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什么是智能建筑？从国际视角分析最近的解释
摘要 近年来，智能建筑（IBs）的概念变得越来越流行，这是因为它们具有开发设计方案和新兴技术的潜力,用合理的设计来实现居住者最大的舒适感。但是，出现了各种各样关于IBs本质的定义，解释和含义，并且提出了在不同的背景下IBs的各种关键性能指标。本项研究探索了IBs的定义，并对其构成要素进行了分析。通过在不同情况下比较这些要素，本研究旨在提取IBs的共同特征，从而得出一个演变的定义，该定义可以用作将来IBs的设计，评估和开发的参考框架。研究结果还审视了IBs的长期效益，同时表明了当前国际解释的限制和挑战。
关键词 智能建筑；关键性能指标；智慧；可持续建筑
1 概述
在过去的20年里，许多不同的建筑都被标记为智能建筑。但是，智能在建筑中的应用尚未发挥出真正的潜力[1]。
在过去的三十年中，所谓的智能建筑（IBs）只是代表未来建筑的概念框架。但是，如今，IBs已迅速成为影响未来建筑设计和开发政策的固有组成部分。不可否认，城市化地区将受到IBs的高度影响，以促进智能增长，绿色发展和健康环境[2,3,4]。各种研究都试图映射IBs的概念的演变[5,6,7]。从本质上讲，信息和通信技术（ICT）的出现以及自动化，嵌入式传感器和其他高科技系统的发展是IBs的关键要素[8]。
据称嵌入在IBs中的智能使它们能够对用户的需求，环境和社会做出高度响应，并有效地将对环境的影响和自然资源的浪费降到最低[9,10]。IBs的其他重要目标是通过提高能源管理效率和“以用户为导向”的能力包括改善安全性，健康和福祉来降低运营成本[11,12]。
在美国、对IBs的关注始于80年代初。当时、智能建筑协会将IBs形容为“一个集成了各种系统、以有效协调方式有效地管理资源、以使技术性能、投资和运营成本节约、灵活性最大化”。根据该定义的出现、已经开发了许多新的定义、并将在本文中进行分析、以提取IBs的共同特征。因此、本文试图回顾与IBs的设计和开发有关的现有学术研究、以澄清可用的定义并确定其最重要的关键绩效指标（KPI）。本文是探索性的、并大胆地为IBs提供一个重新概念化的概念、并为更系统的查询建立一个分析框架。此外、本文还提出了未来的研究议程、并为该领域的更多详细工作奠定了基础。研究还涵盖了来自欧洲和北美、东南亚（马来西亚和新加坡）、远东亚洲（韩国、香港、日本和中国）、澳大利亚和新西兰等世界各地的IBs的现状。
2 审查现有IBs的定义
早在1988年、IBs被定义为“一个具有信息通信网络的系统、通过该网络可以自动控制其两个或多个服务系统、并根据对建筑物和使用情况的了解进行预测、并在集成的数据库中进行维护” [13]。在该定义中、网络、数据处理设备、自动化、电信和建筑物管理系统（BMS）是IBs的主要组成部分。在1980年代、IBs的定义主要与自动化技术的特征交织在一起、而后来的定义扩展到包括其他特征。1985年在多伦多举行的国际IBs国际研讨会上得出的结论是：“智能建筑包括创新、技术并与技术管理相结合、以最大限度地提高投资回报率” [14]。
1989年、智能建筑协会（IBI）基金会将IB定义为“通过优化其四个基本要素、包括结构、系统、服务和管理以及它们之间的相互关系、来提供生产性且具有成本效益环境” [15]。后来、欧洲智能建筑小组（EIBG）在1998年将IBs定义为“一种创造一种环境、该环境可以最大程度地提高建筑物占用者的效率、同时以最少的硬件和设施终身成本实现对资源的有效管理” [16]。 IBI和EIBG的定义是从性能和操作的角度得出的、重点是舒适性、适应性、降低的生命周期成本以及对可用资源的增强控制[17]。IBs的特征在于或与复杂的操作系统应用于生命周期成本效率和生态绩效有关[18,19]。
在1990年代、IBs的定义扩展到包括与“用户、建筑系统和环境”之间的紧密联系以及“生活质量”的关键维度相关的许多方面。可以参考CIB工作组W98来说明：智能建筑是一种动态且响应迅速的建筑、通过其基本要素：场所（结构、结构、设施）；过程（自动化；控制；系统）；人员（服务；用户）和管理（维护；性能）以及它们之间的相互关系[6]。
