基于數(shù)字孿生技術(shù)的EPC項(xiàng)目物資數(shù)據(jù)庫建設(shè)

郭 振 王嘉燕 翟 韋

1. 浙江上嘉建設(shè)有限公司 浙江 嘉興 314000；2. 上海觀易信息技術(shù)有限公司 上海 200041

數(shù)字孿生（digital twin），或譯作數(shù)字映射、數(shù)字分身，最早是由美國(guó)國(guó)防部提出并應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生最早的概念模型由Michael Grieves博士于2002年10月在美國(guó)制造工程協(xié)會(huì)管理論壇上提出。2009年美國(guó)空軍提出“機(jī)身數(shù)字孿生（airframe digital twin）”的概念。2010年，美國(guó)國(guó)家航空航天局在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》這2份技術(shù)路線圖中開始直接使用“數(shù)字孿生”這一名稱。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 23247（待發(fā)布）對(duì)數(shù)字孿生制造進(jìn)行了明確定義，界定了生產(chǎn)場(chǎng)景下的數(shù)字孿生。隨著相關(guān)技術(shù)的迭代，數(shù)字孿生的內(nèi)涵也不斷豐富：從簡(jiǎn)單的對(duì)一個(gè)產(chǎn)品、一臺(tái)設(shè)備、一條生產(chǎn)線等的數(shù)字孿生（制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用），演進(jìn)到更為復(fù)雜的對(duì)一個(gè)企業(yè)組織、一座城市，甚至一個(gè)國(guó)家的數(shù)字孿生。因此，對(duì)數(shù)字孿生概念的定義逐步演進(jìn)到：數(shù)字孿生是以特定目的為導(dǎo)向?qū)ξ锢硎澜绗F(xiàn)實(shí)對(duì)象的數(shù)字化表達(dá)。這一對(duì)象不僅包括產(chǎn)品、設(shè)備、建筑物等“實(shí)物”，也包括企業(yè)組織、城市等“實(shí)體”。通過對(duì)物理對(duì)象構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象和數(shù)字孿生模型的雙向映射[1-3]，如圖1所示。

數(shù)字孿生技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用目標(biāo)是非常宏大的，最終的愿景是建立“數(shù)字孿生建筑”，即利用物理建筑，使用各種傳感器全方位獲取建筑物的系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行、環(huán)境、空間使用等數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，在其數(shù)字孿生體（虛擬空間）中完成映射，以反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體建筑的全生命周期過程。

要達(dá)到這樣的愿景，首先面臨的問題就是“數(shù)字孿生體建模”，即建立物理模型與數(shù)字模型之間的映射關(guān)系。在建筑領(lǐng)域，就是我們已經(jīng)非常熟悉的BIM—建筑信息模型。如果要讓BIM模型能夠?qū)崟r(shí)反映實(shí)體建筑的運(yùn)行數(shù)據(jù)，甚至通過操作BIM模型來改變實(shí)體建筑的運(yùn)行狀態(tài)，必須對(duì)BIM建模提出以下具體要求：

1）BIM模型包含實(shí)體建筑的所有專業(yè)系統(tǒng)、設(shè)備、構(gòu)件的準(zhǔn)確信息，包括品牌、型號(hào)、靜態(tài)屬性、動(dòng)態(tài)屬性、空間位置、連接關(guān)系、控制關(guān)系、供電關(guān)系等。

2）BIM模型包含實(shí)體建筑的所有空間分割，具有準(zhǔn)確的空間形態(tài)、空間用途、幾何尺寸、連通關(guān)系。

3）BIM模型包含建筑物中部署的所有傳感器的準(zhǔn)確信息，包括傳感器類別、部署位置、覆蓋范圍、信息點(diǎn)數(shù)據(jù)類型、與其他系統(tǒng)設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系等。

由此可見，這樣的要求是超過目前絕大部分建設(shè)項(xiàng)目的BIM建模標(biāo)準(zhǔn)的，并且在實(shí)際操作過程中也有很大的困難。例如，按照我國(guó)建筑行業(yè)的管理規(guī)定，建筑設(shè)計(jì)單位不能指定建筑物所需設(shè)備、材料等產(chǎn)品的品牌型號(hào)。因此，在設(shè)計(jì)階段的BIM模型中只會(huì)有相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)要求，要等到采購階段按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行招投標(biāo)之后，才有可能建立起實(shí)際采用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。而且傳統(tǒng)意義的BIM模型（Revit等建模軟件創(chuàng)建的模型文件）也難以承載海量的數(shù)據(jù)，修改調(diào)整比較困難，無法適應(yīng)工程項(xiàng)目建設(shè)過程中的頻繁變更。故需要拓寬BIM模型的定義，與外部數(shù)據(jù)庫配合建立廣義的“數(shù)字孿生BIM模型”，才能形成符合數(shù)字孿生應(yīng)用要求的模型。

