面向科技强国建设的城镇化领域技术需求与趋势

来源：科技中国

作者：王书华

城镇是人居环境的重要组成部分，城镇化是我国现代化建设的历史任务，也是扩大内需的最大潜力所在。城市基础设施、建筑建材、低碳能源使用、生态环境等城市建设，都对科技提出多样化的需求。在我国的科技发展战略和创新政策部署中，一直对城镇化与城市发展领域的科技发展高度重视，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》将“城镇化与城市发展”作为科技强国建设的重点领域单独部署，近年来城市发展各类相关技术都保持着较快的发展速度，整体发展态势较好。着眼“十四五”和中长期未来城市化的快速发展和人民对美好城市生活的需求，城市建设与发展中的技术需求也必将持续提升并呈现若干趋势。

一、当前我国城镇化领域技术竞争的整体状况

       

基于2019—2020年开展的第六次国家技术预测城镇化领域问卷调查数据，近年来我国城镇化领域科技水平提升明显，在部分领域已达到了领先水平，但许多子领域仍以跟跑为主，甚至完全依靠其他国家掌握的技术核心，科技原始创新能力仍有待加强。

（一）美日德等国家城镇化领域技术显著领先

我国城镇化领域绝大部分技术都处于跟跑、并跑状态。具体表现在各子领域的情况存在一定差异（见图1）：城乡规划技术、建造技术、建筑节能技术、重大基础设施建设专用材料等在国际上处于整体先进、局部“领跑”水平；在建筑设计、城市治理、城市建设与维护等子领域，各项技术以“跟跑”为主；在城市能源系统、城市规划等子领域，技术以“并跑”为主。各子领域与国外整体差距均在5年以上，城市建设与维护、城市规划、文物保护与文体发展、绿色建材子领域的差距也在10年以上，在基础理论研究、基础数据采集、基础软件等方面主要以跟随国外研究热点为主，缺乏足够的自主创新能力。

（二）我国城镇化重点技术领域差距明显

通过对领先技术数量的统计分析，处在领先水平的技术最多的为美国（38%），其次分别为日本（26%）、德国（19%）、英国（10%），我国约有6%的技术处在领先地位，在城镇化发展的许多技术领域各国差距很大（见图2）。从具体领先技术数量和领域分布来看，美国、日本、德国、英国等在城市规划、城市建设维护、低碳能源系统与绿色建材等技术领域优势非常明显，丹麦、瑞典等北欧国家在可再生能源综合利用及热电气协同的低碳城市能源技术等方面位居国际前列。

（三）国外技术成熟度普遍高于国内

调查显示：我国城镇化领域大部分技术目前处于中试或产业化阶段，城市治理与室内环境营造子领域的技术处在实验室阶段的比例相对较高；专家普遍认为国外的技术成熟度普遍高于国内。各子领域的技术成熟度与国内外比较如图3所示。

二、城镇化与城市发展领域技术发展呈三大趋势

       

（一）数字化、智能化趋势

我国城市数字化建设开始较晚，各阶段发展也常常处在跟随的后发地位。自1998年“数字城市”概念出现之后，1999年我国科学家开始展开针对性研究。近几年物联网、5G、人工智能、无人驾驶、虚拟现实、深度学习等技术研发和产业化加速突破，掀起数字化、网络化、智能化的新一轮浪潮，也为城市数字化带来了新的机遇，我国城市数字化建设必然向“智能化”发展。因此，建立描述整个城市几何、物理、经济活动和社会活动的量化模型，从而把城市的规划、建设、运行管理提升到定量化，这将是今后十五年间这一领域出现的重大发展变化，也将是城市发展这一领域将出现的最重要的技术变革。

（二）低碳化、绿色化趋势

这体现在城市低碳能源系统、绿色建材等技术方向上。从全世界城市能源发展看，随着低碳化成为国际社会的共识，城市能源结构将从化石能源为主，转为可再生能源比例迅速增加的电力为主、热和天然气并存的状况。消费侧必须进行相应的革命性变化，以电为主，热电气协同，迎接全新的低碳城市能源到来。城市作为能源消费的主体，其能源系统将面临一场技术革命，适应全球低碳化发展趋势。城市能源技术未来发展将呈现以下特点：一是面对可再生电力生产过程的不确定、不稳定性，用电侧需要从目前的“刚性用电”转为“柔性用电”，例如，末端蓄电、恒功率取电，末端根据源侧的变化决定用电模式等；二是分布式能源系统与建筑本体、与城市基础设施系统深度融合；三是彻底改变能源的“产、输、储、荷”模式，更加强调源、网、储、荷的一体化；四是热电气等各种能源基础设施的协同；五是尽可能减少末端对燃料型能源的需求。另一方面，绿色建材主要包括建筑围护材料、高性能结构材料、装饰装修材料等几大类材料，这几类材料技术在未来主要向绿色化、功能化、智能化和国际化方面发展，包括材料的保温隔热性能、太阳能利用、透水混凝土、吸波混凝土等功能化建材。

