摘" 要：在可持续发展与智慧城市建设的背景下，智慧建筑成为关键解决方案。物联网（IoT）的应用，特别是在环境感知、控制能力、能源管理、安全防护和用户服务等方面，显著提升了建筑的运行效率。通过引入数字孪生技术，创建与实体建筑同步运行的虚拟模型，实现了建筑性能的实时监控与预测性维护，从而在全生命周期内促进绿色低碳目标的实现。这不仅提升了建筑的智能化水平与效能，还改善了居住和工作环境，为建筑行业的可持续发展开辟了新路径，展示了智慧建筑的未来发展方向。
关键词：BIM；数字孪生；低碳；物联网；双碳
中图分类号：TP391.9" 文献标识码：A" 文章编号：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
在可持续发展与智慧城市建设的背景下，智慧建筑成为关键解决方案。物联网（IoT）的应用，特别是在环境感知、控制能力、能源管理、安全防护和用户服务等方面，显著提升了建筑的运行效率。数字孪生技术的引入，通过创建与实体建筑同步运行的虚拟模型，实现了建筑性能的实时监控与预测性维护。这不仅支持全生命周期内的绿色低碳目标，还显著提升了建筑的智能化水平和效能，改善了居住和工作环境，为建筑行业的可持续发展开辟了新路径。
传统建筑设计和建造通常关注静态结构，忽视了全生命周期的运维需求，且技术应用较为传统，数据分析能力有限。这导致传统建筑在运维管理中依赖人工操作，响应用户需求较慢，运营成本较高，用户体验也较差。相比之下，数字孪生绿色低碳建筑从设计阶段起就融入全生命周期管理[1]，通过智能系统（如智能安防、照明、温控）实现智能化运维。它通过远程监控和维护，能够提供个性化服务，降低运营成本，并延长建筑的使用寿命，从而提升居住和工作的舒适度。
随着技术的不断进步，数字孪生[2]绿色低碳建筑正逐渐成为建筑行业的主流趋势。这种建筑通过集成物联网、大数据等前沿技术，紧密联系物理建筑与数字模型，实现实时状态反映、预测性维护和能源优化。这些创新不仅使建筑更智能、高效，也展示了智慧建筑的未来发展方向，为全球绿色低碳转型提供了具有前瞻性的解决方案。
本文结合板球馆建设的项目实践，对数字孪生绿色低碳建筑管理平台的整体架构与功能模块，进行探讨和分析。
1" 体系与架构
在当前可持续发展与智慧城市建设的大背景下，智慧建筑正逐渐成为创新解决方案的重要来源。随着物联网（IoT）和人工智能（AI）的广泛应用，智慧建筑在环境感知、控制能力、能源管理优化、安全系统增强以及定制化用户服务等方面取得了显著进步，形成了一个多维度智能体系结构。此外，数字孪生技术的引入为智慧建筑领域带来了革命性的影响。通过创建与现实建筑同步更新的虚拟副本，数字孪生技术实现了建筑性能的实时监测和预测性维护，促进了整个生命周期内绿色低碳目标的实现，并为建筑行业的持续发展提供了新的方向。
图1是该平台的总体架构示意图。该平台的架构可以分为数据采集层、网络层、支撑层和应用层，形成了一个高效、智能化且低碳的建筑管理体系。首先，数据采集层主要由各种传感器和设备组成，负责收集建筑运行中的能源消耗、水资源、电力等数据，涉及光伏发电设备、环境监测传感器、能耗监测仪、智能照明与温控设备等。这些数据通过网络层传输，该层包括物联网（IoT）、互联网、工业以太网、无线网络和蜂窝网络等，确保数据的可靠性和即时性。
接下来，支撑层作为系统的核心，提供数据处理、存储与分析等多种服务和功能支持，集成了IoT平台、视频服务、数据存储、数据分析及可视化、多维数据处理、数据安全、数据融合及AI算法等模块，为系统的智能化运营提供技术支撑。BACnet是一种专为楼宇自动化系统设计的数据通信协议。它允许不同制造商生产的建筑自动化设备之间能够相互通信。MQTT协议是一种轻量化的消息传输协议，基于发布-订阅模式，允许多个客户端连接到同一个服务器，并通过主题对消息进行发布和订阅。为了实现对板球馆的智能系统的数据采集与智能控制，利用BACnet连接楼宇内的各种控制器和传感器，然后通过MQTT将这些设备的数据发布到云端或企业级服务器上，以便进行远程监控和数据分析。