1.1
建筑设备自动化与智能建筑的发展历程

1.1.1
建筑设备自动化控制技术的发展

建筑设备自动化（Building Automation，BA）是随着建筑设备，尤其是暖通空调系统（包括供热、通风、空气调节与制冷系统）的发展而出现的。BA系统与自动控制技术的发展是同步的。最早的楼宇自动控制系统是气动系统，气动控制系统的能源是压缩空气，主要用于控制供热、供冷管道上的调节阀和空气调节系统的空气输配管道调节阀。在市场需求和竞争的推动下，这种控制技术实现了标准化，统一了压缩空气的压力和有关气动部件的标准，使得符合标准的厂商生产的控制设备可以互换，促进了楼宇控制系统的发展。

随后，电气控制系统逐渐代替气动控制系统，20世纪70年代爆发的“能源危机”，促使以HVAC＆R（供热、通风与空调）设备为主要控制对象的BA系统的形成，然后逐渐发展为包含照明、火灾报警、给排水等子系统的集成BA系统。

起初计算机系统只是被简单地纳入电气控制系统之中，形成监督控制（Supervisory Computer Control，SCC）系统，其结构如图1.2所示。最原始的SCC称为数据采集和操作指导控制，计算机并不直接对生产过程进行控制，而只是对过程参数进行巡回检测、收集，经加工处理后进行显示、打印或报警，操作人员据此进行相应的操作，实现对设备工作状态的调整。在后期的SCC系统中，计算机对设备运行过程中的有关参数进行巡回检测、计算、分析，然后将运算结果作为给定值输出到模拟调节器，由模拟调节器完成对设备工作状态的调整。

SCC虽然只是计算机系统在控制领域中最简单的应用方式，但在楼宇自控系统中起到了显著作用，节能效果明显。计算机系统在建筑中的应用由此得到了迅速发展。

20世纪80年代早期，计算机技术和微处理器有了突破性的发展，产生了直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）技术，其结构如图1.3所示。DDC技术在楼宇自动化系统中的应用极大地提高了楼宇设备的效率，并简化了楼宇设备的运行和维护程序。随后在计算机网络技术的带动下，产生了各种以DDC技术为基础的分布式控制系统（Distributed Control System，DCS），其结构如图1.4所示，图中的工作站及分站均为计算机，形成了现代建筑设备自动化系统。

与SCC和DDC不同，DCS是分级控制。但由于DCS是各开发商的专利产品，技术和标准不能开放，网络不能直接互联，因而出现了现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）。它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时将控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用，其技术和标准是开放式的，任何人均可使用，无专利许可要求。FCS信号传输实现了全数字化，现场仪表的传感器和执行器采用现场总线网络，并与逐层向上至最高层的通信网络相连。FCS系统结构是全分散式的，由总线仪表完成DCS控制站和过程输入输出转换功能，实现比DCS系统更彻底地分散控制。FCS具有的互操作性彻底改变了DCS控制层的封闭性和专用性。由于FCS是开放式的互联网络，可以与不同层次的网络很方便地共享网络数据库资源，为“大数据”奠定了基础，其结构如图1.5所示。

随着FCS的应用，其他楼宇设备的自动控制系统也逐渐地被集成到建筑设备自动化系统中，如火灾自动报警与消防灭火设备自动控制系统、智能卡设备自动控制系统等。现代智能建筑的建筑设备自动化系统成为一个高度集成、联动协调、具有统一操作接口和界面的，且有一定智商的自动化系统。

智能建筑在最初发展阶段中，其建筑设备自动化系统通常与IT系统分离。随着技术开放系统（Open Systems Technology）思想及计算机通信技术的发展，专有通信协议的自动化系统被开放通信协议的自动化系统所取代，Internet成为基础网络设施（Infrastructure），管理信息系统的综合化程度越来越高，整体化的管理日渐普及，物业设备设施管理（Facility-Management）越来越专业化，并在整个建筑设备自动化系统内实现完全互操作。这些发展趋势导致建筑设备自动化系统建立在管理系统的基础设施之上，形成网络化的楼宇系统（Networked Building Systems，NBS），逐渐成为信息系统的一个子系统。网络化楼宇系统使建筑设备自动化系统具有了统一的操作界面，与通信自动化系统和办公自动化系统成为一个整体，继而形成以物联网、云计算、大数据、智能控制为基础，AI驱动的智能化建筑，成为智慧建筑元细胞（Smart Building Metacellular，SBM）。

