BIM 技術(shù)在智慧城市“數(shù)字孿生”建設(shè)工程的應(yīng)用初步分析

王建翔，胡蔚

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司）

1 引言

“數(shù)字孿生”是指在數(shù)字空間用高度精確的數(shù)字模型來映射真實世界中的事物，并將真實世界中采集的數(shù)據(jù)信息反映到數(shù)字模型，使之能夠隨現(xiàn)實的情況變化而不斷更迭，并能夠基于數(shù)字模型聯(lián)動多源數(shù)據(jù)信息進行預(yù)測性的仿真分析和可視化的過程。簡而言之，“數(shù)字孿生”的基礎(chǔ)即數(shù)字模型、其核心是數(shù)據(jù)。BIM 技術(shù)的關(guān)鍵也是依托在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，具體實現(xiàn)是在數(shù)字空間中通過模擬創(chuàng)建具有生命周期的各種場景，并結(jié)合一些優(yōu)化的軟件輔助來進行應(yīng)用，在設(shè)計階段實現(xiàn)偵測設(shè)計錯誤與沖突，從而減少額外的施工成本支出，提升工程效率。BIM 技術(shù)不僅為“數(shù)字孿生”工程提供了全方位的實體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的底層支撐，并通過解決與其他數(shù)字模型結(jié)合實際場景的數(shù)據(jù)聯(lián)動和全方位的業(yè)務(wù)協(xié)同，最大程度的滿足項目的技術(shù)實踐要求。

本文從全球范圍內(nèi)的BIM 技術(shù)的推廣現(xiàn)狀、BIM 技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來深度應(yīng)用目標(biāo)、BIM 技術(shù)在“數(shù)字孿生”建設(shè)工程的應(yīng)用實踐等方面對BIM 技術(shù)在智慧城市數(shù)字孿生建設(shè)工程的應(yīng)用做出初步分析。

2 全球范圍內(nèi)的BIM 技術(shù)的推廣現(xiàn)狀

當(dāng)前，BIM 技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了大力推廣，各國政府和行業(yè)協(xié)會都在政策上進行了大力推動。其中，美國作為BIM 技術(shù)的發(fā)源地，最早制定出BIM技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。該規(guī)劃在2006 年由美國軍方的工程技術(shù)人員首次制定，同時美國軍方還公布了兩大重要決定：BIM技術(shù)將應(yīng)用于未來所有軍事建筑項目和該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范由美國建筑科學(xué)研究院下屬的一個BIM 標(biāo)準(zhǔn)項目委員會來負責(zé)。俄羅斯政府在2017 年對于國內(nèi)的建筑合同要求增加應(yīng)用BIM 技術(shù)的條款要求，并在2019 年要求政府工程中的參建方均要采用BIM 技術(shù)[1]。新加坡政府的建筑管理機構(gòu)要求所有跟政府有關(guān)的項目，在施工建設(shè)的工程中都必須利用BIM 技術(shù)和相關(guān)的應(yīng)用促進并優(yōu)化其設(shè)計，除此之外，還在專業(yè)教育方面通過開設(shè)課程等方法來提倡該技術(shù)的普及。日本為了BIM 技術(shù)的研究使用，跟建筑相關(guān)的信息技術(shù)軟件產(chǎn)業(yè)專門組建了BIM 應(yīng)用聯(lián)盟，并積極推出與該技術(shù)相關(guān)的一些從業(yè)指南，目的就是加強對BIM 從業(yè)者進行全方位的指導(dǎo)和交流。

