智能建筑设计:以数据驱动设计打造智能建筑
- 智能建筑设计利用新技术和新工具,使建筑项目更加高效、更可持续,而且其设计方案让当今的建筑在今后整个生命周期内都得到优化。
- BIM、数字孪生和来自建筑内的联网传感器的数据反馈回路,可为建筑师、设计师和工程师提供自动化功能,以打造智能、精密、优化的项目。
- 优化或智能的建筑设计带来多种益处:可减少建筑垃圾;改善运营;让建筑更安全舒适;让住宅、办公室和公共空间更具韧性和响应能力。
- 有些项目,如阿姆斯特丹的以应用程序支持的智能办公楼The Edge、伦敦威斯敏斯特大教堂最近的修缮项目等,展示了可如何利用数字化控制和数据来打造更可持续、更高效和更赏心悦目的室内设计。
在设计和建造新建筑方面,富有创造性的进步得益于建筑设计上的构思和技术上的发展,缺一不可。在智能建筑的新时代,建筑就是机器,需要了解智能建筑设计,以及新技术如何为设计过程提供信息、改进设计。采用智能方法,还可得出更好的系统,用于建筑物施工阶段之后和整个使用期间的维护,提高效率。
什么是智能建筑设计?
在智能建筑物中配置一系列传感器、材料、控件和数据收集工具,使建筑物可响应、可持续、安全、舒适、高效。智能建筑设计则是利用各种技术来打造这种建筑物的实践做法,依靠技术来实现迭代和改进流程。
智能建筑物可以与计算机甚至实时系统相提并论。例如新加坡资金大厦(Capital Tower),使用运动检测器跟踪占用情况,并通过复杂的暖通空调系统跟踪空气质量,从而实现建筑物中人物活动和空气质量的持续监控。智能建筑设计应用先进的系统来理解和设计建筑物和这些交互式系统,并以可以收集更多信息的方式来建造,以发展和改进未来的设计项目。
智能建筑项目中使用的技术
规划智能建筑结构需要利用一系列不断发展的新技术。现有的工具,如建筑信息模型(BIM) 让建筑师和工程师可以捕获图像、创建3D模型以快速制作原型、测试建筑设计,并根据地理或财务方面的限制条件而有效地利用空间。采用数字孪生体(即模拟规划好的或现有的建筑结构而得出的复杂模型,通常基于云中)帮助设计团队在建造建筑物之前就可模拟出各种不同场景,以便确定建筑物的形状、结构、特征和外观。
智能建筑和设计越来越多地采用从以前的智能建筑物中得来的反馈。通过最新发展出的技术,可把各种传感器和控制器集成为一个复杂的、可不断扩大的网络,用于测量建筑物的能源效率,或某些空间或房间的使用方式等等。这可帮助建筑师做出更智能的、更高效的设计决策。甚至还有衍生式设计,通过算法和设置各种参数,可快速地应用各种设计概念,通过数字化的设计过程来进行迭代和发展,得出更高效的设计蓝图,可设计出令人意想不到、但又有效的新建筑。
这些工具以及它们所提供的占用率和运营数据分析也可以为建筑物的建造方式提供信息。像预制工艺和模块化施工技术,在工厂制成各种材料和可重复使用的部件,然后在施工现场进行组装成型,而在这过程中如使用这些规划工具可降低成本和施工时间。
智能建筑设计的优势
理想的建筑设计是建立于过去项目的大量数据基础上的,这就可以显著降低项目成本和材料浪费。将更智能的设计方案与模块化和预制技术相结合,可以避免产生许多建筑垃圾,并迅速加快项目进度,节省劳动力成本。
通过收集数据,从过去的错误中吸取教训,从而优化性能,也可简化长期的维护工作。可以通过传感器收集连锁酒店或一系列办公楼的数据,数据越来越多,可为建筑师设计新建筑的外观和功能提供更多参考信息。更智能的设计让建筑结构更具韧性,并且易于修理和更换磨损的零件或老化的机械系统。基于丰富数据的设计决策可避免供暖和制冷供大于求,减少建筑物的排放量30–50%(根据美国节能经济委员会(ACEEE)的报告,见链接文档第vi页))。
衍生式设计等技术有助于设计出新颖的方法,减少使用材料,避免不必要的浪费。传统的建筑施工技术、外形和工艺流程仍然占据建筑行业的主导地位,但衍生式设计可帮助设计师采用新的方法,例如仿生学方法,模仿自然界的形式和功能,以实现更高的能源效率和更好的性能。美国加利福尼亚州库卡蒙加牧场的“前沿”项目堪称为环保典范,展示了一系列模仿自然的解决方案,例如蒸发冷却措施和热质量高的材料。
3个智能建筑设计范例
智能建筑技术工具让建筑设计实现了难以置信的多样性,甚至可以为娱乐或创意工作打造出更可响应的、更流畅的环境。
北京白塔寺“未来之家”位于遍布传统的狭窄胡同和四合院的旧城区,由历史悠久的家居房屋改造而成,通过时兴的适应性再利用方式,赋予其多种用途。Dot Architects建筑事务所接受委托,采用一个巧妙的自动化系统,可以通过一系列可移动模块将此三居室住宅转变为办公室。大部分设计都可以按WikiHouse上的开源在线规划方案制作出来。WikiHouse是一个共享设计和灵感的系统,其中每个新方案都反映出最新潮的家居设计。
阿姆斯特丹的The Edge办公楼中装有2.8万多个传感器,交织成网,控制着大楼运营的各方面,从预订会议室到调整工作站的光线和温度等等。这座先进的建筑是荷兰跨国公司德勤咨询的办公楼,设计为一个超高效且可响应的环境,可根据员工的使用情况和反馈以及控制其工作空间的个人应用程序,不断进行自我学习、自我诊断和自我纠正。
近年来,相比于新建建筑物,对旧建筑物进行适应性重新利用越来越流行;改造旧建筑已变得越来越普遍,成为一种成本效益高效的减排方式。总部位于美国加利福尼亚州圣何塞的照明和控制制造公司Xicato最近修缮了伦敦著名的威斯敏斯特大教堂,采用无线控制和LED照明,助其节省电力并更好地控制暖通空调系统。修缮旧建筑当然很有挑战,但通过深思熟虑的应用,加上不断进步的材料和改进外墙,即使是数百年的历史建筑,也可改善其原来的低效率。
智能建筑,智慧城市
星星之火,可以燎原,这几座建筑做出的典范可以大范围推广。社区、地区和整个智慧城市在发展变化过程中都有可能利用各种工具和收集的数据,用以提高可步行性、可持续性、韧性和资源使用效率。近来许多城市规划工作都采用了数字模拟和设计工具来打造混合用途的项目,使之更加以公共交通为导向、对行人友好并且利于节能。
本文最初发布于2020年1月,现已更新。