هماهنگ سازی فناوری های هوشمند با انعطاف پذیری ساختمان (قسمت سوم)

3 . سیستم های محیطی ساخته شده

سیستم محیط زیست ساخته شده پایدار که به عنوان اکوسیستم پایدار نیز شناخته می شود، می تواند به عنوان یک سیستم پیچیده و یکپارچه از منابع طبیعی، فرآیندها و عناصری تعریف شود که با هم کار می کنند تا اثرات نامطلوب زیست محیطی را به حداقل برسانند و در عین حال تعادل اکولوژیکی را حفظ کنند و خدمات لازم را برای حمایت از زندگی در زمین ارائه دهند. زمین. محیط های ایجاد شده یا ساخته شده توسط انسان که افراد در آن زندگی می کنند، کار می کنند و در تعامل هستند، سیستم محیط ساخته شده نامیده می شود. این شامل تمام ویژگی‌های فیزیکی مانند باغ‌ها، جاده‌ها، پل‌ها، ساختمان‌ها و سایر خدمات است که هم مناطق شهری و هم روستایی را شامل می‌شود. این سیستم بخش مهمی از تمدن بشری است و تأثیر عمده ای بر محیط زیست، رشد اقتصادی و استاندارد زندگی دارد. یک سیستم محیط زیست پایدار دارای عناصر اساسی زیر است: حفاظت از منابع، که شامل استفاده از منابع طبیعی مانند جو، آب، زمین، انرژی، مواد، و تنوع زیستی (یعنی طیف گسترده ای از گونه ها) است. کارایی هزینه پروژه های ساخته شده در تمام مراحل (یعنی هزینه اولیه، هزینه استفاده و هزینه بازیابی). و طراحی برای سازگاری انسان، که می تواند شامل به حداقل رساندن ضایعات تولید، تمیز نگه داشتن آب و هوا، و حفاظت از تعامل انسان با محیط زیست باشد [ 26 ، 27 ]. یک نمایش شماتیک از سیستم محیط ساخته شده در شکل 1 نمایش داده شده است .

سیستم محیط ساخته شده را می توان با استفاده از معنای LCA مصالح مورد استفاده (به عنوان مثال، سیمان، بتن معمولی، بتن ژئوپلیمری، فولاد، آسفالت، بنایی و غیره) به ویژه در پروژه های ساختمانی (به عنوان مثال، ساختمان ها، جاده ها، پل ها) ارزیابی کرد. ، تونل ها، سدها و غیره). تأثیر عوامل مختلف مانند پایداری، تاب‌آوری، فرصت‌های موجود، چالش‌ها و LCA بر سیستم‌های محیط ساخته‌شده به تفصیل در زیربخش زیر توضیح داده شده است.

توسعه فراگیر و پایدار شامل تعدادی چالش و فرصت است که باید با موفقیت مورد توجه قرار گیرد. به منظور ایجاد محیط های ساخته شده قابل دسترس، انعطاف پذیر و پایدار که کیفیت زندگی مردم را بهبود می بخشد، ضروری است که این امکانات و مشکلات متعادل شوند. برای رسیدگی موثر به نگرانی های پیچیده، همکاری بین دولت ها، شرکت ها و جوامع ضروری است. چالش ها و فرصت های سیستم محیط ساخته شده در جدول 1 ، جدول 2 خلاصه شده است .

میز 1 . خلاصه چالش های سیستم محیط ساخته شده

ارجاع	دسته بندی	چالش ها
[ 28 ]	تاب آوری	محیط ساخته شده باید در برابر خطراتی مانند زلزله، سیل و طوفان که در نتیجه تغییرات آب و هوایی مکرر و شدیدتر می شوند، مقاوم باشد.
[ 29 ]	محیط زیست پایدار	محیط ساخته شده به چالش های زیست محیطی بی شماری از جمله انتشار دی اکسید کربن، کاهش منابع و تخریب اکوسیستم ها کمک می کند. این مسائل بر نیاز فوری به اتخاذ روش‌های ساختمانی سازگارتر با محیط زیست و پایدار تأکید می‌کند.
[ 30 ]	توسعه شهری	شهرنشینی سریع جهانی تقاضا برای زیرساخت ها، مسکن و خدمات را افزایش داده و به طور بالقوه منابع و زیرساخت های موجود را تحت فشار قرار داده است.
[ 31 ]	زیرساخت های قدیمی	زیرساخت ها در بسیاری از شهرها و مناطق در حال پیر شدن هستند و نیاز به هزینه های عمده نگهداری و تعمیر دارند.
[ 32 ]	ازدحام و حمل و نقل	حمل و نقل عمومی ضعیف و ازدحام ترافیک از مسائل رایج در شهرها هستند که هم بر کیفیت هوا و هم بر تحرک تأثیر می گذارند.
[ 33 ]	توان مالی	یافتن مسکن مناسب برای افراد و خانواده های کم درآمد در بسیاری از مناطق شهری به دلیل افزایش ارزش ملک و اجاره بها به طور فزاینده ای دشوار می شود.
[ 34 ]	نابرابری اجتماعی	جمعیت های حاشیه نشین اغلب دسترسی محدودی به فرصت ها و خدمات اولیه دارند و برنامه ریزی و طراحی محیط ساخته شده می تواند به تداوم نابرابری اجتماعی کمک کند.
[ 35 ]	سلامتی و تندرستی	همه چیز از کیفیت هوا (یعنی تمیزی هوا) گرفته تا در دسترس بودن مناطق سبز و مکان های تفریحی ممکن است بر سلامت عمومی در محیط ساخته شده تأثیر بگذارد.

