装配式中小型公共建筑智能化初探

2018年02月02日     来源: 智能建筑行业平台

[导读]供给侧结构性改革是我国第十三个五年计划中经济工作的一项重大举措。

  1 研究背景与意义

  1.1 供给侧结构性改革给建设投资行业带来的变化

  供给侧结构性改革是我国第十三个五年计划中经济工作的一项重大举措。相对于需求侧(投资、消费、出口)来讲,我们应该更加重视供给侧要素(劳动力、土地、资本、制度创造、创新等)的改革与发展。在这一经济思想指导下,建设投资行业出现了一些变化,城市的功能定位明晰,产业提升;以保障性住房、安置房等系列建筑产品进行棚户区改造;以保障民生为目的,有效整合城市公共资源,提供更高品质的人居环境;城乡建设以产业结构为基础,发挥地缘优势,形成很多“特色小镇”,加快了农村的城镇化建设。在这样一个即将到来的城乡大建设背景下,为大众提供公共服务的建筑设施便凸显其重要,中小型公共建筑品质是城镇管理、社区服务供给质量的重要标志与民生保障。从民生的意义来说,中小型公共建筑也可定义为大众日常公共建筑,而装配式和智能化是实现中小型公共建筑高品质,提高民生保障的相辅相成的两条必要途径。

  1.2 装配式中小型公共建筑的现状与发展

  根据《注册建造师执业工程规模标准》,层数25层以下,高度100米以下,跨度30米以内;单体建筑3万平方米以内,群体建筑10万平方米以内,都属于中小型建筑的范畴。装配式建筑是从建造方式上根本性改变的创新,是一项建筑业全面改革的重大举措。《关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发[2016]71号)明确给出我国发展装配式建筑的路径、方法、时间节点、任务区域和计划目标。装配式中小型公共建筑目前的发展状况有如下几个特点:首先,建筑以低、多层形式为主,可选择的装配式结构技术体系多样;其次,多数中小型公共建筑的功能空间标准化率高,如学校、医院、办公楼、宾馆、图书馆、老年公寓、商铺、停车楼等,适合进行标准化设计、工厂化生产和装配式建造;再次,中小型公共建筑与社会民生戚戚相关,无论是城市功能提升、旧城改造,还是新型城镇化建设都需要这类公共建筑配套实施,加之节能环保的要求,装配式中小型公共建筑将会是一类长期的、重要的建设投资项目。

  1.3 中小型公共建筑的智能化趋势

  信息时代为城市和建筑提供了便捷的智能化管理手段,同时也对建筑管理提出了要求。一方面中小型公共建筑的建设投资关乎民生,有些公共建筑还是防灾、救灾、抗灾的生命线工程,必须进行智能化控制。从建筑物本身来说,火灾自动报警、消防控制、自动喷淋、防排烟系统、紧急疏散指示、广播系统、消防联动等智能化措施被广泛使用,有的已经成为国家建筑法规的强制执行内容。另一方面,为提高建筑品质,中小型公共建筑智能化趋势强劲,3A建筑、甲级写字楼、5A办公楼等应运而生,随着物联网、云平台技术的发展,还出现了“智慧建筑”的概念。《中国智能建筑行业发展报告(2013-2018)》指出,我国智能建筑市场已经超过千亿规模,并以每年20%~30%的速度增长。

  2 研究方法与技术路径

  本文主要通过文献调查、概念分析等方法进行研究。装配式建筑的五大特征是:标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理。其中,信息化管理贯穿建筑的设计、生产、建造、使用、运营和维护全过程;而智能建筑的核心要素之一是信息化程度。因此,“装配式”与“智能建筑”的关联程度非常高,这是本文对装配式中小型公共建筑智能化进行初步探讨的出发点。

  3 问题

  装配式中小型公共建筑常见的信息化管理问题包括以下几个方面:

  (1)装配式建造比传统方式增加了工厂标准化生产环节,建筑部品、构配件在工厂里以标准化、流水线作业的方式生产出来,再运至工程现场装配施工。中小型公共建筑市场面广,结构技术体系可选择性强。如何实现标准化的流水线生产以达到提高建筑品质、节约材料与人工、管控工期与造价的目的呢?