运维管理层利用虚拟建模和三维可视化技术，实现对建筑全面的运维管理[3]，优化能源使用和环境条件，提升建筑的运行效率和智能化水平。最后，应用层为用户提供了一系列功能和服务，如能耗分析、环境监测、设备管理和可视化监控等，通过Web监控系统、APP控制平台、指挥中心大屏和移动终端监控等方式，实现建筑能耗的全面监测和管理。总体而言，这一系统架构通过整合物联网、大数据、人工智能和数字孪生技术，实现了从数据采集到分析处理、运维管理再到应用服务的全流程智能化管理，为智慧城市和可持续发展提供了创新的解决方案。
结合物联网传感器获取的碳排放数据与经济指标，策划全方位的低碳解决方案，协助建筑在各个层面准确计算和监测碳排放[4]，并提供减少碳排放的战略建议。在能耗管理方面，系统通过楼层、建筑和分系统的能耗详细分析，帮助用户识别和解决高能耗问题，实现节能增效。设备管理模块负责故障报警、设备运维、巡检报告和信息维护，确保设备正常运行。该系统通过多功能模块的协同工作，实现了从碳排放监测、能耗管理到设备维护的全方位管理，帮助用户实现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决方案。
平台的核心在于综合应用节能技术、低碳材料和智能管理手段，以全面减少建筑生命周期中的碳排放。通过优化能源使用、设计节能建筑、选择环保材料以及实施高效的建筑运营管理，低碳平台能够显著降低能源消耗和碳足迹。这种整合的方法不仅提升了建筑的环境效益，也推动了可持续发展。总体而言，建筑低碳平台致力于在设计、施工和运营各个阶段实现低碳目标，从而促进绿色建筑的全面发展，平台功能模块如图2所示。
2" BIM与数字孪生
BIM（Building Information Modeling）和数字孪生技术[5]都是现代建筑行业中基于模型发展起来的技术。虽然两者在应用场景和目的上存在差异，但也存在着密切的联系。BIM 主要应用于建筑设计和施工阶段，可以创建建筑物的三维模型，并将所有相关信息（如材料、构造、设备等）与模型相关联，形成一套完整的建筑信息库。而数字孪生技术则主要用于建筑运营管理阶段，通过将建筑物的三维模型与传感器、监测设备等数据源连接起来，构建数字孪生模型以实时监测和管理建筑物的运营状况。
基于BIM模型提供的底层数据构建数字孪生系统，可以进一步实现建筑物从设计到运营的全生命周期管理。这一系统不仅利用BIM模型中的详细信息来构建建筑物的三维数字模型，还通过与物联网（IoT）传感器、监测设备等数据源的集成，实时监测建筑物的运行状态。具体而言，数字孪生系统能够实现对建筑物性能的实时监控，包括温度、湿度、能耗等关键指标，并通过数据分析和机器学习技术预测设备可能出现的故障，提前安排维护，减少非计划停机时间。此外，系统还能够基于数据分析结果调整暖通空调系统、照明系统等的运行参数，以降低能耗并减少碳排放。通过实时监控设备的工作状态，及时发现异常情况，提高设备的可靠性和可用性，并通过数据分析优化维护计划，延长设备使用寿命。数字孪生技术不仅提升了建筑物的智能化水平，还为建筑的低碳运行和能源管理提供了强有力的支持。
3" 系统开发研究
3.1" 驾驶舱指挥基座
该系统包括能耗管理、碳排放管理、运维管理、设备管理、可再生能源管理和机电系统管理等功能。基于BIM模型构建的三维场景，将板球馆的实时运行状态与具体构件相结合，通过集成展示与分析预警，使管理人员能够高效、直观地了解建筑的运行情况。数字孪生综合指挥舱如图3所示。
在板球馆的数字孪生系统中，利用Unity游戏引擎实现了板球馆的三维可视化。通过集成BIM数据和实时传感器数据，Unity构建了一个与实际建筑相对应的虚拟模型。该模型不仅能够展示建筑的几何形状和设备布局，还能够实时反映室内外环境数据、能耗情况以及设备运行状态。结合前端技术Vue.js生成的动态仪表盘和图表，驾驶舱首页提供了全面的运行评估与告警信息，包括碳排放数据、碳汇数据、能源流向以及可再生能源概览。
