“城市-建筑-人”耦合視角下數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用與分圈層場景構(gòu)建*

鄔 櫻 李愛群

(1.北京建筑大學(xué)理學(xué)院, 北京 100044; 2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044;3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

0 引 言

數(shù)字孿生(Digital Twin)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型,借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為,通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段,為物理實體增加或擴(kuò)展新的能力。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù),數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程,發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用,提供更加實時、高效、智能的服務(wù)[1]。

數(shù)字孿生理念最早由美國密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯(Michael Grieves)教授提出,后用鏡像空間模型和信息鏡像模型進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡釋,并經(jīng)邁克爾·格里夫斯多次修正后終在其著作中正式確立了“數(shù)字孿生”的表述;與此同時,美國國家航空航天局(NASA)和美國空軍聯(lián)合提出了面向未來飛行器的數(shù)字孿生范例,即飛行器數(shù)字孿生概念;美國空軍研究實驗室(AFRL)引入數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于預(yù)測飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的概念模型,而后在NASA發(fā)布的信息技術(shù)和處理路線圖中正式使用了“數(shù)字孿生”一詞[2-5]。隨即數(shù)字孿生演變?yōu)橐环N新的釋義,已逐漸成為全球數(shù)字化發(fā)展關(guān)注研究的熱點技術(shù),近些年來持續(xù)向智能制造、智慧城市與智能建筑等城市高質(zhì)量發(fā)展方向提級拓展。城市為數(shù)字孿生提供了豐富的潛能挖掘與技術(shù)應(yīng)用場景,而數(shù)字孿生為認(rèn)識宏觀城市物質(zhì)空間更新和微觀社會時空脆性環(huán)境的多向度柔性化重構(gòu)提供了全新視角。

我國城市發(fā)展已進(jìn)入城市更新的重要時期,由過去大規(guī)模增量建設(shè)向存量的提質(zhì)改造和增量的結(jié)構(gòu)調(diào)整并重轉(zhuǎn)變。2019、2020年《中央經(jīng)濟(jì)工作會議》[6-7],2021、2022年《政府工作報告》[8-9]和《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》[10]都明確提出實施、有序推進(jìn)城市更新行動內(nèi)容。值得注意的是,上述文件在重申城市更新的同時均重點提及了加快數(shù)字化改造,加強(qiáng)數(shù)字中國建設(shè)整體布局等要點。城市更新與數(shù)字化發(fā)展重要性都提到了前所未有的高度。因此基于當(dāng)前加快數(shù)字化改造背景下,有必要圍繞城市更新開展數(shù)字孿生理論架構(gòu)、技術(shù)應(yīng)用、場景構(gòu)建等研究工作,力求盡快形成覆蓋城市更新時空延性、基礎(chǔ)共性和機(jī)制柔性的城市更新數(shù)字化轉(zhuǎn)型與城市現(xiàn)代化治理生態(tài)體系。讓城市更聰明一些、更智慧一些,以數(shù)字孿生技術(shù)為數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動的關(guān)鍵核心要素,分圈層差異化創(chuàng)新引領(lǐng)城市更新的有序推進(jìn)。

1 數(shù)字孿生城市(DTC)在城市更新場景構(gòu)建中的應(yīng)用

1.1 數(shù)字孿生城市與城市更新

國家“十四五”規(guī)劃綱要與《“十四五”國家信息化規(guī)劃》[11]明確提出探索建設(shè)數(shù)字孿生城市,《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》[12]提到要因地制宜構(gòu)建數(shù)字孿生城市?！逗颖毙郯残聟^(qū)規(guī)劃綱要》[13]提出堅持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設(shè),適度超前布局智能基礎(chǔ)設(shè)施,推動全域智能化應(yīng)用服務(wù)實時可控,建立健全大數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系,打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市,并在隨后的官方解讀中,提出了“數(shù)字孿生城市”的表述[14]。近年來,作為國內(nèi)城市更新發(fā)展起步較早地區(qū),北京市“十四五”規(guī)劃明確提出建設(shè)數(shù)字孿生城市,上海、江蘇省、廣東省也都相繼發(fā)布了建設(shè)數(shù)字孿生城市(Digital Twin Cities,DTC)的規(guī)劃方案,數(shù)字孿生城市已然成為賦能城市更新轉(zhuǎn)型升級的重要演進(jìn)方向,助推城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化的新引擎。

數(shù)字孿生城市是指通過構(gòu)建城市物理世界與網(wǎng)絡(luò)空間一一對應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜系統(tǒng),在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個與物理世界中的城市匹配、對應(yīng)的孿生城市。數(shù)字孿生城市是基于3S空間信息技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),人工智能技術(shù),三維模型,建筑信息模型以及城市智能模型等多種技術(shù)構(gòu)建起來的新型智慧城市。數(shù)字孿生城市需要通過這些技術(shù)來創(chuàng)建一個虛擬的智慧城市[15-16]。構(gòu)建數(shù)字孿生城市,將極大改變城市面貌,重塑城市基礎(chǔ)設(shè)施,實現(xiàn)城市管理決策協(xié)同化和智能化,確保城市安全、有序運(yùn)行;數(shù)字化轉(zhuǎn)型為城市更新提供了全新思路與方案,是全方位、立體化的城市更新[17-18]。數(shù)字孿生城市可廣泛應(yīng)用于市政交通、管網(wǎng)管線、智慧社區(qū)、智慧停車、綠色建筑、智能建筑、城市環(huán)境管理與城市體檢等城市更新場景,在映射城市物理空間建設(shè)的數(shù)字孿生城市建設(shè)中鏈接城市更新信息,催生城市更新新業(yè)態(tài)、新模式,是以數(shù)智化轉(zhuǎn)型驅(qū)動已有城市功能重組、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和發(fā)展邏輯的變革,也是從物質(zhì)空間功能性領(lǐng)域不斷向?qū)\生城市數(shù)字領(lǐng)域的縱深化拓展。

