系统集成理念驱动下的智能建筑设计研究——以墨尔本地区公共建筑为例

范 乐， 王燕语， 崔剑锋，宋 宁, 卢湘蓉

(1. 中国建筑科学研究院有限公司西南分院， 四川成都 610041; 2. 四川中建研科技有限公司，四川成都 610041； 3. 哈尔滨工业大学建筑学院， 黑龙江哈尔滨 150006;4. 黑龙江省寒地建筑科学重点实验室， 黑龙江哈尔滨 150006)

智能建筑(Intelligent Building)及建筑自动化(Building Automation)由于高度结合了计算机技术、通信技术与现代控制技术的最新成果，通过打造高度自动化的管理及运营体系[1]，为建筑的使用者提供了舒适及高效的室内空间环境，改善传统建筑物理环境及使用体验的同时促进了社会生产生活方式的革新，成为当今建筑设计领域新的研究热点与发展方向。本文拟在现有相关研究的基础上，通过对智能建筑内涵与系统集成理念的解析，围绕智能建筑创作的性能化、服务导向与信息集成三方面的核心特征[2]，以笔者在墨尔本地区对公共建筑调研为例，提出了基于建筑性能表现的空间造型设计、基于功能服务导向的功能分区及流线设计与基于信息系统集成的运营管理模式的三方面问题。

1 智能建筑的内涵与系统集成理念

1.1 智能建筑的定义与功能构成

1.1.1 智能建筑的定义

智能建筑的概念源起于20世纪末的美国[3]，虽然当前对“智能建筑”的定义并没有形成共识，但董惠在《智能建筑》一书中总结了当前主要的定义有以下几类[2]：

(1)美国智能建筑学会认为智能建筑是对建筑物的结构、系统、服务和管理四个基本要素进行最优化组合，旨在为用户提供高效经济的环境。

(2)日本智能建筑研究会认为智能建筑应提供包括商业支持功能、通信支持功能等在内的高度通信服务。

(3)欧洲智能建筑集团认为智能建筑是使其用户发挥最高效率，同时又以最低的保养成本、最有效的管理本身资源的建筑。

(4)我国GB 50314-2015《智能建筑设计标准》中认为智能建筑是以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通信网络系统，集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。这些定义的共性在于高度重视计算机及通信技术在建筑性能及运营管理上起到的重要作用，通过系统集成理念落实建筑用户对便捷高效使用需求。

1.1.2 智能建筑的功能构成

智能建筑对用户的使用要求是通过建筑智能化系统实现的。根据现有研究对建筑智能化系统的概述，其主要由建筑设备自动化系统(BAS)、通信网络自动化系统(CAS)和办公自动化系统(OAS)三大功能要素构成。其中建筑设备自动化系统又包括了电力供应、环境控制、火灾自动报警、安全防范和物业管理服务等子系统[4]。但真正赋予建筑“智能”意义的，在于这些系统之间运用计算机网络及通信技术建立了功能相互关联、信息高度整合、资源高度共享与控制高度自动化的有机整体。通过中枢控制平台的信息处理与资源协调，实现建筑物理环境、建筑使用体验及管理效率的提升。

1.2 系统集成的特征及内涵延伸

系统集成是整合建筑硬件和软件资源，落实建筑使用需求的关键手段。这要求设计师必须具备全局观，在建筑设计流程中把握与贯彻系统集成理念的运用。系统集成理念下的智能建筑大体包括以下三个方面特征：

(1)智能化设计。这要求一开始便整合制约建筑设计的使用者行为、文化及文脉要素，从设计源头把控设计目的，提出后续智能技术应用必须解决的关键问题。

(2)智能技术的适当应用。技术应用的本质源于解决矛盾而非先进技术的简单堆砌，因此系统集成范畴下智能技术的选用应以用户的内在需求为核心，依托于建筑性质及其空间特点。

(3)智能化的使用与维护方式。传统生产生活方式与社会观念的惯性是先进理念的受益者，同时也可能对新理念、新技术的普及与应用造成阻碍。或缺乏观念更新与行为模式的重构环节，“智能”便失去了其应有的意义，通过系统集成提升运营效率与减少经济、环境成本的尝试也将面临考验。

2 基于集成理念的智能建筑设计——以墨尔本地区公共建筑为例

2.1 基于建筑性能表现的空间造型设计

欧洲智能建筑集团(EIBG)曾指出建筑的性能表现衡量标准应在两个层面得到体现：首先，业主需要明确建筑的性质及其使用模式，设计活动应基于建筑用户的需求展开；其次应运用技术手段落实特定的设计目标，解决建筑自身的物理环境、节约资源与降低能耗等问题。如图1所示为墨尔本大学的建筑学院新馆，由于自习、模型制作、作品展示与小组讨论在平时学习活动中占的比重很高，因而利用通高的中庭与周边环廊来组织其中主要的公共活动，采光中庭的设置解决了日常大多数的公共活动自然采光需求，同时也大量运用了LED灯等作为补充光源，降低了建筑照明系统的能耗。如图1(a)所示，通高采光顶用巨大的树形钢结构进行支撑，其发散状不均匀布置的梁结构引入自然光线的同时避免了阳光直射对学习活动的干扰。同时将采光需求较小的藏书及展陈空间置于地下室，而阅览区域结合建筑周边的半地下采光顶设置，并通过光敏感应装置实现对补充光源的照度调控，如图1(b)所示。建筑的表皮也使用了可自动调节的遮阳挡板，增加了室内光环境的舒适度，如图1(c)所示。

