现代建筑电气工程的历程、内涵与愿景

程 大 章

(同济大学, 上海 200092)

0 引 言

20世纪60年代中期,世界建筑业启动新一轮的发展,建筑物单体的高度与体量急骤增加,200～300 m的超高层建筑、单体建筑面积超过10万m2的大型建筑已十分普通。建筑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(同一幢建筑物内可分层区,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)和服务性能日趋提高,人们越来越重视生活条件与环境的舒适性、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,都给建筑电气工程带来复杂性和大量的难题。

1 建筑电气工程是人类社会进步的产物

建筑物的电气设备曾经十分简单,其中的技术有过“一只开关两根线”的戏谑说法。但是随着经济与社会的发展,建筑电气工程发生巨大的变化。

为了满足建筑物使用功能与众多的服务要求,在建筑物中设置空调、冷热源、通风、给水、排水、污水处理、变配电、应急供电、照明、电梯、电动扶梯、安全防范、信息通信等建筑设备,这些建筑设备的数量庞大(一幢楼中可有数千台甚至数万台各类设备),分布区域广,不仅需要提供安全、可靠的电源,更需要对成千上万个参数进行实时监视与控制[1]。

由此可见,随着人类社会文明的进步,建筑物中电气设备的应用内容越来越多,关联的学科领域门类众多,逐步衍生成一门与应用对象(建筑物)紧密结合、具有学科交叉特征的技术——建筑电气技术。

早在1982年,中国建筑工程设计界就意识到建筑电气已不再是一个依附于土建工程的简单配套工程,而是应有其特殊地位的独立工种,于是向当时的国家建设局申请成立建筑电气专业组织——全国建筑电气情报网,并得到核准。1992年,建设部颁布JGJ/T 16—1992《民用建筑电气设计规范》,2002年国家技术质量监督局颁布国家标准GB 50303—2002《建筑电气工程施工质量验收规范》。国际工程界也开始关注建筑电气技术,国际电工组织IEC从1992年起陆续发布IEC 60364《建筑物电气装置》第1-7部分的标准。

1985年上海同济大学分校在全国率先筹办“建筑电气工程”专业,1987年起国内建工类院校陆续开办“建筑电气”专业,1997年同济大学开始招收“智能建筑电气技术”研究生。

2003年中国注册电气工程师开考,鉴于全国的建筑电气行业仅设计从业人员就有近7万人,于是专门分类设置建筑电气工程执业范围的内容,考试内容由中国建筑学会建筑电气专业委员会负责。

至此,建筑电气工程不仅在技术进步上完成其成长历程,而且得到行业、教育界及政府的认可。

2 建筑电气工程的特征

建筑电气技术是随着建筑业的发展而形成的,具有现代电气工程的鲜明特征与内涵。在沿着电气工程应用道路上,现代建筑电气设备已经无法简单地将其划为电工类、电子类、控制类或信息类设备[2]。

首要的特征是安全。在建筑物中,电力系统采用多功能测控一体化的综合保护装置,以提高供电的可靠性;设置火灾自动报警与消防联动系统和电气火灾监控系统,以防止火灾事故;设置安全防范系统,控制人为的突发安全事件等。建筑物中的电话、电视及计算机网络系统等数字化设备往往受到雷电、电火花、电网瞬变、高次谐波等各种电磁脉冲的干扰,因此需要以电磁兼容技术来处理防雷、接地、电涌电压吸收、静电泄放、屏蔽、滤波等问题,以保证信息类系统的正常工作。为保证建筑物中人身、事务和财物的安全,建筑电气工程的内容须日臻完善。

其次的特征是强弱电融合。以建筑物的供电为例,变电站高低压开关柜中的智能断路器中设有微处理器,以测控供电回路状态;同时整个供电系统中的断路器及测控电路又构成一个计算机网路,形成的能源控制系统对整个供电系统的运行状态进行实时监视、负荷调控以及综合管理。电气元件里嵌入xPU(各类专用的处理器芯片),电气开关柜内安装可编程逻辑控制器(PLC)和直接数字控制器(DDC);供电网、可再生能源、储能装置和电力用户合为一体的智能微电网等都显示建筑电气工程已不是单纯的强电设备,而是融合电工、电子、控制与信息技术的应用系统工程。

