數(shù)字孿生在智慧建筑中的應(yīng)用探索

金明堂（南京市江北新區(qū)中央商務(wù)區(qū)建設(shè)管理辦公室，江蘇 南京 210018）

0 引言

所謂數(shù)字孿生建筑，是指綜合運(yùn)用 BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能控制和系統(tǒng)仿真等數(shù)字孿生技術(shù)，以實(shí)體建筑物為載體的建筑信息物理系統(tǒng)，是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，是物理對(duì)象的真實(shí)映射。數(shù)字孿生要求信息空間里面的虛擬數(shù)字模型是“寫實(shí)”的，是“一種綜合多物理、多尺度模擬的載體或系統(tǒng)，以反映其對(duì)應(yīng)實(shí)體的真實(shí)狀態(tài)”。數(shù)字孿生可以將物理空間里的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬數(shù)字模型緊密聯(lián)系，以描繪相對(duì)應(yīng)的實(shí)體建筑的全生命周期過程[1]。

數(shù)字孿生建筑的核心是 BIM 的應(yīng)用。當(dāng)前，BIM 技術(shù)已被國(guó)際工程界公認(rèn)為建筑產(chǎn)業(yè)革命性技術(shù)，并被許多國(guó)家列為強(qiáng)制應(yīng)用技術(shù)。我國(guó)上海等地相繼出臺(tái)了相關(guān)政策，開始在國(guó)有投資項(xiàng)目中強(qiáng)制推行 BIM 技術(shù)。

BIM 能夠幫助實(shí)現(xiàn)全生命周期（見圖 1）的管理應(yīng)用。

圖1 智能建筑全生命周期過程

1 數(shù)字孿生建筑的特點(diǎn)

（1）可視性。數(shù)字孿生技術(shù)基于 BIM 模型的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和渲染，實(shí)現(xiàn)物理建筑的數(shù)字化展現(xiàn)，達(dá)到更好的可視化管理效果。

（2）互連性。使用各種互聯(lián)技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、5G 和大數(shù)據(jù)等，對(duì)建筑運(yùn)行狀態(tài)的充分感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)記錄建筑的運(yùn)行情況。

（3）控制性。通過人性化的合理的界面與模型實(shí)現(xiàn)交互控制，模擬在現(xiàn)實(shí)生活中的各類情況，為實(shí)際建筑正常運(yùn)行做好準(zhǔn)備，為突發(fā)情況做好預(yù)案。

（4）學(xué)習(xí)性。數(shù)字孿生模型可基于前期記錄、交互、模擬的各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)行模式的機(jī)器學(xué)習(xí)，并能夠分析人員的行為模式。

2 設(shè)計(jì)階段：并行設(shè)計(jì)，提高效率

基于數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)，主要是應(yīng)用 BIM 技術(shù)，不同專業(yè)可在數(shù)字孿生協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電等模型的設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，需要嚴(yán)格按照專業(yè)先后順序，依次完成建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等模型的搭建的缺點(diǎn)，大大縮減了設(shè)計(jì)周期。同時(shí)可以通過基于 Web 的輕量化協(xié)同平臺(tái)，應(yīng)用展示和審核等工具，分別從設(shè)計(jì)和施工等人員的角度，對(duì)設(shè)計(jì)模型提前進(jìn)行“圖紙會(huì)審”[2]，從而在源頭上把控建筑的質(zhì)量。

數(shù)字孿生設(shè)計(jì)基于多種 BIM 軟件的互相配合，最后生成設(shè)計(jì)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(chǎng)地管理的應(yīng)用

通過數(shù)字孿生技術(shù)，能夠?qū)⑹┕?chǎng)內(nèi)的平面元素立體直觀化，以利于優(yōu)化各階段場(chǎng)地的布置。例如：綜合考慮不同階段的場(chǎng)地轉(zhuǎn)換，結(jié)合綠色施工中節(jié)約用地的理念，避免用地冗余；臨水臨電、塔吊布置及其動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的塔吊配置；直觀展現(xiàn)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(shí)做到場(chǎng)容整潔，道路通暢，符合消防安全及文明施工等相關(guān)要求。

3.2 施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源辨識(shí)