جدول 2 . خلاصه فرصت های سیستم محیط ساخته شده

ارجاع	دسته بندی	فرصت ها
[ 36 ]	شهرهای هوشمند	با ادغام فناوری، محیط های ساخته شده ممکن است از نظر مدیریت منابع، مصرف انرژی و حمل و نقل کارآمدتر شوند.
[ 36 ، 37 ]	تکنیک های ساخت و ساز سبز	اجرای تکنیک های ساختمانی با مصرف انرژی کارآمد و پایدار می تواند هزینه های عملیاتی و اثرات منفی آنها را بر محیط زیست کاهش دهد.
[ 38 ، 39 ]	نوآوری در ساخت و ساز	با استفاده از مصالح و فرآیندهای جدید، پروژه های ساختمانی می توانند با سرعت بیشتری و با کیفیت بالاتر تکمیل شوند.
[ 40 ]	یکپارچه سازی انرژی های تجدیدپذیر	ادغام انرژی تولید شده از منابع تجدیدپذیر در محیط ساخته شده می تواند به کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی و جلوگیری از تغییرات آب و هوایی کمک کند.
[ 41 ]	توسعه حمل و نقل محور	توسعه محله ها در اطراف مراکز ترانزیتی و تاکید بر حمل و نقل عمومی می تواند ترافیک را کاهش دهد و پایداری را افزایش دهد.
[ 42 ، 43 ]	برنامه های مسکن ارزان قیمت	هر دو بخش دولتی و خصوصی ممکن است به کاهش هزینه مسکن کمک کنند و در عین حال از تنوع فرهنگی و شمول در مناطق شهری حمایت کنند.
[ 44 ]	حفاظت تاریخی	استفاده و حفظ ساختمان‌های قدیمی به پیشبرد پایداری کمک می‌کند و در عین حال حس فرهنگ و شخصیت یک منطقه شهری را حفظ می‌کند.
[ 45 ، 46 ]	مناطق سبز و بهداشت عمومی	ایجاد و حفظ مناطق سبز در محیط های شهری می تواند سلامت جسمی و عاطفی مردم محلی را افزایش دهد.

3.1 . ملاحظات پایداری و انعطاف پذیری

مفهوم‌سازی تاب‌آوری (هم به‌عنوان یک روش و هم به عنوان یک هدف) در دهه گذشته توسعه یافته است و اغلب در کنار مفهوم پایداری مورد بحث قرار گرفته است. در نتیجه، از آنجایی که هر دوی این ایده ها با هم جمع می شوند و به طور همزمان مورد استفاده قرار می گیرند، باید به طور مشترک مورد بررسی قرار گیرند. فلسفه پایداری و متعاقباً تاب‌آوری، بخشی از یک روایت گسترده‌تر است که بر طیف گسترده‌ای از موضوعات خاص و موقعیت‌های جغرافیایی، از جمله مناطق شهری، تأثیر گذاشته است. تاب‌آوری بیش از پیش برای درک سیستم‌های اجتماعی بسیار پیچیده و پویا، مانند مناطق شهری، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ممکن است مفاهیم دشوار مربوط به پایداری و انعطاف‌پذیری را روشن کند [ 27 ، 47 ]. تعهد محیط ساخته شده به پایداری تأثیر قابل توجه و گسترده ای بر محیط زیست، اقتصاد و جامعه در سراسر جهان دارد. در یک کلام، پایداری در محیط ساخته شده، سلامت و رفاه ساکنین را بهبود می بخشد، با کاهش هزینه ها و ایجاد شغل به اقتصاد کمک می کند و با کاهش استفاده از منابع و آلودگی، تأثیر مفیدی بر محیط زیست دارد. برای حل مسائل جهانی مانند کمبود منابع، شهرنشینی و تغییرات آب و هوایی، روش‌های ساختمانی پایدار ضروری است. اصطلاح “تاب آوری” در محیط ساخته شده، ظرفیت یک سیستم را برای زنده ماندن و بازیابی از انواع شوک ها و فشارها، از جمله آب و هوای شدید، اثرات تغییرات آب و هوا، و سایر رویدادهای غیرقابل توضیح توصیف می کند [ 27 ، 48 ]. نقش کلیدی تاب آوری در محیط ساخته شده در دنیای مدرن ضروری است زیرا شهرنشینی و تغییرات اقلیمی حساسیت جوامع را نسبت به بلایا و اختلالات تشدید می کند. تأثیر ترکیبی پایداری و انعطاف پذیری در محیط ساخته شده به ویژه در عصر مدرن تغییر اقلیم و شهرنشینی مهم است. این ایده ها علاوه بر سازگاری با محیط زیست، به ساخت شهرها و شهرهایی که می توانند در برابر شرایط مختلف مقاومت کنند، کمک می کند.

در حوزه سازه های مهندسی، اذعان به احتمال خرابی مصالح، تغییرات بارگذاری و لزوم تعمیرات بسیار مهم است. این امر بر اهمیت اتخاذ یک رویکرد چرخه محور در هنگام ارزیابی ریسک، انعطاف پذیری و پایداری تأکید می کند [ 49 ]. مهندسی عمران آینده نیازمند اولویت بندی پایداری، دوام، مقاومت در برابر خطرات چندگانه، انعطاف پذیری و نظارت و مدیریت پیشرفته است. اگرچه روش طراحی مبتنی بر چرخه عمر به این حوزه ها می پردازد، اما همچنان یک زمینه در حال توسعه است که نیاز به تحقیقات بیشتر دارد [ 50 ]. از این رو، اتخاذ یک استراتژی کل نگر برای اطمینان از یکپارچگی سازه با افزایش مقاومت در برابر چندین خطر ضروری است.