第三大特征是管控优化。建筑物中有70%的电力负荷是以电动机拖动的动力设备,已不再局限于简单的供电与开关。其中风机、水泵、电梯与冷冻机组等设备需要调节转速以取得最佳的工作状态与实现节能,因此在动力控制中采用变频器控制的设备占电动机负荷的25%～35%。由于大多数建筑设备是由多台设备构成一个系统,如冷冻水系统由多台水泵、多台冷冻机组及多台调节阀等组成,其中每台设备的运行状态影响着系统的工作,而每台设备的运行状态又受到系统中其他设备工作参数的干扰。所以,这些设备采用的变频器不仅要能实现反馈控制,而且需要有通信接口提供变频器全部的运行数据,受到上级管理系统的监控与协调。建筑设备系统的管控优化要求,只能由建筑电气技术给予支持。

总之,这三大特征均体现电工技术、电子技术、控制技术与信息技术在建筑物中的综合应用。

3 智能建筑提升建筑物的功能

智能建筑把计算机、控制技术及电子设备运用于建筑物,是高新技术在电气工程中的综合应用。智能建筑经过长期的建设、应用与管理,已经凸现其理论结构。智能建筑的理论结构如图1所示。

图1 智能建筑的理论结构

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,其应用对象是建筑物的使用者、管理者与服务提供者。只要是按现代化、信息化运作的机构,其建筑物都有智能建筑的需求,因此智能建筑并非办公建筑的专利,公共建筑、住宅建筑、工业建筑、军事建筑都属于智能建筑特定功能层。近30年来,全球建成大量智能型的办公楼、酒店、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,这些建筑物在世界经济与社会中起着极为重要的作用。在此层面上,智能化系统功能需求与设备配置受建筑物的个性、建设目标、管理模式和投资力度的影响,有较大的差别[3]。

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。在这些技术领域中,最新的技术成果及其形成的装备以最快的速度应用于建筑业。20年前,当软件工程界刚开始讨论中间件技术时,市场上立即推出采用中间件技术的智能建筑管理系统(IBMS)集成软件;当工业以太网技术出现突破,随即出现基于工业以太网的楼宇自动化系统;如今人工智能又进入智能建筑,进而被广泛讨论着智慧建筑的发展。

智能建筑嵌入许多令人目眩的技术,但并不仅是新技术的综合与新装备的组合,而在于其深层次中有基础理论的支撑。自从1945年奥地利人贝塔朗菲创建系统论形成“系统哲学”(把世界看作一个巨大组织的机体主义世界观),其包括系统本体论、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),也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、能量与信息为中心的体系。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,而更进一步通过统计及随机过程的分析来讨论语义分析、信息熵的应用。

“以人为本”并不是时尚的语句,如果智能建筑的功能设计与运行管理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的人行为处理分析和对策,则任何再先进的智能化系统也是失败的。

智能建筑还必须考量可持续发展,从设备与材料的环保、系统运行方式的综合能效设计、建筑物节能模式的选择到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。这些工作有助于7个工作目标: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。智能建筑自然应在“可持续发展”政策的覆盖之下[4]。

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。此外,智能建筑还具有以下三个特点。

(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,使之达到最优的综合目标,系统的优化目标函数S=f(包括技术、效率、价格、发展、环境、人气等)。

(2) 多学科的综合。智能建筑的规划、设计、运行和管理,涉及技术、经济、管理以及法律问题,都应综合应用各学科的知识来解决。

(3) 多因素的相关性。智能建筑与社会信息化、社会及经济发展、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期成本(Life Cycle Cost,LCC)来看,当采用某种设备与技术后,可改变其中相关的成本分项。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,因此照明设备延长寿命而减少照明设备的维护更新费用,可使建筑物LCC中的能耗费用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,又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成本中,对于广义的环境保护价值更是巨大的。

4 建筑电气的产业链

建筑业是我国经济发展的重要抓手。中国近代经济发展的历史与现实也印证了国民经济状态上升时建筑业兴旺,建筑业能够持续推动国家的经济增长。

随着我国城市化的进程,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,大大刺激建筑业发展,智能建筑与智能住宅小区更成为建筑业的精品。工业建筑、民用建筑、军事建筑与市政建筑中的电气设备投资已从20世纪80年代总投资的5%～6%,增长到总投资的10%～18%。同时市场中的各类建筑电气设备(供配电、照明、控制、火灾自动报警、通信、广播、电视、楼宇自动控制、安全防范、防雷等)不仅引进大量国外先进技术与产品,也涌现大批具有自主知识产权的产品。建筑电气设备制造业的民族企业稳定成长,据不完全统计,与建筑电气设备相关的国内企业有近万家。

