摘要：住宅建筑是一种历史悠久、应用广泛的建筑类型。它不仅是实现“双碳”目标的关键要素，也是全球碳排放的重要来源。本文以双碳减排为背景，从绿色建筑和以人为本的角度出发，以智能数据集成住宅建筑为研究对象，通过计算机模拟和数据收集，探讨低碳空间格局的构建和空间减碳效益的提升。推进城镇化生态转型，引导产业可持续发展；提高资源利用效率，建设低碳基础设施；倡导绿色生态理念，创造高品质的公共空间，以期为旧建筑的管理和新型绿色智能宜居建筑的发展、双碳目标的实施和低碳城市的建设提供参考。

关键词：双碳；绿色建筑；数字化转型；建筑智能；无人系统

1 国内外住宅建筑智能化减排研究现状

近年来，房地产行业逐渐饱和，国内住宅建筑基数大，增速趋缓，当今住宅建筑研究方向逐渐转向既有建筑更新改造的应用领域，建筑节能、人居环境优化成为了当今建筑设计改造的重点。智慧住宅又被称作智能家居、自动化住宅、智能住宅。最初，智慧住宅一词是由美国国家住宅建筑协会于1984年正式提出。随后，智慧住宅一词的概念被泛化，用于许多人们进行活动的生活环境或工作环境。再后来，这一概念逐渐转向整体性的视角：通过中央控制系统（HEM）对住宅进行整体控制，高效满足用户需求。1994年，美国麻省理工学院媒体实验室设计了一种新的智能房间布局，用相机、麦克风、传感器等设备来模拟隐形管家，记录分析居者的行为，预测并满足他们可能的生活需求。这种预测居住者需求进行反馈的实验与今天利用大数据采集与智能化管理两种方式高度契合住宅建筑模板程度高和数量大的特点来实现自动化改善人居环境的出发点一脉相承，大量的数据积累条件可以允许我们设计构件或设备来构建或改造建筑环境，并且从住宅建筑使用过程中收集到的数据可以为其反馈学习基础，从而向其他建筑类型领域发展应用。

从建筑领域来看[3]，建筑业是与工业、交通运输业齐名的高耗能产业，实现建筑业的低碳发展对减少碳排放、促进碳达峰具有非常积极的意义。绿色低碳理念应贯穿建筑设计、建筑材料生产与选择、建筑施工建造等全周期环节，推动建筑全产业链低碳化发展。在建筑设计阶段，通过减少建筑面宽、注重自然采光和自然通风等设计手法减少建筑自身能耗，鼓励低碳建筑、零碳建筑的建设；在建筑材料方面，选择新型环保的绿色建材和当地材料，提高材料的利用效率，实现材料的良性循环应用；在施工建造方面，优化施工工艺和施工方案，采用装配式施工，节约建材，减少碳排放。住宅建筑是所有建筑物中出现最早、应用最多的建筑类型，其数字化减碳改造应用研究对世界双碳减排目标的实现有重大意义。

2 智能住宅衍生产品及相关场景应用

目前住宅小区智能化与智能家居有明确的定义和规范标准。但对于住宅智能化这个词语，不同区域、不同企业赋予其的内涵与名称都是不统一的，如称全屋智能、智慧家庭、数字家庭，而本文主要讨论的是建筑设计层面的智能化住宅。

2.1 智能表皮产品介绍

智能家居[1]是综合利用传感器、有线及无线通信等技术，将家居内部生活设备统一集成管理，通过设备之间的联动以及系统的自学习、自适应，实现住宅设施与日常事务操作的自动化、智能化。智能住宅是具备智能家居系统功能，能够自动控制及接收住宅内或者远程控制指令，与住宅内其它家电和家居设施互联互通组成系统，实现绿色、低碳居住环境的住宅。其中智能表皮是大数据时代背景下对资源的自动化可持续利用的创新型设计，针对当下社会环境需求，为房屋资源饱满而导致住宿质量低下所准备的使用手段，在新建绿色建筑和老旧社区改造之间寻找好的契合点。

