基于AIoT和BIM技術(shù)的大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑建造關(guān)鍵技術(shù)分析

【摘要】隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑成為發(fā)展趨勢。人工智能互聯(lián)網(wǎng)（AIoT）技術(shù)和建筑信息模型（BIM）技術(shù)為這類建筑的建造提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。文章闡述了AIoT和BIM技術(shù)的概念及其在綠色智能建筑建造中的應(yīng)用優(yōu)勢，分析了大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和綠色智能特征，探討了AIoT和BIM技術(shù)在這類建筑設(shè)計(jì)、施工階段、運(yùn)維階段的具體應(yīng)用，為推動大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑的高質(zhì)量發(fā)展提供了參考。

【關(guān)鍵詞】AIoT；BIM；大型鋼結(jié)構(gòu)；智能建筑

【中圖分類號】TU855 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2025）02-0001-03

0 引言

在當(dāng)代建筑領(lǐng)域，大型鋼結(jié)構(gòu)建筑以其強(qiáng)度高、空間大、施工速度快等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，綠色和智能成為建筑發(fā)展的新方向，綠色建筑強(qiáng)調(diào)資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)，智能建筑注重自動化控制和智能化管理。然而，大型鋼結(jié)構(gòu)建筑在實(shí)現(xiàn)綠色智能的過程中面臨諸多挑戰(zhàn)，如設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工難度大、運(yùn)維管理復(fù)雜等。AIoT和BIM技術(shù)作為數(shù)字化技術(shù)手段，在大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑的建造過程中發(fā)揮著不可替代的作用。

1 AIoT和BIM技術(shù)概述

AIoT技術(shù)是以人工智能AI+物聯(lián)網(wǎng)IoT為基礎(chǔ)的“智能物聯(lián)網(wǎng)”（AIoT，AI+IoT）技術(shù)。通過物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生并收集來自不同維度的海量數(shù)據(jù)，將其存儲于云端、邊緣端，再通過大數(shù)據(jù)分析及更高形式的人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)萬物數(shù)據(jù)化、萬物智聯(lián)化。

BIM技術(shù)是一種基于三維數(shù)字模型的綜合管理系統(tǒng)，它集成了建筑工程各種相關(guān)信息。BIM的基本概念是創(chuàng)建并利用數(shù)字化模型對建筑項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營管理。BIM包含的信息類型豐富，幾何信息是對建筑構(gòu)件的形狀、尺寸等的描述，如鋼梁的長度、截面形狀等，非幾何信息包括建筑構(gòu)件的材料屬性、功能要求、成本信息等[1]。

2 綠色智能建筑特點(diǎn)

綠色智能建筑是指在建筑的全生命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用、高效的使用空間，是綠色低碳發(fā)展時(shí)代的新建筑形式。該建筑形式融合了綠色建筑和智能建筑的特點(diǎn)，通過科學(xué)的整體設(shè)計(jì)，采用自然通風(fēng)采光、低能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新能源利用、水循環(huán)利用和綠色建材等集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了資源循環(huán)利用并有效降低了能源消耗。在綠色智能建筑建造過程中，應(yīng)該將建筑的設(shè)計(jì)、施工和管理運(yùn)維全過程壽命的低能耗作為綠色建筑的判斷依據(jù)[2]。

2.1 綠色建筑的節(jié)能環(huán)保與資源循環(huán)利用

綠色建筑注重節(jié)能，通過采用高效的保溫隔熱材料、優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)，減少建筑能耗。例如，在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中采用雙層玻璃幕墻，既能提高采光效果，又能起到隔熱保溫作用。在環(huán)保方面，減少建筑施工和使用過程中的污染物排放，如采用低揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的涂料。資源循環(huán)利用也是綠色建筑的重要特征，如建筑拆除后鋼材可回收再利用。

2.2 自動化控制與智能化管理

智能建筑配備了能源管理系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制建筑的能源消耗，如根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境自動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ㄖ?nèi)的各種設(shè)備（如電梯、通風(fēng)設(shè)備等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷，從而提高設(shè)備的運(yùn)行效率和使用壽命。