EPC（Engineering Procurement Construction）模式，是指公司受業(yè)主委托，按照合同約定對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、采購、施工、試運(yùn)行等實(shí)行全過程或若干階段的工程總承包模式運(yùn)行的項(xiàng)目，有利于通過統(tǒng)一的EPC項(xiàng)目管理平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱EPC平臺(tái)），協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、采購、施工各階段的BIM模型創(chuàng)建和數(shù)據(jù)集成。其中的物資數(shù)據(jù)庫成為與設(shè)計(jì)、采購、施工、交付全過程溝通的重要組成部分，可以用于規(guī)范面向數(shù)字孿生的BIM建模過程，幫助建立“數(shù)字孿生BIM模型”。

1 面向數(shù)字孿生的EPC項(xiàng)目物資采購

EPC項(xiàng)目的物資采購管理一般包含以下工作：

1）按照設(shè)計(jì)部門提出的技術(shù)要求及數(shù)據(jù)單進(jìn)行物資采購，嚴(yán)格控制采購產(chǎn)品的質(zhì)量，保證滿足業(yè)主的技術(shù)要求。

2）確保在采購過程中的安全。

3）依據(jù)采購計(jì)劃并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)度，通過招標(biāo)、談判等方式，選擇合格的供應(yīng)商，以經(jīng)濟(jì)合理的價(jià)格簽訂物資供貨及服務(wù)合同。

4）組織監(jiān)造、催交貨、物流運(yùn)輸、安裝調(diào)試、驗(yàn)收、資料交接以及物資的收發(fā)存等工作，滿足工程進(jìn)度的需要。其中，針對(duì)數(shù)字孿生的需求，需要采集的核心數(shù)據(jù)包括：設(shè)計(jì)清單和技術(shù)要求；實(shí)際采購的物資規(guī)格清單，包括每個(gè)規(guī)格的技術(shù)參數(shù)；實(shí)際采購的物資臺(tái)賬；與物資規(guī)格相關(guān)的，需要交付業(yè)主的文檔資料；與物資規(guī)格相關(guān)的供應(yīng)商信息、合同等；與系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)的調(diào)試信息。

以上數(shù)據(jù)最終都將成為交付給業(yè)主的數(shù)字孿生BIM模型中的組成部分。

為了在EPC過程中有效地進(jìn)行上述數(shù)據(jù)的采集、整理、匯總、交付，需要有相應(yīng)的工作流程、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)保障。具體工作流如圖2所示，包括：

1）設(shè)計(jì)單位在EPC平臺(tái)物資數(shù)據(jù)庫依據(jù)物資屬性模板編制項(xiàng)目的物資規(guī)格表（含物資規(guī)格編碼），確定所有物資規(guī)格的技術(shù)參數(shù)要求（SPEC）。

2）建立BIM模型，錄入物資規(guī)格編碼、物資唯一編碼，生成并導(dǎo)出采購清單。

3）根據(jù)采購清單進(jìn)行招標(biāo)采購、施工/安裝、質(zhì)檢、驗(yàn)收。

4）為物資規(guī)格補(bǔ)充實(shí)際采購的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

可以看到，在這個(gè)過程中，BIM模型中不需要存放太多的信息，重點(diǎn)在于與物資規(guī)格、物資臺(tái)賬相關(guān)聯(lián)的編碼。與物資數(shù)據(jù)庫一同完成了整個(gè)數(shù)據(jù)采集、建模、交付的流程。

2 物資數(shù)據(jù)庫的基本結(jié)構(gòu)

由于EPC平臺(tái)中的物資數(shù)據(jù)庫需要應(yīng)用于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)－采購－施工－交付全過程，參與者眾多，必須遵循一定的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)才能確保工作流的順暢運(yùn)行。其中，包括了分類編碼標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品屬性模板標(biāo)準(zhǔn)、物資規(guī)格編碼標(biāo)準(zhǔn)、物資編碼標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)交付標(biāo)準(zhǔn)。物資數(shù)據(jù)庫的整體架構(gòu)正是基于這些標(biāo)準(zhǔn)展開的。

2.1 分類編碼標(biāo)準(zhǔn)