目前在建筑电气行业,已基本形成一条稳定的产业链。建筑电气行业的产业链各方关系描述如图2所示。

图2 建筑电气行业的产业链各方关系描述

建筑物的建设和使用及管理单位、建筑电气设计安装单位、教育与科研单位、建筑设备制造商构成的产业链是稳固的,并在持续发展。

5 未来愿景

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。建筑电气技术作为现代建设技术的核心之一,面临着新的挑战。建筑发展趋势如何？未来建筑具有哪些特征？建筑的理念和建筑电气技术将发生什么变化？这些都是需要面对并努力去探索的问题。

未来的建筑除了传统的需求外,还要提供条件让人亲近自然;舒适已不是主要目标,而是以人的健康为重心;建筑的室内空间不仅要满足保护隐私和安静的需求,还要能信息交互畅通,提升创造力与工作效率。居住建筑和公共建筑实现服务个性化,在建造和运营过程中更重视保护环境、节约资源和降低污染。

近年来,社会发展与技术进步对建筑发生很大的影响。对于人们的生活而言,衣食住行的基本需求、追求的内容、获得的方式、体验和感受都在短时期内形成了跳跃,作为人类生存的主要场所——建筑物也正在被改变。

我国政府推进的智慧城市、智慧社区和智慧家庭对信息技术应用于住宅提出了要求;老龄社会居家养老的住宅与传统住宅有明显的差异,智能化、物联网等技术将深入到家家户户的日常生活。在城市建设中,节约土地资源的高密度城市、以节约资源保护环境为核心的绿色建筑,以人的生存环境为核心的健康建筑、以社会安全为核心的平安城市、以及使既有城市适应现代社会的城市更新等发展要求,更对居住建筑和公共建筑的建设与运营提出革命性的目标。

现代建筑的社会生态正在发生着巨大的变化,促使建筑物的功能、形态、性能、运营及与城市交互渗透等方面形成新的理念和技术方案。大数据(Big Data,BD)、人工智能(Artificial Intelligence,AI)、云计算(Cloud Computing,CC)、物联网(Internet of Things,IoT)、区块链技术(Blockchain Technology,BT)、虚拟现象(Virtual Reality,VR)等新技术的应用冲击社会的各个领域,建筑物的数字化生态则为新的理念和技术方案提供智慧技术手段,并在信息通信技术(Information Communication Technology,ICT)推进社会变革的同时,为建筑物与人创建智慧管理、智慧服务和智慧运营的空间。于是,智能建筑行业内外频频提出以智慧建筑颠覆智能建筑的说法。

综上所述,未来建筑必然是智慧、绿色和健康的,要为各类居住使用人的生活融入智慧社会和绿色社会创造条件,实现健康中国的目标。

智慧建筑实现的技术期望有三个方向:

(1) 做好基础的建筑智能化系统工程,应用建筑信息化模型(Building Information Modeling,BIM)技术,广泛采集建筑物及其相关信息,建立建筑物运行的数据平台,提升历史数据与实时信息的价值。这在部分建筑智能化系统比较完善的工程中,应用IBMS平台进行运营数据的统计分析和关联应用,已经可以实现。如果基础的建筑智能化系统工程(消防、安防、通信、设备监控、网络、布线等)未能完善实施,就不可能较全面地获得建筑物运行的数据,后续的智慧应用是无法实现的。

(2) 综合利用建筑物运行数据的平台,应用人工智能技术构建虚拟管家和虚拟物业运营总监,实现高品质的个性化服务与高效率的管理。综合利用建筑物运行数据不仅是用简单的报表和统计的饼图、线图等形式给出可视化的结果,而是需要通过多维视角的数据库,寻求业务关联的数据,发掘数据的价值。

