智能建筑与自清洁框架诌议

1背景说明

我们现在生活在公元21世纪，但就建筑而言我们依然生活在地球文明的蛮荒时代。笔者认为讨论智能建筑本质上就是要重新学习古希腊的建筑，从而帮助我们了解未来的建筑。现在构成建筑的基础结构材料，玻璃、水泥、钢筋加上古罗马时代就有的建筑形式，就可以等同于当代建筑。唯一的不同在于引入电梯这类的自动化机械装置，解决了建筑的空间尺度，但这些与几何相关的进步本身并不能代表建筑未来的发展方向。

智能建筑的出现本质上就是为了适应自爱迪生发明电灯照明后引发的复杂电路结构，至于空调等用电设备的出现对空间本身并没有产生影响。人们可以在相同的空间加载不同的用电装置。我们讨论物联网技术包括人脸识别、网络技术和安全应用这些所谓的智能应用，同样也对建筑本身不产生影响，我们并没有为了适应无线信号的传递而设计新的建筑形式。当然为了特殊目的进行的建筑设计不在本文讨论民用建筑的范围内。

2什么是面向未来的现代建筑？

笔者认为建筑本身就是某种空间容器，或者说是几何维度上的点云。现在的工业和科技能力可以在不考虑成本的前提下，自由实现任意造型的几何体。同样也可以实现这些几何体的移动和运动。过去的建筑设计在理念上只是提供一个空间容器，尽管我们可在实现这些几何造型时兼顾后续的应用载荷，但通常我们考虑的这些负载都是有预设的。

3讨论未来，首先要学习历史

古罗马建筑是古罗马人沿习亚平宁半岛上伊特鲁里亚人的建筑技术，继承古希腊建筑成就，在建筑形制、技术和艺术方面广泛创新的一种建筑风格。古罗马建筑一般以厚实的砖石墙、半圆形拱券、逐层挑出的门框装饰和交叉拱顶结构为主要特点。古罗马建筑的类型很多。有罗马万神庙等宗教建筑，也有皇宫、剧场、角斗场、浴场以及广场和巴西利卡（长方形会堂）等公共建筑。居住建筑有内庭式住宅、内庭式与围柱式院相结合的住宅，还有四、五层公寓式住宅。古罗马世俗建筑的形制相当成熟，与功能结合得很好。例如，罗马帝国各地的大型剧场，观众席平面呈半圆形，逐排升起，以纵过道为主、横过道为辅。

观众按票号从不同的入口、楼梯，到达各区座位。人流不交叉，聚散方便。舞台高起，前有乐池，后面是化妆楼，化妆楼的立面便是舞台的背景，两端向前凸出，形成台口的雏形，已与现代大型演出性建筑物的基本形制相似。古罗马建筑能满足各种复杂的功能要求，主要依靠水平很高的拱券结构，获得宽阔的内部空间。古罗马建筑艺术成就很高。大型建筑物风格雄浑凝重，构图和谐统一，形式多样。罗马人开拓了新的建筑艺术领域，丰富了建筑艺术手法。

表1列出相关建筑事实。公共浴场数量多。公元前33年从100多个，到200年后增加到900多个。供水供热系统先进。多达300多条的引水道，采用中央集中供热系统、利用地下室烧热的空气在中空墙、地板中给整个浴室建筑供热。公元前2000年，距今约4000年。现在地球上的多数建筑还没有达到当时建筑设计的智力水平。

4为什么需要设计自清洁的建筑？

（1）现在建筑物本身就是最大的垃圾集中区。建筑自身并没有垃圾处理能力，我们需要将建筑垃圾不论是在建筑施工过程中产生，还是在建筑使用过程中产生的垃圾借助物流系统向外部环境排放。（2）对建筑物内在的管道系统，不论是给排水系统还是空气管道都不能提供自清洁处理能力，而是依赖公共市政的給排水管网。目前采用的空调系统引入二次污染，直接导致对人体健康的威胁。（3）建筑物的能耗计算现在不包括排放垃圾所产生的能耗。举列而言，智能写字楼并不计算使用这些办公空间的垃圾排放物，如办公废纸、复印机产生的污染物等。

（4）现在建筑物本身不能最大限度地利用环境资源，如阳光、风力、降雨甚至沙尘所带来生物资源。（5）建筑物内部的清洁多数仍然用人工方式，如保洁工人的手动擦洗，这些近乎原始的操作显然与未来的地球文明不相适应。我们认为肉眼看不见桌面的粉尘就是清洁，这样的模糊标准已经不适应人体的健康需求。（6）SARS或MERS这类致命病毒的出现，对建筑的空气质量提出了现实的新要求，负压环境未来将成为基本配置。可以列举更多的理由但以上所陈述的要点已经可以帮助我们建立起面向未来变革的行动基础。