在數(shù)字孿生模型中，將孔洞、臨邊和基坑等與安全生產(chǎn)相關(guān)的建筑構(gòu)件突出展示，并與施工計(jì)劃和施工過程中所需要的各類設(shè)備及資源相關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)建數(shù)字孿生建筑知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)在數(shù)字孿生環(huán)境下基坑及建筑危險(xiǎn)源的自動(dòng)辨識(shí)和危險(xiǎn)行為的自動(dòng)預(yù)測(cè)。輔助安全管理人員通過數(shù)字孿生環(huán)境預(yù)先識(shí)別各類危險(xiǎn)源，從重復(fù)性、流程性的工作中解放出來，將更多的時(shí)間用于對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估與措施制定等方面，提前在數(shù)字孿生環(huán)境中進(jìn)行安全預(yù)控，在施工全過程中保障安全生產(chǎn)。

3.3 技術(shù)交底

一方面，運(yùn)用數(shù)字化三維可視化技術(shù)可以使施工單位快速了解工程的總體情況、施工、結(jié)構(gòu)、機(jī)電工程和管道布置。特別是那些不便于展現(xiàn)的地下管線等構(gòu)件，通過 BIM能清楚地被顯示出來，減小了設(shè)計(jì)與施工之間的溝通難度，有利于工程的實(shí)施與推進(jìn)。另一方面，運(yùn)用數(shù)字化三維可視化技術(shù)可以按照施工計(jì)劃進(jìn)行虛擬施工，并且可以模擬各專業(yè)施工工藝的關(guān)鍵程序，既有利于熟悉施工程序，又為成本控制、進(jìn)度控制和質(zhì)量控制提供可靠的依據(jù)。

3.4 碰撞檢查

傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)有多種工程管線，專業(yè)管線之間相互交叉，施工過程中很難實(shí)現(xiàn)緊密的協(xié)調(diào)與配合。運(yùn)用數(shù)字孿生環(huán)境的碰撞檢測(cè)功能，可根據(jù)各專業(yè)管道之間的沖突，設(shè)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(yùn)行和維護(hù)所需的空間，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)與設(shè)備管道檢測(cè)的實(shí)用綜合布置圖繪制圖紙，以加快解決所有專業(yè)人員的施工難題。結(jié)合 BIM 的可視化技術(shù)，模擬施工工藝和施工方法，使現(xiàn)場(chǎng)施工不再單純依靠平面圖紙，不僅提高了施工技術(shù)能力，還能避免因理解不一致等認(rèn)知偏差而造成的返工現(xiàn)象，從而加快施工進(jìn)度和提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率。

3.5 進(jìn)度管理

工程實(shí)施期間，對(duì)建筑、道路、基坑和管線等所有構(gòu)件進(jìn)行任務(wù)分解，對(duì)構(gòu)件（如：支撐梁、支柱、管線、3軸攪拌樁、地連墻等）進(jìn)行工作分解結(jié)構(gòu)（Work Breakdown Structure，WBS）編碼。憑借任務(wù)與模型的關(guān)聯(lián)動(dòng)作，可根據(jù)任務(wù)時(shí)間進(jìn)行四維動(dòng)畫模擬，以動(dòng)畫的形式查看項(xiàng)目的施工計(jì)劃和實(shí)際進(jìn)度，包括了解項(xiàng)目各時(shí)間段的形象進(jìn)度及里程碑節(jié)點(diǎn)等。將完成的工程實(shí)體組件綁定到 BIM的 ID 中，用不同顏色展示構(gòu)件，通過顏色變化改變組件模型，繼而顯示項(xiàng)目的進(jìn)度。應(yīng)用 BIM 對(duì)項(xiàng)目的實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行比較，一旦發(fā)現(xiàn)施工進(jìn)度提前或滯后，可及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)以提前預(yù)警。

隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM 技術(shù)逐漸被用于獲取現(xiàn)場(chǎng)情況等場(chǎng)合，包括應(yīng)用 BIM 連接點(diǎn)云數(shù)據(jù)組織管理現(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃、施工計(jì)劃和物流計(jì)劃[3]。在同時(shí)獲得虛擬照片和場(chǎng)景圖像后，服務(wù)端平臺(tái)會(huì)自動(dòng)比較它們的像素大小和，分析實(shí)物與模型的差異，進(jìn)行建筑工作量的計(jì)算。

