BIM技術(shù)在智慧城市“數(shù)字孿生”建設(shè)中的應(yīng)用

趙強(qiáng)

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司）

1 數(shù)字孿生技術(shù)與BIM技術(shù)

1.1 數(shù)字孿生的含義

數(shù)字孿生（Digital Twin）是由美國(guó)NASA首先提出的，具體指在數(shù)字空間用高度精確的數(shù)字模型映射真實(shí)世界中的事物，并將真實(shí)世界中采集的數(shù)據(jù)信息反映到數(shù)字模型中，模型會(huì)隨著現(xiàn)實(shí)的改變而變化，研究者可以基于數(shù)字模型，對(duì)各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，以及預(yù)測(cè)性的可視化仿真分析[1]。數(shù)字孿生包含：①在數(shù)字空間內(nèi)，使用高度精確的數(shù)字模型描述和模擬現(xiàn)實(shí)世界中的事物；②將現(xiàn)實(shí)世界中采集到的真實(shí)信息反映到數(shù)字模型中，使之隨現(xiàn)實(shí)進(jìn)行更新；③在數(shù)字空間內(nèi)，使用模型和信息進(jìn)行預(yù)測(cè)性的仿真分析和可視化。

1.2 BIM技術(shù)的發(fā)展情況

BIM 技術(shù)始于工程建設(shè)行業(yè)，借鑒了制造業(yè)的3D數(shù)字化技術(shù)。在我國(guó)，雖然經(jīng)過了大量的項(xiàng)目實(shí)踐，但對(duì)其應(yīng)用還主要集中在可視化、參數(shù)化、碰撞檢測(cè)等方面，不能完全滿足建造過程全生命周期的所有數(shù)據(jù)信息需求。

現(xiàn)代建筑是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜整體，在建設(shè)過程中，各專業(yè)工程師通常只掌握了本專業(yè)的工作內(nèi)容，并不能完全了解整個(gè)工程的全貌和細(xì)節(jié)。同時(shí)，在建造過程中，傳統(tǒng)的BIM軟件很難應(yīng)對(duì)精細(xì)的構(gòu)造和復(fù)雜的智能系統(tǒng)。因此，專業(yè)工程師常認(rèn)為BIM軟件功能不足，運(yùn)維管理人員也發(fā)現(xiàn)BIM模型并不能提供他們所需的全部信息。此外，隨著建設(shè)行業(yè)從傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)人力勞動(dòng)邁向預(yù)制化、裝配化和機(jī)械化建造，行業(yè)亟需應(yīng)用數(shù)字化模型，將構(gòu)件或各子系統(tǒng)的生產(chǎn)、裝配流程等納入其中，形成動(dòng)態(tài)的全過程數(shù)字仿真。這種全過程數(shù)字仿真不僅包含項(xiàng)目建設(shè)本身，更要納入生產(chǎn)設(shè)備、工藝、人員、工期、質(zhì)量記錄等各種信息，形成建造過程的完整記錄。

2 智慧城市建設(shè)：BIM+數(shù)字孿生

2.1 BIM 技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和深度應(yīng)用目標(biāo)

當(dāng)前，我國(guó)城鎮(zhèn)化率不斷提高，為了解決城市發(fā)展帶來的種種問題，以人為本的智慧城市建設(shè)在我國(guó)興起并逐步發(fā)展。隨著科技的不斷進(jìn)步，“數(shù)字孿生”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)不同于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等智慧城市建設(shè)技術(shù)，它推動(dòng)我國(guó)的智慧城市發(fā)展衍生出數(shù)字孿生方向。而恰恰工程建設(shè)行業(yè)的BIM 技術(shù)可以構(gòu)建數(shù)字孿生所需的虛擬數(shù)據(jù)模型。這也給BIM技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展指明方向——BIM技術(shù)將在智慧城市建設(shè)中逐漸發(fā)展和普及。目前，很多企業(yè)應(yīng)用BIM 還處于試點(diǎn)階段，需要通過各種措施，不斷提高BIM 技術(shù)團(tuán)隊(duì)的專業(yè)能力。BIM 技術(shù)跨專業(yè)協(xié)同、多系統(tǒng)集成方面的應(yīng)用還需深入研究。通過項(xiàng)目的實(shí)踐可得，BIM 技術(shù)的最大價(jià)值是信息數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)協(xié)同，即通過BIM強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐、技術(shù)支撐和協(xié)同管理支撐，可達(dá)到高水平應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 從BIM邁向數(shù)字孿生

