基于數字孿生的綠色低碳建筑管理平臺設計與實現

摘" 要：在可持續發展與智慧城市建設的背景下，智慧建筑成為關鍵解決方案。物聯網（IoT）的應用，特別是在環境感知、控制能力、能源管理、安全防護和用戶服務等方面，顯著提升了建筑的運行效率。通過引入數字孿生技術，創建與實體建筑同步運行的虛擬模型，實現了建筑性能的實時監控與預測性維護，從而在全生命周期內促進綠色低碳目標的實現。這不僅提升了建筑的智能化水平與效能，還改善了居住和工作環境，為建筑行業的可持續發展開辟了新路徑，展示了智慧建筑的未來發展方向。

關鍵詞：BIM；數字孿生；低碳；物聯網；雙碳

中圖分類號：TP391.9" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2025）03-0146-07

Design and Implementation of Green and Low-carbon Building Management Platform Based on Digital Twin

LI Yan， SONG Jin， LU Yan

（Zhejiang University of Technology Engineering Design Group Co.， Ltd.， Hangzhou" 310014， China）

Abstract： In the context of sustainable development and smart city construction， the smart building has become a key solution. The application of Internet of Things （IoT）， particularly in the environmental sensing， control capability， energy management， security protection， user service and other aspects， has significantly optimized the operational efficiency of buildings. By introducing Digital Twin technology and creating virtual models that run synchronously with physical buildings， real-time monitoring and predictive maintenance of building performance are achieved， thus promoting the realization of green and low-carbon goals throughout the entire lifecycle. This not only enhances the intelligence level and efficiency of buildings， but also improves the living and working environment， paving new paths for the sustainable development of the building industry and showcasing the future development direction of smart buildings.

Keywords： BIM; Digital Twin; low-carbon; Internet of Things （IoT）; double-carbon

0" 引" 言

在可持續發展與智慧城市建設的背景下，智慧建筑成為關鍵解決方案。物聯網（IoT）的應用，特別是在環境感知、控制能力、能源管理、安全防護和用戶服務等方面，顯著提升了建筑的運行效率。數字孿生技術的引入，通過創建與實體建筑同步運行的虛擬模型，實現了建筑性能的實時監控與預測性維護。這不僅支持全生命周期內的綠色低碳目標，還顯著提升了建筑的智能化水平和效能，改善了居住和工作環境，為建筑行業的可持續發展開辟了新路徑。

傳統建筑設計和建造通常關注靜態結構，忽視了全生命周期的運維需求，且技術應用較為傳統，數據分析能力有限。這導致傳統建筑在運維管理中依賴人工操作，響應用戶需求較慢，運營成本較高，用戶體驗也較差。相比之下，數字孿生綠色低碳建筑從設計階段起就融入全生命周期管理[1]，通過智能系統（如智能安防、照明、溫控）實現智能化運維。它通過遠程監控和維護，能夠提供個性化服務，降低運營成本，并延長建筑的使用壽命，從而提升居住和工作的舒適度。

隨著技術的不斷進步，數字孿生[2]綠色低碳建筑正逐漸成為建筑行業的主流趨勢。這種建筑通過集成物聯網、大數據等前沿技術，緊密聯系物理建筑與數字模型，實現實時狀態反映、預測性維護和能源優化。這些創新不僅使建筑更智能、高效，也展示了智慧建筑的未來發展方向，為全球綠色低碳轉型提供了具有前瞻性的解決方案。

本文結合板球館建設的項目實踐，對數字孿生綠色低碳建筑管理平臺的整體架構與功能模塊，進行探討和分析。

1" 體系與架構

在當前可持續發展與智慧城市建設的大背景下，智慧建筑正逐漸成為創新解決方案的重要來源。隨著物聯網（IoT）和人工智能（AI）的廣泛應用，智慧建筑在環境感知、控制能力、能源管理優化、安全系統增強以及定制化用戶服務等方面取得了顯著進步，形成了一個多維度智能體系結構。此外，數字孿生技術的引入為智慧建筑領域帶來了革命性的影響。通過創建與現實建筑同步更新的虛擬副本，數字孿生技術實現了建筑性能的實時監測和預測性維護，促進了整個生命周期內綠色低碳目標的實現，并為建筑行業的持續發展提供了新的方向。

圖1是該平臺的總體架構示意圖。該平臺的架構可以分為數據采集層、網絡層、支撐層和應用層，形成了一個高效、智能化且低碳的建筑管理體系。首先，數據采集層主要由各種傳感器和設備組成，負責收集建筑運行中的能源消耗、水資源、電力等數據，涉及光伏發電設備、環境監測傳感器、能耗監測儀、智能照明與溫控設備等。這些數據通過網絡層傳輸，該層包括物聯網（IoT）、互聯網、工業以太網、無線網絡和蜂窩網絡等，確保數據的可靠性和即時性。

