文｜杜明芳

數(shù)字孿生建筑

數(shù)字孿生建筑的理論基礎(chǔ)源自信息物理系統(tǒng)(CPS)和數(shù)字孿生（DT）。信息物理系統(tǒng)是集計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間遠程、可靠、實時、安全、協(xié)作方式操控物理實體。數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多物理量、多尺度、多概率進行仿真，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體的全生命周期過程。

數(shù)字孿生的本質(zhì)是基于數(shù)據(jù)線索的控制。數(shù)字孿生建立在信息物理系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，更加側(cè)重于數(shù)據(jù)和模型，聚焦數(shù)字工程管理與技術(shù)兩個層面，促進管理與技術(shù)深度融合，為世界提供一種通用的智能基礎(chǔ)理論及發(fā)展范式。由數(shù)字孿生可推演出“數(shù)字孿生- X”系統(tǒng)，如：數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生建筑、數(shù)字孿生社區(qū)等。

數(shù)字孿生建筑（DTB）可看作是數(shù)字孿生系統(tǒng)在建筑載體上的一個具體實現(xiàn)。數(shù)字孿生建筑是指綜合運用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)仿真、工程管理等數(shù)字孿生技術(shù)，以建筑物為載體的建筑信息物理系統(tǒng)。數(shù)字孿生建筑的目標(biāo)是實現(xiàn)建筑規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營的一體化管控，繪制智慧建筑系統(tǒng)集成“一張圖”，構(gòu)建智能建筑集成管理“一盤棋”，打造建筑產(chǎn)業(yè)服務(wù)“一站式”。數(shù)字孿生建筑為建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化提供了新思維和新方法，同時也為建筑智能化由工程技術(shù)向工程與管理融合轉(zhuǎn)變開辟了新途徑。建筑數(shù)字孿生系統(tǒng)可分為建筑物理孿生體和建筑數(shù)字孿生體兩部分，對應(yīng)建筑物理空間和建筑信息空間，以數(shù)據(jù)為紐帶實現(xiàn)建筑信息物理系統(tǒng)的系統(tǒng)集成，以控制算法與模型為核心實現(xiàn)虛實建筑間的知識交互與迭代優(yōu)化。數(shù)字孿生及數(shù)字孿生建筑包括七大要素，可抽象為：物理空間、數(shù)字空間、數(shù)據(jù)、模型、控制、管理、服務(wù)。

現(xiàn)實中，要求建筑數(shù)字孿生體能夠綜合指揮并動態(tài)優(yōu)化物理建筑的全生命周期工程，因此必須首先開發(fā)實現(xiàn)建筑仿真與控制系統(tǒng)。建筑仿真與控制系統(tǒng)包括軟硬件兩個方面，采用的核心技術(shù)是計算機輔助設(shè)計、系統(tǒng)仿真、自動控制及系統(tǒng)集成。仿真系統(tǒng)的建立包括概念建模、仿真設(shè)計、計算機與數(shù)學(xué)仿真、物理建模與試驗、半實物仿真與驗證、系統(tǒng)集成等關(guān)鍵步驟。數(shù)字建筑孿生體的最終目標(biāo)是實現(xiàn)泛在物聯(lián)感知及復(fù)雜自動控制系統(tǒng)與三維可視化數(shù)字模型空間的深度融合，即在可視化構(gòu)件和系統(tǒng)空間中實現(xiàn)實時泛在感知與自主協(xié)同控制，這也是目前尚未真正突破的技術(shù)難點。

圖1 數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成參考模型

數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成模型

基于數(shù)字孿生的新型智慧建筑系統(tǒng)集成參考模型，即數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成參考模型如圖1所示。

參考模型包含五個層次：單元級、單系統(tǒng)級、集成系統(tǒng)級、企業(yè)級、商業(yè)級。每個層級內(nèi)部均可采用數(shù)字孿生，從而實現(xiàn)多個顆粒度上的數(shù)字孿生。

綜合應(yīng)用智能控制、人工智能、BIM、GIS、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、系統(tǒng)仿真、AR/VR 等新一代信息技術(shù)，建立符合未來建筑系統(tǒng)集成需求的功能全面、集成度高、技術(shù)先進的數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)，賦能傳統(tǒng)建筑改造及傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，全面提升建筑產(chǎn)業(yè)的智能化水平。數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)包括四大基礎(chǔ)模型系列：物理模型，邏輯模型，構(gòu)件模型，數(shù)據(jù)模型。這些模型組成以物理模型為核心的多模型體系?；诙嗄Ｐ偷臄?shù)字孿生建筑，以及基于數(shù)字孿生建筑衍生的數(shù)字孿生建造概念模型如圖2所示。

