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伴随着理论和实践探索的不断深入，吴良镛逐渐理解到，不能仅囿于一个学科，而应从学科群的角度整体探讨学科发展，因此他提出了“人居环境科学”这个整合众多学科的“学科群”概念。
1993年8月，在中科院技术科学部大会的学术报告中，吴良镛（与周干峙、林志群共同撰文）提出“人居环境学”这一新的学术观念和学术系统。
1999年，国际建筑师协会第20届世界建筑师大会在北京召开，吴良镛担任科学委员会主席，作大会主旨报告，并起草《北京宪章》。《北京宪章》以人居环境科学理论为基础，提出“建设一个美好的、可持续发展的人居环境，是人类共同的理想和目标”，在大会上获得一致通过。时任国际建协主席斯戈泰斯称赞这是一部“学术贡献意义永存”的文献。英国建筑评论家保罗·海厄特认为吴良镛以一种乐观和利他主义的姿态，提出了引导未来发展的“路线图”。作为国际建协成立50年来的首部宪章，它成为指导新世纪世界建筑发展的重要纲领性文献，并以中、英、法、西、俄5种文字出版。
2001年，吴良镛出版专著《人居环境科学导论》，创造性地建构了中国人居环境科学的理论体系、学术框架和方法论，进一步奠定了中国人居环境科学的研究基础。人居环境科学以人居环境为研究对象，是研究人类聚落及其与环境的相互关系与发展规律的科学。它针对人居环境需求和有限空间资源之间的矛盾，遵循五项原则：社会、生态、经济、技术、艺术，实现两大目标：有序空间（即空间及其组织的协调秩序），以及宜居环境（即适合生活生产的美好环境）。2010年，人居环境科学作为原创性重大科学技术成就获得“陈嘉庚科学奖”，该奖认为：“人居环境科学理论针对建设实践需求，尊重中国历史传统与价值，为中国大规模城乡空间建设提供科学指导……为世界人居环境建设提供指引。”
人居环境科学构建起了一个有中国特色的建筑学理论体系，它在建筑学理论上的重大意义毋庸置疑。如果对吴良镛主持的一系列重大科研项目进行一番回顾分析，我们就会发现，它们同样是以这一理论体系为指导，并以其现实成就印证了人居环境科学理论的重要价值。
例如：自改革开放之初起，吴良镛就一直在思考北京及其周边地区发展的问题。直到1999年1月，国家自然科学基金“九五”重点资助项目——“可持续发展的中国人居环境的基本理论与典型范例”正式立项，其主要课题即为京津冀地区城乡空间的发展规划研究。随后，相关研究又先后得到清华大学985研究基金和建设部重点科研项目的支持。
吴良镛以其个人声望和课题的重大战略意义动员了十多个单位、几百位专家直接参与这一项目，组织了北京、天津、河北等两市一省有关部门和不同专业的合作，利用多层次的沟通与交流，建立起“科学共同体”，在区域层面具体运用人居环境科学理论进行研究。研究确立了地区规划的一些基本思路，如核心城市“有机疏散”与区域范围“重新集中”的结合、明确划定保护地区或限制发展地区、“交通轴＋葡萄串＋生态绿地”的发展模式等，无不体现出整体塑造区域人居环境的理念。
2002年研究报告发表后，北京市、天津市先后邀请课题组参加其空间发展战略研究和城市总体规划修编，并由吴良镛担任首席领衔专家。这一系列研究直接指导了北京近10年来的建设发展，面对城市蔓延、旧城保护乏力等问题，开创了新时期北京城乡规划的新局面。其中在旧城保护领域，提出了旧城积极保护战略，促进了从“大拆大建”到“有机更新”的政策转变，达成了从“个体保护”到“整体保护”的社会共识。
如今，吴良镛又带领团队开展了面向建国100周年、关于城市发展模式的研究——“北京2049”。建设学科群、打造跨学科平台、开展多情景模拟……人居环境科学的思想理念和方法论在其中得到充分体现。
回顾吴良镛的每一次研究，他总是努力走在时代的前面，“远见于未萌，避危于无形”：在北京保护与发展的矛盾尚未完全暴露前，就主动开展区域整体的规划研究。早在20世纪90年代，他就提出三峡工程不是一个纯粹的水利工程，而是人居环境一个大的变动，建议应对三峡人居环境建设予以及时关注、切实指导——时至今日，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》已经把“城镇人居环境的可持续发展”列为城镇化与城市发展领域的三个战略重点之一。
我们不妨提出这么一个问题：如果没有吴良镛，没有他所提出的这样一个整合建筑、规划与园林等学科，融贯科技、历史与文化的人居环境科学体系作为指导，今天中国的城乡发展又会呈现出怎样的面貌？
正如两院院士、建设部原副部长周干峙所言：“吴先生通过总结历史的经验和中国的实践提出的人居环境科学，从传统建筑学扩展到广义建筑学，再到人居环境科学，符合科学发展规律。如今我们的规划设计工作已经相互交叉、融会贯通、相互集成，多学科已经联系起来。实践证明，这样的融贯、集成避免了许多决策的失误，所带来的经济、社会和环境效益不可估量。”