可以說,數(shù)字孿生城市是數(shù)字城市的高級階段,數(shù)字孿生城市既是數(shù)字城市的目標(biāo),也是智慧城市建設(shè)的新高度,賦予城市實現(xiàn)智慧化的重要設(shè)施和基礎(chǔ)能力[19]。我國城市發(fā)展已進(jìn)入城市更新的重要時期,建構(gòu)數(shù)字孿生技術(shù)與實體城市深度融合的孿生城市數(shù)字更新空間,在不斷推進(jìn)城市更新戰(zhàn)略過程中以數(shù)字孿生城市為介質(zhì)基礎(chǔ)適度結(jié)合超前布局,可精準(zhǔn)高效、平穩(wěn)有序地釋放城市空間資源?；诂F(xiàn)實城市運(yùn)行、城市更新多源數(shù)據(jù)聚類的數(shù)字應(yīng)用形式承載的物理城市時空軸線和大尺度空間孿生城市更新單元,將在源頭上打造從數(shù)字孿生城市到城市數(shù)智更新的高精尖系統(tǒng)性架構(gòu)。促進(jìn)從城市更新走向城市復(fù)興全過程、全要素的數(shù)字化更新提級,推動傳統(tǒng)城市更新的數(shù)字化、時空一體化賦能改造,縫合日愈割裂的城市發(fā)展空間。

1.2 數(shù)字孿生城市的CIM應(yīng)用

城市信息模型(City Information Modeling,CIM)以建筑信息模型(BIM)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等技術(shù)為基礎(chǔ),整合城市地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來多維多尺度空間數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù),構(gòu)建起三維數(shù)字空間的城市信息有機(jī)綜合體。城市信息模型基礎(chǔ)平臺(Basic Platform of City Information Modeling,CIM基礎(chǔ)平臺)是管理和表達(dá)城市立體空間、建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施等三維數(shù)字模型,支撐城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)行工作的基礎(chǔ)性操作平臺。CIM基礎(chǔ)平臺是CIM數(shù)據(jù)匯聚、應(yīng)用的載體[20]。

城市是一個有機(jī)體,城市更新是一項系統(tǒng)性工程。數(shù)字孿生城市的運(yùn)行仿真、態(tài)勢推演和量化評估優(yōu)勢賦予了城市更新關(guān)于統(tǒng)籌謀劃機(jī)制、可持續(xù)模式與配套制度政策智慧化探索的底層支撐能力。城市更新全生命周期的管理、監(jiān)測和評估需基于涵蓋城市更新全域的時空動態(tài)數(shù)據(jù)交聚及驅(qū)動引領(lǐng)。數(shù)字孿生城市建設(shè)以城市信息模型(CIM)為核心,而CIM基礎(chǔ)平臺可以為城市更新提供孿生城市數(shù)據(jù)與重要設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。CIM提供了很大的可能性來組織涉及數(shù)字孿生城市建設(shè)的關(guān)于城市更新空間結(jié)構(gòu)、布局功能和區(qū)域環(huán)境的彈性擴(kuò)展協(xié)作,實現(xiàn)了規(guī)劃、現(xiàn)狀和歷史三種CIM時態(tài)的一張數(shù)據(jù)底圖到城市更新全生命周期管理一張數(shù)字藍(lán)圖的統(tǒng)一調(diào)度、有效銜接,開啟了城市更新存量提質(zhì)改造與增量結(jié)構(gòu)調(diào)整的“泛智能”時代。

CIM平臺整合了城市人口、房屋、單位等多項專題數(shù)據(jù),并與空間實體數(shù)據(jù)實現(xiàn)了有效掛接,可為城市級的更新建設(shè)提供有效支撐。例如,在城市更新項目中,基于CIM平臺可實現(xiàn)城市拆遷量、受影響人口、經(jīng)濟(jì)投入量的定量估算,可快速為決策部門提供方案支撐[21]。雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)管理平臺項目中,提出了CIM作為數(shù)字孿生城市的操作系統(tǒng)建設(shè)[22-23]。青島中央商務(wù)區(qū)CIM城市綜合治理平臺構(gòu)建[24],明珠灣智慧城市信息平臺建設(shè)[25],北京城市副中心CIM平臺建設(shè),廣州、南京、廈門CIM平臺試點建設(shè)[26-27],以及新加坡政府啟動的“虛擬新加坡”項目,法國城市雷恩建立的城市數(shù)字模型[28]。CIM基礎(chǔ)平臺已成為迭代更新的城市新城建、舊存量資源全生命周期管控引導(dǎo)的數(shù)字能力底座。在統(tǒng)籌城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市管理等諸多方面已呈現(xiàn)出后城市化階段城市再發(fā)展的更新動力與潛能。以數(shù)字孿生城市為依托,以CIM為平臺,以更新現(xiàn)狀評估為基礎(chǔ),數(shù)字孿生城市、城市更新與CIM三者時空轉(zhuǎn)換的核心在于以城市物理空間數(shù)字化建設(shè)為導(dǎo)向的、從孿生鏈動更新線索出發(fā)的CIM基礎(chǔ)平臺應(yīng)用,也是當(dāng)前支撐城市體檢評估工作持續(xù)推進(jìn)的城市更新場景構(gòu)建新趨向。數(shù)字孿生城市-城市更新背景下重點省市政策梳理見表1。

