基於智慧建築中的樓宇自動化系統的設計研究的建築工程論文
摘 要：智慧建築是智慧建築技術和新興資訊科技相結合的產物，起源於20世紀後二十年，隨著資訊科技的不斷髮展，智慧建築也在不斷的發展，智慧建築通常由樓宇自動化系統、辦公自動化系統、資訊自動化系統、消防自動化系統和安保自動化系統五個系統組成，其中樓宇自動化系統則是智慧建築設計的核心和重點。文章首先介紹了智慧建築的定義和特點，然後重點分析了樓宇自動化系統的組成要素，並在此基礎上，從設計思路、設計依據、設計概要和系統結構這五個方面對樓宇自動化的具體設計進行了研究和論述。
關鍵詞：智慧建築；資訊科技；樓宇自動化；設計
中圖分類號：TU855 文獻標識碼：B
The research on the design of building automation system
Liu Ning-na，Gu Rui
（Suning Universal Group Jiangsu Nanjing 210008）
Abstract： Intelligent building is the combination of smart building technologies and emerging IT product， it originated in the later two decades of 20th century， As information technology continues to evolve， intelligent building also continues to develop， Intelligent building usually consists of five systems， building automation system， office automation system， information automation system， fire automation system and safe automation system. Building automation system is the core of the desing of intelligent building. The article first introduces the definition and characteristics of intelligent building， and then focuses on analysis of the elements of building automation systems， then studies the building automation system from design basis， summary and system architecture design.
Keywords： Intelligent Buildings ， IT ， Building automation system， design
1.引言
20世紀的後20年和21世紀的前10年，是資訊科技和智慧技術迅猛發展和革新的時代，數字洪流已經席捲了人類社會的方方面面，人類社會逐步由工業化時代向數字時代邁進。在新的數字化時代背景下，在建築行業，人們對建築物的辦公、居住環境以及設施管理提出了越來越新的要求，建築不再是一個簡單的遮風避雨供人居住的場所，而是演變成具備安全、高效、舒適、綠色、節能以及智慧化的功能，成為能夠參與人類辦公、生產、生活活動的具有“生命”特性的實體。如果把建築比作人體的話，那麼傳統的建築只是具備了人體的外在骨骼和肌肉，而智慧建築則是在此基礎上加上智慧的“頭腦”和靈敏的“神經系統”的完整的“人”。
2.智慧建築的定義及特點
智慧建築[1]的概念最先是起源於20世紀80年代的美國，1984年，美國康涅狄格州哈特福德市的“城市廣場”（City Place）是世界上公認的智慧化大廈，其具備了先進的通訊系統、辦公自動化系統、及自動監控和建築裝置管理系統。隨著資訊科技的迅速發展，智慧建築的內涵得到不斷的擴充套件和豐富。到目前為止，對於智慧建築，國內外有著不同的詮釋，美國建築協會將智慧建築定義為：透過將建築物的結構、系統、服務和管理4項基本要求以及它們之間的內在關係進行最最佳化，從而提供一個投資合理的、具有高效、舒適、便利環境的建築物。國內學術界將智慧建築定義為：利用系統整合方法，將智慧型計算機技術，通訊技術、資訊科技與建築技術有機結合，透過對裝置的自動監控、對資訊資源的管理和對使用者的資訊服務及其與建築的最佳化組合，所獲得的投資合理，適合資訊社會需要並且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點的建築物。雖然國內外對智慧建築的`定義描述不盡相同，但對其本質特點的認同卻是一致的，即智慧建築可以為人民提供一個優越的工作與生活環境，這種環境有著安全、舒適、便利、高效、靈活的特點。