تحقیقات گسترده ای در مورد مفهوم تاب آوری در طراحی سازه، به ویژه در رابطه با بلایای لرزه ای انجام شده است. سازه های گهواره ای، سازه های خود محور و سازه هایی با اجزای قابل تعویض برای بهبود تاب آوری در برابر زلزله ایجاد شده اند. این نوآوری‌ها سازه‌ها را قادر می‌سازد تا پس از یک رویداد با تعمیر و نگهداری کم یا بدون تعمیر، عملیات خود را دوباره به دست آورند، در نتیجه آسیب اجتماعی را به حداقل می‌رسانند [ 50 ]. مکانیسم‌های انعطاف‌پذیری مانند تکان دادن، خود محوری، اجزای قابل تعویض و اتلاف انرژی [ 51] ، [52] ، [53] ، [54] ، [55] ، [56] در ساختارهای مختلف از جمله ساختارهای قاب ادغام شده‌اند. (یعنی قاب های معمولی، میانی و خاص مقاوم در برابر خمشی)، دیوارهای برشی، تیرهای اتصال و پایه های پل [ 57] ، [58] ، [59] ، [60] ، [61] ، [62] ]. انعطاف‌پذیری ساختاری در سطوح مواد، اجزا و سیستم مورد بررسی قرار می‌گیرد [ 50 ]. در سطح مواد، مواد با کارایی بالا مانند آلیاژهای حافظه شکل (SMA) برای خواص خود محوری و اتلاف انرژی استفاده می‌شوند [ 63 ]. سطح جزء مکانیزم هایی را برای بازیابی سریع عملکرد در تیرها، ستون ها و سایر عناصر ترکیب می کند. انعطاف‌پذیری در سطح سیستم، مانند سیستم‌های دوگانه که از مهاربندهای کمانشی (BRB) استفاده می‌کنند، هدف آن کاهش تغییر شکل‌های باقی‌مانده است [ 63 ]. دونگ و همکاران پل‌های مقاوم لرزه‌ای را با تمرکز بر پل‌های گهواره‌ای، پل‌هایی با اعضای قابل تعویض، و پل‌هایی که از مواد با کارایی بالا استفاده می‌کنند، بررسی کرد [ 61 ]. این طرح ها استحکام و انعطاف سازه را افزایش می دهند. فن آوری های پیش ساخته و مونتاژ در محل، مانند تیرهای سگمنتال و اتصالات پیش ساخته، نه تنها ساخت و ساز را تسریع می کند [ 64] ، [65] ، [66] ، بلکه با تسهیل جایگزینی آسان اجزای آسیب دیده، انعطاف پذیری را نیز بهبود می بخشد. با این حال، در حالی که این طرح‌ها انعطاف‌پذیری را در برابر رویدادهای شدید بهبود می‌بخشند، اما تمام جنبه‌های طراحی انعطاف‌پذیری، مانند تجزیه و تحلیل خطر، تحمل اختلال، و ملاحظات هزینه را در بر نمی‌گیرند. برای مثال، دستگاه‌های مؤثر در مقاومت در برابر زلزله، مانند میراگرهای جرمی تنظیم‌شده یا مهاربندهای مهار شده کمانش، ممکن است انعطاف‌پذیری در برابر انفجار را افزایش ندهند. بنابراین، تحقیقات آینده به سمت تجزیه و تحلیل و طراحی تاب آوری چند خطر هدایت می شود. بنابراین، تحقیقات آینده به سمت تجزیه و تحلیل انعطاف پذیری چند خطر و طراحی از دیدگاه های LCT هدایت می شود. در این شرایط، پاسونی، سی و همه [ 67] چهار جایگزین مقاوم سازی لرزه ای ساخته شده از چوب، فولاد و بتن را که بر اساس اصول LCT یا روش های سنتی طراحی شده اند، مقایسه کرد. این مقایسه بر اساس پنج شاخص متداول اثرات زیست محیطی انجام شد. نتایج تحلیل‌های مقایسه‌ای تأیید کرد که راه‌حل‌های مقاوم‌سازی مبتنی بر LCT تأثیر کمتری نسبت به مداخلات سنتی مقاوم‌سازی و سناریوی تخریب و بازسازی داشتند. این نشان می‌دهد که ترکیب اهداف طراحی مبتنی بر LCT از مراحل اولیه فرآیند طراحی می‌تواند به مداخلات مقاوم‌سازی لرزه‌ای پایدارتر منجر شود. با در نظر گرفتن اثرات چرخه عمر مواد، روش های ساخت و ساز و سناریوهای پایان عمر، طراحان می توانند تصمیمات آگاهانه ای اتخاذ کنند که اثرات زیست محیطی مرتبط با مقاوم سازی لرزه ای را به حداقل برساند و در عین حال ایمنی و انعطاف پذیری ساختمان ها را تضمین کند. در این رابطه، رومانو و همکاران. [ 68 ، 69 ] یک چارچوب جامع به نام طراحی سازه پایدار (SSD) معرفی کرد که پایداری و کارایی انرژی را در فرآیند طراحی و نوسازی ساختمان ادغام می‌کند. این رویکرد بر در نظر گرفتن متوازن تأثیرات محیطی و ویژگی‌های ساختاری در طول چرخه عمر ساختمان تأکید دارد. این یک معیار یکپارچه، پارامتر ارزیابی جهانی (RSSD) را معرفی می کند که مصرف انرژی، انتشار CO ₂ و هزینه های ساختاری را به صورت پولی در بر می گیرد. این روش در سه مرحله حیاتی آشکار می شود: ارزیابی مصرف انرژی در چرخه عمر (ارزیابی عملکرد انرژی)، ارزیابی اثرات زیست محیطی از LCA ساختمان، و محاسبه کل هزینه های سازه (ارزیابی عملکرد سازه) همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. . از سوی دیگر، Pampanin S [ 70 ] بر لزوم تغییر به سمت معیارهای طراحی مبتنی بر عملکرد و پذیرش فلسفه و فن‌آوری‌های طراحی با کنترل آسیب یا آسیب کم و تغییر به سمت فناوری‌های نسل بعدی برای سیستم‌های یکپارچه ساختمانی با آسیب کم تأکید می‌کند. برای ایجاد ساختمان های انعطاف پذیرتر با ترکیب عناصر سازه ای و غیر سازه ای. این امر می‌تواند از طریق سیستم‌های ساختمانی نوآورانه و چارچوب‌های خط‌مشی و ادغام بین طراحی انعطاف‌پذیر، پایداری و ابزارهای فناوری هوشمند به دست آید.