此外，系统还提供了建筑分区域管理功能，展示各区域的整体能耗情况和设备用电量分析。机电系统模块细分为暖通系统、给排水系统和电气系统，并对各系统的子系统能耗进行统计。综合碳计算模块提供详细的建筑能耗数据，全面展示可再生能源的使用情况，为板球馆的低碳运行和能源管理提供全面的数据支持。
3.2" 模块管理
本文重点介绍了碳计算、数字孪生联动运维管理、机电系统、能耗管理、建筑空间管理、可再生能源管理等方面的技术实现与应用。通过集成物联网传感器，系统能够实时监测建筑环境和设备能耗，精确计算碳排放量并提供减排策略。同时，创建与实际建筑同步的虚拟模型，实现设备的实时监控与预测性维护。数字孪生技术还优化了机电系统和能耗管理，提高了空间利用率，并集成了可再生能源数据，减少了对传统能源的依赖。这些措施共同提升了板球馆的智能化管理水平，降低了能耗和碳排放。
3.2.1" 空间管理
在空间上，将整个范围划分为不同的层次，包括板球馆所在校园、板球馆、楼层和房间管理等多个层面，实现了精细化管理[6]。在板球馆建筑层面，系统可以全面掌握整个建筑的能源消耗和碳排放情况，便于管理者做出全局性决策。在楼层和空间层面，系统可以根据区域使用特点和需求，进行针对性管理，例如调整空调温度、优化照明方案。系统能够精确监测每一层楼、每一个房间的能耗和碳排放数据，帮助管理者发现潜在问题，并及时采取措施进行改进。
除了精细化管理外，该系统还具备强大的监测能力，可以实时获取各个层次的能耗和碳排放数据，为管理者提供准确的数据支持。系统采用先进的传感器技术和数据分析算法，自动采集和处理大量数据，并生成图表和报告，帮助管理者快速理解和掌握情况。
此外，系统还具备智能化功能，可以根据历史数据和当前情况，预测未来的能耗和碳排放趋势，为管理者提供科学的决策依据。同时，系统可以根据用户的反馈和建议，不断优化和升级，满足用户的需求和期望。
3.2.2" 设备管理
在现代化的设备管理中，数字孪生技术扮演着不可或缺的角色。它将设备的静态信息、实时运行状态、报警和维修情况等要素与数字化竣工交付的设备模型相结合，实现了以设备为中心的精细化管理[7]。在板球馆项目中，结合数字孪生技术，能够实时监测空调、电梯、照明设备等关键性能参数，从而及时发现设备的异常情况，并触发报警机制，通知相关人员进行紧急处理。管理人员处理警报后，可将处理情况上传至APP，随后APP会将这些处理信息同步至平台。此外，平台还能够跟踪设备的维修历史，包括维修时间、原因、更换部件等信息，为设备的后期维护提供重要参考。巡检也被融入系统的设备管理中，通过设定周期性巡检任务[8]，管理人员可以按照预定的路线和标准对设备进行检查，确保设备始终处于最佳运行状态。同时，系统还能定位具体设备的位置，并在数字孪生模型上显示设备的分布情况，方便管理人员进行现场操作和管理。通过这种方式，数字孪生技术不仅增强了设备管理的透明度，也提高了设备的可用性和可靠性。设备运行管理如图4所示。
3.2.3" 机电系统
机电系统是维持建筑正常运行的重要组成部分，主要包括暖通、给排水和电气三大系统。数字孪生技术的应用使机电系统的管理更加精细化和智能化。通过构建数字孪生模型，可以实时监控各系统的设备运行状态，包括能耗比例、用电趋势等关键信息。系统还能够展示每个子系统的设备列表及其参数，方便管理人员进行实时监控和管理。例如，在板球馆中，暖通系统中的空调设备可通过数字孪生技术实时监测其运行状态，包括功率、电流、电压等参数，及时发现异常并处理。暖通系统还包括新风、空调风、空调水、排烟、排风等子系统，每个子系统都有独立的监控模块，确保空气质量和室内环境的舒适度。给排水系统中的生活给水、消防给排水、污水、废水等设备也可通过数字孪生技术进行实时监控，确保水质安全和水资源的合理利用。电气系统中的照明、电梯及其他设备的电气控制部分也可通过数字孪生技术进行实时监控，避免安全隐患。通过这种方式，数字孪生技术提高了机电系统的管理效率，降低了设备故障率，确保了板球馆的正常运行。
3.2.4" 碳计算