  (2)各类公共建筑社会功能不同,提供的服务不一样,而且使用人数较多,智能化建设涉及的高新技术也相对比较复杂,因而多方面的集约统筹是目前公共建筑智能化建设的难点与重点,如专业领域之间的统筹、施工技术的统筹和运营管理的统筹等。

  (3)中小型公共建筑在其发展之初应充分考虑智能化配置的适用性和经济性要求,但是有限的智能化配置与快速发展的信息化技术之间,以及大众对智能化的市场需求之间存在距离,装配式生产本身并不利于减小这些差距,工厂化生产的特点决定了建筑物成型后可拆改的可能性锐减,智能化系统配置的可扩展性受到影响。这是装配式中小型公共建筑在智能化策划中需要注意的问题。

  4 研究目的、研究过程与研究成果

  针对上述问题,可以从以下几个方面进行分析研究,并以此窥视装配式中小型公共建筑从设计建造、运营使用、维护管理、发展提升全过程的信息化建设概貌,目的在于启发这类建筑的智能化建设运营思路,助力装配式行业智能化发展。

  4.1 设计建造

  从规划的角度来看,中小型公共建筑在规划阶段开始就处于提供服务的“从属”位置,不同目的的规划需要从人口规模、产业特性、地域特点、文化特征、资源状况、经济指标等主要规划要素数据中计算或推理出对中小型公共建筑(常称之为“配套公建”)的需求与否及其规模数据,所以这些“配套公建”在其孕育之初就离不开大量的信息、数据,以及对这些信息数据的科学梳理和分析推断,这本身就是一个“智能化”的过程(大型公建则对周围业态影响较大,被上述地缘要素“推理出生”的特性就较弱)。

  中小型公共建筑大都是低多层,装配式结构选型的选择面较大,不同服务性质的建筑有自己的功能特点,平面布局与使用空间也不尽相同,为使其适合工业化建造,在建筑方案设计阶段还应对其进行工业化策划,也需要在大量数据信息支持下,将建筑方案的模数协调统一,建筑部品、构件配件尽量标准化,建筑物的个性特点则通过“标准化、多组合”的设计手段来实现。广义来说,这一数据信息的整理过程也属于“装配智造”的重要基础环节之一。BIM(Building Information Model)设计应该在这一“建筑工业化策划”的基础之上展开。

  可匹配与中小型公共建筑的装配式结构种类较多,比如混凝土框架、钢结构、墙板结构、剪力墙结构、盒子结构等,设备系统以及管线也相对较复杂,因而在设计这类建筑时采取“结构体+填充体”的研究方式更为适宜,这一装配式设计方法的关键技术之一就是关于填充体的机电设备装修一体化技术,将建筑的空间分隔墙体、装饰装修材料、机电设备综合管线等一体化作为一个填充体来综合考虑,增加集成度,提高装配率。这需要提升装配式建筑师的专业综合能力,同时必须借助BIM智能化信息技术,将这一设计方法完整表达,并贯穿始终。

  BIM技术具有信息完备性、关联性、一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等多种特点,同时还是一个开放性的平台。由于中小型公共建筑中一些常用的构配件和部品有共通性和可置换性等特点,如果在BIM基础上进行建筑构件信息化建设,将常用的构配件梳理集中形成构配件数据库,并积累到一定规模,既可以发挥其标准化“智能设计”的作用,亦可以通过组合方式的不同形成风格迥异的公共建筑个性化的外观形象。

  从建筑工业化策划开始,BIM犹如一个装配式巨人的神经系统,贯穿设计、生产、建造、工期统筹、造价管控、能源管理、安全防卫、运营维护的每一个“肢节”,发挥其“BIM智能中枢”的作用,形成BIM数据共享与数据联动。此外,我们将构件在工厂生产的整个过程信息以二维码或芯片植入的方式随构件产品出厂,即使建设完工后,亦可具备构件级产品可追溯功能。媒体常常将装配式建筑的设计建造全过程称为“装配智造”,尤其中小型公共建筑,就体现在上述这些地方,既解决了品质提升。同时管控工期与造价的问题,又可进行多方面建造与管理的统筹。

  4.2 能源自动化管理

  以能耗管理来说,中小型公共建筑服务受众广泛,功能特征性强,建筑使用时间较长,建筑空间较大,空间关系也比较复杂。在装配式建筑中应通过智能化手段安全有效地进行能耗管理。