表1 數(shù)字孿生城市-城市更新背景下重點省市政策梳理Table 1 DTC-Policies of key provinces and cities underthe background of urban renewal

1.3 基于CIM的城市體檢場景構(gòu)建

實施城市更新行動的路徑是開展城市體檢,城市體檢評估要與城市更新相結(jié)合,推進(jìn)城市更新行動的精準(zhǔn)化和科學(xué)化[34]。城市體檢以促進(jìn)推動城市高質(zhì)量發(fā)展為主題,以及時發(fā)現(xiàn)城市空間品質(zhì)與城市發(fā)展存在的問題短板風(fēng)險為目的。通過城市體檢建立起與城市更新任務(wù)目標(biāo)相適宜的城市建設(shè)管理運(yùn)行政策機(jī)制、技術(shù)路線、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,提升城市更新對于城市規(guī)劃建設(shè)成效的包裹性,是帶動存量資源提質(zhì)增效,解決“城市病”問題的重要抓手。當(dāng)前,城市體檢主要分為自然資源部“國土空間規(guī)劃城市體檢評估”與住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“城市體檢”雙體檢評估體系。城市體檢評估指標(biāo)體系包含安全、創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享6個一級指標(biāo);城市體檢指標(biāo)體系包括生態(tài)宜居、健康舒適、安全韌性、交通便捷、風(fēng)貌特色、整潔有序、多元包容、創(chuàng)新活力8個方面指標(biāo)。同時,可緊密結(jié)合體檢城市的實際適當(dāng)增設(shè)反映城市更新進(jìn)程中需要關(guān)注的人居環(huán)境質(zhì)量及存在的實施時序、動態(tài)保障和多元共治等方面的內(nèi)容與指標(biāo)。如在2022年指標(biāo)調(diào)整中在生態(tài)宜居指標(biāo)項中增加了新建建筑中裝配式建筑比例內(nèi)容;在安全韌性指標(biāo)項中新增了城市信息模型(CIM)基礎(chǔ)平臺建設(shè)三維數(shù)據(jù)覆蓋率內(nèi)容,以推動城市體檢與城市更新有序銜接,確保城市有序運(yùn)行,最終實現(xiàn)有序更新。

城市體檢核心思路是基于物聯(lián)網(wǎng)、街景掃描、三維傾斜攝影測量、紅外監(jiān)測等先進(jìn)技術(shù)獲取與感知多元城市現(xiàn)狀數(shù)據(jù),基于行業(yè)業(yè)務(wù)模型進(jìn)行智能化計算,評估城市現(xiàn)狀狀態(tài);由于獲取的原始數(shù)據(jù)多源、異構(gòu),往往需要空間化、數(shù)據(jù)清洗、空間融合之后,才能作為輸入數(shù)據(jù),參與城市體檢計算過程[35]。城市體檢評估與城市體檢分別以國土空間基礎(chǔ)信息平臺與城市體檢評估管理信息平臺作為實施保障,貫穿城市發(fā)展全生命更新周期,具有承上啟下的設(shè)計功能和運(yùn)行特點,是城市體檢的核心內(nèi)容與評估基礎(chǔ)。CIM基礎(chǔ)平臺可利用現(xiàn)有城市體檢基礎(chǔ)資源設(shè)施,在通視分析、疊加分析、空間拓?fù)浞治龅裙δ茌o助下,支撐城市、區(qū)、街區(qū)、社區(qū)四級城市體檢的動態(tài)監(jiān)測、綜合評價與數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域的更新應(yīng)用,實現(xiàn)與國土空間基礎(chǔ)信息平臺、城市體檢評估管理信息平臺對接或集成整合,滿足多規(guī)合一、多檢合一、多數(shù)合一的平臺業(yè)務(wù)協(xié)同要求,構(gòu)建國家、省、市三級CIM基礎(chǔ)平臺的總體更新—專項體檢—詳細(xì)規(guī)劃—管控計劃全生命周期城市體檢閉環(huán)的綜合指引體系。

具體來看,自然資源部城市體檢評估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括社會發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)、城市建設(shè)數(shù)據(jù)、國土空間基礎(chǔ)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)、規(guī)劃實施監(jiān)督數(shù)據(jù)、城市運(yùn)行大數(shù)據(jù)、生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)等。住建部采取城市自體檢、第三方體檢和社會滿意度調(diào)查相結(jié)合的工作實踐方式開展城市體檢,城市體檢數(shù)據(jù)主要包括統(tǒng)計數(shù)據(jù)、各部門各行業(yè)數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、專項調(diào)查數(shù)據(jù)等。同時,CIM+應(yīng)用的城市體檢主客觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的沉淀和回流將為科學(xué)指導(dǎo)各地制定和實施城市更新規(guī)劃提供數(shù)據(jù)底板?；诮y(tǒng)一數(shù)據(jù)底板集成的時空基礎(chǔ)、資源調(diào)查、規(guī)劃管控、工程建設(shè)項目、公共專題和物聯(lián)感知等信息資源清單,提升針對城市病、新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的前瞻性城市更新節(jié)奏調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)共享交換平臺功能。前置交換或在線共享方式的平臺數(shù)據(jù)交換將從源頭上促進(jìn)服務(wù)于城市體檢數(shù)據(jù)的高位調(diào)用。更加公平均衡地統(tǒng)籌數(shù)據(jù)采集、分析論證、問題診斷以及體檢報告形成的城市體檢全過程數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理。