1.1.2
智能建筑的起源和发展

1）智能建筑的起源

由前述可知，随着社会与科技的进步与发展，仅由建筑设备自动化系统所提供的建筑环境已无法适应和满足信息技术的飞速发展下人们对建筑环境信息化的需求。1984年1月在美国康涅狄格州哈福德市对一栋旧金融大厦进行改建，竣工后大楼改名为“City Place”。该大楼主要增添了计算机和数字程控交换机等先进的办公设备，完善了通信线路等设施。大楼的客户不必购置设备便可享受语音通信、文字处理、电子邮件、市场行情查询、情报资料检索和科技计算等服务。此外，大楼内的暖通、给排水、防火、防盗、供配电和电梯等建筑系统设施均由计算机控制，实现了自动化综合管理，为用户提供了舒适、方便和安全的建筑环境，这一举动引起了世人的广泛关注。在“City Place”的宣传材料中第一次出现“智能建筑”一词，因此“City Place”被称为世界上第一栋智能建筑。此后智能建筑的概念开始被世界接受。

之后，智能建筑得到蓬勃发展，以美国和日本最为突出。此外，法国、瑞士、英国、新加坡、马来西亚、中国香港等国家和地区的智能建筑也快速发展起来。中国智能建筑建设始于1990年，起步后发展更为迅猛。北京的发展大厦（20 F）是我国智能建筑的雏形，随后建成的有上海金茂大厦（88 F）、深圳地王大厦（81 F）、广州中信大厦（80 F）、南京金鹰国际商城（58 F）等一批具有较高智能化程度的大厦。目前，各地在建的办公大厦绝大多数均为智能建筑，且智能建筑的类型日渐多样化，逐步由办公大厦转向生活住宅和大型公共设施，如大型住宅小区、会展中心、图书馆、体育场馆、文化艺术中心、博物馆、公园等，智能化系统投资上亿元的项目屡见不鲜。2016年之后，全世界的智能建筑一半以上都在中国建成。

2）智能建筑的发展阶段

在智能建筑发展的40多年里，根据自动化控制技术的发展进程，大致也可以归结为下列6个阶段，即：

①单功能系统阶段（1980—1985年）：以闭路电视监控、停车场收费、消防监控和空调设备监控等子系统为代表，此阶段各种自动化控制系统的特点是“各自为政”。

②多功能系统阶段（1985—1990年）：出现了综合保安系统、建筑设备自控系统、火灾报警系统和有线通信系统等，各种自动化控制系统实现了部分联动。

③集成系统阶段（1990—1995年）：主要包括建筑设备综合管理系统、办公自动化系统和通信网络系统，性质类似的系统实现了整合。

④智能建筑智能管理系统阶段（1995—2000年）：以计算机网络为核心，实现了系统化、集成化与智能化管理，服务于建筑，使性质不同的系统实现了统一管理。

⑤建筑智能化环境集成阶段（2000—2018年）：在智能建筑智能管理系统日渐成熟的基础上，进一步研究建筑及小区、住宅的本体智能化，研究建筑技术与信息技术的集成技术，智能化建筑环境的设计思想逐步成形。

⑥从智能到智慧的进化阶段（2018年至今）：智慧城市、工业4.0的提出，赋予了智能建筑新的内涵，数字孪生技术将智能建筑在时间维度上拓展到全生命周期、将其空间维度拓展到无处不在的空天地一体化网络环境，使其要素边界扩大，人成为建筑的一部分，建筑进化为SBM，建筑群进化为智慧城市元细胞（Smart City Metacellular，SCM），逐步成为一个自我传播、群体交互、自学习、自适应、持续优化、安全可信的城市元。

人类社会在此阶段，开始探索建筑的认知计算和情感计算，同时融入了共享经济、平台经济、区块链等新经济模式，建筑行业开始践行元宇宙的概念。

3）世界各国智能建筑发展现状

美国是世界上第一个出现智能建筑的国家，也是智能建筑发展最迅速的国家。自20世纪90年代以来，美国新建和改建的办公大楼约有70％为智能化建筑。著名的IBM、DEC公司总部大厦等皆是智能建筑。目前，在美国有全球最大的智能化住宅群，其占地3359公顷，由约8000栋小别墅组成，每栋别墅设置有16个信息点，仅综合布线造价就达2200万美元。