3.2 . ساختمان های هوشمند و پایدار

مفهوم ساختمان های هوشمند اغلب با پایداری و کارایی مرتبط است که با ادغام عناصر هوش مصنوعی با عملیات پایدار و با کارایی بالا ساختمان به دست می آید [ 71 ]. این ادغام فناوری‌های هوشمند، پارادایم ساختمان هوشمند را متحول می‌کند و به ویژه بر پایداری و بهینه‌سازی عملکرد تمرکز می‌کند. در داخل ساختمان‌های هوشمند، هوش مصنوعی و اینترنت اشیا با جمع‌آوری داده‌های بلادرنگ همکاری نزدیکی دارند که به تنظیم سازگار و مقرون‌به‌صرفه سیستم‌های ساختمان برای پاسخگویی به تقاضاهای در حال تغییر کمک می‌کند [ 72 ]. این چارچوب دیجیتال از طریق تعامل شبکه‌های متنوع در منظر شهری، شامل دستگاه‌های تلفن همراه، وسایل نقلیه، لوازم خانگی، حسگرها و رابط‌های ارتباطی عمل می‌کند. علاوه بر این، انتظار می‌رود اینترنت اشیا در خط مقدم پیشرفت‌ها در شهرهای سبز مانند مدیریت هوشمند انرژی، فضاهای مسکونی هوشمند، و پیشرفت‌های فضای سبز باشد [ 72 ]. بنابراین، رابطه هم افزایی بین فن‌آوری‌های هوشمند و اجزای معماری به‌عنوان یک عامل حیاتی در ارتقای استانداردهای زندگی و پیشبرد دستور کار پایداری در حال ظهور است [ 73 ]. پیش‌بینی می‌شود که ادغام فناوری‌های هوشمند و عناصر ساختاری به یک کاتالیزور کلیدی در نوآوری فناوری‌هایی تبدیل شود که به محیط‌های شهری پایدارتر کمک می‌کنند [ 74 ].

مکانیسم کار هوش مصنوعی در ساختارهای هوشمند با ادغام پردازش تجزیه و تحلیل داده‌ها، حسگرها، نظارت و محرک‌ها آشکار می‌شود تا ساختار بتواند به تغییرات محیط خود پاسخ دهد. کار هوش مصنوعی با ارائه پتانسیل نظارت و پاسخ به عملکرد ساختمان شروع می شود که می تواند کارایی و ایمنی سیستم سازه را بهبود بخشد. با هر گونه اختلال در عملکرد، حسگرهای حساس ناهنجاری را ضبط می کنند و مسئولیت اصلی سنسورها جمع آوری داده ها از یک شبکه است. این حسگرها می توانند اطلاعات مختلفی مانند تغییرات دما، حرکات ساختاری و علائم سایش یا آسیب را تشخیص دهند. سپس داده های جمع آوری شده با استفاده از الگوریتم های هوش مصنوعی تجزیه و تحلیل می شوند. درک شرایط عملیاتی عادی و تشخیص انحرافات به هوش مصنوعی اجازه می دهد تا زمان انجام تعمیر و نگهداری را پیش بینی کند. این امر احتمال خرابی های پیش بینی نشده را کاهش می دهد و طول عمر سازه را افزایش می دهد. در نهایت، هوش مصنوعی می‌تواند محرک‌های درون سازه را برای انجام تنظیمات بلادرنگ، از جمله شل کردن یا سفت کردن کابل‌ها، برای اطمینان از یکپارچگی ساختار کنترل کند. شکل 3 پنج ستون ادغام بین ساختمان و سیستم مبتنی بر هوش مصنوعی یا هوش مصنوعی اشیا (AIoT) را نشان می دهد. ستون اول نشان دهنده نظارت معمول بر عملکرد ساختمان در شرایط عادی است. به محض هر گونه اختلال در عملکرد، حسگرهای حساس ناهنجاری را ضبط می کنند، که با ستون دوم، “حسگر” نشان داده می شود. هنگامی که حسگرهای مسئول جمع آوری داده های اولیه مشکلی را شناسایی کردند، سیستم به مرحله “ادراک” پیش می رود که شامل استخراج اطلاعات معنی دار از داده های خام است. به دنبال این، سیستم به سمت “یادگیری”، تجزیه و تحلیل داده ها و پیش بینی الگوها برای اطلاع از اقدامات درمانی پیش می رود. در نهایت، سیستم به مرحله “عمل” می رسد که مسئول اجرای تصمیم برای حل مشکل یا بهبود عملکرد است.

نظارت بر سلامت ساختاری (SHM) جنبه دیگری است که در آن انتظار می‌رود AIoT پیشرفت مهمی را در پیشرفت خود تجربه کند. همچنین انتظار می‌رود ادغام هوش مصنوعی در نظارت بر نقاط حیاتی در سازه‌های ساختمانی، زمینه نظارت بر سلامت سازه (SHM) را کاملاً متحول کند. هوش مصنوعی، یعنی الگوریتم‌های یادگیری ماشین، توانایی تجزیه و تحلیل مقادیر زیادی از داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط حسگرهایی را دارند که یا در داخل یکپارچه شده‌اند یا به ساختمان‌ها چسبانده شده‌اند [ 75 ]. این حسگرها داده ها را در مورد بسیاری از ویژگی ها مانند دما، کرنش، ارتعاش و رطوبت جمع آوری می کنند [ 76 ]. سیستم‌های هوش مصنوعی در تشخیص روندها و ناهنجاری‌ها در این داده‌ها که می‌تواند آسیب‌پذیری‌های ساختاری یا نقص‌های قریب‌الوقوع را نشان دهد، عالی هستند. برای مثال، هوش مصنوعی توانایی شناسایی تغییرات کوچک در فرکانس‌های ارتعاش را دارد، که می‌تواند نشان‌دهنده تضعیف بالقوه در استحکام ساختاری قبل از هر نشانه‌ای قابل مشاهده باشد [ 77 ]. توانایی پیش بینی رویدادهای آینده برای نگهداری و امنیت زیرساخت های حیاتی، به ویژه در مناطق مستعد زلزله یا شرایط آب و هوایی شدید ضروری است. علاوه بر این، سیستم‌های SHM مجهز به هوش مصنوعی امکان نظارت مستمر را فراهم می‌کنند و واکنش‌های سریع به مشکلات ساختاری احتمالی را ممکن می‌سازند. شکل 4 یک نسخه ساده شده از فرآیند SHM را بر اساس ادغام بین اجزای ساختار و ابزارهای هوش مصنوعی نشان می دهد. با اتخاذ این استراتژی پیشگیرانه، نه تنها ایمنی بهبود می یابد، بلکه هزینه های نگهداری نیز با درمان سریع مسائل قبل از بدتر شدن آنها به حداقل می رسد. ادغام هوش مصنوعی در نظارت بر ساختمان نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در تضمین دوام و قابلیت اطمینان محیط ساخته شده ما است.