接下來，支撐層作為系統的核心，提供數據處理、存儲與分析等多種服務和功能支持，集成了IoT平臺、視頻服務、數據存儲、數據分析及可視化、多維數據處理、數據安全、數據融合及AI算法等模塊，為系統的智能化運營提供技術支撐。BACnet是一種專為樓宇自動化系統設計的數據通信協議。它允許不同制造商生產的建筑自動化設備之間能夠相互通信。MQTT協議是一種輕量化的消息傳輸協議，基于發布-訂閱模式，允許多個客戶端連接到同一個服務器，并通過主題對消息進行發布和訂閱。為了實現對板球館的智能系統的數據采集與智能控制，利用BACnet連接樓宇內的各種控制器和傳感器，然后通過MQTT將這些設備的數據發布到云端或企業級服務器上，以便進行遠程監控和數據分析。運維管理層利用虛擬建模和三維可視化技術，實現對建筑全面的運維管理[3]，優化能源使用和環境條件，提升建筑的運行效率和智能化水平。最后，應用層為用戶提供了一系列功能和服務，如能耗分析、環境監測、設備管理和可視化監控等，通過Web監控系統、APP控制平臺、指揮中心大屏和移動終端監控等方式，實現建筑能耗的全面監測和管理。總體而言，這一系統架構通過整合物聯網、大數據、人工智能和數字孿生技術，實現了從數據采集到分析處理、運維管理再到應用服務的全流程智能化管理，為智慧城市和可持續發展提供了創新的解決方案。

結合物聯網傳感器獲取的碳排放數據與經濟指標，策劃全方位的低碳解決方案，協助建筑在各個層面準確計算和監測碳排放[4]，并提供減少碳排放的戰略建議。在能耗管理方面，系統通過樓層、建筑和分系統的能耗詳細分析，幫助用戶識別和解決高能耗問題，實現節能增效。設備管理模塊負責故障報警、設備運維、巡檢報告和信息維護，確保設備正常運行。該系統通過多功能模塊的協同工作，實現了從碳排放監測、能耗管理到設備維護的全方位管理，幫助用戶實現能源的高效利用和碳排放的有效控制，提供全面的能源管理解決方案。

平臺的核心在于綜合應用節能技術、低碳材料和智能管理手段，以全面減少建筑生命周期中的碳排放。通過優化能源使用、設計節能建筑、選擇環保材料以及實施高效的建筑運營管理，低碳平臺能夠顯著降低能源消耗和碳足跡。這種整合的方法不僅提升了建筑的環境效益，也推動了可持續發展。總體而言，建筑低碳平臺致力于在設計、施工和運營各個階段實現低碳目標，從而促進綠色建筑的全面發展，平臺功能模塊如圖2所示。

2" BIM與數字孿生

BIM（Building Information Modeling）和數字孿生技術[5]都是現代建筑行業中基于模型發展起來的技術。雖然兩者在應用場景和目的上存在差異，但也存在著密切的聯系。BIM 主要應用于建筑設計和施工階段，可以創建建筑物的三維模型，并將所有相關信息（如材料、構造、設備等）與模型相關聯，形成一套完整的建筑信息庫。而數字孿生技術則主要用于建筑運營管理階段，通過將建筑物的三維模型與傳感器、監測設備等數據源連接起來，構建數字孿生模型以實時監測和管理建筑物的運營狀況。

基于BIM模型提供的底層數據構建數字孿生系統，可以進一步實現建筑物從設計到運營的全生命周期管理。這一系統不僅利用BIM模型中的詳細信息來構建建筑物的三維數字模型，還通過與物聯網（IoT）傳感器、監測設備等數據源的集成，實時監測建筑物的運行狀態。具體而言，數字孿生系統能夠實現對建筑物性能的實時監控，包括溫度、濕度、能耗等關鍵指標，并通過數據分析和機器學習技術預測設備可能出現的故障，提前安排維護，減少非計劃停機時間。此外，系統還能夠基于數據分析結果調整暖通空調系統、照明系統等的運行參數，以降低能耗并減少碳排放。通過實時監控設備的工作狀態，及時發現異常情況，提高設備的可靠性和可用性，并通過數據分析優化維護計劃，延長設備使用壽命。數字孿生技術不僅提升了建筑物的智能化水平，還為建筑的低碳運行和能源管理提供了強有力的支持。

3" 系統開發研究

3.1" 駕駛艙指揮基座

該系統包括能耗管理、碳排放管理、運維管理、設備管理、可再生能源管理和機電系統管理等功能。基于BIM模型構建的三維場景，將板球館的實時運行狀態與具體構件相結合，通過集成展示與分析預警，使管理人員能夠高效、直觀地了解建筑的運行情況。數字孿生綜合指揮艙如圖3所示。

