords:  Intelligent building, System Theory, Information Theory, Sustainable development, Humanistic Theory, Supply chain。