智能建筑工程设计中物联网技术的融合应用与发展趋势研究

引言 : 近年来 , 在新一代信息技术浪潮的推动下 , 以物联网、大数据、人工智能、5G 等为代表的数字技术日新月异 , 正加速与各行业融合渗透 ,催生行业数字化转型升级。建筑业作为国民经济的重要支柱产业 , 也面临着转型发展的迫切需求。作为未来建筑发展的主攻方向 , 智能建筑需要充分利用先进的信息技术改造传统的设计、施工、运维模式 , 实现建筑全生命周期的数字化管理与智能化运行。其中 , 物联网技术通过在建筑各个部位部署大量传感设备 , 构建起全方位、全时空、全过程的数据感知网络 ,为智能建筑的精细化管控、智慧化决策、个性化服务等提供重要的数据基础与技术支撑。

1 物联网技术在智能建筑工程设计中的融合应用

物联网通过广泛部署在建筑各处的传感器 , 将人、物、环境等建筑要素连接起来 , 形成 " 物—物 " 相联、" 人—物 " 交互的全要素互联格局 , 其在智能建筑的感知层、网络层、应用层均有广泛应用。

1.1 感知层的应用

智能建筑的感知层主要通过环境监测、设备监控、人员定位与安防监控等物联网感知技术 , 采集建筑环境、人员、设备等运行状态数据。具体而言 : ① 在室内外部署温湿度、空气质量等传感器 , 可实时监测建筑环境指标 ; ② 在供配电、暖通、给排水、电梯等设备上安装状态监测单元 , 实现设备健康状态与能耗的实时感知 ; ③ 利用 RFID、UWB 等室内定位技术 ,对建筑内人员的位置、轨迹进行跟踪分析 , 优化人流组织 ; ④ 在重点区域布设视频、门禁、消防等安防监控设施 , 及时发现与处置各类突发事件。感知层通过各类传感设备将建筑的物理世界映射为可度量、可分析的数字世界, 奠定了上层智慧应用的数据基础。

1.2 网络层的应用

网络层在智能建筑中主要承担物联网数据的汇聚传输任务。根据建筑物联网业务对网络覆盖广度、功耗水平、传输速率的不同要求 , 智能建筑中同时部署多种异构网络 : ① WiFi、ZigBee 等短距离通信技术广泛用于照明控制、无线抄表等局域场景 ; ② LoRa、NB-IoT 等 LPWAN 技术以其覆盖广、功耗低等特点 , 更适用于环境监测等广域物联需求 ; ③ 在消防报警、能源管理等跨区域业务中, 则借助4G/5G 蜂窝网、LoRaWAN 等广域网技术,实现全域互联。此外 , 通过异构网络融合互通技术 , 多网协同可以全面支撑智能建筑" 人- 物- 环境" 全要素的泛在互联。

1.3 应用层的应用

应用层是智能建筑物联网的核心 , 直接服务于建筑运维管理人员与使用者。其主要应用包括 : ① 能源管理。通过分布式能耗监测终端 , 利用电力线通信、NB-IoT 等多种通信手段, 对照明、空调、电梯等用能设备能耗进行分项计量 , 形成能耗画像 , 挖掘节能潜力 ; ② 设备运维。在关键设备上部署故障诊断传感器 , 并接入智能巡检平台 , 实现预测性维护 , 降低维修成本 ; ③ 应急管理。环境监测、应急疏散等智慧安防物联系统通过跨部门协同 , 提高突发事件的处置效率 ; ④ 空间利用优化。基于室内定位、智能门禁等获取的人员时空分布数据 , 对会议室、办公区等空间实施灵活调配。应用层充分挖掘物联大数据价值, 为建筑管理与决策提供智力支持。