CIM是服務(wù)于城市的時空信息基礎(chǔ)設(shè)施,支撐數(shù)字孿生城市的時空操作系統(tǒng)[36]。以城市地址、實有單位和實有人口的CIM基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)疊加城市體檢數(shù)字空間信息數(shù)據(jù)資產(chǎn)作深入的城市更新嵌套研究,從成果、進(jìn)程、資源、屬性和應(yīng)用5大維度分類及編碼到城市發(fā)展運(yùn)行在合理區(qū)間、國土開發(fā)有序的城市更新均衡發(fā)展定位的CIM場景構(gòu)建,CIM基礎(chǔ)平臺不僅是厘清城市體檢雙評估體系各功能單元內(nèi)在聯(lián)系的實體性、關(guān)鍵技術(shù)手段,也是提升城市更新可達(dá)性、連通性的基礎(chǔ)性操作平臺。同時對零散的城市土地合并、土地拆分、土地重置、土地配置等城市土地空間疊合性信息進(jìn)行系統(tǒng)縫合。

但也應(yīng)該看到,城市體檢指標(biāo)體系仍主要依賴于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)與普查數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。同時在采用先進(jìn)技術(shù)自動獲取與感知方面仍存在技術(shù)瓶頸,數(shù)字孿生技術(shù)的城市體檢場景構(gòu)建仍處于滲透期。一方面,城市體檢需要以人為本,更強(qiáng)調(diào)個體—城市存量空間的使用體驗與增量空間的主觀感知,形成互為支撐、協(xié)同反饋、互為校驗的國土空間規(guī)劃城市體檢評估報告與城市體檢報告。另一方面,城市信息模型(CIM)宜采用基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程思維,在數(shù)字孿生建筑互聯(lián)互通基礎(chǔ)上建立,這也是當(dāng)前快速構(gòu)建CIM和數(shù)字孿生城市的一條可行路徑[37]。數(shù)字孿生城市-CIM的城市更新場景構(gòu)建層析關(guān)系見圖1。

2 數(shù)字孿生建筑(DTB)在城市更新場景構(gòu)建中的應(yīng)用

2.1 數(shù)字孿生建筑與城市更新

數(shù)字孿生建筑(Digital Twin Building,DTB)是指綜合運(yùn)用BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、智能控制、系統(tǒng)建模與仿真、工程管理等技術(shù),以建筑物為載體的信息物理系統(tǒng)。它可以看作是數(shù)字孿生系統(tǒng)在建筑物載體上的一個具體實現(xiàn)?；趯嶓w建筑,通過在建筑實體關(guān)鍵位置布設(shè)大量不同類型的傳感器實現(xiàn)實時獲取數(shù)據(jù),利用數(shù)字在線仿真、多源數(shù)據(jù)融合、多尺度建模和三維可視化等技術(shù),在虛擬空間構(gòu)建該孿生體完成實時映射,建筑數(shù)字孿生體能充分感知、監(jiān)測實體建筑以便于優(yōu)化和決策,這種映射覆蓋實體建筑的全生命周期[37-38]。

圖1 數(shù)字孿生城市-CIM的城市更新場景構(gòu)建層析Fig.1 DTC-Hierarchical analysis of urban renewal scenario construction of CIM

數(shù)字孿生城市適當(dāng)超前設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于數(shù)字孿生建筑建設(shè),也是衡量當(dāng)下以及未來數(shù)字化改革水平的重要標(biāo)志。城市建筑是最為復(fù)雜而龐大的更新系統(tǒng),包括老舊小區(qū)、老舊廠房、平房院落、老舊樓宇等各類存量建筑資源,須推進(jìn)數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)快速迭代信息化部署,支持城市更新的建筑功能轉(zhuǎn)變復(fù)合、建筑共生與建筑空間形態(tài)指引。以數(shù)字孿生技術(shù)帶動城市既有建筑綜合性能提升與存量建筑的更新改造,針對建筑物理實體孿生與數(shù)字虛體孿生建構(gòu)對應(yīng)的建筑物理空間和建筑信息空間數(shù)字化定義,實現(xiàn)建筑數(shù)據(jù)驅(qū)動人、事、物動靜態(tài)場景時空語義化漸進(jìn)式有機(jī)更新,引領(lǐng)城市更新進(jìn)入到豐富的數(shù)字孿生建筑場景構(gòu)建的工業(yè)化新發(fā)展階段。

新型建筑工業(yè)化是與新型城鎮(zhèn)化內(nèi)外聯(lián)動、城市同步更新的工業(yè)化。走新型建筑工業(yè)化道路,更易實現(xiàn)以規(guī)劃保留建筑為主的存量建筑資源數(shù)字化和智能化更新。通過整合建筑空間資源使用效率的建筑+國土空間、建筑+基礎(chǔ)設(shè)施、建筑+公共空間、建筑+個體行為等數(shù)字孿生模式與存量建筑個性化使用需求,形成建筑存量資源個性化與新型建筑工業(yè)化下的標(biāo)準(zhǔn)化接駁,在重構(gòu)建筑與周邊城市空間生態(tài)關(guān)系過程中實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字孿生建筑。但如何在釋放存量建筑資源實現(xiàn)空間調(diào)配紅利的同時形成城市公共資源高效供給,是當(dāng)下發(fā)展數(shù)字孿生建筑帶動城市開放空間一體化規(guī)劃設(shè)計、實施建設(shè)與運(yùn)營管理面臨的一個重要的城市更新問題。

