上海城市建设中“智慧楼宇”的发展与探索

李卓

（上海同济工程项目管理咨询有限公司）

1 研究背景

在“新基建”、“新型城镇化建设”、“碳达峰”、“碳中和”等多重因素影响和叠加的时代命题中，城市的规划、建设和发展都遇到了极大的冲击和挑战，“智慧城市”便是解决这些问题的最佳答案。

当前，在我国的建筑工程领域中，很多先进的测量技术和现代信息化技术已被广泛采纳并应用于各类工程咨询服务中，其中，BIM技术能够将设计及施工过程中所有的数据进行整合，并将其转化为三维可视化模型中的数据，随后针对项目使用运维阶段中不同的应用场景收集信息、处理数据，最终一个集成整合的建筑信息模型被赋予了“生命”，具有了参数化、数据化、信息化的特性，也成为了“智慧城市”得以实现和发展的坚实基础[1]。

2 “智慧楼宇”的诞生与发展

2019年“世界人工智能大会”中的“AI赋能-智慧建筑”论坛上，上海市楼宇科技研究会的《智慧楼宇评价指标体系》首次提出了“智慧楼宇”概念，区别于以往的智能化楼宇，智慧楼宇利用各类新型技术及数据信息采集手段，实现了建筑的数字化、信息化和自动化，使建筑具有投资合理、高效、节能、舒适和便利的特点[4]。

目前，智慧楼宇在各大设备供应商和商业地产物业等相关企业的推动下发展迅速，已衍生发展出了多类应用场景：

1）智慧能耗系统

基于大数据和物联网的智慧节能策略，通过对已有设备的改造升级，将供配电系统接入智能化平台，实现能耗分析、配电监控、超限警告、能耗统计等功能，通过随时监测能耗，适时采取节能降耗措施[3]。

2）智能安防系统

通过打通多个网络的链接，来加强安防的部署范围。人脸识别与公安系统连接（通过法律授权程序）、摄像头与监控中心连接、设备设施与运维中心连接；其次，基于区块链技术构建物联网，局部发生的安全问题可以实现本地自动预处理和同步报警，去中心化模式降低了对中控系统的过度依赖，大大提高了快速应急能力。此外，借助大数据和AI技术，对可能存在的突发事件进行模拟，并筹备针对性的应急方案和应急设备。

3）智能识别系统

将AI设备的生物识别与用户信息联网，在智慧梯控、停车、门禁等领域实现无感无触通行[3]。

4）智能照明系统

根据自然光的变化自动调整亮度和色温，同时联动玻璃幕墙进行折射调节，最大程度节省灯光能耗的同时还保护了用户群体的视力健康。

5）智能空调系统

利用物联网连接温度传感器，通过人工智能算法分析，根据不同场景、不同偏好、不同使用者，达到体感的“最佳温度”，创造一个舒适的环境。

6）智能新风系统

通过室外空气质量探测器判断空气质量，有选择性地抽取新风；同时检测室内的空气质量（CO2、温湿度、VOC，PM2.5等），联动空气过滤设备、新风装置、风机等，通过计算得出优化的空气更新方案。

此外，目前德国的西门子公司正在致力于研究楼宇与电网系统的共通和互联，尝试将楼宇作为“电池”，以“热”力形式存储多余的电量并通过区块链技术构建能源交易市场，最大程度地减少电力资源的浪费。

2021年2月，上海市发布《关于本市“十四五”加快推进新城规划建设工作的实施意见》，明确了“强化城市韧性，建设智慧安全的基础设施和保障体系”的城市建设方向，提出“要超前布局新型基础设施，推进基础设施智能化运用”。而“智慧楼宇”作为“智慧城市”的微观缩影，在目前的新城建设与旧城更新改造工作中都有着巨大的发展潜力和实现价值，以BIM模型为媒介汇聚并共享建筑物及设备的各类数据信息，“智慧楼宇”能够以点带线，以线成面，整体覆盖城市，加快推动城市管理信息平台、城市信息模型（CIM）平台、数据中心等新型基础设施建设。最终实现城市整体的数字化转型，将人、信息和城市紧密地联系在一起，促进经济、物质、社会和环境的和谐发展，保持经济发展的可持续性，助力产业节能减排，改善人民生活质量，提升城市综合管理。

3 BIM技术的应用与拓展

BIM技术在我国发展已有十余年，BIM技术应用的重心也逐步从最早CAD图纸翻模的单一化工作转向了建筑信息的整合与开发[2]，BIM咨询工作亦从设计和施工阶段向前后不断衍生至项目决策阶段与运维阶段，BIM正向设计和运维阶段的设施管理成为了BIM技术咨询工作体现价值与意义的最佳实施路径，而如何赋予建筑物感知能力和生命力，并通过集成物联网、人工智能、大数据等技术使建筑物从设计、施工、运维管理等全面体现“智慧建筑”概念，成为了目前BIM咨询服务发展的重要风向标。

2010年之前，由于BIM信息模型中的数据较为单一且关联性差，且不具有实时监测、数据分析、预警等功能，实用价值较低，BIM咨询服务在建筑市场及各级政府立法层面获得的推动和支持缓慢甚至停滞，在全过程工程咨询项目中的使用也仅是作为施工阶段的项目管理辅助手段[1]。而得益于物联网、人工智能等技术的兴起，近些年来，BIM信息模型打破了信息孤岛的状态，借助射频识别、红外感应器、温度传感器、激光扫描器、GPS定位系统等信息传感设备在虚拟空间中形成了精细化的孪生模型，完成了设备硬件与建筑信息模型的跨界合作[1]。