（三）健康安全和监测维护的趋势

健康已成为市民对美好生活需要的最主要内容，也将是城市建设的重要目标。从城市布局、城市设施及至室内环境，怎样全面提供有利于市民健康的室内外生活与工作空间，真正实现健康城市，将是未来城市健康发展的重要目标。随着我国城市建设进入从“粗放式”到“品质化”、从支持生产到促进消费、从增量发展到存量更新的转型期，我国的基础设施需求已从大规模建设以满足供给需求转为提升保障能力以满足安全与高效，智能化技术的发展将给基础设施的监测、运行和维护改造带来革命性变化。随着服役期的增长，受历史条件限制及环境、荷载、运营复杂化、人员因素等多方面影响，大批量既有建筑和基础设施出现安全性、使用功能降低等问题，有效保障既有建筑和基础设施在服役期的适用性和安全性，并根据需要延长其使用寿命，这些对资源集约、环境友好、地域适应的追求，智慧城市、绿色建筑、建筑数字技术、建筑策划与后评估等新型建筑理念、技术和业态已逐渐成为我国建筑领域技术的发展方向。

三、面向科技强国建设的未来，需关注五大技术需求

       

党的十九大报告提出，我国社会主要矛盾已转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾，这一矛盾的转变对包含城镇化在内的我国各项发展提出了新的要求。中国社会经济发展进入新时期，城镇化能够体现以人为核心，提高柔性化治理、精细化服务水平，实现更加宜居、更具包容和人文关怀的城市发展路径，需要为下一阶段的持续发展提供持续稳定的科技支持。同时，全球科学技术出现新的发展变化格局，包括信息技术、生物技术、人工智能等的多项技术飞速发展，已经给居民生活与城市发展带来了极大变化，甚至在部分领域出现了颠覆性变革，需要更好地顺应科技发展趋势，为城镇化与城市发展提供支撑。为此，“十四五”乃至更长时期内，推动城镇化高质量发展的重大科技需求主要体现在如下五个方面：

（一）生态文明融入现代城市发展，如何保证发展规模与生态承载力的平衡？

党的十八大以来，我国大力推进生态文明建设，生态文明理念已逐渐成为我国未来发展建设的核心内涵，作为我国社会、经济和科技发展的基本理念贯穿于我国的全方位发展中。对于城镇化与城市建设，需要更加重视以人为本，调整科技研发理念，形成绿色发展和生活方式，保证城市与自然的和谐发展。为此，需要从城市设计与规划、运行与维护等全过程深入贯彻生态文明理念，引导居民对自然资源的合理需求以及合理消费，探索满足生态文明理念且与居民美好生活意愿一致的绿色生活方式。从技术发展的角度，需要将生态文明思想贯穿到技术需求的分析中，并且在技术运用时充分考虑到绿色发展理念。

（二）能源革命的持续推进将带来能源供给和消费形式的根本变化，城市能源系统的革命将如何推动？

当前，城市发展面对的主要问题已经从如何保证高速的发展建设，转为如何改善和提升城市功能，如何解决污染、拥堵、低效等城市发展问题，如何为居民提供美好生活的城市空间，如何推进低碳节能的城市发展路径等。新型城镇化将与能源革命的推动互相促进，共同发展。具体来说，消费侧的能源革命要求推进能源结构调整、落实节能优先方针、提升用能水平、抑制不合理消费、提升能效，供给侧的能源革命要求推动能源转型、大力发展非化石能源、优化能源供应结构。能源技术革命，要求以绿色低碳为主攻方向，发展先进高效的节能技术、清洁低碳的能源利用技术、智慧能源技术以及加强能源基础性研究。从技术发展的角度，能源需求和供给革命为城市发展领域的发展方向提供了能源方面的主要依据，需要在进行技术需求分析时给予足够的重视。

（三）“双碳”战略下城市领域应如何控制碳排放？

2015年，全球各国通过了《2030年可持续发展议程》及其17项可持续发展目标，这17项目标中多项目标都与城市发展密切相关。其中，目标11为建设包容、安全、有抵御灾害能力和可持续的城市和人类居住区。中国政府在2017年度的《中国落实2030年可持续发展议程进展报告》中，指出我国大力推进新型城镇化、城乡绿化和气候适应型城市建设，也提出我国绿色建材、装配式建筑等技术创新、标准以及人才队伍均有待加强，城市适应气候变化的相关经验和能力依然不足，从技术发展的角度，需明确城市低碳技术是当前城市发展路径的必然选择，需为缓解气候变化承担大国责任做出贡献。