我國相對發(fā)達國家來說，起步較晚，在2011 年住建部發(fā)布《2011-2015 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中首次將BIM 技術(shù)納入建筑信息化的標(biāo)準(zhǔn)中，接著2013年和2016 年相繼推出《關(guān)于推進建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》、《2016-2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，再次明確BIM技術(shù)的重要性，BIM 成為“十三五”建筑業(yè)重點推廣的五大信息技術(shù)之首，至此，待國家層面的建筑業(yè)BIM 六大標(biāo)準(zhǔn)全部發(fā)布之后，BIM 技術(shù)的應(yīng)用將達到一個新的水平。與此同時，在國家級BIM 標(biāo)準(zhǔn)不斷推進的同時，全國各省針對BIM 技術(shù)應(yīng)用也出臺了部分的地方標(biāo)準(zhǔn)，同時還出臺了一些細分領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，以及行業(yè)內(nèi)企業(yè)自己制定的BIM 技術(shù)實施導(dǎo)則。這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、準(zhǔn)則，共同構(gòu)成了完整的中國BIM 標(biāo)準(zhǔn)序列[2]。

3 BIM 技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來深度應(yīng)用目標(biāo)

隨著國家城市信息化建設(shè)的推進，衍生出智慧城市“數(shù)字孿生”方向，而BIM 技術(shù)可以實現(xiàn)“數(shù)字孿生”所需的產(chǎn)品虛擬模型，因此BIM 技術(shù)在城市建筑方面的普及是必然趨勢，對智慧城市的發(fā)展也會產(chǎn)生不可預(yù)估的影響。從目前來看建筑行業(yè)內(nèi)對BIM 技術(shù)應(yīng)用的積極性很高。一是政府相關(guān)政策的引導(dǎo)推進，還有就是業(yè)界對于BIM 技術(shù)所帶來的革命性價值的認(rèn)可。從當(dāng)前的應(yīng)用情況來看，大部分企業(yè)對于BIM 技術(shù)的應(yīng)用引入還處于項目試點階段，應(yīng)用范圍有限，主要是在行業(yè)內(nèi)技術(shù)層面的點狀應(yīng)用，以項目中單一局部的子項應(yīng)用為主，究其最終原因還是實施單位的BIM專業(yè)人員不齊全、應(yīng)用頂層設(shè)計能力有限、綜合應(yīng)用能力基本缺失，故在一定時期內(nèi)提高BIM 技術(shù)團隊專業(yè)能力，加強全員全過程應(yīng)用是實現(xiàn)BIM 普及應(yīng)用的努力方向。同時在跨專業(yè)協(xié)同、多系統(tǒng)集成、工程全生命周期方面的BIM 的應(yīng)用也較少，想實現(xiàn)整個BIM 技術(shù)體系的應(yīng)用仍需持續(xù)探索和挖掘。BIM 技術(shù)發(fā)揮最大價值是在大數(shù)據(jù)和協(xié)同的兩個方面，即通過BIM 強大的數(shù)據(jù)支撐、技術(shù)支撐和協(xié)同管理支撐來達到高水平應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。主要表現(xiàn)在企業(yè)級應(yīng)用中能成為企業(yè)運營的關(guān)鍵支撐，項目級企業(yè)的信息化管理和在項目級應(yīng)用中能達到跨專業(yè)協(xié)同、多終端系統(tǒng)集成、應(yīng)用全過程的目標(biāo)。

4 BIM 技術(shù)在“數(shù)字孿生”建設(shè)工程的應(yīng)用實踐

4.1 項目建設(shè)場景的分析

建設(shè)場景分析是研究影響建筑實體定位的重要因素，是明確建筑實體的空間方位和外觀、建立與周邊環(huán)境景觀聯(lián)系的過程。在初期規(guī)劃階段，場景所在的各項環(huán)境條件都是影響設(shè)計的重要因素，需要基于對環(huán)境現(xiàn)狀、施工配套及項目實施周邊的交通情況等各類影響因素來進行綜合分析。以往對項目場景分析存在如定量分析缺失、主觀因素偏高、規(guī)?；瘮?shù)據(jù)信息處理困難等問題。通過BIM 與GIS 系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)合，兩者優(yōu)劣互補，能夠?qū)崿F(xiàn)基于場景使用條件和特征，為項目建設(shè)前期制定最優(yōu)的規(guī)劃、交通流線的關(guān)系、實體功能性建設(shè)布局等重要決策內(nèi)容提供基于可靠數(shù)據(jù)的技術(shù)支撐。