2.3 綠色智能融合要求

在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，綠色和智能的融合需要考慮鋼結(jié)構(gòu)的特性。例如，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段就要預(yù)留智能設(shè)備的安裝空間，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的選型要兼顧綠色建筑的要求，如采用高強(qiáng)度、低能耗的鋼材。在建筑運(yùn)維階段，利用鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)，合理布置傳感器等智能設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)健康和能源消耗的有效監(jiān)測。

3 大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑建造關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)計(jì)階段關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 基于AIoT和BIM的鋼結(jié)構(gòu)建筑概念設(shè)計(jì)

在大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑的概念設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)可以根據(jù)建筑的功能需求進(jìn)行空間布局的優(yōu)化，AIoT技術(shù)則可以為概念設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。通過物聯(lián)網(wǎng)收集周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，包括風(fēng)向、日照等，這些數(shù)據(jù)被整合到BIM中。設(shè)計(jì)師可以基于此模型進(jìn)行初步的建筑布局、功能分區(qū)等概念設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮鋼結(jié)構(gòu)的可行性和綠色智能建筑的要求。例如，對于商業(yè)綜合體建筑，BIM可以模擬不同功能區(qū)域（商業(yè)、辦公、休閑等）的人流量和空間使用效率，調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布局，以獲得最大的使用空間和最佳的人流組織。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能為建筑形態(tài)的創(chuàng)新提供了可能[3]。BIM技術(shù)可以結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，如大跨度能力，生成獨(dú)特的建筑形態(tài)。設(shè)計(jì)師可以通過BIM軟件探索不同的建筑造型，如利用拱形鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出富有動感的建筑外觀，同時(shí)確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可行性。

3.1.2 鋼結(jié)構(gòu)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

首先，BIM技術(shù)與結(jié)構(gòu)有限元分析軟件的集成，可以對大型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的應(yīng)力和變形分析。通過建立BIM并導(dǎo)入有限元分析軟件，能夠考慮鋼結(jié)構(gòu)在各種荷載（如自重、風(fēng)荷載、雪荷載等）作用下的力學(xué)響應(yīng)。例如，對于高聳的鋼結(jié)構(gòu)塔架，通過有限元分析可以確定在強(qiáng)風(fēng)作用下鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，從而調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸和連接方式，確保結(jié)構(gòu)安全。其次，BIM中可以包含鋼結(jié)構(gòu)的防火和防腐要求信息。在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)建筑的使用功能和環(huán)境要求，確定鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料厚度、防腐處理方式等。例如，在化工企業(yè)的大型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，BIM可以根據(jù)廠房內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)環(huán)境，確定鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂層種類和厚度，同時(shí)考慮防火分隔措施，確保鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)情況下的穩(wěn)定性。最后，BIM技術(shù)可以模擬建筑的采光和通風(fēng)情況，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置，以提高建筑的綠色性能。AIoT技術(shù)在此過程中可以提供實(shí)時(shí)的環(huán)境荷載數(shù)據(jù)，如風(fēng)力、地震等監(jiān)測數(shù)據(jù)。結(jié)合這些數(shù)據(jù)對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸、連接方式等，以提高鋼結(jié)構(gòu)的性能，同時(shí)確保符合綠色智能建筑的節(jié)能、環(huán)保要求。

3.1.3 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)