建筑信息分類體系是對(duì)建筑領(lǐng)域的各種信息進(jìn)行系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的組織，為建設(shè)項(xiàng)目的各個(gè)參與方提供一個(gè)信息交流的一致語言，為建筑信息的管理和歷史數(shù)據(jù)的積累利用提供一個(gè)統(tǒng)一的框架，同時(shí)為建筑應(yīng)用軟件的集成化提供一個(gè)共同的基礎(chǔ)。目前各國(guó)主流的做法是基于ISO 12006—2（建設(shè)工程的信息組織-第2部分：信息分類框架）建立建筑領(lǐng)域的分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，例如美國(guó)的OmniClass、英國(guó)的UniClass、中國(guó)的GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》[4]。

GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》包含15個(gè)分類編碼表，從中可以看出，這些分類表可用于數(shù)字孿生建筑領(lǐng)域各個(gè)維度的分類，包括建筑的分類、空間的分類、建筑構(gòu)件的分類，等等。其中，對(duì)于物資數(shù)據(jù)庫來說最主要的分類表為“表30：建筑產(chǎn)品”。

通過樹結(jié)構(gòu)的建筑產(chǎn)品分類編碼表，可以為物資數(shù)據(jù)庫中的大量物資規(guī)格進(jìn)行準(zhǔn)確、無歧義的分類，并為每個(gè)類別定義各自的屬性模板。

2.2 物資屬性模板

對(duì)于數(shù)字孿生建筑來說，實(shí)體建筑中的每一種物資會(huì)應(yīng)用到其特有的屬性，作為計(jì)算、仿真、控制等應(yīng)用的對(duì)象。例如，門窗的“隔熱系數(shù)”屬性可以作為能耗計(jì)算的對(duì)象，軸流風(fēng)機(jī)的“轉(zhuǎn)速”屬性可以作為送排風(fēng)系統(tǒng)的對(duì)象。因此，在物資數(shù)據(jù)庫中，需要對(duì)每一類物資建立屬性模板，用來定義該類物資的各方面屬性，如尺寸、技術(shù)參數(shù)、供應(yīng)商信息等。

物資屬性模板基于國(guó)標(biāo)GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》中“表30：建筑產(chǎn)品”分類表定義。其根節(jié)點(diǎn)定義了所有物資規(guī)格都應(yīng)具備的基本屬性，如：編碼、制造廠商、型號(hào)、銷售商等。其下各級(jí)節(jié)點(diǎn)均默認(rèn)繼承上級(jí)節(jié)點(diǎn)的屬性，并可以定義本節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展屬性。

物資屬性模板只定義屬性的名稱、類型、單位等，不提供屬性值，屬性值在基于物質(zhì)屬性模板創(chuàng)建的物資規(guī)格中定義。

2.3 物資規(guī)格

簡(jiǎn)單地說，物資規(guī)格是將物資屬性模板賦值而產(chǎn)生的具體產(chǎn)品型號(hào)。但是由于建筑行業(yè)法規(guī)的限制，在實(shí)際應(yīng)用中，物資規(guī)格在建立之初并不能確定產(chǎn)品供應(yīng)商和型號(hào)，只有設(shè)計(jì)單位提供的物資規(guī)格編碼、技術(shù)參數(shù)要求等。

隨著采購招標(biāo)的完成，產(chǎn)品型號(hào)確定，物資規(guī)格才能形成完整的數(shù)據(jù)。

這個(gè)采集數(shù)據(jù)過程的實(shí)現(xiàn)，可以要求投標(biāo)的供應(yīng)商在EPC平臺(tái)依據(jù)物資屬性模板來錄入其投標(biāo)產(chǎn)品的屬性和文檔資料；也可以通過物資規(guī)格信息采集表的方式在線下進(jìn)行，再導(dǎo)入物資數(shù)據(jù)庫中。

2.4 物資臺(tái)賬

物資臺(tái)賬即實(shí)際采購的物資個(gè)體信息，是將物資規(guī)格實(shí)例化而產(chǎn)生的。例如“格力壁掛式空調(diào)掛機(jī)（KFR-35GW/NhAe1BG）”為物資規(guī)格，在項(xiàng)目中采購了100臺(tái)此規(guī)格的空調(diào)，物資臺(tái)賬中將產(chǎn)生100條記錄。

對(duì)于數(shù)字孿生建筑應(yīng)用來說，有應(yīng)用價(jià)值的物資臺(tái)賬基本上是可以構(gòu)件化的建筑產(chǎn)品。比如門、窗、機(jī)電設(shè)備等，可以從BIM模型的構(gòu)件直接產(chǎn)生物資臺(tái)賬，并為每一行記錄提供唯一的物資編碼，以便采購—安裝過程中的跟蹤和交付業(yè)主后的運(yùn)維管理。