随着参数化设计软件发展与数字化建造技术改革的进行，建筑设计在观念、方法和过程方面发生了较大改变，建筑表皮设计因此展现出了更为灵活自由的立面效果。例如利用Grasshopper软件中的分形、干扰、缩放等功能为建筑表皮设计非线性的立面纹理样式。即便如此，目前大多数建筑表皮依旧停留在静止状态，动态化的互动建筑表皮是目前打破静止的主要手段之一。[2]安装建筑外表皮是一种在建筑外墙上安装轻质金属板的做法，作为建筑“第二表皮”，可以起到在不对原有建筑进行大规模改建的基础上，快速实现建筑外立面的风貌统一，不仅可以使建筑表皮富于活力，同时起到保温隔热、降低噪音影响的作用；而智能表皮，则是将5G技术运用到“第二表皮”做法中的一种全新模式。

智能表皮是材料为表面涂有聚氯乙烯涂料的轻质金属板，具有对光的高反射率和雨后自洁能力的特点。结构做法上分为格栅板和穿孔板幕墙两种，二者可单独安装或搭配使用。格栅板结构可安装在外墙上需要通风采光的部分，例如窗户或玻璃幕墙区域；穿孔板结构可安装于无门窗洞口的实墙区域。

在AI表皮的格栅板、横挺及竖挺上，安装有若干数据采集终端，对其周围的环境数据进行实时监测——包括风向数据、过风量数据、光照数据、PM2.5数据等，数据采集终端将通过5G网络把庞大的数据传输回数据处理中心。数据处理中心会对传回的数据进行实时演算与分析，将转向数据传输给控制格栅板旋转的元件，通过格栅板的旋转来引导风向和光照，使室内达到最佳光照和自然通风，或回避不利的天气环境，降低建筑能耗。

对于建筑通风，有研究表明，当房屋朝向与当地风向夹角角度为15°至45°之间时，建筑内部通风风速可达0.24m/s，而国家规定0.2m/s即为室内人体舒适风速及自然通风风速。而建筑AI外表皮格栅板的旋转角度可以根据具体情况调整以满足最佳角度要求，实现室内高效率自然通风。

在安装AI外表皮之后，建筑墙体与表皮之间将形成一个腔体，在经过太阳照射之后，腔体内气体温度升高，气压变大，其将与腔体外部的流动低温空气产生压强差，继而产生热压通风效应，在建筑周围构建一个空气流动循环，促进排除废气及使建筑吸入新鲜空气。

此外也可以根据用户提出的要求，制定一套个性化方案，将用户提出的信息传输至数据处理中心，中心将对栅格板角度进行调整，以满足住户的特殊需求。

2.2 应用场景

智能表皮立面改造可以首先应用在绿色建筑的新建和老旧社区的改造中，尽量减少动土量，作为一种外设的手段，减少建筑主体的负担的同时改造社区微环境，并且数据集成达到网格化管理建设的目的。基于智能表皮在建筑上的应用与推广，形成了充满科技元素的智慧社区，通过与物联网及5G的结合，能够实现以下几点：

（1）社区环境自我调控

社区环境自我调控模式采用了“5G+物联网+AI”的组合形式，将AI应用到社区的各个服务设施中，通过应用物联网模式，链接5G信息技术收集大数据，运用AI进行自我信息收集与处理，实现社区环境智能调节。如在社区路面设置排水小孔，晴天时小孔处于关闭状态，当路面有积水时，通过感知地面积水对路面的压力、潮湿程度等，接住物联网与5G将路面积水信息实时传递给AI，AI对数据做出计算与判断，发出指令，指令再次通过5G与物联网传递给执行对象，执行对象做出反应打开小孔，加速路面积水排出。

（2）社区住房更新进化

社区住房更新进化模式采用了“5G+物联网+装配式+AI”的组合形式，将AI应用植入社区公共设施中，通过物联网与5G技术采集居民日常活动生活数据，并上传AI进行分析，得到社区居民的日常活动轨迹，进而推算社区场地使用情况，以此判断社区公共场所是否需要改造，如公共广场是否需要扩建、跑道是否需要拓宽等。根据AI计算出的结果每隔一段时间会重新对社区环境进行调整。社区建设时所用的装配式材料在更新进化时将大大体现出它的优势——拆装便捷且损耗少可重复利用，从而可以用最短的时间完成建筑的更新改造。通过这种更新模式逐步完善居民公共活动空间，提高社区的舒适程度，以适应住户需求。

