数字孪生技术在绿色建筑生命周期管理中的应用研究

建筑产业的可持续化进程正处于关键时期，节能减排、生态友好已成为行业共识。绿色建筑理念强调建造过程与自然环境的和谐共生，着重解决资源节约与居住舒适性的平衡问题。数字孪生技术引入建筑全生命周期管理领域，标志着传统建筑向智慧建筑转型的重要突破。

一、数字孪生技术在绿色建筑生命周期管理中的优势

（1）实时数据支持。数字孪生技术借助智能传感器阵列覆盖绿色建筑各个功能区，构建起全维度的数据采集网络[1]。管理团队可随时调取建筑设备状态参数，依托动态监测数据制定精准的控制策略，使建筑运营决策有了可靠依据，管理效率显著增强。

（2）模拟分析能力。数字孪生模拟分析系统赋予绿色建筑全新的性能预测能力，系统利用虚拟仿真平台，精确计算建筑各项性能参数，构建建筑环境影响评估模型。模拟分析系统整合气象数据、材料性能、设备运行等多维信息，形成建筑全周期动态模拟机制。相关单位依据模拟结果调整设计参数，使建筑方案更符合绿色节能要求。

（3）优化决策支持。数字孪生技术结合大数据分析体系，利用深度学习算法持续采集与处理建筑全生命期数据，智能系统依据历史数据积累形成预测模型，辅助管理者制定科学合理的运营策略。人工智能技术对海量建筑数据深入挖掘，从中提取有价值的管理依据，生成多维度分析报告，帮助决策者掌握建筑运行规律，预判潜在风险。

（4）协同管理平台。数字协同运营体系引入专业数据交互机制，推动建筑项目全过程无缝衔接。该体系设立专门的信息交换中枢，统筹规划设计师、工程师、建设方等多方信息往来。运营体系内置专业化资源调配功能，引导各方高效完成任务分配；同时体系配置规范化信息传递渠道，缩短各方技术人员获取专业数据的时间成本。

二、工程实例分析

（一）项目背景

某绿色办公大楼项目位于城市商务中心，建筑规模达 10 万平方米，建筑主体高度100 米，空间布局包含地上25 层与地下3 层。该项目秉持先进的生态建筑设计理念，使人性化办公空间与绿色低碳技术融为一体，树立了都市商务建筑的典范。

（二）数字孪生技术应用

1. 规划阶段

第一，物联感知系统建设情况。绿色建筑场域规划配备全域覆盖传感设备，包括温湿度传感器 200 个、风速仪 50 个、光照计 30个，形成分钟级数据采集能力；激光雷达系统扫描地形特征，点云采集精度达 ¹ 厘米，为三维建模提供高精度数据样本；气象参数采集设备 24 小时运转，记录场地微气候变化规律。第二，数字建模体系构成。建筑信息管理平台导入 5000 个标准构件，涵盖 1200 种材料参数信息；建筑能耗计算引擎时间精度达到小时级，预测准确率 95%；流体力学仿真模块设置 500 万网格单元，精准计算建筑外围护结构传热特性。第三，性能评估指标体系。建筑布局评估系统设置 25 项量化指标，评价维度覆盖能耗特征、室内环境、经济指标等关键要素；仿真计算引擎生成 8760 小时建筑负荷数据，累计形成 500GB 动态数据集；专业软件平台 12 个，工程数据总量300TB。第四，方案迭代计算能力。参数化建模系统设置 150 个模型变量，含 80 项设计参数，涉及建筑体量、朝向、窗墙比等核心要素；智能计算平台单轮生成 100 个备选方案，累计计算 10000 种布局组合；计算集群384 核心并行运算，模拟周期48 小时。最后，建筑性能计算模块。建筑能耗模拟系统计算冷热负荷、照明用电、设备用能等分项指标；环境分析模块评估室内温湿度场、气流组织、采光系数等物理参数；经济性分析系统核算工程造价、运行成本、投资回报等财务指标[2]。

2. 设计阶段

数字孪生技术在建筑设计环节的应用涉及四大核心系统，该技术以建筑信息建模（BIM）为基础，构建起包含 23 类建筑构件、168 种结构体系、2045 种材料属性和 86 个设备系统的全方位信息数字模型；数字孪生体模拟分析功能支持设计人员对建筑 12 个重要部位展开定量研究，模型精度达到毫米级。第一，数字孪生技术引入建筑全生命周期管理，设计阶段信息模型涵盖8 大类结构布置、