建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、電氣等專業(yè)人員可以按照一定的流程在BIM平臺上進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。首先，建筑設(shè)計(jì)師確定建筑的總體布局和功能要求，結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)建筑方案進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給排水和電氣工程師在結(jié)構(gòu)框架內(nèi)進(jìn)行各自系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，各專業(yè)人員可以通過BIM平臺實(shí)時(shí)共享和更新設(shè)計(jì)信息。其次，BIM技術(shù)具有數(shù)據(jù)沖突檢測功能。在大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑的協(xié)同設(shè)計(jì)中，當(dāng)給排水管道與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生碰撞或者電氣設(shè)備的安裝空間與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沖突時(shí)，BIM軟件能夠自動檢測并提示[4]。最后，在綠色智能建筑的集成設(shè)計(jì)中，各專業(yè)需要緊密配合。在這個過程中，AIoT技術(shù)可以促進(jìn)各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)交互，結(jié)構(gòu)專業(yè)可以根據(jù)建筑和設(shè)備的布局變化，及時(shí)優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給排水專業(yè)要設(shè)計(jì)雨水收集和中水回用系統(tǒng)，與建筑的綠色理念相契合，電氣專業(yè)可以根據(jù)AIoT收集的建筑能耗數(shù)據(jù)調(diào)整照明和電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)錯誤。

3.2 施工階段關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 基于AIoT和BIM的鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制加工技術(shù)

在大型鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制加工前，利用BIM技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行精確的數(shù)字化建模。建模過程中，詳細(xì)定義構(gòu)件的尺寸、形狀、材料規(guī)格等信息。通過BIM對制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，對于復(fù)雜形狀的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如弧形鋼梁，可以通過BIM模擬制造過程中的變形情況，提前采取預(yù)防措施，確保構(gòu)件的制造精度。AIoT和BIM技術(shù)還可以在鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制加工過程中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和進(jìn)度跟蹤。在質(zhì)量控制方面，AIoT技術(shù)收集加工設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、加工精度等數(shù)據(jù)，并將BIM中的構(gòu)件信息與實(shí)際加工的構(gòu)件進(jìn)行比對，一旦發(fā)現(xiàn)問題可以及時(shí)調(diào)整，確保鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量。在進(jìn)度跟蹤方面，根據(jù)BIM中的加工計(jì)劃，實(shí)時(shí)更新構(gòu)件的加工進(jìn)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)度滯后的構(gòu)件，調(diào)整加工順序或增加加工資源，確保預(yù)制加工按時(shí)完成。

3.2.2 綠色施工技術(shù)的AIoT和BIM集成

在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑施工現(xiàn)場，利用BIM技術(shù)進(jìn)行安裝施工場地布置和物流規(guī)劃。通過BIM模擬施工現(xiàn)場的地形、建筑物、道路等情況，確定鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的堆放位置、起重機(jī)的停放位置和行駛路線等。在施工過程中，BIM技術(shù)可以用于施工廢棄物管理，通過BIM預(yù)測施工過程中產(chǎn)生的廢棄物種類和數(shù)量，制訂廢棄物分類收集和處理計(jì)劃。AIoT技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測施工現(xiàn)場的環(huán)境指標(biāo)，如噪聲、粉塵、能耗等。將兩者集成，可以根據(jù)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工計(jì)劃，同時(shí)利用BIM對施工資源進(jìn)行重新調(diào)配，提高施工的綠色化程度。此外，BIM技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測設(shè)備相結(jié)合，可以對施工現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。例如，在施工現(xiàn)場設(shè)置噪聲、粉塵等環(huán)境監(jiān)測傳感器，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM關(guān)聯(lián)。當(dāng)監(jiān)測到噪聲或粉塵超標(biāo)時(shí)，通過BIM定位污染源，采取相應(yīng)的控制措施，如調(diào)整施工設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間、增加降塵設(shè)備等[5]。

3.3 運(yùn)維階段關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 基于AIoT和BIM的能源管理優(yōu)化技術(shù)

AIoT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑內(nèi)各類設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥茉垂芾硐到y(tǒng)，結(jié)合BIM中的建筑空間布局、設(shè)備分布等信息，可以對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行更精確的分析。例如，根據(jù)BIM中不同樓層、不同功能區(qū)域的劃分，分析各個區(qū)域的能耗情況，找出能源消耗的高值區(qū)和低值區(qū)。基于能耗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，結(jié)合BIM中的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)備性能等信息，制定能源優(yōu)化策略。在BIM的可視化界面上，可以模擬不同能源優(yōu)化策略的效果。例如，通過調(diào)整建筑外立面的遮陽設(shè)施，減少夏季太陽輻射熱的進(jìn)入，同時(shí)優(yōu)化暖通系統(tǒng)的運(yùn)行模式，以降低建筑的總體能耗。