  从规划设计角度看,标准化设计是工业化方案策划的重点,而建筑能耗与建筑体形系数(建筑外表面积与建筑体积的比)密切相关,标准化的设计重点除了在构配件和部品单元考虑工业化生产的便捷,除了模数与模块的选择与集成以外,还要注意整体建筑物体型的规整程度,体形系数尽量小,以保障能耗利用效果;外围护结构是装配式建筑的难点,也是热工技术重点,防水、防火、门窗构配件集成、多种材料、立面效果、拆分体尺寸、拆分体重量、构件连接技术、与主体结构关系(有时围护结构也是主体结构的一部分)、与机电设备关系等因素,都要与热工技术综合考虑。使用BIM信息模型,可以更加直观地进行建筑体形系数的控制,科学地进行外围护体系的热工技术分析计算,在能耗的建筑源头进行管控,这也是被动式节能建筑的设计要点。

  从建造运营的角度看,新能源系统的采集安装、智能化调控在装配式方式下应将其作为设备模块来与建筑模块有机结合,比如热泵(地源、水源、空气源、混合源)系统、分布式能源(光电、光热)系统安装与建筑主体装配应该统筹计划,协调工种作业时序,设备管线、设备操控端应结合室内装修作为填充体一体化装修,设备运营应采用能源自动监控及计量计费系统,达到能源供给信息化,根据预先编排的时间程序对电力、照明、空调等设备进行优化管理,达到自动减少能耗的目的。

  4.3 智能化水平的提升与发展

  装配式中小型公共建筑智能化发展包括以下几个关键要素:

  首先,以实用和适度的原则选择智能化配置。设计前期在进行建筑方案工业化策划的同时应进行智能化策划,准确分析或确定智能化设计等级,按需配置自动化系统。多数公共建筑使用强度都比较大,智能化配置过高会增加工程造价,造成浪费;因装配制造、工厂加工、设备装修一体化的特点,后期改造易受制约,若智能化配置过低又不满足使用要求,势必会增加工程后期改造的困难。

  其次,信息共享程度与智能化系统集成程度,是装配式中小型公共建筑智能化发展水平的重要标志。系统集成的实质是将控制域(楼宇自动化系统为代表)与信息域(计算机网络为代表)进行集成,重点是不同类型的信息集成,实现不同子系统之间的数据共享与联动操作,以实现对整个智能化系统的管理和辅助决策。BIM作为装配式全过程中枢级信息系统,在建筑运营中参与到系统集成中存在其必然性。自动化管理的集成度可以用建筑的“智商”来形容,一方面,其智商表现在“5A”(OA-办公自动化、CA-通讯自动化、FA-消防自动化、SA-安保自动化、BA-楼宇自动控制)之间的智能化集成;另一方面将BIM作为信息平台的重要组成来统一建设,其与BA、FA、SA的集成运用,将使公共建筑智能管理信息更准确完整、可视化模拟形象更直观、多级子系统模块的增减调整更便捷。

  再者,智能化发展空间需要预设置。随着“互联网+”时代的到来,基于“大数据”的“云平台”会对装配式中小型公共建筑智能化产生积极的影响,“物联网”的运用也会越来越广泛,IT行业自身正在经历一场快速的大变革;同时,大众对公共建筑安全性、舒适性、便捷性、资源(能源)高效性的要求也越来越高,这对装配式建筑智能化提出新的要求,要以发展变化的思维来协调装配式工厂化精密制造这种“刚度”与中小型公共建筑智能化进程这种“速度”之间的矛盾,建筑装配建造之初就应根据智能化策划,将信息系统可能增加的模块空间预留出来,设备空间,包括主机、管网、终端、操控端所需要的空间、部位都尽量标准化,模数化、模块化、可增减,将智能化系统的可扩展性与装配式建筑的构件部品模块化“可扩展性”结合起来,顺应智能化技术革新与市场需求变化。

  5 结论

  装配式中小型公共建筑是我们城乡新兴建设发展中具有代表性的一类建筑物,其智能化设计建造、智能化运营维护贯穿整个建筑的全寿命周期,为城乡民众的各类社会服务提供良好空间环境。装配式中小型公共建筑的智能化水平也是后工业化时代建筑业进步的标志性内容。建筑智能化与装配式技术的发展相互依存,共同进步。我们应在装配式领域里大力发展智能化建筑,建设智慧城市,创造美好生活。

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编辑:张柳婷
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