47 种构件尺寸、156 个节点做法、12 层管线综合等多维度数据。建筑信息模型依托参数化建模方法，可对 2600 余个建筑构件进行几何尺寸与空间位置动态调整。第二，设计阶段数字孪生平台集成了25 款结构受力分析软件、18 种能耗计算程序、32 个室内环境模拟工具。结构分析模块可模拟 8 种地震烈度、12 类风荷载、6 种雪荷载工况下结构响应。建筑节能设计环节，数字孪生体能够评估 9 类外围护构造组合方案，计算 168 种设备系统负荷工况。第三，数字孪生技术支持多套设计方案的精确对比。平台可同时建立 12 个设计方案，对比 86 项技术指标。外墙保温系统设计方面，数字孪生体可模拟 38 种保温材料的性能表现，具体材料参数包括岩棉导热系数 λ 值 0.040-0.045W/（m·K）、蓄热系数 S 值 2.85—3.15W/（m²·K）、容重 80—120kg/m³；挤塑聚苯板导热系数 λ 值 0.028-0.030W/（m·K）、蓄热系数 S 值 3.25—3.45W/（m²·K）、容重 28—35kg/m³；真空绝热板导热系数 λ 值 0.007—0.008W/（m·K）、蓄热系数 s 值 0.95—1.15W/（m²·K）、容重 180-220kg/m³ 。第四，系统可进行 125 种施工工艺模拟，识别368 类设计碰撞点。

3. 施工阶段

数字孪生技术施工阶段应用呈现立体化特征，融合多源数据采集与深度分析 [3]。第一，智能监测系统采集施工现场各类环境指标。噪声监测设备记录施工机械运转、材料运输、现场施工等产生的环境噪声，监测数值范围覆盖 35 ～ 120 分贝。粉尘监测仪持续采集 PM2.5、PM10 等颗粒物浓度，监测精度达 0.001mg/m³ ³。气象监测站收集温度、湿度、风速、降水等气象参数，数据采样频率为每 5 分钟一次。第二，数字孪生施工组织系统划分施工区域网格，细化施工工序步骤。施工场地按照 15 米 ×15 米划分网格单元，对应布设 86 个环境监测点位。施工工序划分为 368 个作业面，涉及486 道工序，每道工序配置相应机械设备与施工人员。机械设备包括塔吊 12 台、施工升降机 18 台、混凝土输送泵 8 台等大型设备，以及振捣器 156 台、电焊机 89 台等小型设备。第三，环境监控预警平台设定施工扬尘、噪声等指标阈值。施工现场 PM10 浓度控制在 0.07mg/m³ 以下，PM2.5 浓度控制在 0.035mg/m³ 以下。昼间施工噪声限值 70 分贝，夜间施工噪声限值 55 分贝。监测数据每 15 分钟上传一次，超标自动触发预警信号。第四，数字孪生平台集成绿色施工管理模块，记录施工能耗与排放数据。系统监测施工用电量，计量精度 0.01 度；监测施工用水量，计量精度 0.001 立方米；监测施工车辆油耗，计量精度0.1 升；平台汇总分析施工废弃物产生量，建立建筑垃圾分类台账。

4. 运营阶段

首先，建筑运营维护阶段采用数字孪生技术建立了全方位智慧能源管理系统，该系统涵盖建筑能耗数据采集、环境参数感知以及设备运行状态监控等多个维度 [4]。智能传感器网络全天候采集建筑内部温湿度、二氧化碳浓度、照度等环境参数，精准记录各类用能设备耗电量、运行工况等关键指标。其次，数字孪生模型对建筑物理空间进行高精度虚拟复制。系统依托物联网技术采集的实时数据，驱动数字孪生体运转，生成建筑设备系统运行行为模式。智能算法分析历史能耗数据，结合室外气象条件变化，预测建筑能耗趋势，制定精准节能控制方案。第三，数字孪生平台构建虚实映射的仿真分析环境。系统针对空调、照明、新风等重点用能设备，模拟不同运行工况下的能耗水平。仿真结果显示，夏季工作日空调温度设定在26℃时，单位面积空调用电量降低 15% 智能算法依据模拟数据，规划设备启停时序，调节运行参数，平衡建筑舒适度与节能效果。第四，数字孪生技术支撑建筑智慧运维决策。系统建立设备健康评估模型，预判故障风险，合理安排检修计划。智能化分析建筑能耗构成，找出能耗异常环节，制定针对性改进措施。智慧运维平台对标国家绿色建筑评价标准，持续追踪节能改造目标完成情况。