數(shù)字孿生可以更好地應(yīng)對未來建筑事件并完成更新保護(hù),在優(yōu)化建筑數(shù)字時空界面的同時革新傳統(tǒng)發(fā)展模式路徑。通過三維虛擬建筑空間場景模擬、信息物理系統(tǒng)全生命周期交互、多目標(biāo)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)與智能干預(yù)決策等數(shù)字孿生功能,挖掘重現(xiàn)城市與建筑歷史空間場景,是為進(jìn)一步提升文物建筑、歷史建筑保護(hù)利用的能效水平。這也是從巴黎圣母院重生看數(shù)字孿生建筑面向未來城市更新多領(lǐng)域融合的創(chuàng)新研究思考。AGP(圖形藝術(shù)與遺產(chǎn)公司)曾于2010年利用150次毫米級數(shù)字掃描,建立了超過30億個數(shù)據(jù)點,完整記錄了被大火全部焚毀的木制框架細(xì)節(jié),為巴黎圣母院的精準(zhǔn)再現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。同時,重建團(tuán)隊?wèi)?yīng)用三維、實時、動態(tài)的建筑信息模型,將教堂的幾何、空間、地理、各種建筑組件的性質(zhì)及工料等各方面信息涵蓋其中,通過模型和數(shù)字化技術(shù)手段進(jìn)行復(fù)雜的信息管理[39]。

2.2 數(shù)字孿生建筑的BIM應(yīng)用

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)是在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi),對其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá),并依此設(shè)計、施工和運(yùn)營的過程和結(jié)果的總稱。又可細(xì)分為建設(shè)工程規(guī)劃階段服務(wù)于規(guī)劃設(shè)計方案報建與審查的規(guī)劃設(shè)計模型;施工圖設(shè)計與審查應(yīng)用的施工圖模型;竣工驗收、備案應(yīng)用的竣工驗收模型。因其參數(shù)化、可視化、統(tǒng)計自動化、工作協(xié)同化等特點,作為信息管理平臺可涵蓋策劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營等建筑項目全過程,逐漸在現(xiàn)代建筑建造工程的系列環(huán)節(jié)中推廣[20,40]。

許多國內(nèi)外文獻(xiàn)混淆“BIM+”與數(shù)字孿生建筑理論,將建筑數(shù)字孿生體視作BIM模型加入其他信息的另一表達(dá)方式[41]。從信息屬性角度來看,BIM在建筑建設(shè)全生命周期各目標(biāo)間數(shù)據(jù)的交互、共享和協(xié)同無法完全包裹數(shù)字孿生建筑宜涵蓋的數(shù)據(jù)線程和模型的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)體系。盡管不同途徑獲取與不同方式表達(dá)的BIM數(shù)據(jù)具有唯一性、一致性的信息屬性,也很難實現(xiàn)虛擬模型向?qū)嶓w建筑全生命周期虛擬空間映射的全域轉(zhuǎn)化。從信息決策角度來看,數(shù)字孿生建筑具有精準(zhǔn)感知映射、風(fēng)險識別管理、虛實交互融合、智能干預(yù)決策等特點。BIM結(jié)構(gòu)雖具有可擴(kuò)展的開放性,但以BIM為介質(zhì)基礎(chǔ)的平臺信息決策能力仍需在增加元素種類的實體擴(kuò)展方式、元素數(shù)據(jù)的屬性集擴(kuò)展方式等方面進(jìn)行提升。

BIM技術(shù)應(yīng)用已進(jìn)入到了快速發(fā)展階段,即便數(shù)字孿生建筑及其衍生概念尚未形成普遍性、統(tǒng)一釋義,關(guān)于數(shù)字孿生建筑的理論體系和技術(shù)融合仍處于初步探索時期,但這并不妨礙BIM作為數(shù)字孿生建筑的底層技術(shù)支撐在城市更新領(lǐng)域發(fā)揮其潛在應(yīng)有價值。如BIM在管理、協(xié)同、決策等舊建筑改造實踐的應(yīng)用[42];基于BIM的存量建筑質(zhì)量和整體性能提升研究[43];BIM技術(shù)在既有建筑改造中的應(yīng)用[44];BIM與數(shù)字孿生模型之間的轉(zhuǎn)換及基于BIM的數(shù)字孿生建筑的應(yīng)用場景研究[45]。BIM可視既有建筑綜合性能提升與存量建筑的更新改造具體情形在某個環(huán)節(jié)或時段內(nèi)應(yīng)用,亦可覆蓋其全生命周期,更側(cè)重更新的過程和接連性,對建筑物理孿生體精準(zhǔn)賦能,建構(gòu)滿足多層次數(shù)字孿生建筑應(yīng)用需求、城市多層級更新目標(biāo)的數(shù)字能力底座。但基于BIM的數(shù)字孿生建筑應(yīng)用特別是與城市更新數(shù)字化轉(zhuǎn)型的共性技術(shù)應(yīng)用三者間的銜接關(guān)系仍需以數(shù)字孿生為底層思維構(gòu)建起來的場景為基礎(chǔ),這樣可以利用相互間的優(yōu)勢,特別是對場景的BIM應(yīng)用及場景構(gòu)建的數(shù)字孿生路徑也會有積極的創(chuàng)新與思考,同時順應(yīng)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的新趨勢。

2.3 BIM的裝配式建筑場景構(gòu)建

裝配式建筑是國家正在大力推行的綠色建筑,它具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修和信息化管理等特征,既有“四節(jié)一環(huán)?！钡膬?yōu)點,又能保障質(zhì)量安全,加快施工進(jìn)度,是當(dāng)前國家綠色建筑的主要推手;大力發(fā)展裝配式建筑是提高傳統(tǒng)建造方式工業(yè)化程度的必經(jīng)之路,數(shù)字孿生可作為實現(xiàn)智能建造理念目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)而將數(shù)字孿生運(yùn)用到建筑施工階段是提高裝配式建筑施工過程信息化和智能化的關(guān)鍵之策;研究裝配式在舊改中的適用性,其目的是為改進(jìn)現(xiàn)有舊房改造中的建造方式,以期為目前的存量規(guī)劃落地實施提供更多選擇,為未來的存量規(guī)劃實施做好理論與實踐準(zhǔn)備[46-48]。

