智慧建筑设计方法研究

顾小军，周贤静，唐觉民

（南京长江都市建筑设计股份有限公司）

1 引言

近年来，随着全社会数字化转型的不断推进，在企事业组织中，人员、空间、设备和业务的关系也正在发生深刻的变化。建筑作为人与组织活动的基础空间载体，如何助力企业更好地适应未来数字化发展带来的持续变化，是摆在建筑产业面前的一个新课题。智慧建筑作为一种新建筑形态，在思想理念、使用功能和技术实现等方面与传统建筑相比，存在很大区别。

本文以我国数字化转型发展的背景为先导，通过对现行及即将颁布的几类智慧建筑相关设计、评价标准的对比、分析、研究，梳理了智慧建筑的功能目标、技术架构，总结了智慧建筑的新技术特点。根据智慧建筑的技术和实施特点，参考现行工程建设流程，结合国内外数字经济模式下创新设计方法以及笔者近年来大量项目设计实践，总结提炼出一套针对智慧建筑项目实施的设计方法。

2 数字化转型的发展背景

中国的数字经济在全球经济下行大趋势下仍持续保持高速增长，根据《数字经济白皮书2020》（中国信通院）数据显示，至2019年，我国的数字经济规模达到35.8万亿元，占GDP比重36.2%，产业数字化增加值约为28.8万亿元，占GDP比重为29.0%[2]。麦肯锡发布的《中国数字经济如何引领全球新趋势》报告中预测，到2030年，将会有超过153万亿人民币的贡献来自数字经济，占GDP的比重将达到77%[3]。

数字经济的发展带来数据量激增，IDC（国际数据公司）预测，全球每年被创建、采集或是复制的数据将从2018 年的33ZB 增至2025 年的175ZB，这些数据的集合称为“数据集”。IDC对全球“数据集”的研究显示，中国在2018 年产生了7.6ZB 的数据。该机构预计，中国的“数据集”将会在2018年至2025年之间扩张14 倍，2025 年达到48.6ZB，将成为全球最大的数据集[1]。

数字经济背景下，基于大数据、云计算和智能分析的服务越来越普及。云服务提供商在优化硬件配置，提高资源利用率，降低成本方面具有优势。许多公司选择使用云上业务以借助云端能力减少企业内部数据处理和储存的前期资本支出和降低物联网解决方案成本。因此，企业、行业数据逐渐向云端迁移，与之相关的消费者和其他应用数据也向云端聚拢，并在云端进行计算和复制，产生新的应用数据。

根据方舟投资2020 分析报告《软件即服务：2020-2030 年会成为黄金时代吗？》数据显示，2019年，SaaS 公司的收入为1000 亿美元，占企业软件市场的25%。预计SaaS 收入将以复合年增长率(CAGR)增长21%，至2030年达到7,800亿美元，占企业软件市场的81%。SaaS 化服务软件对硬件要求低、易用性高，随着作为计算平台的公有云快速增长，及跨行业的数字转型的推动，SaaS化产品市场比预期的更大、发展更快，SaaS 化服务应用时代已经到来[4]。

随着数字经济的高速发展，以云技术为核心，围绕云计算平台的各类数字化应用在社会经济发展中的贡献作用越来越显著。

3 智慧建筑基本概念探讨

由于智慧建筑目前尚无统一的概念定义，在工程建设中如何设计和评价智慧建筑是一个迫切需要解决的问题。近年来，建筑行业的相关团体组织专家编制了一系列的智慧建筑团体标准、行业标准、企业标准：

①《智慧建筑设计标准》T/ASC19-2021（中国建筑学会）；

②《智慧园区设计标准》T/CECS（征求意见稿）（中国工程标准化协会）；

③《智慧办公建筑评价标准》T/CSUS16-2021（中国城市科学研究会标准）；

④《智慧建筑评价标准》T/CABEE002—2021（中国节能协会标准）；

⑤《智慧建筑评价标准》T/CREA 002-2020（中国房地产协会标准）；

⑥《智慧建筑设计指引》AES22050-2019（阿里巴巴集团企业标准）。

我们通过对上述各类智慧建筑标准的分析研究，结合项目实践的需求，从以下几个方面厘清智慧建筑的基本概念，帮助设计师在项目中确立智慧建筑概念完成设计。

3.1 智慧建筑的功能目标

通过对上述已颁布的各类标准的归纳，可以认为智慧建筑具有的通用性功能目标涵盖安全、便捷、高效、绿色四大类。根据建筑使用、运维、管理等不同角色的应用需求，又可进一步细分为12 项，针对不同的项目需求又可规划出更多的定制化应用场景（见图1）（参考文件[5-10]中提出）。