(a) 通高采光顶

(b) 半地下采光顶

(c) 自动调节的遮阳挡板

图2所示为斯威本科技大学的行政楼，设计者基于当地日照条件通过控制山墙面采光面的面积与角度营造室内光环境，如图2(a)所示。楼体内部设置通高中庭，充分利用拔风效果调节室内风环境，同时中央空调的给风口沿各层走廊环状布置，屏蔽中庭热空气的同时降低冷风直吹的影响，如图2(b)所示。在西晒面采用外走廊与遮阳表皮相结合的方式，降低阳光直射的强度，走廊成为隔热层而具有较好的通风散热效果，降低了空调系统能耗，如图2(c)所示。

(a) 山墙采光面积与角度可调

(b) 通高中庭调节室内风环境

(c) 走廊成为隔热层

2.2 基于人本服务导向的功能分区及流线设计

智能及自动化技术的应用目标是为建筑用户提供更优质的服务，通常通过通信网络自动化系统和办公自动化系统来实现。智能建筑的服务性特征体现在：

(1)通过对信息的接受、传递等集成流程形成对管理决策的支撑；

(2)保证建筑用户舒适便利的使用体验；

(3)通过优化管理资源提升服务质量的同时降低管理成本；

(4)改善用户的社交环境，提升与优化复杂工作条件下的管理模式。

如图3所示为墨尔本的皇家儿童医院，该医院通过建构自助挂号与问诊平台极大了分流了患者人群，使原本人满为患的一层公共空间变成了安静怡人的休闲服务空间。通过左侧平面图可以观察到，医院的信息化办公与管理系统解决了原本复杂的集中人流问题后因利导势，运用整个一层带状医院街布置各式服务用房。形成了综合医疗服务、财务及现金服务和餐饮、文化用品服务三大功能分区，通过优雅室内空间环境的营造彰显了医院管理的服务性导向与人本关怀。由图3可以看出，通过医院街中央总服务台的设置，将患者及家属所需的预约、诊疗、导向及其它服务信息进行集成汇总，通过高度信息化的服务流程降低了患者的就诊难度，同时减少了医院的管理成本。医院采用了层级式管理的门禁系统，通过对管理者、医生、护士、病人等人群的门禁卡赋予不同的可进入权限，极大降低了大型综合医院的管理成本。

图3 墨尔本皇家儿童医院中庭服务空间

2.3 基于信息集成的运营管理模式

除了从建筑物理性能与办公服务上运用智能化技术改善建筑品质，智能建筑的优势还在于通过信息的高度集成与自动化控制系统的嵌入，精准而高效地达到监视、控制与管理的目的。例如建筑的电力、空调、供热、供水的各类机电设备的运行信息可通过传感器、高度集成的数字网络和终端设备进行收集、储存、传送、处理和控制一体化，极大提高了建筑内各类信息的交换效率和简化了信息处理流程，不仅有利于信息的综合管理与资源共享，还优化了办公及建筑维护流程，甚至通过建立数据库实现量化数据对办公决策的支持，充分发扬了当今大数据与计算计技术发展的成果与优势。如图4所示的墨尔本皇家儿童医院沿街既为主立面同时也是西晒面，设计师从使用者的需求出发运用可控遮阳挡板作为医院的立面元素，结合建筑形体与遮阳板的颜色变化形成独特韵律。通过传感器与计算机预设程序，遮阳挡板可随时间变化自动调整挡板的迎光面角度，营造了良好的室内光环境且降低了建筑能耗。

(a) 医院沿街立面

(b) 遮阳挡板可自动调整迎光面角度图4 墨尔本皇家儿童医院沿街立面表皮

信息集成技术的应用更是拓展到城市街区尺度。如图5所示的Flinders St. 火车站是墨尔本市区范围内辐射状铁路网的中心枢纽站，由于人流量巨大，城市管理者在附近主要街道沿线结合路灯安置了红外装置统计行人数量，收集到的流量数据汇总到相关管理部门，为城市交通与管理的决策者提供关键的决策依据。其次，由于墨尔本施行了一卡通的交通政策，所有公交车、电车和铁路交通的信息均可在管理部门汇总和统计，市区内各火车站均施行了购票、查询、检票出入的一站式自助服务，也基本实现了无人办公。此外墨尔本所有建筑均设置了烟感报警器，自动报警检测平台不仅能获取报警位置的精确城市坐标，还能获取危险信号所在的动态蔓延趋势，大大降低了城市的火灾隐患，提升了城市管理者的决策水平(图6)。

图5 墨尔本Flinders St. 火车站

图6 墨尔本南十字火车站

3 结束语

本文通过分析智能建筑的内涵与系统集成理念的特点，从智能建筑的性能化、服务导向与信息集成三方面的核心特征出发，探讨了系统集成理念驱动下智能建筑方案创作的思路，结合墨尔本地区公共建筑的实际案例，提出了智能技术在 空间造型设计、功能分区与流线设计、运营管理三方面的设计策略。但在当今新型技术不断涌现的情况下，如何有效整合各类资源，充分挖掘建筑智能化与自动化在各个环节的应用潜力，设计出符合业主乃至社会新型生产生活方式的作品，是该领域在后续研究中亟待解决的问题。