同时、日本三菱电机公司[20]和清水公司[21]1993年在日本提出：人是IBs的重点。
Clements-Croome在1997年的工作是首次尝试澄清IBs的概念、有效性、效率及其对社会和技术变革的潜力。IBs的早期定义主要关注技术的作用、后来逐渐转向用户交互和社会变革的作用、这表明人们对生活质量指数给予了极大关注[15,22]。在这一方面、许多类似的定义支持未来的IBs应该响应用户的期望和生活质量[23,15]。这体现在以下定义中：“建筑结构、空间、服务和信息系统可以有效地响应所有者、占用者和环境的初始和不断变化的需求” [24]。另一位争辩者认为、“智能建筑不仅仅是技术、还在于它们是否适合计划使用以及能否成功实现简要要求”[25]。
可以争辩说、将知识转化为行动的挑战之一是对IBs技术层面的重视、这常常导致人们忽视了社会和经济观点[26]。当前对IBs的定义已逐渐考虑了用户的交互甚至用户的社会价值[27,10]、而这种转变可以在智慧家庭的基础发展中观察到、包括Matilda智慧住宅（由佛罗里达大学开发）、麻省理工学院智慧住宅和The Aware Home（由佐治亚理工学院开发）、这些想法提出了生活环境必须了解并响应其需求和活动。在相同的情况下、IBs的主要重点已经转移到学习能力的概念以及居住者与环境之间的关系上[28]。此外、Jiri Skopek还描述了IBs的好处：“就几个不同的问题而言–效率、成本、环境、健康和安全方面” [29]。今天、IBs使人和系统产生的环境以及建筑物之间的连接变得更加真实和有效。
相比之下、一直存在针对IBs的批评、由于使用集成的自动化系统、IBs消耗的能量超过了必要的能量[30]。这导致人们重新考虑了节能功能的作用[31]、例如Hartkopf提出的“建筑物即发电厂”倡议、该倡议已被美国国会选为建筑物先进技术的国家试验场。IBs应具有生态智能[32]、并包括生态可持续设计原则[10,33]。发达国家现有智能住宅的本质似乎是智能环境的体现、它与可持续性原则高度相关[34]。被动式设计技术与智能主动功能的结合被认为是提高IBs可持续性能的必要条件、例如、智能外墙的作用可提供证明[35]、以实现对环境的有效IB响应。其他研究还确定了节能策略是IB技术的固有组成部分[36]、同时建议将用户参与纳入建筑物的可持续能源绩效中[37]。用同样的方式指出、“智能建筑设计的主要目标是满足居民的高能效需求”[38]、同时提出了能源IB的概念[16]并强调了建筑应对气候变化的适应性[39]。
从经济的角度来看、必须讨论在智能交易中应用智能技术如先进的传感器/执行器和能源管理系统的初期高成本和可靠性、以及相关的运营和监控成本。尽管如此、据称IBs的最终附加值会影响其生产的经济可行性。因此、获得以下好处会极大地影响经济状况、尤其是在智能办公室中：降低医疗保健成本、提高效率、提高租金价值、由于员工满意度提高而带来的更高的员工留任率以及将能耗及其运营成本降至最低[40]。提供灵活性和适应性的集成设计对于IBs在经济上可行是必不可少的[41]。Clements-Croome在2014年欧盟进行的研究中、为支持IBs所要求的利益、它提及了一些有前途的创新设计方案。根据Colt International、SSC Ltd和Arup[42]之间的合作、在德国建立了世界上第一个全面的生物反应立面、以提供遮阳和可再生燃料来源；El Sheikh2011年将智能蒙皮应用于带有动感百叶窗的建筑围护结构中以应对动态采光和用户的到来；苹果公司位于旧金山湾库比蒂诺的新办公室、使用了70％的自然通风、并实现了如所述整体最大的资源效率；由麻省理工学院媒体实验室[43]提出的用于上下文感知动态照明的建筑外壳可定制机械立面的设计与开发; MIT Senseable City Lab开发了一种用于动态控制建筑物局部供暖的气候控制技术（局部预警概念）、仿生技术在建筑设计计划中的应用以减少对社会的环境威胁、例如Zari、Vincent和Clements-Croome指出的环境变化影响；以及将设计和制造整合在一起、作为实现设计和施工自动化的创新过程。可以应用于建筑行业的新兴技术可能为提高IBs的绩效水平带来新的可能性、但要证明收益的实际有效性和效率将需要进行仔细的监控和分析。