5. 拆除阶段

第一，数字孪生建模辅助拆除规划。建筑物拆除前期，数字孪生系统详细记录建筑构件材料属性、空间位置关系及结构受力特征[5]。专业技术人员依据建筑信息模型，精准计算各类构件拆除时序，制定合理施工路径，有效规避安全隐患。第二，智能监测系统全程记录拆除数据。数字孪生平台搭载振动传感器、位移传感器等多类监测设备，对拆除作业全过程采集振动、噪声、粉尘等环境数据。监测设备 24 小时不间断运行，一旦数值超出预警阈值，系统立即发出警报。第三，废弃物资源化处置精准量化。数字孪生系统预先量化各类建筑垃圾产生量，科学评估混凝土、钢材、木材等不同材料再生价值。系统根据材料属性自动分类，指导现场分类收集、分级利用。第四，智慧管理平台赋能绿色拆除。数字孪生管理系统集成 BIM 模型、物联网感知、大数据分析等技术，构建拆除全过程智慧管控体系。管理人员可随时调取施工进度、环境监测、设备运行等数据，科学调度施工资源，同时系统自动记录碳排放数据，为绿色施工评价提供依据。第五，场景模拟助力方案优选。数字孪生技术支持多种拆除方案对比分析，系统自动评估各方案工期、成本、环境影响等指标。管理人员据此选择最佳施工方案，在保障工程质量前提下降低环境负荷，使拆除作业效率明显增强。

（三）实施效果

（1）能源效率提升。数字孪生平台精准监测并分析建筑能耗数据，促使建筑整体能耗下降 20% 。精细化的能源管理系统持续追踪建筑各区域、各系统的用能情况，智能调节供暖、制冷、照明等设备运行参数，有效避免了能源浪费现象。

（2）环境影响降低。引入数字孪生监控系统后，施工现场扬尘、噪声等环境指标持续改善，运营阶段的碳排放强度明显下降，整体环境影响降幅达到 30% 。数字化监测平台对施工机械、材料运输等重点污染源进行全过程管控，大幅减少了施工活动对周边环境的干扰。

（3）经济效益显著。数字孪生技术协助设计团队精准计算建筑各项参数，使工程方案更加合理，工程投资成本降低 15% 。智能化运维平台对建筑设备进行预测性维护，延长了设备使用寿命，减少了维修更换费用。

图1 各成本类别在优化前后的变化结语

数字孪生技术与绿色建筑生命周期管理相结合产生了积极成效，该技术应用使建筑能源利用率明显提高，同时有效降低了建筑全周期的碳排放强度，建筑投资回报率随之攀升，数字孪生技术正成为推动绿色建筑产业升级的重要技术支撑。

参考文献：

[1] 王锡茂 .BIM 技术在建筑工程项目全生命周期管理中的应用研究 [J]. 砖瓦 ，2024（10）：115-117.

[2] 宋华霖 ， 姜绍飞 . 数字孪生在空间结构生命周期管理中的应用与挑战 [J]. 福州大学学报（自然科学版），2024，52（3）：369-378.

[3] 周明 ， 王非凡 ， 温小栋 ， 李瑞峰 ， 龚文波 . 基于数字孪生技术的装配式钢结构体系全生命周期信息化管理研究 [J]. 宁波工程学院学报 ，2024，36（4）：47-52.

[4] 于 浩 ， 王 志 海 ， 李 兵 ， 倪 钰 翔 . 基 于 BIM 技 术 的 政府投资工程全生命周期数字化管理研究 [J]. 施工技术（中英文），2024，53（4）：139-144.

[5] 赵丽 .BIM 技术在装配式建筑工程项目全寿命周期成本管理中的应用研究 [J]. 中国科技期刊数据库 工业 A，2024（7）：0077-0080.

作者简介：

于方艳（1984 年08 月17 日）女，籍贯：江苏省邳州市，民族：汉，博士研究生学历，副教授，研究方向：管理科学与工程方向。南昌理工学院校级科研目（2024 年）社会科学重点项目

项目名称：《数字李生技术在绿色建筑生命周期管理中的应用研究》

课题编号：NLSK2403