陈杰甫等：建筑智能化系统顶层设计方法探讨

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陈杰甫,陈众励,胡一峰.建筑智能化系统顶层设计方法探讨[J].建筑电气,2024,43(02):3-6.

     

顶层设计脱胎于系统工程学 ，并在航天设计 、核电厂建设 和城市规划 等诸多方面广泛应用，也应用于建筑设计中 。自上向下的设计和自下向上的实现是系统工程学中常用的方法，即将大目标拆解成一项项可以执行、评判的小目标，在执行过程中对每一个小目标逐个实现并进行组合。按照这个方式进行建筑智能化设计并施工，便构建了系统工程的 “V” 字模型（如图 1 所示）。

本文主要探讨建筑智能化的顶层设计，即自上而下的设计部分。智能建筑的发展日新月异，相关的规范、标准和系统快速更迭。设计师不易准确判断某一建筑需要应用何种智能系统及功能、采用什么形式的系统架构；对于建设方而言，一方面对比不同系统的优劣将耗费大量精力，从不同方案中选择最具性价比的方案则更加困难，另一方面不同建设方的需求、同一建设方在不同时期的需求可能都有变化，最适宜的智能化系统和架构也会相应有所变化；对于行业而言，难以制定一个统一的标准，来衡量和对比不同建筑的智能化水平。因此，智能建筑智能化系统的顶层设计很有必要。

本文希望可以提供一种方法，可以根据建设方的需求，以具体数据直观对比不同系统的优劣；也可以深度参与到设计的前期工作中，帮助设计师理清思路，确定设计方向；甚至能帮助从业者对智能建筑进行评判与比较，促进行业的健康发展。在此过程中，质量功能配置（QFD）的方法有助于解决这一问题。通过逐层迭代的方式，将业主、使用方的需求分解成工程领域通用的技术路径与指标。通过构建专家矩阵，反映业主、使用方的需求与智能化系统类型、技术指标之间的关系，并对不同的技术路径进行评价与打分，对比选择适合的技术方案。

智能化系统的顶层设计方案

> > > >   智能化系统顶层设计迭代方案的确定

智能建筑的智能化系统设计既要符合规范要求，又要紧跟行业与时俱进的发展需求，还要根据因时因地的经验进行验证，虽具有整体性但却包含多样化。通过质量功能配置的方法，将用户需求分解成具体可执行的技术指标将是较完善的方案。计划从规划、设计、操作3个层级来构建迭代方案（如图2所示），首先将设计指标分解为各个系统，再将各个系统分解到每个系统中具体的技术指标。

但是过多的层级会使得整个系统变得非常庞杂，涉及的很多数据对目标的影响占比非常小，并且建模的过程十分复杂；对于业主而言，牵扯过多不必要的数据也会让主要的目标不清晰；对于设计师而言，多层矩阵迭代学习成本过高，繁杂的数据难以处理。因此本文将3层矩阵优化为双层矩阵，减少了具体技术这一层迭代，不仅可以避免上述问题，同时也将有限的精力专注于设计方案中，为工程提供快速可靠的参考。

> > > >   智能化系统顶层设计的双层迭代方案

双层矩阵迭代可以将建设方的需求进行技术路径和技术细节的拆解，根据建设方的重视程度，提供不同技术路径在满足建设方需求方面的对比和比较，帮助建设方选择最优的一个或几个技术路径。

双层迭代第一层为需求矩阵，主要将建设方模糊化的需求与设计中不同的设计指标进行联系。借鉴了已有文献模糊化处理的经验，根据建设方对不同需求的重视程度，为每一种需求赋予不同权重；结合行业专家意见，得到现有技术和建设方需求间的相关度；进而得到哪一种设计指标更为重要，也就是竞争因子，为建设方的选择提供技术对比和参考。

双层迭代第二层为设计矩阵，通过相同的方法，得到不同智能化系统的竞争因子。在该层矩阵中，建设方需求和重要程度将由上一级的设计指标和相应的相对竞争因子替代。

顶层设计的计算流程

建筑智能化系统的顶层设计分为两层，一层需求矩阵，一层设计矩阵。智能化系统顶层设计的流程图如图4所示。

对于需求矩阵的搭建，流程如下：

a. 首先收集用户需求，并由用户对各个需求的重要度进行0 ~ 100打分，得到绝对重要度,共m项。通过归一化得到每一种需求的相对重要度w _相 ，即是需求矩阵的重要度w ₁ 。

其中i表示重要度的第i行。

以某个公共建筑为例，业主对于智能化系统的建设目标和需求度为：安全80分、绿色与双碳32分、韧性（平灾）8分、宜居与宜业30分、高效管理与运维46分、创新与可持续4分。通过上述公式，可得到该项目需求矩阵的相对重要度为 w _相 = ［0.4  0.16  0.04  0.15  0.23  0.02］。

b. 根据用户需求及常规技术方向，得出相应设计目标q ₁ ，共n项；上述项目则可以有成本预估、基础设施、公共服务等设计指标集。

c. 通过邀请行业内多个专家，根据专家过往设计经验对每一项进行打分并取平均值，得出设计指标集和用户需求间的关系矩阵R _{1(m × n)} 如式（2）所示， r1 _ij ∈ (1 ～ 10)，其中ij表示关系矩阵 R ₁ 元素的第i行第j列：

d. 根据各用户需求的相对重要度 w _相 及关系矩阵 R ₁ ，代入需求矩阵中，得到绝对竞争因子 b 1 ：

e. 通过归一化得到相对竞争因子S 1 。至此，第一层需求矩阵搭建完毕，并得出各设计指标的相对竞争因子。

图5是示例公共建筑需求矩阵示意图。第一层需求矩阵得出的相对竞争因子，可以帮助设计者了解在现有条件下，不同的设计指标对于建设方需求的响应程度，以确定接下来的设计方向。比如，对于该项目而言，公共服务、基础设施、舒适健康、成本是几个较为重要的方面，接下来的设计则会对这几个方面进行重点关注。

按照相同的方法构建第二层设计矩阵，发现智能化信息平台、建筑设备监控系统及信息网络系统对于业主需求的影响较大；而用户电话交换系统、有线电视系统及时钟系统对业主而言，相对来说并不那么重要。因此设计过程中，对于业主需求影响大的项目，应予以更多的重视，选用具有一定先进性的系统架构，合理布置末端点位并留有适量冗余以满足今后的发展需求；对于不重要的系统，则可以采用更为经济的解决方案，控制项目投资。