數字孿生在智慧建筑中的應用探索

金明堂（南京市江北新區中央商務區建設管理辦公室，江蘇 南京 210018）

0 引言

所謂數字孿生建筑，是指綜合運用 BIM、GIS、物聯網、人工智能、智能控制和系統仿真等數字孿生技術，以實體建筑物為載體的建筑信息物理系統，是對建筑結構內各類數據進行集成，是物理對象的真實映射。數字孿生要求信息空間里面的虛擬數字模型是“寫實”的，是“一種綜合多物理、多尺度模擬的載體或系統，以反映其對應實體的真實狀態”。數字孿生可以將物理空間里的實時數據與虛擬數字模型緊密聯系，以描繪相對應的實體建筑的全生命周期過程[1]。

數字孿生建筑的核心是 BIM 的應用。當前，BIM 技術已被國際工程界公認為建筑產業革命性技術，并被許多國家列為強制應用技術。我國上海等地相繼出臺了相關政策，開始在國有投資項目中強制推行 BIM 技術。

BIM 能夠幫助實現全生命周期（見圖 1）的管理應用。

圖1 智能建筑全生命周期過程

1 數字孿生建筑的特點

（1）可視性。數字孿生技術基于 BIM 模型的三維數據進行展示和渲染，實現物理建筑的數字化展現，達到更好的可視化管理效果。

（2）互連性。使用各種互聯技術，如物聯網、5G 和大數據等，對建筑運行狀態的充分感知、動態監測，實時記錄建筑的運行情況。

（3）控制性。通過人性化的合理的界面與模型實現交互控制，模擬在現實生活中的各類情況，為實際建筑正常運行做好準備，為突發情況做好預案。

（4）學習性。數字孿生模型可基于前期記錄、交互、模擬的各類數據，實現建筑運行模式的機器學習，并能夠分析人員的行為模式。

2 設計階段：并行設計，提高效率

基于數字孿生的設計，主要是應用 BIM 技術，不同專業可在數字孿生協同平臺進行并行設計，同時進行建筑、結構和機電等模型的設計，克服了傳統設計模式中設計周期較長，需要嚴格按照專業先后順序，依次完成建筑設計、結構、機電等模型的搭建的缺點，大大縮減了設計周期。同時可以通過基于 Web 的輕量化協同平臺，應用展示和審核等工具，分別從設計和施工等人員的角度，對設計模型提前進行“圖紙會審”[2]，從而在源頭上把控建筑的質量。

數字孿生設計基于多種 BIM 軟件的互相配合，最后生成設計模型，其主流建模流程，如圖 2 所示。

圖2 主流建模流程圖

3 施工階段：過程控制，無病移交

3.1 施工場地管理的應用

通過數字孿生技術，能夠將施工場內的平面元素立體直觀化，以利于優化各階段場地的布置。例如：綜合考慮不同階段的場地轉換，結合綠色施工中節約用地的理念，避免用地冗余；臨水臨電、塔吊布置及其動態模擬，實現最優化的塔吊配置；直觀展現用地情況，最大化地減少占用施工用地，使平面布置緊湊合理，同時做到場容整潔，道路通暢，符合消防安全及文明施工等相關要求。

3.2 施工現場危險源辨識

在數字孿生模型中，將孔洞、臨邊和基坑等與安全生產相關的建筑構件突出展示，并與施工計劃和施工過程中所需要的各類設備及資源相關聯，共同構建數字孿生建筑知識庫，實現在數字孿生環境下基坑及建筑危險源的自動辨識和危險行為的自動預測。輔助安全管理人員通過數字孿生環境預先識別各類危險源，從重復性、流程性的工作中解放出來，將更多的時間用于對安全風險的評估與措施制定等方面，提前在數字孿生環境中進行安全預控，在施工全過程中保障安全生產。

3.3 技術交底

一方面，運用數字化三維可視化技術可以使施工單位快速了解工程的總體情況、施工、結構、機電工程和管道布置。特別是那些不便于展現的地下管線等構件，通過 BIM能清楚地被顯示出來，減小了設計與施工之間的溝通難度，有利于工程的實施與推進。另一方面，運用數字化三維可視化技術可以按照施工計劃進行虛擬施工，并且可以模擬各專業施工工藝的關鍵程序，既有利于熟悉施工程序，又為成本控制、進度控制和質量控制提供可靠的依據。