图1 智慧建筑通用功能目标分类

智慧建筑工程设计在需求规划时，可以首先从“四大类、十二项”功能目标出发，进而结合项目自身的业务需求逐步展开。

3.2 智慧建筑的技术构架

尽管各类标准中对智慧建筑术语的表述各有不同，但各设计标准中提出的基于物联网、云计算、大数据和人工智能等技术为支撑的智慧建筑技术架构体系基本相同。我们可以把智慧建筑通用架构归纳为五层结构（见图2）（参考文件[5-10]中提出）。

图2 智慧建筑通用架构图

①应用层基于云平台的能力，实现面向用户的各项软件应用。通用应用可实现智慧建筑的通用功能目标，扩展应用结合不同的用户和业务需求，实现专用的定制化的软件应用。

②云平台层代表了智慧建筑的核心能力，在具备平台通用能力（如安全、存储、管理等）之外，更加注重数据模型、业务模型、计算规则的能力建设。云平台层实现了建筑底层的物理系统与顶层应用的解耦。

③传输层的主要功能是实现建筑基础设施与云平台的数据传输。有线、无线网络以及光纤通讯技术是智慧建筑的主要传输技术手段。

④连接层在现阶段智慧建筑实施中是非常重要的，但往往被人们忽视。连接层通过网关、边缘计算一方面建立云端与本地建筑的数据连接、运行协同，同时也是本地数据处理、集成应用的中心，实现建筑本地化数据展示、可视化运维等。

⑤基础设施层包括建筑空间、设备设施、智能系统、物联网设备等，是建筑实体的抽象，基础设施的数字化是实现智慧建筑的原点。

3.3 智慧建筑运行技术特点

经过目标与架构的梳理，我们可以较为清晰的理解智慧建筑的基本形态。下面，再分析一下智慧建筑具备哪些创新的技术运行特点。

①在智慧建筑体系中，建筑物只是一个“端”而非“平台”，不同的“端”通过智慧云平台实现数据的相互协同、共享共治，因而智慧建筑能不再是数据孤岛。

②基于云平台的建筑应用与设备硬件实现解耦，使第三方软件应用开发者能更加便利、灵活的开发应用软件，建筑功能的可扩展性、建筑数据的价值进一步增强。

③以建筑数据为核心的大数据分析、人工智能应用，使建筑的应用场景更加丰富，建筑智慧化能力更加凸显。

④基于公有云平台的智慧建筑，其数据和网络的安全性得到更好保障。伴随云原生技术的不断发展，智慧建筑云平台的功能也会持续快速迭代，且不必担心因技术的迭代带来硬件投资贬值和资金浪费。

⑤智慧建筑通过数字孪生技术应用，使建筑的数字化运营、建筑数据的业务化成为可能，将进一步促进建筑产业链模式的重构。

3.4 智慧建筑“元模型架构”

通过学习智慧建筑的各类标准，我们归纳了智慧建筑的功能目标、技术架构，并且梳理出智慧建筑在运行技术方面的显著的优点和特点。我们通过对各大企业及各类标准中提出的智慧建筑架构研究，归纳出了“智慧建筑元模型架构”，即以建筑数字化为起点，通过“云、边、端”三层协同作用，实现建筑数据业务化应用，以此作为我们对智慧建筑的理解（见图3）。

图3 智慧建筑元模型架构图

①建筑数字化是智慧建筑的基础，也是建筑数字化运营和数字孪生技术的前提条件。

②“云、边、端”三层架构是智慧建筑共性架构特征，也是目前智慧建筑、智慧园区的主流架构体系。

③通过业务产生的数据诠释建筑中的组织、人、设备、事件与空间关系，具体表现为绿色、低碳、舒适、便捷、高效的通用应用开发，以及面向未来、面向使用者，拓展组织业务与建筑运营结合的扩展应用。