5如何实现自清洁建筑设计？

5.1首先需要建立5项指导性的原则

（1）建筑设计理念需要进行根本性的改变。（2）需要告别几何时代的建筑，进入以生物拟态或者通常表述的仿生设计。区别于目前采用的仿形，笔者指的仿生设计是采用生物的功能原理。（3）所有的建筑本身必须是建立在机电一体化的基础之上。（4）建筑物本身必须具有对内部或外界环境的反应能力。（5）建筑物系统首先是生物的管道系统，其次才是几何的点阵集合。

5.2以植物技术为例说明

香蒲的园林应用中，其对建筑湿地系统生态功能的保护也是一个很重要的方面。由于香蒲植物根系发达，与水葱搭配有利于净化水质，此外，香蒲还可以控制水土流失，促进土壤的发育和熟化，提高土壤中有机质及N、P、K等的含量，从而提高了土壤肥力。

5.3香蒲净化城市污水和工矿废水的应用

工矿废水是环境污染的来源之一。因为香蒲能耐高浓度的重金属而且它适应能力强，生长快，富集能力强等，所以，已经受到重视和关注，被较多的应用在处理工矿废水污染的环境中。香蒲植物还可以有效净化城市生活污水及工矿废水中的磷、氮、CODcr、BODS、总悬浮物等污染物质。通过对香蒲植物形态解剖学、组织化学和生理生态研究，发现香蒲植物抵抗高浓度重金属废水污染的机制是：（1）香蒲植物具有特殊的结构与功能，如叶片呈肉质、栅栏组织发达、气孔凹陷、地下茎发达等结构，是香蒲植物对重金属污染有强抗性的原因之一。

（2）香蒲植物长期生长在高浓度重金属废水中形成特化结构以抵抗恶劣环境，如生长在废水中的香蒲植物比在清洁点的具有更大的气孔密度，香蒲根、茎、叶表皮细胞较小、近球状等均是香蒲植物适应恶劣环境所产生的一些特化结构。（3）香蒲植物能自我调节某些生理活动，以适应污染毒害，如在高浓度的重金属环境中香蒲脯氨酸含量增加、光呼吸和暗呼吸作用加强是香蒲植物适应污染毒害所作的生理调整。

5.4在3D打印时代如何实现一个完整的自清洁系统

（1）建筑即生命体，而不只是几何体按照这个原则可以借助3D打印技术快速建设自清洁的建筑体。比较而言有前途的技术以所使用的机器人被称为“Minibuilders”，因为其身材袖珍，其中最大的也就2cm宽。这些机器人组成了一个3人小组在打印过程中分别执行不同的功能，在整体运作中互相协调，但又独立完成各自功能。每一个Minibuilder通过使用中央计算机提供的指令，结合自己的传感器和当地的定位系统按顺序履行各自任务。另一个机器人，称作“供应”机器人则提供给每一个Minibuilder所需的液体建筑材料。

（2）地基机器人Foundation第一个进入施工现场的机器人，通过轨道以及带线的传感器四处走动，识别项目的大致轮廓。这种机器人举着打印头逐层堆积打印对象，打印头也随之升高，当打印对象的高度升到地基（Foundation）机器人接触不到的地方时，就轮到下一个机器人出场了。

（3）抓握机器人GripGrip使用4个滚轮将自己夹在构建对象的顶部。每个滚轮都与旋转和转向制动器相连接，这样机器人可以很精确地将自己定位在打印对象指定的区域上，并开始3D打印。由于这个机器人需要在之前打印结构的上面作为固定自己的支撑，所以3D打印材料的干燥固化速度需要非常快，这样才能支持下一层的打印。为了加速材料的干燥固化，Grip还配置了加热器。一旦打印对象的结构和形状3D打印完成，最后一个机器人就出现了。

（4）真空机器人Vacuum这是MiniBuilder施工过程中最后一个上场的机器人。它使用一个真空的吸盘，以使自己附着到3D打印对象的表面上。这种机器人的目的是为了加强其已打印的结构。要做到这一点，它通过两条轨道在结构上反复上下移动，以几乎垂直于其他层的方式打印材料，为一些更大的物体提供结构支撑。理论上，这些Minibuilders机器人能不受3D打印机身尺寸的限制打印出无限大的对象。需要指出的是Minibuilders本身并不涉及到自清洁建筑的原理实现，而只是提供了一个可能的概念方案帮助讨论未来的实现路径。

6结论

我们现在处在又一个新千年开始的时刻，放眼未来1000年，2000年或者更遥远的10000年。可以想见未来的地球文明正在以全新的方式改变人类的生活空间，甚至是对实体空间的定义。现在需要建设的不再是原始意义上的几何容器，我们需要构建未来意义上的生命工作容器。G7最近宣布在本世纪末终结化石能源的时代，同样在不远的未来，也会终结几何容器的时代。

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