在板球館的數字孿生系統中，利用Unity游戲引擎實現了板球館的三維可視化。通過集成BIM數據和實時傳感器數據，Unity構建了一個與實際建筑相對應的虛擬模型。該模型不僅能夠展示建筑的幾何形狀和設備布局，還能夠實時反映室內外環境數據、能耗情況以及設備運行狀態。結合前端技術Vue.js生成的動態儀表盤和圖表，駕駛艙首頁提供了全面的運行評估與告警信息，包括碳排放數據、碳匯數據、能源流向以及可再生能源概覽。

此外，系統還提供了建筑分區域管理功能，展示各區域的整體能耗情況和設備用電量分析。機電系統模塊細分為暖通系統、給排水系統和電氣系統，并對各系統的子系統能耗進行統計。綜合碳計算模塊提供詳細的建筑能耗數據，全面展示可再生能源的使用情況，為板球館的低碳運行和能源管理提供全面的數據支持。

3.2" 模塊管理

本文重點介紹了碳計算、數字孿生聯動運維管理、機電系統、能耗管理、建筑空間管理、可再生能源管理等方面的技術實現與應用。通過集成物聯網傳感器，系統能夠實時監測建筑環境和設備能耗，精確計算碳排放量并提供減排策略。同時，創建與實際建筑同步的虛擬模型，實現設備的實時監控與預測性維護。數字孿生技術還優化了機電系統和能耗管理，提高了空間利用率，并集成了可再生能源數據，減少了對傳統能源的依賴。這些措施共同提升了板球館的智能化管理水平，降低了能耗和碳排放。

3.2.1" 空間管理

在空間上，將整個范圍劃分為不同的層次，包括板球館所在校園、板球館、樓層和房間管理等多個層面，實現了精細化管理[6]。在板球館建筑層面，系統可以全面掌握整個建筑的能源消耗和碳排放情況，便于管理者做出全局性決策。在樓層和空間層面，系統可以根據區域使用特點和需求，進行針對性管理，例如調整空調溫度、優化照明方案。系統能夠精確監測每一層樓、每一個房間的能耗和碳排放數據，幫助管理者發現潛在問題，并及時采取措施進行改進。

除了精細化管理外，該系統還具備強大的監測能力，可以實時獲取各個層次的能耗和碳排放數據，為管理者提供準確的數據支持。系統采用先進的傳感器技術和數據分析算法，自動采集和處理大量數據，并生成圖表和報告，幫助管理者快速理解和掌握情況。

此外，系統還具備智能化功能，可以根據歷史數據和當前情況，預測未來的能耗和碳排放趨勢，為管理者提供科學的決策依據。同時，系統可以根據用戶的反饋和建議，不斷優化和升級，滿足用戶的需求和期望。

3.2.2" 設備管理

在現代化的設備管理中，數字孿生技術扮演著不可或缺的角色。它將設備的靜態信息、實時運行狀態、報警和維修情況等要素與數字化竣工交付的設備模型相結合，實現了以設備為中心的精細化管理[7]。在板球館項目中，結合數字孿生技術，能夠實時監測空調、電梯、照明設備等關鍵性能參數，從而及時發現設備的異常情況，并觸發報警機制，通知相關人員進行緊急處理。管理人員處理警報后，可將處理情況上傳至APP，隨后APP會將這些處理信息同步至平臺。此外，平臺還能夠跟蹤設備的維修歷史，包括維修時間、原因、更換部件等信息，為設備的后期維護提供重要參考。巡檢也被融入系統的設備管理中，通過設定周期性巡檢任務[8]，管理人員可以按照預定的路線和標準對設備進行檢查，確保設備始終處于最佳運行狀態。同時，系統還能定位具體設備的位置，并在數字孿生模型上顯示設備的分布情況，方便管理人員進行現場操作和管理。通過這種方式，數字孿生技術不僅增強了設備管理的透明度，也提高了設備的可用性和可靠性。設備運行管理如圖4所示。

3.2.3" 機電系統

機電系統是維持建筑正常運行的重要組成部分，主要包括暖通、給排水和電氣三大系統。數字孿生技術的應用使機電系統的管理更加精細化和智能化。通過構建數字孿生模型，可以實時監控各系統的設備運行狀態，包括能耗比例、用電趨勢等關鍵信息。系統還能夠展示每個子系統的設備列表及其參數，方便管理人員進行實時監控和管理。例如，在板球館中，暖通系統中的空調設備可通過數字孿生技術實時監測其運行狀態，包括功率、電流、電壓等參數，及時發現異常并處理。暖通系統還包括新風、空調風、空調水、排煙、排風等子系統，每個子系統都有獨立的監控模塊，確保空氣質量和室內環境的舒適度。給排水系統中的生活給水、消防給排水、污水、廢水等設備也可通過數字孿生技術進行實時監控，確保水質安全和水資源的合理利用。電氣系統中的照明、電梯及其他設備的電氣控制部分也可通過數字孿生技術進行實時監控，避免安全隱患。通過這種方式，數字孿生技術提高了機電系統的管理效率，降低了設備故障率，確保了板球館的正常運行。