3.3 . پایداری ساختمان های هوشمند

در زمان‌های اخیر، صنعت ساختمان به دلیل مصرف انرژی قابل توجه و انتشار گازهای گلخانه‌ای منتسب به ساختمان‌ها، تاکید زیادی بر پایداری داشته است. ظهور فناوری پیشرفته و سیستم های هوشمند فرصت های قابل توجهی را برای افزایش پایداری ساختمان باز می کند. ساختمان‌های هوشمند از فناوری برای کنترل و بهینه‌سازی عملکرد خود استفاده می‌کنند که منجر به استفاده کارآمدتر از منابع و کاهش ردپای محیطی می‌شود. این بخش به چگونگی ادغام پایداری در ساختمان های هوشمند می پردازد. این نشان می دهد که ترکیب فناوری های دیجیتال هوشمند با اصول طراحی ساختمان می تواند نتایج پایداری را به طور قابل توجهی بهبود بخشد، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است . فن‌آوری‌های هوشمند به بهبود تصمیم‌گیری، تخصیص منابع و ارائه خدمات در ساختمان‌های هوشمند کمک می‌کنند، که شامل مدیریت انرژی، مدیریت ضایعات، کاهش ریسک و افزایش آسایش می‌شود [ 78 ]. تحول دیجیتال یک عامل مهم در مدیریت انرژی است که امکان ادغام انرژی های تجدیدپذیر، اندازه گیری پیشرفته و کنترل هوشمند را در شبکه های هوشمند فراهم می کند. این باعث افزایش بهره وری انرژی در شهرهای هوشمند می شود [ 79 ]. ساختمان‌های هوشمند از فن‌آوری‌های دیجیتال برای عملیات خودکار، شبکه‌های حسگر، تجزیه و تحلیل داده‌ها، بهبود مصرف انرژی و راحتی ساکنان، و امکان نگهداری پیش‌بینی‌کننده استفاده می‌کنند [ 80 ]. دیجیتالی‌سازی قابلیت همکاری و تبادل داده را در اکوسیستم گسترده‌تر شهر هوشمند تسهیل می‌کند، و هم افزایی بین فناوری دیجیتال و ساختمان‌های هوشمند را در افزایش پایداری، کارایی و کیفیت زندگی شهری برجسته می‌کند [ 78 ]. اتوماسیون ساختمان، شامل اصطلاحاتی مانند سیستم اتوماسیون ساختمان (BAS)، سیستم اتوماسیون و کنترل ساختمان (BACS)، سیستم مدیریت ساختمان (BMS)، سیستم مدیریت انرژی ساختمان (BEMS)، سیستم مدیریت و کنترل انرژی (EMCS)، و مدیریت انرژی خانه سیستم (HEMS)، یک زمینه چند وجهی است که هدف آن افزایش عملکرد ساختمان برای صرفه جویی در انرژی و هزینه و کاهش اثرات زیست محیطی است [ 81 ]. این زمینه فناوری اطلاعات و ارتباطات پیشرفته را برای بهبود کارایی ساختمان هوشمند (SB)، ارائه اتوماسیون بیشتر، شبکه قابل اعتماد و پیش بینی آب و هوا و عملکرد بهتر وسایل الکتریکی برای افزایش کیفیت انرژی و رضایت کاربر، ادغام می کند [ 82 ]. سیستم مدیریت انرژی ساختمان (BEMS)، به عنوان یک جزء اصلی، شامل سخت افزار (حسگرها، محرک ها، رابط ها و اجزای CPU) و نرم افزار (سیستم های کنترل، آلارم ها، رابط های کاربر و سیستم های پشتیبانی تصمیم) می شود [ 82 ]. این ادغام، همراه با اینترنت اشیا، مصرف انرژی را در مناطقی مانند HVAC و روشنایی بهینه می‌کند. علاوه بر این، تعامل با شبکه از طریق شبکه های هوشمند (SG) و استراتژی های مدیریت سمت تقاضا (DSM) کارایی انرژی را افزایش می دهد [ 83]]. سیستم‌های پاسخ کاربر، ساکنان را قادر می‌سازد تا فعالانه در مدیریت انرژی شرکت کنند [ 84] ، [85] ، [86] ، در حالی که نظارت و نظارت صحت داده‌های مصرف انرژی را تضمین می‌کند [ 87 ، 88 ].