數(shù)字孿生不僅是建模，還包括全生命期的仿真模擬，該技術(shù)是面向整個(gè)客觀世界的，數(shù)字孿生認(rèn)為，客觀世界的一切都可以用3D數(shù)字化方式進(jìn)行建模和仿真。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以在虛擬世界中對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行分析和優(yōu)化，從而輔助決策。數(shù)字孿生之于工程建設(shè)行業(yè)，無論是城市建筑、基礎(chǔ)設(shè)施，還是工業(yè)產(chǎn)品，都是虛擬世界中的一部分，必須以統(tǒng)一的數(shù)字化技術(shù)和平臺(tái)處理現(xiàn)實(shí)世界中的各種數(shù)據(jù)和流程，真正消除信息的斷裂和孤島[2]。

綜上，數(shù)字孿生的基礎(chǔ)是數(shù)字模型，核心是數(shù)據(jù)；BIM技術(shù)同樣依托數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在數(shù)字空間中通過模擬創(chuàng)建具有生命周期的各種場(chǎng)景，并結(jié)合BIM 軟件，實(shí)現(xiàn)各場(chǎng)景的各種功能。BIM 技術(shù)為數(shù)字孿生工程提供了全方位實(shí)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的底層支撐，與其他數(shù)字模型場(chǎng)景數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，并進(jìn)行全方位的業(yè)務(wù)協(xié)同，可最大程度滿足項(xiàng)目的技術(shù)實(shí)踐要求。

3 BIM 技術(shù)在智慧城市數(shù)字孿生建設(shè)中的實(shí)踐應(yīng)用

數(shù)字孿生是面向全域的，具有精準(zhǔn)映射、模擬仿真、虛擬交互、智能干預(yù)等特點(diǎn)，它與BIM 技術(shù)參數(shù)化設(shè)計(jì)、仿真模擬、可視化預(yù)警、協(xié)同作業(yè)等優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，為推動(dòng)智慧城市建設(shè)提供了科學(xué)、合理、高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)支撐和保障。工程項(xiàng)目建設(shè)是智慧城市建設(shè)的具象體現(xiàn)，BIM+數(shù)字孿生技術(shù)可以將工程周圍的環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，在建立的模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)、過程模擬等，確保數(shù)據(jù)模型在項(xiàng)目建設(shè)全過程的信息數(shù)據(jù)交換和反饋。

3.1 規(guī)劃階段

將BIM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入智慧城市數(shù)字孿生建設(shè)平臺(tái)，進(jìn)行模擬仿真假設(shè)分析和虛擬規(guī)劃，推動(dòng)工程項(xiàng)目的提前部署，有利于避免不合理、不科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。通過三維信息模型以及可視化系統(tǒng)，以定量與定性的方式進(jìn)行模擬仿真、動(dòng)態(tài)評(píng)估，保證項(xiàng)目綜合效益實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。通過建立城市信息模型平臺(tái)，匯聚更多規(guī)劃數(shù)據(jù)，構(gòu)建各類模型，為項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。同時(shí)，利用數(shù)據(jù)信息模型機(jī)器可識(shí)別、可分析的特點(diǎn)，為項(xiàng)目的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，從環(huán)境監(jiān)測(cè)反饋、建設(shè)監(jiān)測(cè)反饋和運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)反饋三個(gè)層面進(jìn)行工程項(xiàng)目的全方位監(jiān)測(cè)，分析梳理相關(guān)問題，進(jìn)行歸納和總結(jié)，并不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[4]。