3.3.2 基于AIoT和BIM的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量調(diào)控技術(shù)

利用AIoT技術(shù)在大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑內(nèi)部設(shè)置環(huán)境傳感器，監(jiān)測室內(nèi)的溫度、濕度、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)。將這些數(shù)據(jù)與BIM中的室內(nèi)空間信息相結(jié)合，評估不同區(qū)域的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。例如，根據(jù)BIM中會議室、辦公室、休息區(qū)等不同功能區(qū)域的空間大小和人員密度，評估各區(qū)域的空氣質(zhì)量是否符合健康和舒適標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量不滿足要求時(shí)，根據(jù)BIM中的建筑通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、凈化設(shè)備等信息，采取相應(yīng)的調(diào)控措施。例如，如果某辦公區(qū)域的CO2濃度過高，系統(tǒng)可以根據(jù)BIM中的通風(fēng)管道布局和通風(fēng)設(shè)備性能，自動調(diào)整通風(fēng)量或者啟動空氣凈化設(shè)備，以改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，提高建筑使用者的舒適度和健康水平。

3.3.3 基于AIoT和BIM的空間使用與管理優(yōu)化技術(shù)

通過AIoT技術(shù)中的定位系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等手段，對大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑內(nèi)的人員和設(shè)備的空間位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。將這些空間使用數(shù)據(jù)與BIM中的建筑空間規(guī)劃信息相結(jié)合，了解各個空間的實(shí)際使用情況。例如，根據(jù)BIM中的辦公區(qū)域劃分，監(jiān)測不同部門的人員分布情況，以及會議室、儲物間等公共空間的使用頻率。基于空間使用情況的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用BIM中的空間信息進(jìn)行空間管理優(yōu)化決策。例如，如果發(fā)現(xiàn)某些辦公區(qū)域長期閑置，而其他區(qū)域又過于擁擠，則可以根據(jù)BIM中的空間布局和隔斷設(shè)置，重新規(guī)劃辦公空間，調(diào)整人員和設(shè)備的布局，提高建筑空間的利用率，同時(shí)也可以根據(jù)空間使用情況調(diào)整照明、空調(diào)等設(shè)備的運(yùn)行策略，降低能源消耗。

4 結(jié)語

AIoT和BIM技術(shù)在大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑的建造過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。從設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)、多專業(yè)協(xié)同，到施工階段的預(yù)制加工、現(xiàn)場安裝、綠色施工和智能建造，再到運(yùn)維階段的設(shè)施管理、能源管理和智能運(yùn)維，AIoT和BIM技術(shù)為各環(huán)節(jié)提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持。通過AIoT和BIM技術(shù)的應(yīng)用，可以提高大型鋼結(jié)構(gòu)綠色智能建筑的建造質(zhì)量、效率和可持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)建筑的綠色、智能發(fā)展目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐金.解析建筑設(shè)計(jì)中綠色建筑技術(shù)優(yōu)化結(jié)合[J].城市建設(shè)理論研究，2024（31）：73-75.

[2] 鞠杰，樊磊.BIM技術(shù)在智能綠色建筑中的應(yīng)用分析[J].智能建筑與智慧城市，2024（4）：75-77.

[3] 王宏，韓晨，李丹丹，等.AIoT技術(shù)在綠色智能建筑樓宇自控系統(tǒng)中的最新發(fā)展和應(yīng)用探究[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，55（1）：52-60.

[4] 劉善良.BIM技術(shù)在綠色智能建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].綠色建造與智能建筑，2023（7）：28-30.

[5] 熊向陽，馬曉國，歐陽強(qiáng).綠色智能建筑綜合評價(jià)體系的構(gòu)建與應(yīng)用[J].科技管理研究，2017，37（3）：95-99.

[作者簡介]陸茵（1978—），女，廣西岑溪人，碩士，副教授，研究方向：自動化、建筑電氣工程技術(shù)。