3.4 碰撞檢查

傳統的二維設計有多種工程管線，專業管線之間相互交叉，施工過程中很難實現緊密的協調與配合。運用數字孿生環境的碰撞檢測功能，可根據各專業管道之間的沖突，設置無壓管壓力管道和大型管道小型管道，以減小施工難度?？紤]到管道的厚度、管坡、間距，以及安裝、運行和維護所需的空間，結合工程結構與設備管道檢測的實用綜合布置圖繪制圖紙，以加快解決所有專業人員的施工難題。結合 BIM 的可視化技術，模擬施工工藝和施工方法，使現場施工不再單純依靠平面圖紙，不僅提高了施工技術能力，還能避免因理解不一致等認知偏差而造成的返工現象，從而加快施工進度和提高現場工作效率。

3.5 進度管理

工程實施期間，對建筑、道路、基坑和管線等所有構件進行任務分解，對構件（如：支撐梁、支柱、管線、3軸攪拌樁、地連墻等）進行工作分解結構（Work Breakdown Structure，WBS）編碼。憑借任務與模型的關聯動作，可根據任務時間進行四維動畫模擬，以動畫的形式查看項目的施工計劃和實際進度，包括了解項目各時間段的形象進度及里程碑節點等。將完成的工程實體組件綁定到 BIM的 ID 中，用不同顏色展示構件，通過顏色變化改變組件模型，繼而顯示項目的進度。應用 BIM 對項目的實際進度與計劃進度進行比較，一旦發現施工進度提前或滯后，可及時發出相應的警報以提前預警。

隨著三維激光掃描技術的不斷發展，BIM 技術逐漸被用于獲取現場情況等場合，包括應用 BIM 連接點云數據組織管理現場計劃、施工計劃和物流計劃[3]。在同時獲得虛擬照片和場景圖像后，服務端平臺會自動比較它們的像素大小和，分析實物與模型的差異，進行建筑工作量的計算。

3.6 成本管理

BIM 模型構件通過構件 ID 編碼與工程量清單項目編碼建立關聯，包括構件與工程量清單項目名稱、單價、項目特征等之間的對應關系，并且將相關數據寫入構件明細表對應的數據庫中，同時提取 BIM 中不同構件及模型的幾何信息和屬性信息，匯總統計各種構件的數量[4]?；?BIM開展算量工作，不僅使算量工作得到大幅度簡化并實現自動化，減少了因人為計算失誤等而造成的錯誤，而且極大地節約了工作量和時間，方便審核人員復核工程量成果，付款時還能直觀地進行查看。

3.7 生產、質量和安全管理

在建設過程中，現場工作人員可以通過移動端 App 記錄生產任務的實際實施情況，查看任務過程的控制要求，實時上傳數據至服務器。其他人員可通過網頁端查看實際生產工作的跟蹤結果，并與任務計劃進行比較和分析，使任務更加清晰、可控。項目經理通過移動 App 將施工計劃發送給現場所有的專業生產負責人，現場制作人員只需拍照報告施工情況即可，而數據即刻被自動送回至服務器。由 BIM 平臺快速生成生產數據，形成數字化報表，并發送至項目聯絡群和朋友圈；或經項目生產經理批準發給各參建方，同步監督項目的工作成果，協助項目管理者現場控制施工狀態。

與此同時，手機端可快速記錄施工現場的質量和安全問題，PC 端可隨時查看工程質量及可能出現的安全隱患，并在數字孿生場景中直觀地確定問題的位置。施工現場常見的危險源將由常規檢查點確定，形成固定的檢查計劃，現場管理人員通過掃描二維碼定期檢查現場檢查點，如發現安全隱患，即刻啟動安全檢查程序。此外，PC 端還可以驗證現場各巡邏點的視察和執行效果，并全面覆蓋現場的安全管理。

4 運維階段：變被動維修為主動維護

數字孿生建筑具有較好的綜合分析和預測能力，為預測維修建筑物的智能設施提供了有效的技術支持，是智能建筑物運行與智能系統一體化的主要模式。從構件信息和BIM 模型的角度看，數字孿生建筑結構將智能結構體系從模型集成到系統，實現了微觀和宏觀的集成。

圖3 基于 BIM 的建筑智能運維系統

5 結語

數字孿生技術的發展為智能建筑提供了堅實基礎，是建筑可視化和數字化的基石。其中，BIM 是一個核心引擎，目前得到了建筑界的普遍認可，但還需要經過一個較長的磨合期。無論是數字孿生還是 BIM，都是未來建筑業的總體發展方向——基于數字孿生建筑平臺，實現整個建筑業的數字化、在線化和智能化，并最終實現未來建筑的美好愿景。