4 智慧建筑建设实施探讨

在智能建筑项目建设中，因为具备较为成熟的规范标准体系支撑，以及以“硬件系统配置主导”的技术特点，设计、安装、调试、验收交付流程都与常规机电系统工程基本相同。但是，智慧建筑由于其具有“云、边、端”架构体系，“软硬件结合一体化”的技术特点，整个项目的实施流程、工作模式、作业内容都与智能建筑工程不尽相同（见图4）。

图4 智慧建筑实施环节流程图

4.1 智慧建筑实施重要环节

①软硬件一体化解决方案：从智慧建筑的规划设计、架构体系、工程实施都是围绕着“软硬件一体化”技术路线和实施原则。

②边缘连接是完成智慧建筑云边协同的关键，实现本地数据上传，应用数据的下发。同时，边缘连接也是智慧建筑本地化能力的呈现，如本地端的系统设备监控、数据存储和分析、本地事件的处理等。

③创新应用：基于中台数据的应用，包括建筑服务需求的通用应用，以及和业务关联的扩展应用。

④智能化系统优化：为实现“软硬件一体化”目标，智能化系统硬件安装调试中必须根据软件要求进行优化，满足数据应用的功能要求。

⑤全过程服务：与传统的项目设计不同，智慧建筑设计必须提供全过程的服务，从需求、设计、实施、验收，甚至运营后评估。设计的理念从工程设计向服务设计转变。

4.2 实施新增环节的工作内容

从智慧建筑全流程实施方案来看，第二、三两个环节为在智能建筑实施基础上新增的两个重要环节。实现这两个环节的具体工作任务即为项目服务设计、项目部署交付，这两个环节的主要工作内容见图5。

图5 项目服务设计与项目实施交付图

“项目服务设计”阶段前置于智能化系统工程设计，其主要任务是完成用户需求分析，应用软件规划，选择和构架智慧建筑平台，规划应用数据及数据链路。“部署交付”阶段通常在项目智能化工程后期或竣工验收前展开，其主要工作是完成智慧建筑本地数据与云平台的对接，边缘侧的应用部署，以及项目交付前应用软件的测试、培训、交付。“项目服务设计—智能化设计—智能化工程—智慧部署交付”这四个环节共同组成了智慧建筑工程的实施流程。

（1）在智慧建筑的项目服务设计中，通过以用户的体验为中心、以互联网和云技术为依托、遵从软硬件一体化的原则，重点完成：①应用场景规划，根据用户使用需求，规划用户应用场景和应用产品。帮助用户梳理应用产品功能表，与软件开发者共同确定产品功能原型；②数据及其链路规划，根据应用产品需求和智能化硬件系统配置，规划项目数据链路、数据类型、传输协议标准等，保障数据高效、可靠的使用；③智慧云平台规划，根据项目需求规划智慧云平台，选择适用的平台服务产品，保障智慧建筑可靠稳定的运行；④项目应用软件的UAT（User Accep‐tance Test）测试、实施过程咨询服务，以及交付与验收工作。

（2）智慧建筑部署交付环节较传统项目有较大的不同之处。关键点在于不仅要交付硬件系统、应用产品软件，还需要交付用户平台，以及云边安全机制等。部署交付大致可以分为三个部分：①应用产品开发与交付，这部分工作通常由软件应用开发商负责；②智慧云平台开发与交付，这部分工作由云平台运营商负责；③边缘连接侧的开发与交付，这部分工作主要由智能化系统集成商负责开发与交付。

在智慧建筑项目实施中，应用产品数据需求通常是“自上而下、由北向南”，而建筑数据产生主要是“自下而上、由南向北”。由于两条数据链路流向相反，在项目部署交付过程中需要通过智慧建筑服务设计协调产品、平台、集成商三方的工作，实现软硬件一体化交付。

5 智慧建筑设计方法研究

智慧建筑是数字经济和数字科技环境下催生的产物。智慧建筑设计既不同于以往的智能化工程设计，也不同于产品设计、或软件产品的开发。智慧建筑设计以数据为核心，通过洞察用户的需求，转而创造更适应用户的新需求。经过近年来不断地学习研究和持续的项目实践，我们认为智慧建筑设计的方法是数字经济背景下“互联网思维”的具体表现，其底层理论支撑是“服务设计”，工程表达的形式为“智能化设计”，交付成果是“软硬件一体化的应用服务”，其客观评价的重点是“用户体验感”。