4.2 “數(shù)字孿生”頂層規(guī)劃輔助。

對比以往根據(jù)經(jīng)驗確定設(shè)計內(nèi)容及依據(jù)的編制方法，項目頂層規(guī)劃對建設(shè)目標(biāo)所處社會環(huán)境及相關(guān)因素的邏輯分析，制定和論證頂層規(guī)劃的依據(jù)，從而確定規(guī)劃內(nèi)容，并合理論證實現(xiàn)這一目標(biāo)的科學(xué)方法。利用BIM 技術(shù)在空間分析方面的能力優(yōu)勢，可在項目頂層規(guī)劃階段中對復(fù)雜空間的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)進行解讀，提高時間有效利用率，為設(shè)計團隊開展多元化增值規(guī)劃創(chuàng)造更多可能。在初步方案與建設(shè)方的溝通過程中以及對于方案的選擇上，通過BIM 應(yīng)用的分析數(shù)據(jù)，協(xié)助工程師們完成關(guān)鍵性決策。BIM 應(yīng)用的階段性成果亦能及時被調(diào)用，方便工程師們隨時與需求方進行溝通交流以便進一步完善方案，實現(xiàn)基于BIM應(yīng)用融合的數(shù)據(jù)信息傳遞和事件追溯。

4.3 可視化及多專業(yè)協(xié)同設(shè)計支持

3D 設(shè)計軟件的使用在一定程度上彌補了建設(shè)方和使用者因缺乏對傳統(tǒng)設(shè)計圖紙的理解能力而造成與設(shè)計師的交流障礙，但依舊存在使用功能上的局限，三維可視化展現(xiàn)不論用于前期方案還是用于階段性的效果圖展現(xiàn)，與實際需求的方案的差距依然明顯。跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計是數(shù)字化設(shè)計與快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的一大趨勢，BIM 技術(shù)對于設(shè)計師們來說，不僅是三維可視化的設(shè)計工具，帶來更多的對跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計的數(shù)據(jù)方面的技術(shù)支撐。

4.4 工程量化統(tǒng)計和項目性能化計算能力

BIM 技術(shù)所涉及的應(yīng)用、與各系統(tǒng)對接而產(chǎn)生極具規(guī)?；脑O(shè)計信息(幾何信息、材料性能、構(gòu)件屬性等)，再結(jié)合機械系統(tǒng)的操作流程、實體系統(tǒng)的能耗分析、內(nèi)外部氣流模擬、照明分析、人流分析等性能化軟件。通過BIM 模型導(dǎo)入，大量不同專業(yè)的數(shù)據(jù)自動完成錄入和分析處理，實現(xiàn)相應(yīng)工程內(nèi)容的精確計算和建筑物性能的準(zhǔn)確評估，并分析驗證建筑物是否滿足設(shè)計規(guī)定和未來的可持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)建造要求。

4.5 數(shù)字化管理的施工全生命周期

工程實施是動態(tài)的過程，根據(jù)規(guī)模的擴大，復(fù)雜程度亦隨之提高，使項目管理變得極為復(fù)雜?；贐IM 應(yīng)用實現(xiàn)的項目數(shù)字化的管理，可以更直觀、精確地了解到整個項目實施的全生命周期。

1）項目實施計劃方面

在項目實施過程中，設(shè)計團隊可以利用BIM 應(yīng)用的施工模擬技術(shù)，來調(diào)整原有的施工計劃、施工進度安排，實現(xiàn)項目實施的數(shù)字化管理。通過BIM 技術(shù)來解決項目的關(guān)鍵節(jié)點的可建性模擬，按時序進行實施過程的分析并優(yōu)化流程。面對具體項目中關(guān)鍵性施工環(huán)節(jié)，比如涉及到新工藝的部分和平面部分，都可利用BIM 技術(shù)進行模擬，從中分析來提高項目的操作空間。