（3）项目透明化

项目透明化是在项目进行建设的过程中，融入信息技术即5G技术，可以使业主实时监控项目进行程度，实现项目透明化，使建设过程有迹可循，也为后期的维护和改造升级提供实时全面的信息。它能直观地为人们展示项目的建设进度，追踪建材的产地与使用寿命等。从用户和建筑收集的大数据将为可复制的住宅进化模式提供便利，同时相关技术产业的兴起也会提供一批就业岗位。

（4）智能家居

智能家居让居民生活更加便捷、可视化。利用“5G+物联网+AI”的组合形式，将5G科技技术与物联网技术融入家居中，方便居民的日常生活。同时5G技术在也可运用在调控室内环境上：将AI应用到房间环境实时调节中，AI通过数据分析对智能家居下达指令，使智能家居可以根据指令对室内环境做出调整自动调节，提高室内舒适程度。

（5）社区服务个性化

社区服务个性化采用了“5G+AI”的组合形式，结合开发社区专用APP，实行信息透明化，如建筑更新时的工程进程可以再APP上进行实时更新，方便居民进行查看；在APP上还可实时查看社区公共场所的人流分布情况，以便于居民选择心仪区域散步或健身等；社区管理员也可在APP上实时查看社区内AI对智能设备的控制情况，同时还可给AI输送指令调节居住环境等。APP还可以与周边商业区进行结合，居民可以利用线上APP购买日常生活用品或是食材等各类商品，APP还兼备线上缴费、社区出入门禁卡等基础性功能。居民还可以通过APP向物业反馈信息，提出建议，以便社区管理者对运营模式及时作出调整。

3 未来展望

建筑AI表皮在未来有望能够在以下方面产生有益效应：

（1）住宅的不利朝向立面：由于西晒影响，我国大部分住宅的西面都不会放置主要的功能空间。借助智能AI外表皮，未来可以将部分重要功能空间放置于建筑西面，由AI外表皮通过实时感知外部环境变化来改善内部空间的舒适度，从而避免西晒、通风不足等问题。这也大大减弱了外部环境对内部空间的限制程度，能够最大限度的利用室内空间。

（2）改造老旧建筑：我国人口基数大，上世纪八九十年代房地产开发力度大，住宅建筑激增，老旧住宅小区由于受当时技术、经济、政策等方面的影响，大多能耗较高，未考虑可持续发展和绿色人居环境构建。大部分热量通过外围护结构散失，降低了其保温性能。再者，由于建设年代久远，大部分老旧住宅小区的各种设备、设施较为落后，建筑及相关设备存在不同程度的破损及故障，如墙身开裂、发霉，墙皮脱落，门窗破旧等。这些问题影响着居民的日常生活，降低了居民的生活质量[4]。

通过增加智能AI外表皮作为“第二立面”，可以最大程度地改善老旧建筑保温、隔热的问题，同时对改善老旧社区的建筑风貌的方面也有了大的进步。此外，通过增加智能表皮，可以构件一个智能化社区，提升社区人居环境、提升居民生活幸福感。

（3）门窗洞口：门窗洞口是室内与室外空气、阳光等物质进行交换的通道，将智能AI外表皮运用于住宅的门窗洞口处，可以高效、直接地改善室内采光、通风等问题。同时将智能表皮以长条的形式放置于不同住宅的外立面门窗处，也将形成不同的外立面风貌造型。

（4）建筑屋顶：将智能AI外表皮放置于建筑屋顶，相当于形成了双层屋面，对建筑内部的保温、隔热、通风起到了一定的改善作用。

参考文献：

[1]陈奇梅.智慧住宅示范项目建设的若干问题探析[J].安徽建筑，2022，29（09）：78-80.

[2]郭志鹏，张芮，马云天，马明睿，刘晓霖.基于无人系统的建筑智能表皮装置初探[J].智能建筑与智慧城市，2021（08）：123-125.

[3]李春慧，胡林，王晓宁，杨笑波，陈秋萌.基于“双碳”目标的城乡规划策略[J].规划师，2022，38（01）：12-16.

[4]曾强，黄榕江，杨佳泽.后疫情时代下的老旧住宅小区节能改造[J].节能，2021，40（03）：78-80.

作者简介：陈逸凡（2000—），女，白族，云南大理人，本科，单位：湖南工业大学，研究方向：建筑设计。

校级项目：智能数据集成建筑AI表皮构件研发项目名称。

（作者单位：湖南工业大学）