3.智慧建築的組成要素
智慧建築通常由5個自動化系統要素[2]組成，簡稱為5A（A是Automation的簡寫），分別是樓宇自動化系統BA（Building Automation System），辦公自動化系統OA（Office Automation System），資訊自動化系統CA（Communication Automation System），消防自動化系統FA（Fire Automation System）和安保自動化系統SA（Safety Automation System）這五個自動化系統。其中：
樓宇自動化系統是智慧建築中的核心繫統也是最能體現智慧建築的舒適、便利、高效特點的系統，它運用計算機系統對建築的各個方面實行自動化的監控及管理，如空調、照明、電梯、配電和給排水。
辦公自動化系統是圍繞計算機網路進行的資訊的建立、儲存和處理，包括文書處理、電子記事、資料庫、日程安排、統計管理和決策管理等。
資訊自動化系統是指透過電纜、光纜等有線或無線的傳輸方式，使用相關通訊裝置快速傳遞語音和影象，包括傳輸語音的電話網系統、傳輸影象的有線電視系統、傳輸資料的Internet、ISDN系統。
消防自動化系統是指建築樓宇內的人工報警器、智慧探測器、滅火噴淋系統、緊急廣播及照明系統。
安防自動化系統是指以運用安全防範產品和其它相關產品所構成的入侵報警系統、影片安防監控系統、出入口控制系統、防爆安全檢查等的系統；或是由這些系統為子系統組合或整合的電子系統或網路。
在國內智慧建築設計時除了5A智慧建築設計外，有時還會有3A智慧建築設計，3A設計時是將5A設計的消防自動化變為消防報警，安防自動化併為保安監控一併納入到樓宇自動化的設計範圍內。
智慧建築的這五個系統彼此之間的功能相對獨立，各自在不同的領域發揮著應有的作用，但他們又不是完全獨立的，樓宇的綜合佈線將他們彼此相連，同時用於智慧管理的計算機系統又對這幾個系統進行綜成，統一管理，使得各個系統之間創造出高效、舒適的生活，工作環境時，構成了一個有機的建築功能系統。
4.樓宇自動化系統的設計
4.1樓宇自動化系統的設計思路
樓宇自控系統是利用計算機控制技術組成高度自動化的綜合管理系統，對分散於建築物內的機電裝置（冷熱源系統、空調系統、送排風系統、電梯系統等）進行分散控制、統一管理，實現對各裝置的監測與控制，保證所有裝置的正常執行，並達到最佳狀態。同時，在計算機軟體的支援下進行資訊處理、資料計算、資料分析、邏輯判斷、圖形識別等，從而提高樓宇管理和服務的現代化水平，降低運營成本，從而提供一個一個高度安全、舒適、高效的工作、生活環境。通常樓宇自動化系統是由樓宇內的若干個建築裝置的監控子系統組成，即送排風系統監控、暖通空調系統監控、變配電系統監控、照明系統監控和電梯系統監控。
在進行樓宇自控系統設計的時候，應當考慮以下六個方面的因素：
（1）實用性：樓宇自動化系統的設計應將實用作為首先考慮的內容。在符合樓宇建築具體實際功能和需要的前提下，合理平衡各個子系統的經濟性和先進性，避免片面追求先進性而脫離實際或片面追求經濟性而損害智慧化建設的初衷。
（2）可靠性：樓宇自動化系統控制著樓宇的各個重要的裝置系統，系統設計應確保每天24小時連續工作，區域性裝置故障不會影響整個系統的正常執行，也不會影響其它智慧化子系統的正常執行。關鍵的系統部件對故障容錯和資料備份應提供相應的解決措施。
（3）安全性：樓宇自動化系統設計選用的所有裝置、配件及其系統，在保證其安全、可靠執行的同時，應符合國際和國家的有關安全標準和規範要求，並在非理想環境下能有效工作。
（4）易維護性：樓宇自動化系統需要監視和監控的裝置品種繁多，而且位置分散，要保證日常系統正常工作、可靠執行，系統必須具有高度可靠的可維護性和易維護性。儘量做到所需人員少，維護工作量小，維護強度弱，維護費用低。
（5）標準性和可擴充套件性：樓宇自動化系統的設計應採用國家和國際標準及規範，相容不同廠家、不同協議的裝置和系統。必須採用符合工業標準的作業系統、網路技術、相關資料和圖形系統。各子系統可方便進出總系統，同時具有開放介面，以便使用者進行二次開發。
（6）先進性：樓宇自動化系統是資訊時代建築與資訊科技相結合的產物，因此係統方案的設計應力求與當前科學技術高速發展的潮流相吻合。系統總體結構定位於高起點、開放式、模組化，從而建設一個可擴充套件的平臺，保護前期工程與後續技術的銜接。
4.2樓宇自動化系統的設計依據