目前，在各地“智慧楼宇”试点项目中，可用于运维管理的BIM模型有两种形成模式：

①新建项目在设计、施工阶段便建立完善的建模标准，在模型源头即建筑设备建模过程中保证数据的完整性、标准化，对设备属性信息的导出、整合与利用进行统一的规划和处理，此外，BIM建模时还应采用统一的族与类型并对设备管线、系统命名等信息采用标准规范化的格式，以方便运营机构信息的查询、统计和管理。竣工交付时BIM模型便具备了项目建设全过程中所应用的所有材料及设备信息数据，例如供应商信息、设备详细规格、检验检测信息、保修记录等。且由于建筑的各类信息数据从设计阶段便开始积累，其完整程度对于后期的运维管理有着巨大的助力[1]。

②对于既有建筑的升级改造，通过激光扫描及无人机扫描的方式获取项目的数字化模型，同时将各类智能化系统建筑设备自控系统、消防系统、安防系统等及根据用户场景需求定制的相关数据采集装置接入模型系统，最终得到建筑运维模型。

建筑物日常运行维护阶段，其所需的信息除了建筑及设备实体物理信息之外，还应包括日常运行维护过程中产生的各种运行信息（零件更换、设备升级），信息主要来源于运营过程，包括维护人员的培训情况，以及维护人员的维护记录。

BIM模型的集成化特征，可以帮助进行建筑位置信息和性能信息的集成，建筑元素和设备的集成，加强管理效率[1]。BIM可以存储属性信息，为建筑的性能分析与附加功能提供帮助，通过对气候、日照、通风、舒适度等信息集成分析，优化建筑性能，如设施管理过程，光照与节能的联合效率，可以帮助设施管理过程降低运行成本，提高建筑收益。

此外，BIM模型储存并同步建筑物运行信息后，可以帮助项目实现资产设施管理。利用资产设施管理子系统的档案资料，可以监控各设施的性能状态;利用设施运行记录，了解设施已运行时间和运行状态;利用设施故障记录，对故障设施进行及时的处理并将故障信息进行记录借鉴;利用设施维护维修，确定故障设施的及时反馈[1]。

在物联网概念问世之后，互联网和物联网的互通实现了人类社会与物理设备系统的一次有机整合，而BIM+大数据、BIM+AI、BIM+云计算等技术结合应用拓展基于物联网的整体架构亦拥有了无限的可能。青岛中德生态园被动房技术中心项目是目前BIM运维模型与物联网、人工智能等技术结合应用的优秀案例，是建筑与自然的完美融合。项目坐落于青岛西海岸新区的中德生态园，占地面积约4843平方米，总建筑面积约13800平方米，是一座集被动式超低能耗绿色建筑技术研发、体验、展览、会议、居住等多功能于一体的综合性建筑体。项目建成至今，每年节约能源消耗130万千瓦时。每年节省能源费用50万人民币，每年减少碳排放664吨约等于53120棵树的吸收效率[5]，在节能减耗方面早早实现了“碳中和”。在楼宇自动化方面，项目采用西门子楼宇管理系统Desigo CC与BIM信息模型进行数据互通互联，通过1200个数据采集器对建筑进行持续的监控和分析，能耗数据、设备运行、室内外环境等参数都事无巨细地体现在项目三维动态运维管理平台上，供维护管理人员随时查看。同时系统植入人工智能技术自动根据不同的用户需求适时调节室内的灯光、湿度、空气质量等，提高了室内的舒适性和最大程度地减少了能源消耗[5]。青岛中德生态园被动房技术中心项目对我国建筑行业的转型升级有着深远的影响，将全面推动整个建筑产业的更新换代。

BIM技术作为建设工程领域第二次信息化革命的发起者，在“智慧楼宇”方向吹响进攻的号角，在物联网整体架构的基础上，通过数据模型、各类传感器等综合打造信息+物理系统，建立带有回路反馈的全生命跟踪，在虚拟空间中完成对建筑物生命活动的数字化映射，同时结合人工智能、大数据等对各类数据模型进行分析、挖掘和预判，最终能够达成现实世界向赛博空间数字化模型的反馈，实现真正意义上的数字孪生。

4 总结与展望

经过了多年的发展，上海的城市建设发展模式已经由最初的外延扩张转向了内涵提升，从大规模的增量建设转向了存量更新为主的新阶段，在2021年8月25日召开的市人大常委会第三十四次会议上，《上海市城市更新条例》表决通过，城市更新正式上升到了地方立法高度。

在新城建设和上海发展的过程中，“智慧楼宇”将成为上海智慧城市建设的重要的构成环节，无论是新建建筑智能化技术的直接应用，还是既有建筑的数字化改造升级，AI技术、物联网、区块链、云计算、5G等新型技术与基础设施的深度融合都将有效地整体激活城市空间、功能、产业、设施等发展全要素活力，助力城市更高效的数字化转型和更便捷的智慧化管理，实现城市空间与社会形态的互通互联，最终达成“人民城市人民建，人民城市为人民”的美好愿景，将上海打造成城市宜居（Livable）、产业创新（Innovative）、运行可靠（Viable）、透明高效（Effi‐cient）与区域（District）示范的活力城市。