3.4 . فناوری های دیجیتال پیشرفته برای ساختمان های هوشمند

ساختمان های هوشمند را می توان از طریق ادغام راه حل های دیجیتالی پیشرفته مانند اینترنت اشیا (IoT)، محاسبات ابری و لبه/مه، تجزیه و تحلیل داده های بزرگ، هوش مصنوعی و یادگیری ماشین (ML)، بلاک چین، واقعیت افزوده/مجازی/مختلط ( AR/VR/MR)، Digital Twins، the Metaverse و Robotics [ 89 ]. اینترنت اشیا نقشی محوری در خودکارسازی عملکردهای ساختمان ایفا می کند و به طور قابل توجهی کارایی و سازگاری را از طریق حسگرهای تعبیه شده و شبکه های بی سیم پیشرفته بهبود می بخشد [ 90 ]. شناسایی فرکانس رادیویی (RFID)، یک فناوری سنگ بنای IoT، شامل چهار عنصر ضروری است: یک برچسب، یک خواننده (آنتن)، نرم افزار مربوطه، و یک سیستم شبکه [ 91 ]. RFID، همراه با فن‌آوری حسگر، پتانسیل بسیار زیادی برای پیشرفت‌های عملیاتی مختلف در ساختمان‌ها، از جمله مدیریت انرژی، مدیریت اسناد، بهینه‌سازی فضایی، نظارت بر اشغال، لجستیک و تقویت امنیتی دارد [ 92 ]. یکی از جنبه های قابل توجه شبکه 5G، افزایش قابل توجه ابزار اینترنت اشیا در اتوماسیون ساختمان است که به پهنای باند بالا، تاخیر کاهش یافته و ویژگی های برش شبکه نسبت داده می شود، که برای پشتیبانی از مجموعه وسیعی از دستگاه های متصل ضروری هستند [ 72 ، 93 ]. هوش مصنوعی در جهت توسعه ماشین‌هایی است که می‌توانند به تدریج وظایف انسانی را با دقت و کارایی فزاینده شبیه‌سازی و اجرا کنند، که منجر به ساختمان‌های مؤثرتر و اتوماسیون پیشرفته‌تر در آنها می‌شود [ 74 ]. برای تجزیه و تحلیل بلادرنگ و ارائه بینش های حیاتی در زمینه هایی مانند تشخیص خطر، نگهداری پیش بینی شده و بهینه سازی مصرف انرژی و فضا، پردازش سریع داده های جمع آوری شده از منابع مختلف مانند سنسورها، دوربین ها، LIDAR و AR/VR ضروری است. 94 ]. با پیشرفت محاسبات ابری، انتظار می‌رود که اکثر این برنامه‌های کاربردی بالقوه مبتنی بر ابر باشند و چالش‌های مهمی را برای شبکه‌های بی‌سیم معاصر از نظر امنیت سایبری، پهنای باند و تأخیر ایجاد کنند [ 95 ]. AR ادراک را با همپوشانی عناصر مجازی بر روی دنیای واقعی افزایش می‌دهد، در حالی که واقعیت مجازی (VR) یک محیط کاملا مجازی ایجاد می‌کند و به کاربران امکان می‌دهد مقیاس دنیای واقعی را تجربه کنند. این ادغام VR در مدیریت ساختمان منجر به افزایش تعامل و سازگاری [ 91 ، 95 ]، ساده‌سازی به‌روزرسانی‌ها و نگهداری سیستم ساختمان و افزایش ایمنی می‌شود [ 93 ]. به طور مشابه، VR می تواند به کارکنان مدیریت تسهیلات در تجسم مؤثر امکانات قبل از انجام عملیات در محل کمک کند. نشان داده شده است که تعمیر و نگهداری ساختمان با قابلیت AR می تواند به طور قابل توجهی دقت و کارایی را افزایش دهد در حالی که هزینه ها، اختلالات و زمان خرابی را کاهش می دهد [ 96 ].

یک دوقلو دیجیتال نشان دهنده یک مدل مجازی از یک موجود فیزیکی است که دارای آگاهی و توانایی عمل است [ 97 ]. این مفهوم، که در شکل دادن به تعاملات در محیط ساخته شده نقش اساسی دارد، در زمینه هایی مانند مهندسی دریایی و کاربردهای صنعتی برجسته شده است [ 91 ، 97 ]. به طور مشابه، طراحی ربات گرا (ROD) و مدیریت نقش مهمی در اجرای موثر فناوری های ساختمان ایفا می کند. تمرکز در اینجا بر روی سیستم‌های خودکار و روش‌های نوآورانه برای اتخاذ رویکرد چرخه‌محور زندگی برای محیط‌های ساختمانی است [ 98 ]. شکل 6 ویژگی های هوش مصنوعی را نشان می دهد که عبارتند از: اتوماسیون، تعامل، کارایی و سازگاری، ترکیب فناوری های دیجیتال مختلف در اجزای ساختمان.

ادغام فناوری هایی مانند IoT، AI، Big Data Analytics و Robotics منجر به اتوماسیون ساختمان می شود. تعامل در ساختمان ها با استفاده از اینترنت اشیا، واقعیت مجازی، واقعیت افزوده و هواپیماهای بدون سرنشین افزایش می یابد. برای دستیابی به راندمان بالا در ساختمان ها، گنجاندن IoT، AI، Digital Twin و Robotics ضروری است. در نهایت، پذیرش VR، AR، IoT و Cloud Computing به طور قابل توجهی سازگاری ساختمان ها را افزایش می دهد [ 91 ، 99 ، 100 ].