（四）我国的建设需求将由每年新建25亿m2建筑转为每年25亿m2建筑的维修和功能提升，这一转变将如何实现？

在过去二十年中，我国一直处在高速城镇化发展阶段，建筑业迅速发展，建筑规模迅速扩大。从2001年起，我国建筑建造速度维持高位，年竣工面积均超过15亿m2，2014年达到28.9亿m2。2015年起，随着宏观经济形势的变化，年竣工面积开始呈现下降的趋势。2017年，我国建筑面积总量约591亿m2，与2001年相比增加了近一倍。预计在新常态下，我国建筑总量还将保持增长，但增速逐渐放慢。如果控制合理，可以将我国建筑总规模控制在750亿m2左右。同时，随着我国大规模房屋建设暂时告一段落，既有建筑的维修与功能提升将成为下一阶段城市发展的主要工作，包括节能改造、适老化改造、基础设施和建筑使用功能提升改造、环境综合整治等。这一改造工作将成为我国下一阶段的重点建设任务。如果保持每年对存量建筑与基础设施的3%～4%进行维修与功能提升，则每年的维修面积约在25亿m2左右。

（五）随着居民生活水平的提升，城市健康已成为重大需求，城市布局、运行、建筑状况等与居民健康都有很大关联，如何完成“健康城市”的建设目标？

随着我国经济社会的发展，我国居民的生活需求已逐渐从物质层面转向健康、文化等非物质层面的美好生活。2019年7月，国务院发布《国务院关于实施健康中国行动的意见》，其中提出要“全方位干预健康影响因素”，“实施健康环境促进行动”，推进“健康城市”的建设。城市健康环境的建设包含了城市布局、运行、建筑室内环境状况等多方面工作，需要解决由老龄化社会带来的新问题等，在污染防治、环境营造等多方面需协同共治。

四、思考与建议

       

大数据技术、5G通讯、人工智能等技术的迅速发展，都会在未来给城市带来运行、管理、建设等全方面的颠覆性变革，世界政治格局的变化也对城市安全系统提出了新要求，城镇化与城市发展领域的技术发展、研发方式、研发方向等提出了新特征与新趋势。

（一）海量数据收集、高性能运算分析成为主要研究素材与手段

在传统的城镇化与城市发展领域中，大量研究以定性分析为主，定量分析也有许多是基于单个案例展开，其代表性与普适性是长期以来这一类研究争论的问题。随着大数据及相关技术的飞速发展，获取大量城市级别的数据并进行大规模分析计算逐渐成为可能，城镇化与城市发展的研究也随之逐渐从传统的定性分析向定量的分析预测和优化发展。这一转变将给城市规划、设计和运行管理工作带来全新的革命性变化，并能够极大程度地解决目前城市发展的诸多问题，实现城市的可持续发展。海量信息采集、大规模数据处理与分析，以及采用人工智能方法的数据挖掘和预测，是实现这一革命性变化的技术基础。利用这些最新发展出来的数据与智能技术，恰当地解决城市发展与科学化管理中的问题，同时以解决这些城市问题为导向，也能够从需求的角度推动数据和智能化技术的新发展。

（二）以需求为导向、多学科交叉融合成为主要研究领域与热点

我国城镇化与城市发展进入新时代，带来城市建设需求的巨大改变，包括城市由建设转向建设与运维并重，居民需求由满足物质需求为主转向获得健康舒适的美好生活，经济发展驱动力转向服务业、高新产业以及“一带一路”地区建设等。这些新需求有许多都与目前传统研究中设定的发展目标存在一定差别，即已有研究成果或研究方法难以满足这些新需求。因此，需要尽快从问题出发，对现有研究范式进行重新审视与梳理，使相关研究能够尽可能贴近实际诉求，以更好地解决城镇化与城市发展领域的问题。这一发展趋势也给我国现行研究机制与人才培养带来一定挑战。目前，我国许多研究机构的学科组成相对单一，人才培养偏重在学科范围内。对于交叉学科研究的需求，除了在科研方向设计上要有更多的体现，也需要各个机构、高校等给予足够的政策与制度支撑。

（三）对短板技术的合力攻坚应成为主要研究任务与方向

由于近年来世界格局发生的重大变化，结合中美科技竞争等产生的诸多不确定因素，我国亟须摆脱部分关键核心技术受制于人的隐患，从根本上掌握这些技术的竞争和发展主动权，提升自主创新能力，如核心计算与模拟软件的开发技术、智能建造技术、城市的道路桥梁和交通基础设施的安全运维技术、城市的低碳能源供给与消费技术等，以对相关技术的充分了解为基础，对技术有完整的调整与优化能力，发展出适宜于我国国情的技术体系。