5.1 服务设计

服务设计的概念源于20 世纪80 年代美国学者肖塔克《如何设计服务》一文，1991年英国学者比尔·霍林斯夫妇出版了《全设计》一书，同年，科隆国际设计学院开设服务设计课程，在2004年成立全球成立服务设计行业协会，从而奠定了服务设计的理论体系。服务设计作为一门融合性学科，通过对人、物、行为、环境和社会之间的系统关系梳理，提出以用户为中心，围绕用户重新组织资源、促进组织运作、提高员工效率、最终实现用户体验的提升。服务设计由人、资产、流程三个要素构成，通过三个要素的正确设计，整合为一个整体。近年来，服务设计的理论方法较多的被应用于现代高科技企业、互联网数字化企业的项目服务中。

5.2 智能化设计

智能建筑理念源于20世纪80年代，在美国联合科技办公楼项目信息化改造项目中首先提出。20世纪90年代，智能建筑引入我国，2000年发布的《智能建筑设计标准》GB/T50314，建立了中国智能建筑工程设计标准。智能化工程建设经历了20 多年的发展历程，已具备一整套从设计、工程、检测、验收等全流程完备的标准支撑体系。智能化设计作为智慧建筑的工程表达形式，在设计思维方式上仍应坚持“用户为中心、数据驱动”的理念和原则，在系统配置、施工安装、产品采购、工程验收等作业流程中则可以采纳和融合智能化设计的流程及方法。

5.3 软硬件一体化应用服务

我们理解的智慧建筑设计“产品”，不是简单的工程图纸、文件，也不仅是部署完备、性能先进的智能化系统，而应该是一套“软硬件一体化应用服务”。其中，既包括了建筑实体中的各类设备、系统，也包含支撑用户使用的平台系统，更重要的是面向用户的应用服务软件。基于此缘由，决定了智慧建筑设计一定不是一项“工程设计”，而是服务设计。从上述项目实施环节来看，智慧建筑设计包括前期与用户的共创需求，建设阶段与应用开发、平台运维、系统集成等多部门的协作共创，运营阶段满足用户应用可持续升级、硬件系统不断迭代和更新。从技术架构来看，既需要满足软硬件一体化的整体交付，也需要实现硬件系统与应用软件的解耦运营，这体现了建筑物全生命期的服务。

5.4 用户体验

注重用户体验是互联网思维的重要特征，也是智慧建筑评价的重点和设计的原点。在智慧建筑设计需求研究阶段首要确定的问题就是用户，员工、管理者、服务者、顾客等都是智慧建筑的用户，如何实现以用户为中心，如何满足不同用户的需求？基于智慧建筑的技术特点，在设计过程中，应该设计用户体验反馈评价机制和技术措施，通过用户体验的验证来实现整个系统的闭环。

智慧建筑设计在服务设计理论的指导下，以对用户需求的深入挖掘和细致梳理作为索引，通过对应用产品的规划来推动“软硬件一体化”解决方案的落地，这是智慧建筑前期设计应重点关注和落实的工作。在项目进入工程实施阶段，以智能化设计完成工程出图表达，运用全过程顾问咨询服务完成对软件开发、平台运营、系统集成等不同实施角色的协调、管理。在运营阶段，通过用户体验反馈评价设计效果、通过运行数据进一步发现用户新需求，周而复始持续服务。

6 智慧建筑4D设计法则探讨

在互联网思维模式下，基于我们对智慧建筑设计理论的研究，以及近年来大量智慧建筑项目设计实践，我们逐步总结出了一套适用智慧建筑项目建设的工程设计法则，即定义需求、定义架构、定义数据、定义硬件的“智慧建筑设计4D法则”（见图6）。

图6 智慧建筑4D设计法则

6.1 定义需求

确定需求是“以用户为中心”原则的体现，通过在项目初始的需求调研，到概念方案设计阶段的需求确认，进一步收敛为用户场景规划。定义需求应坚持与用户“共创”的原则，通过不同形式及方式与用户协同沟通达成统一的需求目标和应用场景。在此基础上，在实施项目智能化工程前，设计师应完成应用产品规划。这些设计工作在项目中的交付成果应包括用户需求调研报告、产品功能列表、产品设计原型文档等文件。