上述观点代表了IBs的重叠概念和绿色建筑的能源导向特征、在新的Noumea的Renzo Piano的Jean-Marie TjIBsaou文化中心所采用的几种节能IBs的环保和可持续策略中清楚地表明了上述看法。喀里多尼亚基于古代和现代的融合、代表了可持续发展的社会文化维度、并采用了当地材料和自然通风进行了被动设计技术[25、44]、屡获殊荣的ST Diamond建筑（位于马来西亚布城）、砂拉越能源有限公司（Sarawak Energy Berhad）建筑、马来西亚沙捞越（Sarawak Energy Berhad）建筑、美国波特兰的十二西楼（Wave）、在建筑物屋顶上安装了用于发电的集成风力涡轮机、加拿大的曼尼托巴水电广场（Manitoba Hydro Place）与典型的大型办公大楼相比、节能70％、而首都大楼是新加坡金融区的巨型结构、还有许多其他突出的例子。在这些具有代表性的IBs中、阿姆斯特丹的Edge是世界上最可持续的办公大楼、阿布扎比的Al Bahr Towers和曼彻斯特的One Angel Square是欧洲最可持续和创新的建筑之一。
对IBs的几种解释引起了人们对IBs环境中智能的含义的关注。智能的三个基本组成部分是技术、功能和经济[45]。IBs的智能可以根据以下特征进行分类[46]：
（1）环境友好–节约能源和水资源的可持续设计；有效的废物处理；零污染
（2）空间利用率和灵活性
（3）为整个生命周期的经济成本提供增值质量
（4）人类健康
（5）工作效率和有效性
（6）安全措施–火灾、地震、灾难和结构破坏
（7）文化；满足客户的期望
（8）有效的创新技术
（9）建设管理流程
（10）健康与卫生
同样、IBs应“为居住者提供更安全、更有效的生产、为业主提供更高的运营效率” [47]、并考虑到生产性工作场所的拟议规模[48]、其中应包括愉悦、欢乐、安全、意识和感觉、室内环境质量、情感和经济影响。例如、在英国、任何企业实体的全部运营成本中约90％属于员工工资及其福利。因此、如果IBs能够提供健康的工作环境、从而在避免员工缺勤的同时提高员工的工作效率和健康水平、那么将鼓励越来越多的私营和公共部门投资于IBs。
根据Gnerre、Cmar和Fuller2007年的观点、“智能建筑必须说话。只有当他们共享自己的知识、在建筑系统之间以及与所有者进行交流时、才能实现商业价值。” 此外、Kerr在2013年提到了感官设计对于IBs的重要性、“建筑物没有达到（感官设计）短暂休假的人在智力、生理、情感、行为和精神上都没有受到刺激”。
IBs应满足其居住者和社会的需求、发挥功能和可持续性、并促进人们的福祉[1]。这可能是对用户期望与当前IBs中真实产品之间不匹配的说法的回应[49]、在这方面、研究回溯了90年代起源于CIB的IB的基本定义。
可持续的智能建筑可以理解为是一个相互关联的复杂系统、涉及三个基本问题：人（所有者；居住者、用户等）；产品（材料；织物；结构；设施；设备；自动化和控制；服务）；流程（维护；绩效评估；设施管理）以及这些问题之间的相互关系[50]。
此外、IBs需要一个智能流程来表明协作流程在设计、实施和管理中的重要性[51]。在这一方面、该研究引用了Kensek在2014年推荐的建筑信息模型（BIM）的应用、因为它具有高度包容性和协作性、并且具有吸引各种利益相关者的巨大潜力。
在最近的一项研究中、建筑物管理系统BMS的重要性得到了提高[52]、而另一项研究则隐含了将智能控制策略、包括智能电网、智能计量、需求响应控制以及负荷转移/拉削、作为IBs基本原理的应用[53]。同样、突出了人体工程学方面对IBs的重要影响、确定了IBs的五个智能标准：通过信息接收器接收信息的输入系统；处理和信息分析；以响应形式对输入做出反应的输出系统；考虑时间以使响应在所需时间内发生；
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