2）項目物料追蹤方面

隨著國家對智慧城市的推進，一系列與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化水平也隨之提升，相對應(yīng)的施工設(shè)備也越來越復(fù)雜。而構(gòu)件的備貨計劃，基于設(shè)計的符合性及品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是項目實施過程中影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在獲取建筑物構(gòu)件和其相關(guān)設(shè)備的所有信息時，BIM 技術(shù)也要結(jié)合RDID技術(shù)才能實現(xiàn)，通過兩種技術(shù)的融合使用實現(xiàn)對實施過程中物料的復(fù)雜性管理。

3）項目實施過程專業(yè)協(xié)同方面

基于BIM 搭載的項目共享管理平臺，能讓項目實施的各方人員共同就項目方案進行溝通，及時排除風(fēng)險隱患，減少項目變更數(shù)量，合理縮短工期，降低因設(shè)計協(xié)調(diào)產(chǎn)生的成本增加，提升實施現(xiàn)場的生產(chǎn)效率。

4）項目交付及運維方面

BIM 技術(shù)利用數(shù)據(jù)與施工管理數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，以及包括隱蔽工程數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)集成，來實現(xiàn)項目后續(xù)的運行維護，同時對于未來可進行的翻新、改造、擴建工程提供有效的數(shù)據(jù)信息。將BIM中包含的建筑信息和物料的完整信息導(dǎo)入資產(chǎn)管理系統(tǒng)，而不必人工錄入數(shù)據(jù)，減少系統(tǒng)初始化過程中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備方面的時間及人力成本。BIM 技術(shù)與FRID 結(jié)合，借助RFID 在資產(chǎn)跟蹤定位方面的優(yōu)勢，呈現(xiàn)一個有序、可靠、可追蹤定位的資產(chǎn)管理系統(tǒng)，大幅提高建筑資產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)效率。

4.6 終端系統(tǒng)結(jié)合BIM 帶來的功能多元化

以災(zāi)害應(yīng)急的需求為例，在“數(shù)字孿生”城市管理方面，結(jié)合BIM 及相應(yīng)災(zāi)害分析模擬軟件，通過模擬基于BIM的“數(shù)字孿生”場景中災(zāi)害發(fā)生的全過程，有效分析災(zāi)害形成的內(nèi)外因素，根據(jù)建筑特征制定避免災(zāi)害的措施和發(fā)生災(zāi)害后在場景中的人員疏散、救援支持的應(yīng)急預(yù)案，并且在實際災(zāi)害發(fā)生時，通過基于BIM 應(yīng)用的“數(shù)字孿生”平臺可提供救援人員對于事件發(fā)生環(huán)境的精確信息，有效增強突發(fā)狀況應(yīng)對措施的能力，場景中的受災(zāi)人員、管理方和救援方都基于應(yīng)用的多種平臺及時掌握建筑物內(nèi)部發(fā)生緊急狀況的位置和到達緊急狀況點最合適的路線，救援人員可以由此做出正確的現(xiàn)場處置，提高應(yīng)急行動的成效。

5 結(jié)語

綜合而言，建筑行業(yè)內(nèi)的各企業(yè)已然隨著BIM 的變革進行提升轉(zhuǎn)換，以便能夠充分利用BIM 帶來的各項優(yōu)勢。項目實施流程的轉(zhuǎn)換是漸進式的，其過程是先將既有流程上的作業(yè)分項逐一分解分析，評估其與BIM 協(xié)作平臺串接所需的功能要求，改變以圍繞BIM 協(xié)作模式為中心，重新接合提升營建生產(chǎn)力。這項生產(chǎn)流程的改造，將引發(fā)工程產(chǎn)業(yè)分工結(jié)構(gòu)的重組。而終端的使用也因為BIM 的導(dǎo)入而更具多樣化，若流程改造工程得以順利完成，在可預(yù)見的未來，不具備BIM 能力的企業(yè)將喪失參與重大類復(fù)雜項目的競爭能力。