3.2.4" 碳計算

碳計算是評估板球館各個區域碳排放的專業工具，如圖5所示，通過收集和分析電力消耗數據，碳計算模塊能夠計算出碳排放運行值、碳排放強度和降碳率等關鍵指標[9]。其中，電量獲取模塊負責收集實時和歷史的電力使用數據，這些數據來源于智能電表或其他測量裝置。隨后，系統利用這些數據，結合當地電網的碳排放因子，計算出碳排放運行值——即一定時期內因電力消耗所產生的總碳排放量。碳排放強度則是衡量單位面積或單位產值所對應的碳排放量，反映了設施的能效水平。降碳率表示與基準年相比，碳排放量的下降程度，用于評估節能減排措施的效果。通過這些專業的計算和分析，碳計算模塊為設施管理者提供了科學的決策依據，助力他們制定更有效的節能策略，以實現可持續發展的目標。此外，碳計算還可用于比較不同區域間的碳排放差異，為策略制定者提供決策支持，推動綠色建筑和低碳經濟的發展。

3.2.5" 能耗管理

平臺針對板球館整體能耗[10]進行系統管理，通過電能定額管理，依據設備、空間、時間等維度屬性，實現了更大范圍和空間的限電與限額管理，使電能耗管理更具科學依據。能耗統計分析維度得到豐富，提升了能源管理的智能化和有效性。能耗總覽功能通過按天、月、年的維度實時顯示全區域的能耗總覽圖表，包括單位面積能耗和人均能耗，并結合“碳中和、碳達峰”概念對能耗進行碳排放換算，使管理者可以直觀了解校園中的總碳排放量及不同維度的碳排放信息。同時，引入能耗定額方式，對各個執行空間進行定額審查，以實現對高能耗空間的有效節能管理。

空間用能管理功能展示了空間范圍內的整體情況和詳細情況，管理者可以查看不同時間區間（今日、本月、本季）的總電量和同環比數據，以及分項能耗使用曲線圖形，便于直觀了解空間的用能情況。通過此功能，管理者可以方便地切換到各個空間查看數據，包括當前月度或季度的能耗曲線、定額執行百分比、累計用電情況及與定額的實時對比。管理者可根據需求靈活選擇展示項，并支持日、月、年的時間粒度切換。節能總覽功能可以查看板球館的整體節能情況，根據設定的定額展示上個月、季度或年的節能總體情況，并支持顯示節約的總能耗、用電量和節約的電價，同時支持數據的同比和環比比較。

3.2.6" 可再生能源

在可再生能源板塊中，光伏能源管理主要聚焦于太陽能光伏發電系統的全方位管理和優化。這包括對太陽能電池板發電量的實時監測，通過對數據的收集與分析，能夠精準預測未來的能源產出，從而有效規劃能源使用。相關界面如圖6所示。

4" 成果與收益

浙江工業大學板球館部署了此管理系統，實時展示板球館的運行狀態。一旦出現異常，系統立即以預警和工單形式通知相關人員，確保問題能夠迅速解決，維護建筑的正常運作。通過優化能源使用和環境表現，整個方案不僅實現了節能減排與綠色運營，還為同類建筑的低碳轉型提供了可借鑒的范例。這展現了科技在推動綠色建筑發展中的重要作用，標志著板球館邁向了智能、綠色、可持續的未來。

新技術手段有效提高了運營維護的人效比和物業管理質量，降低了運營成本。可視化的運管場景結合監測預警功能，對設備運行策略和能源消耗情況進行分析和優化，實現了低碳環保和節約能源的目標。

5" 結" 論

BIM技術與新能源建設的深度融合，以及智能運維與綠色低碳理念的結合，正推動全球能源轉型進入新階段。智能運維通過物聯網和BIM技術的協同，實現新能源設施的精準監控與高效管理，提升了運維效率，降低了成本，并延長了設施壽命。綠色低碳理念貫穿整個建設過程，從設計到運維，確保節能減排。政府政策支持和市場需求推動了技術創新與產業升級，為實現“雙碳”目標和全球氣候治理提供了強大動力，描繪了綠色經濟的光明前景。

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作者簡介：李艷（1997.12—），女，漢族，山西長治人，前后端開發工程師，碩士研究生，研究方向：智慧建筑；宋晉（1989.01—），女，漢族，山西晉中人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：民用建筑暖通、低碳及數字化；盧嚴（2001.01—），男，漢族，浙江寧波人，開發工程師，本科，研究方向：智慧建筑。