住宅的虚拟管家针对家庭生活的基本需要、管理事务与社区的联系,为住家建立的AI型旁站管家系统帮助家庭成员获得良好的生活环境、安全方便的生活管理和与社会的密切联系。大型公共建筑的运营事务烦多且复杂,人工管理往往顾此失彼,应用信息化与人工智能技术来构建虚拟物业运营总监,可以应对绝大部分的日常工作。建筑物故障预测与健康管理(Building Prognostic and Health Management,B-PHM)系统对大型公共建筑的全生命期进行故障预测、健康状态评估和健康管理。大型公共建筑的运行数据库汇聚建筑物的历史与实时、静态与动态信息,包括建筑结构、空间、设施、环境、交通、卫生、服务质量、经营状况、能源消耗及成本等数据。这些数据经B-PHM针对每一类业务进行分析、故障预测和健康状态评估(健康、亚健康、病态、严重病态?),提出诊断报告,提供决策建议,必要时给相关系统发出控制策略指令。B-PHM系统的诊断情况还可通过建筑物的运营中心按照智慧城市运营中心的要求上传。

(3) xPU、AI深度应用、生物特征获取、使唤机器人和5G商用等将改变传统建筑智能化系统的功能和形态。目前BAT等多家大型企业正在研制建筑物运行的传感器,把温度、湿度、空气质量、噪声、照度、人体活动等多参数检测合为一个装置,在多功能与低成本方面已有足够的进展。当这类传感器遍布整个建筑物时,建筑运行信息将为AI系统的功能实现提供充分的基础数据。

智能硬件和智能软件在不断地突破人们的认知极限,综合高新技术的机器人能力越来越强,5G商用的实现可以为信息通信和物联网应用提供无限的传输通道,未来智慧、绿色和健康建筑所提出的需求都可以在技术上得到支持。

习近平总书记在党的第十九次全国代表大会上提出“加快建设创新型国家”,“为建设科技强国、质量强国、航天强国、网络强国、交通强国、数字中国、智慧社会提供有力支撑”。数字中国体现着信息化融入国家的所有领域,智慧社会的达成则意味着政务、商务、事务、生活、文化等都在数字中国的基础上形成智慧的应用服务和管理。

近30年来,我们一直在推进智能家居、智慧建筑、智慧住区、智慧社区、智慧园区、智慧城市等建设,但很多结果并不如意,冲动地做了很多孤立的、先进的、不可持续的项目。回顾之后发现除了技术问题外,主要还是对于这类智慧项目的生态,没有纵横上下的全面考量。智慧社会的理念突破传统视野的局限,智能家居、智慧建筑、智慧住区、智慧社区、智慧园区、智慧城市等融入智慧社会后,才能有效地建设和运营。智慧社会包孕智慧X如图3所示。

图3 智慧社会包孕智慧X

智慧社会是以宽带通信、移动互联网、物联网、量子计算、大数据、人工智能、地址定位、虚拟现实等技术为支撑的全新社会形态。在人工智能与其他科技的融合创新与聚变发展下,社会形态正在全面系统性地演进,使人类社会逐步地逼近变革的临界点。智慧社会成为继农业社会、工业社会、信息社会之后的一种社会形态。

智慧社会是科技与社会互动发展的产物。科技对各类政治、经济、社会活动产生影响作用的同时,政治、经济、社会活动也对科技应用提出需求和制约,这反映科学技术对社会发展的客观赋能。智慧社会的发展受制于人类社会的法律、道德、伦理等规范,同时社会规范也需要在科技创新和运用的环境下持续发展。

我国大规模建设的高潮终将过去,更应关注提高各类建筑物的运营质量和既有建筑的改造,把绿色发展的理念落地到支持运营的建筑电气工程的规划、建设和运行中去。

6 结 语

建筑电气工程师应在可持续发展的国策指导下,充分注重节能与环保的新标准,在电气系统设计、电气设备材料选择和电气系统运行模式等设计中承担起社会责任。建筑电气工程的复杂性促使我们不仅要满足建筑物对信息流与能源流的分配与控制,而且要采用智能化与信息化的技术实现各种节能控制与优化管理,进而为建筑、城区及城市的高效与精细化管理提供技术基础,坚持创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念,从智慧社会的高度去汇聚智慧,充分共享建筑物和社会的信息,使智慧、绿色和健康建筑成为提升人们的生活质量,实现智慧生活的基础。

总之,智能化、数字化与绿色化将是现代建筑电气技术发展的趋势,建筑电气工程师任重道远。