碳计算是评估板球馆各个区域碳排放的专业工具，如图5所示，通过收集和分析电力消耗数据，碳计算模块能够计算出碳排放运行值、碳排放强度和降碳率等关键指标[9]。其中，电量获取模块负责收集实时和历史的电力使用数据，这些数据来源于智能电表或其他测量装置。随后，系统利用这些数据，结合当地电网的碳排放因子，计算出碳排放运行值——即一定时期内因电力消耗所产生的总碳排放量。碳排放强度则是衡量单位面积或单位产值所对应的碳排放量，反映了设施的能效水平。降碳率表示与基准年相比，碳排放量的下降程度，用于评估节能减排措施的效果。通过这些专业的计算和分析，碳计算模块为设施管理者提供了科学的决策依据，助力他们制定更有效的节能策略，以实现可持续发展的目标。此外，碳计算还可用于比较不同区域间的碳排放差异，为策略制定者提供决策支持，推动绿色建筑和低碳经济的发展。
3.2.5" 能耗管理
平台针对板球馆整体能耗[10]进行系统管理，通过电能定额管理，依据设备、空间、时间等维度属性，实现了更大范围和空间的限电与限额管理，使电能耗管理更具科学依据。能耗统计分析维度得到丰富，提升了能源管理的智能化和有效性。能耗总览功能通过按天、月、年的维度实时显示全区域的能耗总览图表，包括单位面积能耗和人均能耗，并结合“碳中和、碳达峰”概念对能耗进行碳排放换算，使管理者可以直观了解校园中的总碳排放量及不同维度的碳排放信息。同时，引入能耗定额方式，对各个执行空间进行定额审查，以实现对高能耗空间的有效节能管理。
空间用能管理功能展示了空间范围内的整体情况和详细情况，管理者可以查看不同时间区间（今日、本月、本季）的总电量和同环比数据，以及分项能耗使用曲线图形，便于直观了解空间的用能情况。通过此功能，管理者可以方便地切换到各个空间查看数据，包括当前月度或季度的能耗曲线、定额执行百分比、累计用电情况及与定额的实时对比。管理者可根据需求灵活选择展示项，并支持日、月、年的时间粒度切换。节能总览功能可以查看板球馆的整体节能情况，根据设定的定额展示上个月、季度或年的节能总体情况，并支持显示节约的总能耗、用电量和节约的电价，同时支持数据的同比和环比比较。
3.2.6" 可再生能源
在可再生能源板块中，光伏能源管理主要聚焦于太阳能光伏发电系统的全方位管理和优化。这包括对太阳能电池板发电量的实时监测，通过对数据的收集与分析，能够精准预测未来的能源产出，从而有效规划能源使用。相关界面如图6所示。
4" 成果与收益
浙江工业大学板球馆部署了此管理系统，实时展示板球馆的运行状态。一旦出现异常，系统立即以预警和工单形式通知相关人员，确保问题能够迅速解决，维护建筑的正常运作。通过优化能源使用和环境表现，整个方案不仅实现了节能减排与绿色运营，还为同类建筑的低碳转型提供了可借鉴的范例。这展现了科技在推动绿色建筑发展中的重要作用，标志着板球馆迈向了智能、绿色、可持续的未来。
新技术手段有效提高了运营维护的人效比和物业管理质量，降低了运营成本。可视化的运管场景结合监测预警功能，对设备运行策略和能源消耗情况进行分析和优化，实现了低碳环保和节约能源的目标。
5" 结" 论
BIM技术与新能源建设的深度融合，以及智能运维与绿色低碳理念的结合，正推动全球能源转型进入新阶段。智能运维通过物联网和BIM技术的协同，实现新能源设施的精准监控与高效管理，提升了运维效率，降低了成本，并延长了设施寿命。绿色低碳理念贯穿整个建设过程，从设计到运维，确保节能减排。政府政策支持和市场需求推动了技术创新与产业升级，为实现“双碳”目标和全球气候治理提供了强大动力，描绘了绿色经济的光明前景。
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作者简介：李艳（1997.12—），女，汉族，山西长治人，前后端开发工程师，硕士研究生，研究方向：智慧建筑；宋晋（1989.01—），女，汉族，山西晋中人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：民用建筑暖通、低碳及数字化；卢严（2001.01—），男，汉族，浙江宁波人，开发工程师，本科，研究方向：智慧建筑。