6.2 定义架构

在智慧建筑标准架构基础上，根据用户需求和项目外部条件选择智慧建筑具体架构体系和平台产品。在定义架构的过程中，“整体性”原则即满足软硬件一体化交付、云边协同工作；“迭代”原则即满足软硬件解耦能力，保证软硬件产品分别可升级、可扩展；“安全”原则保证网络、平台、数据安全性。这些设计工作在项目中的交付成果应该包括云平台工作说明书、技术架构方案书、网络安全设计文件（或者网络产品安全等级证书）。

6.3 定义数据

智慧建筑的数据源包括“由北向南，由上向下”应用端数据、“由南向北，由下向上”边缘侧数据，以及建筑实体的建筑数据。同时，定义数据还应包括数据分类、命名、编码、数据类型、数据字典，应用产品数据链路规划，以及建筑空间和设备的数字初始化等多项工作。定义数据是智慧建筑实现应用的重要环节，在项目设计交付成果包括应用产品数据链路规划图，项目统一数据标准，建筑空间和设备的初始化列表等（见图7）。

图7 应用产品数据链路规划图

6.4 定义硬件

针对智慧建筑的硬件定义，除了传统智能化设计工作之外，更重要的是满足功能需求、数据需求，以及平台需求的各类硬件系统。定义硬件系统在项目设计文件的交付中包括各类硬件系统的接口、协议、API文件，以及在智能化设计中硬件系统应满足软件应用的数据准确性的特殊设备安装要求、环境要求等文件。

“4D设计法则”是针对应用户为中心、软硬件一体化交付和数据驱动为特征的智慧建筑的工程设计方法论，包含了服务设计的理论思想、智能化系统工程设计顾问的各项工作。在实际项目应用中这四个环节的工作也是相互贯穿和相互交融的。将这套设计法则与项目建设流程和建设进度密切匹配后，设计师能够依据项目发展脉络，把握好各节点的工作内容、方法和成果，交互协作、逐步推进，更好地完成项目设计任务，为智慧建筑建设运营提供良好的保障。

7 智慧建筑发展方向的探讨

智慧建筑理念的提出和发展不仅产生于数字科技和互联网技术的蓬勃发展，更依赖于在此技术环境下人们思维模式、作业模式的深刻变化。在科学技术不断突破与商业模式持续创新的相互结合下，坚持可持续发展理念，才能保障智慧建筑健康持续发展，而非“昙花一现”。

7.1 数据驱动的商业形态

在数字经济时代，办公、商业、酒店、产业园区等建筑楼宇已不再是简单的基础设施和固定资产，将楼宇空间效率、设备设施效能、工作环境改善、人员效率提升、运营成本优化等多方面智慧建筑运营能力与企业线上、线下各类业务数据贯通融合，形成多维度的“企业大数据”资源，进而使得智慧建筑能够成为使能企业的有效工具和促进企业发展的一种新商业形态。

7.2 由表及里的深刻变革

智慧建筑不只用数字化技术为用户带来“安全、便捷、高效、绿色”的体验，而且通过这些表象的用户触达来洞察其内部深入的需求期望。逐步形成设计师与用户（投资方、使用者、运营方等）的共创、共享、共融，从而达到从持续满足用户需求，到创造用户新需求的目标。通过不断探索服务设计的思想理念和深入挖掘数字科技驱动能力，智慧建筑将会带来整个产业生态的深刻变革。

7.3 持续不断的创新思维

近年来“服务设计”、“设计思维”等20世纪80年代提出的设计思想理念，在互联网和数字经济高速发展背景下受到了人们的高度重视和“热捧”，然而，探究其背后的逻辑，我们认为“在新经济模式下，由于数字科技的新技术特征出现，使过往非主流的设计思想和理念得到快速地有效性验证，使其成为数字时代模式下一种行之有效的理论指导思想。”同时，在数字经济环境下，也迫切需要创新思维的理论和方法模式来规范和支撑我们的设计范式，实现“生产力与生产关系的匹配”。

8 结语

尽管目前大量新建项目中不断提出形形色色的智慧建筑概念，但本文探讨智慧建筑设计方法目的不仅在于寻求一种新的“工程设计方法”，而是提出在数字经济时代，“智慧建筑既不能通过一系列新技术、新产品的堆砌来实现，不是通过一项工程设计和建设就可以完成的。智慧建筑设计应该更有意识地设计和经营与用户之间的连接关系，有意识地设计创建新的应用，有意识地设计和解决降低数据获取成本、提高数据可靠性和稳定性等一系列的问题。”智慧建筑应该能够不断迭代演进、提供持续服务。