日本智能建筑的特点是将其开发、设计、施工过程进行规模化与集团化。此外，以人为本、注重功能、兼顾未来发展与环境保护也是其特点之一。日本的智能建筑大量采用新材料、新技术。在利用信息、网络、控制与人工智能技术上，日本也走在前列。由于智能建筑发展迅速和具有自己的特色，日本被认为是在智能建筑领域进行最全面的综合研究并提出有关理论和进行实践的最具代表性的国家之一。日本大企业对智能建筑的热情很高，日本政府的大力支持和积极推动智能建筑建设，如建设中的节能、环境等因素，均由政策杠杆和法规规范引导解决。智能建筑在英国不仅出现较早，而且发展较快。早在1989年，在西欧的智能大厦中，伦敦就占了12％。在英国，既有为正常人设计建造的智能建筑，也有为残疾者修建的智能建筑。为不同人群定制是其鲜明的特色。英国智能建筑别墅所用的建筑材料多采用自然可再生材料。节能是英国智能建筑的另一特色，如建筑中配有废水处理系统。在系统安全性方面，英国的智能建筑也较为先进。用于智能公寓的技术使得残疾人获得了更大的自由度并降低他们对护理人员的依赖程度，帮助残疾人更多地自行支配生活，进而维护了他们做人的尊严，这也为老龄化社会提供了一种建筑方面的解决方案。

我国智能建筑行业起步较晚，与发达国家相比，我国智能建筑在新建建筑中的比例仍较小，存在很大的发展空间。2012年我国新建建筑中智能建筑的比例仅为26％左右，2018年我国智能建筑占新建建筑的比例已达到40％，虽然仍低于属于发达国家的美国和日本，但由于中国智能建筑在新建建筑中所占的比例每年能保持约3％的增长率，到2025年左右，中国智能建筑在新建建筑中的比例将超过50％。

在时间周期上，我国智能建筑已经过了初创期和发展期，现今处于高速发展期，2018年我国智能建筑行业产值约达50亿美元，产业规模和产业链已形成；在地域发展上，我国智能建筑正在多点面普及化发展，智能建筑正逐步由一线城市向二、三线城市扩展，未来也有望在乡村振兴的进程中提供助益；在技术层面上，我国智能建筑的管理模式正由传统化向智能化、信息化、数字化、网络化过渡，实现真正的智慧化控制。

4）世界各国对智能建筑的定义

智能建筑是各种新兴技术广泛应用于建筑领域的产物，其内涵相对丰富，全球尚无统一的定义。

美国智能建筑学会（American Intelligent Building Institute，AIBI）对智能建筑的定义是：“智能建筑”是通过优化建筑物结构、系统、服务和管理4项基本要素之间的内在关系，来提供一种投资合理，具有高效、舒适和便利环境的建筑物；欧洲智能建筑集团定义中的智能建筑能创造一种可以使用户拥有最大效率的建筑环境；同时，智能建筑可以凭借最低的硬件设备保养成本有效地管理建筑本身的资源，其最终目标是提供一个反应快、效率高和有支持力的环境以使建筑内的不同用户达成其业务。

新加坡政府的公共工程部（Public Works Department，PWD）在其颁布的《智能大厦手册》中要求，智能建筑必须具备3个条件：一是具有完善的安保、消防系统，能有效应对灾难和紧急情况；二是具有能够调节大楼内的温度、湿度、灯光等环境控制参数的自动化控制系统，可以创造舒适、安全的生活环境；三是具有良好的通信网络和通信设施，使各种数据能在建筑内外进行传输和交换，能让用户拥有足够的通信能力。日本智能建筑研究协会（Japan Intelligent Building Research Institute，JIBI）对“智能建筑”定义中要求智能建筑应提供包括商业支持功能、通信支持功能等在内的高度通信服务，并能通过高度自动化的大楼管理体系保证舒适的环境和安全，以提高用户的工作效率。

中国的《智能建筑设计标准》（GB 50314—2015）中将智能建筑定义为：“以建筑物为平台，基于对各类智能化信息的综合应用，集架构、系统、应用、管理及优化组合为一体，具有感知、传输、记忆、推理、判断和决策的综合智慧能力，形成以人、建筑、环境互为协调的整合体，为人们提供安全、高效、便利及可持续发展功能环境的建筑”。2021年颁布的中国建筑学会《智慧建筑设计标准》（T／ASC19—2021）进一步明确“智慧建筑是以构建便捷、舒适、安全、绿色、健康、高效的建筑为目标，在理念规划、技术应用、管理运营、可持续发展环节中充分体现数据集成、分析判断、管控决策，具有整体自适应和自进化能力的新型建筑形态”。图1.6所示为其明确的智慧建筑技术架构。