裝配式建筑的發(fā)展與城市更新同屬一個行業(yè)的發(fā)展趨勢和必經(jīng)階段,其在城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)型發(fā)展中必然發(fā)揮極大的促進(jìn)作用,對城市更新的舊改項目實施及歷史建筑活化利用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義[49]。裝配式建筑同樣是2022年城市體檢指標(biāo)體系調(diào)整后新增加的內(nèi)容之一。林徽因先生在梁思成先生所著《圖像中國建筑史》的提序中就提到,中國古建筑的木結(jié)構(gòu)體系最大的特征就是裝配式,首次定義了中國傳統(tǒng)建筑的木結(jié)構(gòu)體系潛在語義邏輯。因此,裝配式建筑與城市更新有機(jī)結(jié)合的本質(zhì)是中國傳統(tǒng)建筑的建筑傳統(tǒng)本源回歸,而非真正意義上的“西學(xué)東漸”。當(dāng)前國家重點發(fā)展裝配式建筑促進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級,存量建筑更新保護(hù)集約化特征與裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化屬性將以數(shù)字孿生工業(yè)化、信息化核心要素為紐帶建設(shè)互為支撐、互為校核的智能建造體系。建筑傳統(tǒng)語義與數(shù)字現(xiàn)代科學(xué)邁向了互容性、創(chuàng)造表現(xiàn)的共同體研究。但同時我們也應(yīng)意識到,這種數(shù)字化的轉(zhuǎn)型升級要求需最終通過介質(zhì)基礎(chǔ)平臺來實現(xiàn)。

BIM是促進(jìn)裝配式建筑現(xiàn)場裝配服務(wù)的一種有效工具,因為它具有強(qiáng)大的物理和數(shù)字演示管理功能;在裝配式建筑場景中,BIM技術(shù)可以打通設(shè)計、生產(chǎn)、施工裝配整條產(chǎn)業(yè)鏈[50-51]。BIM不僅為三舊改造、既有建筑綜合性能提升與存量建筑更新提供了舊改標(biāo)準(zhǔn)部品部件活化利用的數(shù)字化體系,形成可實時渲染的、以提質(zhì)增效為核心的自由組合式改造框架制度。還通過優(yōu)化建造改造評估反饋機(jī)制,科學(xué)配置存量建筑資源功能要素,實現(xiàn)新型建筑工業(yè)化與城市更新的協(xié)同、可持續(xù)發(fā)展。以數(shù)字化方式創(chuàng)建建筑物理實體的建筑數(shù)字孿生體,建構(gòu)虛實共存、交融孿生的裝配式建筑城市更新場景構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化接口。如基于BIM數(shù)字孿生的新型裝配式鋼節(jié)點混凝土框架結(jié)構(gòu)的智能建造框架研究[52];基于BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的裝配式建筑項目調(diào)度智能化管理平臺構(gòu)建[53];BIM模式下裝配式施工工序優(yōu)化分析[54];以及為抗擊新冠疫情發(fā)揮了重要作用的裝配式建筑在雷神山數(shù)字孿生醫(yī)院的BIM一體化應(yīng)用研究[55]。已初步形成較為完善的基于數(shù)字孿生的裝配式建筑應(yīng)用理論與技術(shù)體系。

此外,在歷史建筑修繕、保護(hù)等工程技術(shù)領(lǐng)域,基于歷史建筑BIM模型,能夠進(jìn)行建筑設(shè)計優(yōu)化、結(jié)構(gòu)安全驗算、施工圖紙深化、施工模擬、材料管理等應(yīng)用,有效指導(dǎo)施工。如基于異構(gòu)模型融合與處理技術(shù)的上海音樂廳平臺化應(yīng)用研究[56],利用BIM技術(shù)實現(xiàn)興隆山握橋伸臂梁結(jié)構(gòu)的復(fù)原研究[57],以及通過建立BIM模型對昭馀古城進(jìn)行的數(shù)字信息化保存記錄[58]。形成了與裝配式建筑、歷史建筑保護(hù)利用有機(jī)結(jié)合的同道共進(jìn)的城市更新未來新發(fā)展格局。以數(shù)字創(chuàng)新為引擎促進(jìn)裝配式語義分割的守正更新,實現(xiàn)基于各類建筑資源更新的城市人居環(huán)境時空結(jié)構(gòu)層次上的高度互聯(lián)。數(shù)字孿生建筑-BIM的裝配式建筑城市更新場景構(gòu)建層遞關(guān)系見圖2。

圖2 數(shù)字孿生建筑-BIM的裝配式建筑城市更新場景構(gòu)建層遞Fig.2 DTB-Layer analysis of urban renewal scenario construction of BIM-based prefabricated building

3 數(shù)字孿生個體(HDT)在城市更新場景構(gòu)建中的應(yīng)用

3.1 數(shù)字孿生人與城市更新

未來,每個人都將擁有自己的數(shù)字孿生[17]。每個人都將擁有一個與人的身體狀態(tài)、運(yùn)動軌跡、行為特征等信息完全一致,從出生到死亡全生命周期的數(shù)字人生[59]。目前個人與數(shù)字孿生技術(shù)的結(jié)合主要是基于以人為本和兩化融合理念:人—信息—物理系統(tǒng)(HCPS)[60],社會化的信息物理系統(tǒng)(CPS)[61],數(shù)字孿生醫(yī)療[62],人因工程[63]等。同時,進(jìn)入城市化進(jìn)程中后期的城市發(fā)展趨緩,以人為本、兩化融合也是基于信息化、工業(yè)化、城市化與社會經(jīng)濟(jì)生活聯(lián)系緊密的城市更新的驅(qū)動力和目標(biāo)導(dǎo)向,已成為面向未來城市進(jìn)化與生長的重大需求,指導(dǎo)城市發(fā)展愿景的重要原則,對于增強(qiáng)城市更新的平衡性與協(xié)調(diào)性發(fā)展都具有十分重要的作用。