3.6 成本管理

BIM 模型構(gòu)件通過構(gòu)件 ID 編碼與工程量清單項(xiàng)目編碼建立關(guān)聯(lián)，包括構(gòu)件與工程量清單項(xiàng)目名稱、單價(jià)、項(xiàng)目特征等之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且將相關(guān)數(shù)據(jù)寫入構(gòu)件明細(xì)表對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)提取 BIM 中不同構(gòu)件及模型的幾何信息和屬性信息，匯總統(tǒng)計(jì)各種構(gòu)件的數(shù)量[4]?；?BIM開展算量工作，不僅使算量工作得到大幅度簡(jiǎn)化并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減少了因人為計(jì)算失誤等而造成的錯(cuò)誤，而且極大地節(jié)約了工作量和時(shí)間，方便審核人員復(fù)核工程量成果，付款時(shí)還能直觀地進(jìn)行查看。

3.7 生產(chǎn)、質(zhì)量和安全管理

在建設(shè)過程中，現(xiàn)場(chǎng)工作人員可以通過移動(dòng)端 App 記錄生產(chǎn)任務(wù)的實(shí)際實(shí)施情況，查看任務(wù)過程的控制要求，實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器。其他人員可通過網(wǎng)頁(yè)端查看實(shí)際生產(chǎn)工作的跟蹤結(jié)果，并與任務(wù)計(jì)劃進(jìn)行比較和分析，使任務(wù)更加清晰、可控。項(xiàng)目經(jīng)理通過移動(dòng) App 將施工計(jì)劃發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)所有的專業(yè)生產(chǎn)負(fù)責(zé)人，現(xiàn)場(chǎng)制作人員只需拍照?qǐng)?bào)告施工情況即可，而數(shù)據(jù)即刻被自動(dòng)送回至服務(wù)器。由 BIM 平臺(tái)快速生成生產(chǎn)數(shù)據(jù)，形成數(shù)字化報(bào)表，并發(fā)送至項(xiàng)目聯(lián)絡(luò)群和朋友圈；或經(jīng)項(xiàng)目生產(chǎn)經(jīng)理批準(zhǔn)發(fā)給各參建方，同步監(jiān)督項(xiàng)目的工作成果，協(xié)助項(xiàng)目管理者現(xiàn)場(chǎng)控制施工狀態(tài)。

與此同時(shí)，手機(jī)端可快速記錄施工現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量和安全問題，PC 端可隨時(shí)查看工程質(zhì)量及可能出現(xiàn)的安全隱患，并在數(shù)字孿生場(chǎng)景中直觀地確定問題的位置。施工現(xiàn)場(chǎng)常見的危險(xiǎn)源將由常規(guī)檢查點(diǎn)確定，形成固定的檢查計(jì)劃，現(xiàn)場(chǎng)管理人員通過掃描二維碼定期檢查現(xiàn)場(chǎng)檢查點(diǎn)，如發(fā)現(xiàn)安全隱患，即刻啟動(dòng)安全檢查程序。此外，PC 端還可以驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)各巡邏點(diǎn)的視察和執(zhí)行效果，并全面覆蓋現(xiàn)場(chǎng)的安全管理。

4 運(yùn)維階段：變被動(dòng)維修為主動(dòng)維護(hù)

數(shù)字孿生建筑具有較好的綜合分析和預(yù)測(cè)能力，為預(yù)測(cè)維修建筑物的智能設(shè)施提供了有效的技術(shù)支持，是智能建筑物運(yùn)行與智能系統(tǒng)一體化的主要模式。從構(gòu)件信息和BIM 模型的角度看，數(shù)字孿生建筑結(jié)構(gòu)將智能結(jié)構(gòu)體系從模型集成到系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微觀和宏觀的集成。

圖3 基于 BIM 的建筑智能運(yùn)維系統(tǒng)

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展為智能建筑提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是建筑可視化和數(shù)字化的基石。其中，BIM 是一個(gè)核心引擎，目前得到了建筑界的普遍認(rèn)可，但還需要經(jīng)過一個(gè)較長(zhǎng)的磨合期。無論是數(shù)字孿生還是 BIM，都是未來建筑業(yè)的總體發(fā)展方向——基于數(shù)字孿生建筑平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑業(yè)的數(shù)字化、在線化和智能化，并最終實(shí)現(xiàn)未來建筑的美好愿景。