گنجاندن فناوری می‌تواند زیرساخت‌های محیط ساخته‌شده را با جنبه‌های دیجیتالی‌سازی و پایداری تقویت کند و همچنین چالش‌های موجود در محیط ساخته‌شده را حل کند [ 101 ]. در حال حاضر، فناوری‌های دیجیتال با ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود مانند سنجش بی‌سیم، اتوماسیون، نظارت در زمان واقعی، تعمیر و نگهداری پیش‌بینی‌کننده، تجزیه و تحلیل هوشمند، پیش‌بینی بلادرنگ، و غیره، نقش مهمی در هر حوزه کاربردی ایفا می‌کنند [ 91 ، 102 ]. اینترنت اشیا (IoT) در حال حاضر به عنوان یک پلتفرم استفاده می شود که فناوری پیشرفته، هوشمند و دقیق را با خلاقیت منحصر به فرد ادغام می کند. این ادغام ارتباط بین محیط و سیستم‌های نظارت را تسهیل می‌کند و فرآیندهای تصمیم‌گیری بهینه را ممکن می‌سازد که مفاهیم لوکس و ایمنی محیطی را تقویت می‌کند [ 103 ]. انتظارات زیادی از IoT و AI وجود دارد که مکانیسم های مناسبی برای نظارت بر تغییرات آب و هوا ارائه دهند، ویژگی که قبلاً قبل از ادغام فناوری در محیط ساخته شده وجود نداشت. علاوه بر این، این فن‌آوری‌ها به کاهش مصرف انرژی کمک می‌کنند و از طریق استفاده از تکنیک‌های امیدوارکننده هوش مصنوعی، از ارائه تعمیر و نگهداری مناسب اطمینان حاصل می‌کنند [ 91 ]. هوش مصنوعی به سرعت در حال تغییر محیط های تکنولوژیکی و شهری است و به عنوان یک پیشرانه کلیدی در تکامل شهرهای هوشمند و شهرهای هوشمند زیست محیطی عمل می کند [ 104 ، 105 ]. پتانسیل آن برای سنجش و نوآوری آن را در مرکز این پیشرفت ها قرار داده است [ 106 ]. این تأثیر به طور قابل توجهی عملکرد سیستم های شهری و تعامل، رفتارها و واکنش های پیچیده زیرسیستم های آنها با محیط اطراف را تغییر می دهد. در نتیجه، فرآیندها و عملکردهای شهری شاهد دگرگونی قابل توجهی هستند که مشخصه آن همسویی فزاینده آنها با شهرسازی علمی مبتنی بر داده است. تأثیر هوش مصنوعی بر سیستم‌ها و فعالیت‌های شهری پیوسته در حال گسترش است [ 107 ]، با قابلیت‌های محاسباتی آن که برای مدیریت هجوم فزاینده داده‌ها از منابع متنوعی که توسط اینترنت اشیا فعال شده‌اند، رشد سریعی را تجربه می‌کنند. پتانسیل IoT در توانایی آن برای فعال کردن تجزیه و تحلیل داده ها از طریق مدل ها و الگوریتم های هوش مصنوعی نهفته است، همکاری که قرار است توسعه شهری پایدار از نظر زیست محیطی را هدایت کند [ 106 ].

جدول 3 یک نمای کلی از عناصر متنوع مورد استفاده در مدیریت ساختمان هوشمند را ارائه می دهد. اینها شامل حسگرها، محرک ها، واحدهای محاسباتی، نمایشگرها و فناوری های فرکانس رادیویی (RF) می باشد. عملگرهایی مانند FLIP Base Board، واحدهای محاسباتی مانند آردوینو و رزبری پای و فناوری‌های RF از جمله Wi-Fi، بلوتوث و اترنت نیز به تفصیل ارائه شده‌اند.

جدول 3 . مولفه های هوشمند و نظارت بر ساختمان هوشمند.

مرجع	حسگرها	واحد کنترل	واحد پردازش	واحد نظارت	واحد اتصال
[ 108 ]	دما رطوبت نور هوا کیفیت صدا	تخته پایه فلیپ	آردوینو رزبری پای	/	وای فای بلوتوث اترنت
[ 109 ]	دما رطوبت نور کیفیت هوا PIR	/	Raspberry Pi با کلاه LoRa آردوینو	Node-RED Maria DB	LoRa Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave LoRa WAN
[ 110 ]	تشخیص چهره نور دما رطوبت CO ₂	/	/	رهبری	PAN LAN WAN GAN ZigBee Wi-Fi Bluetooth
[ 111 ]	التراسونیک پیزوالکتریک	/	آردوینو رزبری پای	/	وای فای
[ 112 ]	نور دمای دوربین مدار بسته رطوبت	برد آردوینو	آردوینو رزبری پای	موبایل/کامپیوتر	BTLE PaaS و IaaS ZigBee SFP AIBSBAC 6LoWPAN
[ 113 ]	نور رطوبت دما CO ₂	DSET	/	اپلیکیشن موبایل/برنامه وب	سبد خرید LDA GBM
[ 114 ]	نور رطوبت دما	/	آردوینو	وب اپلیکیشن	WLAN Wi-Fi RFID
[ 115 ]	پنجره حضور VOC درخشندگی CO ₂	/	/	اپلیکیشن موبایل/وب	BLE WLAN ZigBee SigFox

3.5 . سیستم های هوشمند برای انعطاف پذیری سازه

در زمینه تاب آوری، سازگاری مستلزم آن است که ساختمان ها با جوامع اطراف خود هماهنگ شوند و تغییرات را در آغوش بگیرند. این امر از طریق اینترنت اشیا، با استفاده از سنسورها و دوربین‌های هوش مصنوعی برای نظارت بر جنبه‌هایی مانند روشنایی و تهویه، با گزارش‌هایی که به رشته‌های مختلف در کاهش کمک می‌کنند، به دست می‌آید. تغییرپذیری این مفهوم را گسترش می‌دهد و ساختمان‌ها را با اتصال ساکنان با محیط ساختمان از طریق اینترنت اشیا و حسگرهای موبایل به ارگانیسم‌های پویا تبدیل می‌کند و سازگاری را تسهیل می‌کند. پایداری بر حفاظت از منابع بلندمدت متمرکز است که از طریق هوش مصنوعی فعال می شود. تفکر سیستمی از طریق فناوری‌های هوشمند تحقق می‌یابد، که در آن مدل‌های چند بعدی جنبه‌های مختلف ساختمان، از جمله لوله‌کشی، سیستم‌های مکانیکی، تحلیل سازه‌ها، برنامه‌ریزی‌ها و هزینه را در بر می‌گیرند و یک رویکرد جامع و خودکار را ممکن می‌سازند.