樓宇自動化系統的設計應當首先根據甲方的需求以及提供的相應建築圖紙為基礎，同時參照相應的設計規範如：《智慧建築設計標準》（GB/T50314—2006）、《公共建築節能設計標準》（GB50189-2005）、《採暖通風與空氣調節設計規範》（GB50019-2003）、《民用建築電氣設計規範》（JGJ16-2008）、《電氣裝置安裝工程施工及驗收規範》（CBJ232—92）、《建築設計防火規範》（CBJ16—87）95修訂、《火災自動報警系統設計規範》（GBJl16—92）、《商用建築線纜標準》（EIA/TIA—568A）、《資訊科技互連國際標準》（ISO/IECl1801—95）和《高層民用建築設計防火規範》（GB50045-95）。
4.3樓宇自動化系統的設計概要
樓宇自動化系統[3]的設計是為大樓各機電裝置提供一套完善的自動化管理解決方案，以提高各機電系統效率和可靠性，其建築裝置監控系統由冷熱源、空調暖通、變風量末端、送排風、電梯等監控系統組成。
通常樓宇自動化系統主控工作站應設在各樓消防及保安控制中心內，負責各大樓的機電裝置監控，為了增強系統的靈活性，系統應預留備用介面，同時設計時應根據甲方的要求在某些房間增設監控點，減少能源消粍，提高經濟效益。
樓宇自動化系統的設計是透過網路控制器（NC）、直接數字控制器（DDC）對所有機電裝置進行監控，系統還應透過資料通訊介面對空調冷熱機組及電梯等裝置進行監控。
在對樓宇自動化系統進行設計時應採用分佈智慧系統，利用分佈在樓宇現場的可擴充套件數字控制器及I/O擴充套件模組，完成對建築機電裝置的實時監測，保護與控制任務。各控制器在設計時應確保既能獨立運作，又可以在中央工作站指導下工作。在正常情況下使用人員只需要在中央工作站進行監控，不需要直接操作其它控制器，這樣極大地方便了系統的管理，此外，系統的設計應建立標準、統一的資料庫，並具有標準的開放介面，便於被整合資訊的利用和更高層次的資訊整合，為建築內的綜合管理與排程提供基礎平臺。控制器（DDC）應採用現場控制方式，控制器之間採用點對點通訊。控制器必須具有獨立的監測和控制能力，可根據需要隨意增加/減少總線上的控制器，而通訊線故障不會影響控制器的現場控制功能。
應將樓宇自動化系統設計為完整的分散式集散控制系統，該系統應採用標準化區域網技術和眾多子系統整合技術實施對樓內所有實時監控系統的整合監控、聯動和管理，系統應既可相對獨立運轉，又可聯合成為一個有機整體，可以由系統管理伺服器完成對不同工作站及現場控制器的控制權限的設定。
4.4樓宇自動化系統的網路結構
通常將樓宇自動化系統設計為兩層網路結構，即管理層網路和控制層網路，具體如下：
（1）管理層網路：管理層網路是由帶滑鼠及彩色顯示器的個人電腦和印表機組成操作站、資料管理伺服器組成。操作站不需要BAS專用軟體，而採用網路瀏覽器作為使用者介面，授權使用者可以透過Web瀏覽器提供的使用者介面簡捷地登陸到資料管理伺服器。使用者可以透過Web瀏覽器在網路任何一點獲得資料管理伺服器上的資料。管理人員和操作者，透過觀察顯示器所顯示的各種資訊以及印表機所記錄的各種資訊來了解當前或以前整個大樓各種機電裝置的執行狀況，也可透過鍵盤或滑鼠的操作來改變各種機電裝置的執行狀況，從而達到管理者各種特定的控制要求。操作站級的設計應以高速通訊方式進行資訊交換，其通訊速率應達10/100M波特。從而確保系統的實時性，避免通訊阻塞。
（2）控制層網路：控制層網路通常設計成點對點（Peer to Peer）的通訊方式，同一樓宇內的控制層網路上的網路控制器可以進行無主從的對話，並不依賴與管理層的操作站，網路上任一節點故障時不影響系統的正常執行和資料傳輸。控制層網路採用乙太網絡，通訊速率為10/100M，透過六類UTP 把各個樓層的網路控制器分別連線入管理型乙太網交換機，各個樓層的乙太網交換機與相對應的交換機進行級聯。每個網路控制器都有獨立的IP地址，使用IP協議互聯，通訊速率在10M/100Mbps自動切換。控制層網路通常由網路控制器和直接控制器組成，網路控制器應配置高效能的微處理器，從而滿足對現場裝置監控管理的需要，而且應承擔從管理級網路至控制層網路的匯流排匹配、通訊管理的功能，是現場控制裝置與操作站通訊聯絡的紐帶。
5.結語
在資訊時代，隨著資訊科技與傳統建築設計相結合的產物智慧建築的出現，使得人們追求更加舒適、更加安全、更加高效的工作和生活環境的願望成為可能，這就給建築設計人員提出了新的挑戰，在熟練掌握本專業的知識的基礎上還要學習最先進的資訊科技，並將其應用到建築設計之中，從而設計出滿足人們工作、生活需求的智慧建築。本文在描述了智慧建築的定義和組成要素的基礎上，從設計思路、設計依據、設計概述和網路結構三個方面對智慧建築中的樓宇自動化系統的設計進行研究。
參考文獻
[1] 尹秀偉.智慧建築設計及智慧建築發展前景[J].低壓電器，2001.1.2.
[2] 張慶芳等.淺論智慧建築在我國的發展[J].山西建築，2004.6.
[3] 趙向娟.對樓宇自動化系統分析[J].科技資訊，2010（03）.
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