孿生人(Human Digital Twin,HDT)是人的“真身代理人(Agent)”或“代具”,代表人在具身的時空中的具身在場狀態(tài),同時也代表人在離身的或壓縮的時空中的分身在場狀態(tài)[64]。廣義的HDT是個體復(fù)雜行為系統(tǒng)的時空間使能方式,并可與其行為空間環(huán)境及其他數(shù)字孿生個體互動。這其中既包括數(shù)字孿生個體及其虛擬行為空間環(huán)境與其他數(shù)字孿生個體間的關(guān)系,與物理實體同生共長;也包括真實本體及其物理行為空間環(huán)境與其他真實本體間的關(guān)系。將個體復(fù)雜行為系統(tǒng)的時空間使能方式及需求特征投影到數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生建筑的虛擬空間環(huán)境中,以虛實交互、聯(lián)結(jié)互構(gòu)的主體空間互動形式的復(fù)雜關(guān)系需求定位劃分城市更新單元。對研究個人時空間行為與建成區(qū)城市、建筑空間形態(tài)以及城市、建筑功能之間的互動機(jī)理,最大限度地發(fā)揮個體參與和城市更新雙向流動要素配置的存量空間發(fā)展優(yōu)勢,突破空間形態(tài)與功能約束堵點具有重要意義。

3.2 城市更新中的個人數(shù)字孿生應(yīng)用

新型城鎮(zhèn)化建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展正在深刻影響著城市空間形態(tài)的演變與重塑。新型城鎮(zhèn)化的本質(zhì)是人的城鎮(zhèn)化,物的城鎮(zhèn)化是由人的城鎮(zhèn)化引發(fā)的。深入推進(jìn)以人為核心的新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略同時包含實施城市更新行動,城市更新以滿足人民宜業(yè)宜居需要為出發(fā)點和落腳點,以功能性改造為重點。數(shù)字孿生城市下的城市體檢需要以人為本,更強(qiáng)調(diào)個體—城市存量空間的使用體驗與增量空間的主觀感知;數(shù)字孿生建筑可實現(xiàn)基于各類建筑資源更新的城市人居環(huán)境時空結(jié)構(gòu)層次上的高度互聯(lián)。將數(shù)字孿生個人置于城市建筑虛擬時空間結(jié)構(gòu)中情境化,突破現(xiàn)有空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化、完善及調(diào)整模式,形成虛實相映、孿生互動、更具復(fù)原力的城市肌理活化平臺,更加強(qiáng)調(diào)物理空間與虛擬空間內(nèi)個體和時空間環(huán)境之間的協(xié)同交互,推動城市空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化和建筑品質(zhì)提升,是以數(shù)字孿生技術(shù)催生城市更新新發(fā)展動能的關(guān)鍵路徑。其中,物理空間是主體,個體數(shù)字孿生是主角,虛擬空間是主干。

從利用信息化和工業(yè)化的高層次技術(shù)與圖形學(xué)技術(shù)將人的肢體周身動作進(jìn)行全要素可視化、數(shù)字化的融合復(fù)現(xiàn),到城市更新虛擬空間、物理空間以及雙向流動的空間共享、資源共享與協(xié)作共享等信息要素的交互。原本靜態(tài)物理空間的更新瓶頸問題得以通過個人數(shù)字孿生與虛擬空間環(huán)境間自上而下地雙向交互中創(chuàng)新性探索,形成個人數(shù)字孿生的區(qū)域時空間延性關(guān)系畫像,更加精準(zhǔn)高效地挖掘出各圈層人口、設(shè)施資源、空間功能引導(dǎo)與城市更新的內(nèi)外聯(lián)動關(guān)系。如實施更新項目與區(qū)域空間人口結(jié)構(gòu)變化的關(guān)聯(lián)性;城市更新職能結(jié)構(gòu)與職住平衡的調(diào)整性;人口規(guī)模與區(qū)域更新單元基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的匹配性;城市更新政策的有效性測度等。為城市更新搭建出可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的個人時空索引云場景,揭示出城市更新復(fù)雜系統(tǒng)背后的驅(qū)動演化規(guī)律與個體響應(yīng)特征。

3.3 數(shù)字孿生個體的時空索引場景構(gòu)建

城市更新應(yīng)用場景的數(shù)字孿生個體狀態(tài)感知數(shù)據(jù)體系構(gòu)成了個體時空間使能信息主體。蘊(yùn)含豐富個體時空間使能信息的大數(shù)據(jù)為數(shù)字孿生個體提供了時空索引場景構(gòu)建的重要契機(jī)與數(shù)據(jù)基礎(chǔ),主要包括SCD數(shù)據(jù)[65]、手機(jī)信令數(shù)據(jù)[66]、GPS數(shù)據(jù)[67]、社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)[68]、交通OD流量[35]與可穿戴傳感器識別等[69]。個體時空間使能信息基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)底板,通過IOT整合數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生建筑等多尺度空間及物聯(lián)感知數(shù)據(jù)。類似于人機(jī)協(xié)作(HRC)中機(jī)器人傳感器、情境傳感器和生物識別傳感器的作用,可穿戴傳感器在很大程度上促進(jìn)了這種時空軸向、事件發(fā)生與空間轉(zhuǎn)換的孿生串聯(lián)。智能手環(huán)、智能手表等常見可穿戴設(shè)備已經(jīng)可以通過人機(jī)交互記錄佩戴者的身體狀態(tài)和使用情況;使用智能設(shè)備全方位、全時段地記錄個體生命特征,形成大量個體信息數(shù)據(jù)庫,以數(shù)字化的形式記錄個體自我活動,從而促進(jìn)人們對人與環(huán)境互動關(guān)系的了解——這正是可穿戴設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域[70]。使其在城市更新發(fā)展過程中構(gòu)成一個經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境全面動態(tài)提升的數(shù)字鏈條閉環(huán),從碎片化的城市更新場景中厘清城市系統(tǒng)要素、城市時空間結(jié)構(gòu)以及與個體的時空延性關(guān)系。