由此可见，欧美将智能建筑的焦点放在通过技术满足使用者的需求及绿色可持续发展，亚洲则侧重于技术的自动化和建筑功能的控制作用。当前较有代表性的智能建筑有：

①英国曼彻斯特天使一号广场。位于英国曼彻斯特的天使一号广场（图1.7）是英国高品集团的新总部大楼，于2012年建成，是可容纳3万多平方米的高质量办公空间。数据显示，与之前的总部大楼相比，天使一号广场可节省能耗50％，减少碳排放80％，节省营业成本高达30％。大楼实行本地采购和可持续性原则。这座大楼的能源来自于低碳的热电联产系统，由本地高品农场生产的油菜籽作为生物燃料，为热电联合发电站供能，剩余的庄稼外壳成为农场动物的饲料，多余的能量会供应给电网，或是应用在其他的NOMA开发项目（由高品集团发起的英国最大的地区改造项目）中。剩余废弃的热量则会输送给一台吸收式制冷机。该大楼合并了废水回收和雨水收集系统，确保了低水耗。大楼还采用低能耗的LED照明，并尽量采用自然光照。距离窗户7m之外不设置办公桌。同时配有电动汽车的充电站，使其更能满足新能源车用户的出行需求。

②新加坡义顺邱德拔医院（图1.8）。新加坡对绿色建筑十分重视，截至2020年，绿色建筑占所有建筑的比例至少达到30％。义顺邱德拔医院完全遵循绿色和高能效的理念建成。在光伏系统、采暖通风系统、日常照明系统等方面实现了零能耗，并且扩大绿植覆盖面积，达到70％的自然空气流通，建筑的用能效率比普通医院的平均水平高出50％。

③英国全电式的智能西门子水晶大楼（图1.9）。水晶大楼是一座全电式的智能建筑，以太阳能和地源热泵驱动，大楼内无须燃烧任何矿物燃料，产生的电能也可存储在电池中。此外，水晶大楼还融合了将雨水转化为饮用水的雨水收集系统、黑水（厕所污水）处理系统、太阳能加热系统和新型楼宇管理系统，使得大楼可自动控制、管理能源。

④迪拜太平洋控制大楼（图1.10）。作为中东首个白金级LEED项目，迪拜太平洋控制大楼拥有一个集成的楼宇自动化系统，使用有线和无线传感器控制和M2M的通信，这使其成为该地区可持续发展的象征。该建筑具有lP骨干网，可用于访问音频、摄像机、电梯和火灾报警器。此大楼主要承担公司的研发活动，还可以提供远程监控该地区公共和私人物业的设施服务。

⑤上海会德丰国际广场（图1.11）。会德丰国际广场使用了高透光玻璃幕墙等大量体现循环理念的设施或设备，辅以光纤网络配合卫星通信，高速升降机系统等设施，并将“安全”作为必须因素，引进高科技保安系统，包括全球最先进的自动火灾报警及喷淋灭火系统，在全楼所有区域实现智能门禁、中央闭路电视监控，停车场智能控制和识别等功能，配备高素质专业物业服务、安保与急救人员，为智能建筑作出全方位安全防范表率。整个建筑环境品质优异，成为全球公认的智能建筑范本之一。

⑥江森自控上海总部办公楼（图1.12）。江森自控是一家数字解决方案公司，为智能建筑的发展提供建筑产品、技术、软件和服务。江森自控上海总部办公楼获得了IFC-世界银行集团的EDGE（卓越设计以提高效率）认证、美国绿色建筑委员会的LEED（能源与环境设计领导力）白金认证和中国绿色建筑设计标志三星级认证。其可持续性体现在大楼使用可再生能源和智能照明。混合能源和足够的电动汽车充电站是总部大楼的另一个特色，这种举措减少了员工在通勤时的碳足迹。

⑦Glumac办公楼（图1.13）。位于上海的Glumac的办公楼是东亚第一个LEED白金4级建筑，也是东亚第一个获得净零能源、水和碳排放认证的建筑。该大楼设有一个室内空气监测系统，让员工可以在他们的移动设备上查看室内空气的污染物水平，大楼拥有5个空气净化系统和一面种满植物的绿色墙，以过滤进入大楼的外部大气污染。

⑧北京大兴国际机场（图1.14）。大兴机场通过“Airport3.0”系统与空管、航空公司、联检单位、政府监管部门、专业公司以及其他驻场单位等合作伙伴的信息共享、协同决策，显著提升机场运行效率、旅客服务水平以及安全保障水平。它搭建了稳定、灵活和可扩展的信息技术架构，以云计算、大数据、物联网平台为基础，构建航班生产运行、旅客运行服务、空侧运行管理、综合交通管理、安全管理、商业管理、能源管理、货运信息管理、环境信息管理九大业务平台，为机场各个单元和利益相关方提供实时、共享、统一、透明的应用服务，从传统机场信息化建设以集成系统为核心转变为多业务支撑平台协同发展，实现全方位、全业务的智慧化管理，成为国际领先的智慧机场。