3 BIM建模中的物資數(shù)據(jù)映射關(guān)系

物資數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)實(shí)體建筑的數(shù)據(jù)，即物資規(guī)格和物資臺(tái)賬，需要與BIM模型中的對(duì)象建立映射關(guān)系。或者說，其數(shù)據(jù)來源就是BIM模型。

每一個(gè)BIM建模軟件的數(shù)據(jù)組織方式各不相同，從國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)最常用的Autodesk Revit系列軟件來看，Revit的族（Family）/族類型（Family Type）對(duì)應(yīng)的是物資規(guī)格，Revit構(gòu)件對(duì)應(yīng)的是物資臺(tái)賬。

因此，在進(jìn)行BIM建模規(guī)劃的時(shí)候，應(yīng)確保為每一個(gè)物資規(guī)格建立一個(gè)族類型，并將物資規(guī)格編碼寫入族類型的“類型標(biāo)記”屬性，將族類型實(shí)例化建立BIM構(gòu)件后，應(yīng)將物資編碼寫入構(gòu)件的“標(biāo)記”屬性。

這樣建模完成后，可以通過Revit明細(xì)表導(dǎo)出物資規(guī)格和物資臺(tái)賬。

4 基于COBie標(biāo)準(zhǔn)的物資數(shù)據(jù)交付

COBie（construction operations building information exchange），這是一種信息交換的標(biāo)準(zhǔn)格式，用于發(fā)布建筑信息模型（BIM）的子集，其重點(diǎn)是傳遞建筑信息而非幾何模型。COBie定義了一種規(guī)范，用于表達(dá)在設(shè)計(jì)和施工階段如何采集信息，并在項(xiàng)目交付后將其提供給設(shè)施運(yùn)營(yíng)方。

COBie標(biāo)準(zhǔn)通過18個(gè)工作表，包含有關(guān)項(xiàng)目的設(shè)施、空間、樓層、系統(tǒng)、已安裝的設(shè)備和相應(yīng)文檔等完整信息，其中，“Type”表對(duì)應(yīng)物資規(guī)格，“Component”表對(duì)應(yīng)物資臺(tái)賬，“Attribute”表對(duì)應(yīng)物資規(guī)格的屬性（圖3）。

圖3 COBie體現(xiàn)的設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)關(guān)系

主流BIM建模軟件均支持COBie標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，EPC平臺(tái)中的物資數(shù)據(jù)庫支持COBie數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，可以幫助EPC總承包更有效地整理竣工交付的數(shù)據(jù)，通過明確的需求定義和格式規(guī)范，大大減少在空間、設(shè)備盤點(diǎn)，以及整理和組織數(shù)據(jù)上花費(fèi)的工作量。

同時(shí)，COBie在項(xiàng)目交付過程中也可以提高數(shù)據(jù)傳遞的速度及質(zhì)量。隨著COBie以數(shù)字化格式組織移交數(shù)據(jù)，業(yè)主方和運(yùn)維方無需在設(shè)施的維護(hù)生命周期中面對(duì)大量的操作手冊(cè)或無組織的數(shù)據(jù)，可以利用支持COBie的設(shè)施管理系統(tǒng)一次性導(dǎo)入EPC平臺(tái)物資庫中包含的所有結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（文檔、圖紙等），并通過BIM模型實(shí)現(xiàn)可視化的關(guān)聯(lián)查詢，有效提高工作效率（圖4、圖5）。

圖4 Revit導(dǎo)出的Type表示例

圖5 Revit導(dǎo)出的Component表示例

5 結(jié)語

基于產(chǎn)品分類編碼標(biāo)準(zhǔn)和物資屬性模板的定義，通過EPC項(xiàng)目設(shè)計(jì)—采購—施工—交付流程中對(duì)BIM建模軟件、EPC平臺(tái)物資數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)應(yīng)用，可以建立起一個(gè)最基本的“數(shù)字孿生BIM模型”。其中，包含了實(shí)體建筑的幾何信息、建筑產(chǎn)品/構(gòu)件的分類體系、物資規(guī)格、物資臺(tái)賬、屬性信息、物資與空間的關(guān)系等，為數(shù)字孿生建筑應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

需要注意的是，這樣的數(shù)字孿生BIM模型還是不完整的，需要進(jìn)一步補(bǔ)充建筑物各系統(tǒng)設(shè)備的控制關(guān)系、供電關(guān)系以及其他建筑傳感器的數(shù)據(jù)信息、聯(lián)動(dòng)關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字孿生建筑。