فن‌آوری‌های پیشرفته حسگرهای غیر تماسی، از جمله آن‌هایی که برای جابجایی ارتعاش در ساختمان‌ها، مزایای قابل‌توجهی را نشان داده‌اند [ 116] ، [117] ، [118] . نوآوری‌ها در بینایی کامپیوتر، که نمونه‌های آن با اندازه‌گیری ارتعاش سه بعدی Shao و همکاران و سیستم SmartVision Shajihan و همکاران است، پیشرفت در این زمینه را برجسته می‌کند [ 119 ، 120 ]. پهپادها که اکنون در دسترس‌تر هستند، نقش مهمی در بازرسی‌های سازه ایفا می‌کنند و راه‌حل‌های مقرون‌به‌صرفه و همه‌کاره را برای کارهایی مانند شناسایی ترک و اندازه‌گیری جابجایی ارائه می‌کنند [ 50 ، 63 ، 121 ]. ادغام مواد هوشمند مانند PZT و CNT در سیستم های SHM راه های جدیدی را برای تشخیص آسیب و پایداری باز کرده است [ 122 ، 123 ]. سیستم‌های رباتیک هوشمند و تجزیه و تحلیل داده‌های بزرگ مرزهای SHM را پیش می‌برند، قابلیت‌های بازرسی و نظارت بر وضعیت را افزایش می‌دهند [124] ، [125] ، [126] . این رویکرد جامع در کاربرد فناوری، بر تکامل و پیچیدگی مستمر در زمینه نظارت بر سلامت سازه و سیستم‌های ساختمان هوشمند تأکید می‌کند.

فن‌آوری‌های حسگر بینایی غیر تماسی برای اندازه‌گیری جابجایی ارتعاش، مزایای متمایزی را نسبت به روش‌های سنتی مانند GNNS و حسگرهای لیزری ارائه می‌دهند. با استفاده از دوربین‌های ویدئویی، این فناوری‌ها می‌توانند ارتعاشات ساختمان‌ها را از راه دور به دقت ارزیابی کنند [ 116 ]. اینها ارزیابی‌های جامعی را برای شناسایی سیستم‌های ساختاری، به‌روزرسانی مدل‌ها و تشخیص آسیب‌ها امکان‌پذیر می‌سازد [ 118 ، 127 ]. شائو و همکاران [ 120 ] یک تکنیک ابتکاری برای اندازه گیری ارتعاشات سه بعدی با استفاده از بینایی کامپیوتری ابداع کرد. این روش که با یادگیری عمیق تقویت شده است، قادر به تشخیص ارتعاشات ظریفی است که برای چشم انسان نامحسوس است. شجیهان و همکاران [ 119 ] همچنین یک روش بی سیم برای نظارت بر جابجایی هماهنگ پل های راه آهن معرفی کرد. اسپنسر و همکاران [ 128 ] مروری مختصر از آخرین پیشرفت‌ها در این زمینه ارائه کرد و بر اهمیت بینایی رایانه در بررسی و نظارت بر زیرساخت‌های عمرانی برای بهبود ایمنی و انعطاف‌پذیری تأکید کرد. شبکه‌های عصبی کانولوشنال و سایر روش‌ها برای کارهایی مانند شناسایی شکستگی و ارزیابی آسیب ساختاری استفاده می‌شوند [ 129 ، 130 ]. همگرایی فناوری و مهندسی انقلابی در بازرسی، نظارت و نگهداری زیرساخت های عمرانی ایجاد کرده است. ادغام سیستم‌های هوشمند با حسگرهای یکپارچه برای نظارت بر تشدید امواج لرزه‌ای و ساختمان‌ها به طور فزاینده‌ای برای تقویت ایمنی ساختمان در هنگام زلزله حیاتی می‌شود. هنگامی که به دمپرهای جرم تنظیم شده یا سیستم های هیدرولیک متصل می شوند، این حسگرها به طور هوشمند مکانیسم هایی را در پاسخ به رزونانس های مشاهده شده فعال می کنند. با فعال شدن در زمان مناسب، حرکت ساختمان مختل شده و دیگر با نوسانات ناشی از زلزله هماهنگ نمی شود و در نتیجه جابجایی ساختمان کاهش می یابد. این اقدامات در حفظ یکپارچگی سازه و جلوگیری از ریزش های خطرناک در هنگام وقوع زلزله بسیار مهم است. این استراتژی نمونه ای از استفاده قابل توجه از فناوری معاصر در افزایش دوام ساختمان ها در برابر بلایای طبیعی است. ادغام پهپادها با مواد هوشمند در تعمیر و نگهداری زیرساخت ها همچنین نشان دهنده جهشی به جلو در انعطاف پذیری و نوآوری در جمع آوری داده ها و علم مواد در مهندسی عمران است.

اگرچه اکثر مطالعات مربوطه پتانسیل و مزایای استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی برای توسعه ساختمان‌های هوشمند و پایدار را نشان می‌دهد، اما هنوز نیاز به بررسی بیشتر سیستم‌های سنجش پیشرفته – شامل مواد هوشمند، حسگر فعال و یادگیری عمیق – در واقعیت وجود دارد. جهان- فراتر از محیط های تحقیقاتی کنترل شده توسعه حسگرها برای محیط‌های سخت مانند محیط‌های با دمای بالا و ادغام مواد هوشمند برای قابلیت‌های خودسنجی در سازه‌ها، حوزه‌های محوری برای تحقیقات آینده را نشان می‌دهد. علاوه بر این، نیاز به اصلاح حسگرهای مبتنی بر بینایی و الگوریتم‌های یادگیری عمیق برای تشخیص آسیب بیشتر، همراه با فناوری‌های پیشرفته حسگرهای خود نیرو مانند نانو ژنراتورهای تریبوالکتریک (TENG) وجود دارد [ 131 ]. پتانسیل فناوری دوقلو دیجیتال و پیامدهای کلان داده در طراحی، به ویژه با کاربردهای اینترنت اشیا، همچنین تحقیقات عمیق‌تری را برای استفاده کامل از قابلیت‌های آنها در ایجاد زیرساخت‌های هوشمند و پایدار تضمین می‌کند [ 132 ].