2 物联网技术在智能建筑中应用的发展趋势

2.1 建筑信息模型(BIM) 与物联网的融合

BIM 与物联网的融合, 为智能建筑的全生命周期管理开辟了新的途径。在设计阶段 , 通过在 BIM 模型中集成各类传感器、通信设备等物联单元的参数信息与拓扑关系 , 可以指导物联网系统的选型配置、网络部署、协议互联等, 并利用BIM 平台对其进行碰撞检测、覆盖仿真, 以优化系统性能。进入运行阶段 , 众多物联网设备实时采集的海量建筑运行数据又可回流至BIM 系统, 借助BIM 的三维可视化、数据关联分析、逻辑规则引擎等功能,将环境、能耗、安防等跨专业数据整合呈现 , 多维度揭示建筑性能短板 ,以支撑对建筑的精细化运维、节能改造提升、应急预案制定等科学化管理决策。可以预见 , 随着 BIM 与物联网日益紧密地集成于智能建筑的全生命周期过程中 , 从而实现工程建设信息与运营数据的互通共享、数字化闭环管理,将从源头提升建筑品质,并持续优化建筑运行绩效,推动行业向高效、绿色、智慧的方向发展。

2.2 数字孪生与物联网的融合

数字孪生作为物理世界的虚拟映射 , 通过与物联网的融合 , 正在重塑智能建筑的运行管理模式。一方面 , 分布于建筑各处的物联网传感设备 ,以其对环境参数、设备状态、人员活动等的实时感知能力 , 成为数字孪生模型的重要数据来源与验证手段。通过将物联网数据流与 BIM 模型、CFD仿真等集成构建起建筑的数字镜像 , 可以实现对建筑运行全过程的可视化监测和实时诊断分析。例如 , 通过建筑能耗分项计量数据 , 可精细刻画建筑能流图景 ; 机电设备上的故障诊断传感信息 , 又可用于评估其健康状态 ,制定预防性维护策略。

另一方面 , 在高保真的数字孪生模型支撑下 , 智能建筑的运行优化与风险防控能力将得到极大增强。运维人员可在虚拟空间中设计模拟各类控制优化场景与应急预案 , 全面评估其实际效果 , 并持续迭代完善。一旦发生设备故障、极端天气等突发事件 , 数字孪生系统也能基于实时物联网数据流 , 快速诊断问题根源 , 提供最优处置方案 , 最小化事件影响。二者互为补充 , 协同作用 , 将为智能建筑的精细化管控、韧性提升、节能增效等提供重要的模型工具与决策依据, 最终实现建筑与使用者的智慧共生。

2.3 5G 与人工智能赋能物联网

5G 以其高速率、低时延、广连接等特性, 将全面拓展智能建筑的应用场景。未来, 在5G 网络支撑下, 建筑内大量高清摄像头、传感器将实现互联互通,VR/AR、自动驾驶、机器人等创新应用也将在智能建筑中加速落地。同时 , 物联网终端在” ^5G+ 边缘计算”的赋能下 , 将具备本地化的数据感知分析能力。而云端训练的人工智能模型也可以轻松部署到各物联网终端以”终端 - 边缘 - 云”端智能协同的方式 , 快速响应、智能适配建筑内多样化的业务需求, 大幅提升建筑使用体验。

结束语 : 总的来说 , 物联网作为智能建筑的神经末梢 , 通过全方位、全时空、全过程地感知与交互 , 深刻重塑着建筑的设计、建造、运行、服务模式。而随着 BIM、数字孪生、5G、人工智能等数字技术的深度应用 ,必将进一步释放建筑物联网的应用潜力。未来 , 以物联网为纽带 , 融合多源异构数据 , 打通设计、施工、运维数据孤岛 , 构建起全生命周期的智能建筑数字化管理平台 , 将有力支撑起智慧化设计、精益化建造、智能化运维的创新应用 , 助力建筑行业向智能化、生态化、以人为本的高质量发展阶段迈进。

参考文献：

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[3] 李少华 . 基于物联网技术的智能建筑管理系统应用研究 [D]. 中原工学院 ,2024.