3.2 設(shè)計(jì)階段

利用BIM+數(shù)字孿生技術(shù)重塑工程項(xiàng)目周邊環(huán)境，建立信息數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)師在可視化環(huán)境中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)的同時(shí)，還可以科學(xué)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案和項(xiàng)目環(huán)境的關(guān)系，可使方案中存在的問題提前暴露，并在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行解決。各專業(yè)首先要建立自己的三維數(shù)據(jù)模型，再將所有分專業(yè)模型統(tǒng)一到一起，形成全專業(yè)模型（見圖1）。

圖1 工程項(xiàng)目全專業(yè)模型

3.3 施工階段

利用BIM+數(shù)字孿生技術(shù)中特有的時(shí)空特性對(duì)項(xiàng)目建設(shè)方案進(jìn)行仿真模擬，對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)度和質(zhì)量、周期進(jìn)行全面把控。在這一階段，可以利用數(shù)據(jù)模型模擬大型設(shè)備的吊裝方案、進(jìn)行管線的碰撞檢測(cè)等。這個(gè)階段是BIM 技術(shù)應(yīng)用最成熟的階段，尤其是在機(jī)電專業(yè)中，無論是給排水、暖通還是電氣，BIM+數(shù)字孿生技術(shù)都可以形成管線綜合、管線安裝定位等三維可視化模型（見圖2-3），優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖2 管綜優(yōu)化后模型

圖3 管綜優(yōu)化后模型剖面

3.4 運(yùn)維階段

項(xiàng)目交付后，留檔的設(shè)計(jì)、施工數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)入數(shù)字孿生模型，搭建時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，精確顯示建筑物的全貌和細(xì)節(jié)。同時(shí)，在建筑物的內(nèi)外部空間部署傳感器、監(jiān)控設(shè)備，采集建筑環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行、構(gòu)件壓力和應(yīng)變、視頻監(jiān)控、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)，并基于數(shù)字孿生模型進(jìn)行智能分析和科學(xué)預(yù)測(cè)。

4 展望

4.1 給智慧城市產(chǎn)業(yè)帶來新動(dòng)力

數(shù)字孿生+BIM，可以協(xié)同更多的資源和產(chǎn)業(yè)力量，共建城市級(jí)創(chuàng)新平臺(tái)，帶動(dòng)信息通信產(chǎn)業(yè)鏈的共同發(fā)展。互聯(lián)網(wǎng)、電信、設(shè)備制造、系統(tǒng)集成、軟件開發(fā)等傳統(tǒng)行業(yè)，也都在積極提檔轉(zhuǎn)型，逐漸向數(shù)字孿生建設(shè)的方向前進(jìn)。新興的技術(shù)創(chuàng)新性企業(yè)，也與數(shù)字孿生一同發(fā)展，不斷提升、持續(xù)擴(kuò)張，傳統(tǒng)與新興的碰撞，激發(fā)了新的發(fā)展動(dòng)力。

4.2 獨(dú)特的城市治理優(yōu)勢(shì)

數(shù)字孿生技術(shù)與傳統(tǒng)的智慧城市IT組件物理堆砌的架構(gòu)方式不同，隨著科技的發(fā)展，數(shù)字孿生與BIM技術(shù)融合，將不斷支撐城市的發(fā)展和治理。

1）全域視角

從多維度觀察和分析，模擬驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、科學(xué)施策。

2）精細(xì)管理

利用模型對(duì)整個(gè)客觀世界進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、智能決斷。

3）協(xié)同作業(yè)

體現(xiàn)在對(duì)突發(fā)事件的聯(lián)動(dòng)應(yīng)急反應(yīng)等方面。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，BIM 在智慧城市數(shù)字孿生建設(shè)中的實(shí)踐應(yīng)用以信息數(shù)據(jù)為核心、以模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行虛擬仿真、動(dòng)態(tài)可視、協(xié)同作業(yè)，大大提高了城市的可持續(xù)發(fā)展能力，也為智慧城市的不斷向前發(fā)展奠定了可靠的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)，使城市建設(shè)發(fā)展決策的科學(xué)性有了高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)保障。