這一過程中,CJJ/T 157—2010《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》、T/CSPSTC 21—2019《建筑信息模型(BIM)與物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術(shù)應(yīng)用規(guī)程》等國家和行業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范將成為場景銜接的固化劑,以太網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee、Wi-fi等通信網(wǎng)絡(luò)將成為物理與虛擬系統(tǒng)實時映射、信息交換所需場景構(gòu)建的膠黏劑,推進(jìn)城市更新創(chuàng)新動力機(jī)制完善,暢通多場景應(yīng)用黏結(jié)路徑。同時,就城市更新中的個人數(shù)字孿生應(yīng)用來說,個人也可以看作是一種數(shù)字化具身在場狀態(tài)的感官傳感器,一種在基本感知功能與時空高度互聯(lián)的算法模型層面上實現(xiàn)的個人數(shù)字永生。數(shù)字孿生個體-時空索引的城市更新場景構(gòu)建層次關(guān)系見圖3。

圖3 數(shù)字孿生個體-時空索引的城市更新場景構(gòu)建層次Fig.3 HDT-Hierarchical analysis of urban renewal scenario construction of spatio-temporal index

數(shù)字孿生個體城市更新中的演進(jìn),最為關(guān)鍵的問題就是在城市更新周期中塑造宏觀的城市立體空間、中觀的建筑功能特性以及微觀的個體時空行為等高級數(shù)字孿生形態(tài),并基于數(shù)字孿生個體行為或時空棱柱體模式窺探城市空間資源與結(jié)構(gòu)、空間質(zhì)量與容量。通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)協(xié)同并消除數(shù)字孿生城市+數(shù)字孿生建筑+數(shù)字孿生個體全時空、全周期數(shù)字信息的差異性,從時空間維度索引構(gòu)建城市、建筑與家庭個體的數(shù)字孿生命運(yùn)共同體。在其全生命周期發(fā)揮協(xié)調(diào)決策作用,將城市更新中的城市、建筑、個體信息數(shù)據(jù)反饋在同一時空資源體系和數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行賦能更新,形成約束有效的區(qū)域內(nèi)部具有更大發(fā)展空間的更新結(jié)構(gòu)形態(tài)。數(shù)字孿生城市-數(shù)字孿生建筑-數(shù)字孿生個體-城市更新場景迭代耦合關(guān)系見圖4。

圖4 數(shù)字孿生城市-數(shù)字孿生建筑-數(shù)字孿生個體-城市更新場景迭代耦合Fig.4 DTC-DTB-HDT-Iterative couplinganalysis of urban renewal scenario

4 結(jié)束語

城市更新不僅是城市總體規(guī)劃、國土空間規(guī)劃與街區(qū)控規(guī)的物質(zhì)機(jī)制類更新,更是創(chuàng)新思路推動城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化、社會時空脆性環(huán)境的尺度重塑。作為城市更新創(chuàng)新發(fā)展的重要使能技術(shù),數(shù)字孿生以萬物生數(shù)、數(shù)生萬物為基礎(chǔ),將城市、建筑、個人多層次時空發(fā)展孿結(jié)成一個虛實疊境的城市更新場景迭代耦合體,成為打通城市更新政策機(jī)制、技術(shù)路線、時空阻隔、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范斷點的柔性化線性尺度與暢通城市更新數(shù)智化路徑堵點的重要抓手。數(shù)字孿生技術(shù)實際上已被視為牽引城市更新轉(zhuǎn)型向數(shù)字化高階演進(jìn)的新基建。

一方面城市更新為數(shù)字孿生提供了集中釋放技術(shù)紅利的深度應(yīng)用場景,另一方面促進(jìn)了數(shù)字孿生科技創(chuàng)新要素合理流向城市韌性空間賦予更新動力?，F(xiàn)階段數(shù)字孿生與城市更新的行業(yè)融合應(yīng)用還主要停留在與其特定交叉的城市建設(shè)管理治理等垂直領(lǐng)域。CIM基礎(chǔ)平臺偏向城市立體空間的管理和表達(dá),BIM偏向建筑、建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá),而IOT偏向縱向空間互通、橫向時間互聯(lián)的物聯(lián)體系。隨著城市更新上升為國家戰(zhàn)略,未來還需培育用于城市更新場景孵化的數(shù)字化轉(zhuǎn)型共性技術(shù)全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈,向城市更新細(xì)分場景應(yīng)用擴(kuò)展,推動城市更新流程再造和模式創(chuàng)新,使其發(fā)展成為展示數(shù)字化發(fā)展最新應(yīng)用成果、實施數(shù)字化改革和數(shù)字化治理轉(zhuǎn)型發(fā)展實踐經(jīng)驗、建設(shè)數(shù)字中國不可或缺的組成部分和重要窗口。