基于數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成架構(gòu)如圖3所示。

基于數(shù)字孿生的智能建筑集成系統(tǒng)具有以下功能：將物理建筑中的實體模型及業(yè)務(wù)模型轉(zhuǎn)化為虛擬建筑的信息模型，并建立虛擬建筑與物理建筑之間低延時、高保真的虛擬鏡像。利用基于數(shù)字孿生的智能仿真計算技術(shù)，仿真模擬建筑構(gòu)件從需求到產(chǎn)品加工制造，到施工應(yīng)用，再到工程交付的全過程，形成優(yōu)化的仿真結(jié)果，指導(dǎo)物理建筑的規(guī)劃、建設(shè)及運營。物理建筑的實時數(shù)據(jù)和事件信息為虛擬建筑模型提供反饋修正。通過數(shù)字孿生可視化建模工具，開發(fā)立體可視化人機交互界面，方便管理和技術(shù)人員直觀了解建筑工程全生命周期。

基于數(shù)字孿生建筑構(gòu)建數(shù)字孿生城市

在數(shù)字孿生城市建設(shè)初期，基于BIM技術(shù)、3D-GIS技術(shù)等為城市構(gòu)建城市三維信息模型CIM，為城市各建筑或結(jié)構(gòu)物、自然資源等賦予數(shù)字化屬性，從而對城市的真實地形、地上地下景觀進行數(shù)字化三維模擬，給政府提供一個與真實城市一致的虛擬城市環(huán)境。通過物聯(lián)網(wǎng)、智能感知技術(shù)、智能控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)對建筑和城市實體運行狀況進行實時監(jiān)測與管控。

隨著數(shù)字孿生理論和技術(shù)的成熟，數(shù)字孿生建筑、數(shù)字孿生城市相關(guān)理論正在逐步建立，相關(guān)技術(shù)正在開發(fā)驗證中。建筑數(shù)字孿生體和城市數(shù)字孿生體可為“全周期”閉環(huán)管理的城市智慧治理提供保障。依據(jù)建筑和城市數(shù)字孿生體做出的智慧治理決策指令，能夠反作用于城市物理空間，典型的應(yīng)用是：城市災(zāi)害監(jiān)測與防控，應(yīng)急管理預(yù)案可通過城市數(shù)字孿生體進行預(yù)先演練和綜合模擬驗證，實現(xiàn)對各類應(yīng)急資源的優(yōu)化整合與合理調(diào)度。

圖2 基于多模型的數(shù)字孿生建筑與數(shù)字孿生建造概念模型

圖3 數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字孿生系統(tǒng)集成法具有集大成的特點，基于數(shù)字孿生理論和方法發(fā)展智慧建筑系統(tǒng)集成，有可能在未來成為智慧建筑系統(tǒng)集成理論與工程實踐的主導(dǎo)模式。建筑數(shù)字孿生體從數(shù)據(jù)和模型的角度，依據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學(xué)性和落地性都極強的解決方案?；跀?shù)字孿生建筑和建筑信息模型，可構(gòu)建出由模型到系統(tǒng)再到體系的微觀與宏觀一體化的智慧建筑系統(tǒng)集成模式，真正實現(xiàn)基于模型的建筑系統(tǒng)工程。數(shù)字孿生建筑的泛在互聯(lián)可構(gòu)建出現(xiàn)代建筑工業(yè)化體系，進而構(gòu)建出基于信息物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生城市。在此基礎(chǔ)上，可構(gòu)建數(shù)字孿生城市模式下的城市信息模型（CIM）。

城市信息模型是以數(shù)字孿生為理論基礎(chǔ)，以城市數(shù)據(jù)為信息基礎(chǔ)，以城市空間地理信息模型、BIM模型及城市智能計算系統(tǒng)模型等多模型為核心，以數(shù)據(jù)為線索，建立起的服務(wù)于城市場景應(yīng)用的數(shù)字孿生體。建立城市信息模型的目的是使城市信息得到更加科學(xué)、嚴謹、統(tǒng)一、明確的表達，為城市建設(shè)與治理提供數(shù)字引擎。城市信息模型試圖從城市建模的角度為城市提供更加科學(xué)嚴謹?shù)谋磉_，以“信息”為主線貫穿城市空間，使物理分散的城市在信息空間中實現(xiàn)邏輯集成，因此能夠更好地優(yōu)化城市、管理城市、治理城市。CIM應(yīng)依托數(shù)字孿生理論和技術(shù)建立，宜采用基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程思維。CIM的建立可由數(shù)字孿生建筑通過系統(tǒng)集成產(chǎn)生，這也是CIM構(gòu)建的一條可行路徑。

創(chuàng)新點及發(fā)展展望

基于數(shù)字孿生的智能建筑集成系統(tǒng)的創(chuàng)新點如下：（1）大數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維虛擬建筑場景呈現(xiàn)。（2）建筑系統(tǒng)數(shù)據(jù)的工程全生命周期貫通。（3）故障異常的實時監(jiān)測與預(yù)測性維護。（4）智能指揮決策與統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度。

數(shù)字孿生為智慧建筑系統(tǒng)集成提供了新方法、新手段、新路徑，可有效解決長期以來制約行業(yè)發(fā)展的眾多瓶頸問題，在系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)共享、行業(yè)平臺等方面均可提供極富實用性和創(chuàng)新性的方案，有可能是大規(guī)模城市實時計算時代最具理論價值和實用價值的系統(tǒng)集成方式。

數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成法具有集大成的特點，基于數(shù)字孿生理論和方法發(fā)展智慧建筑系統(tǒng)集成，有可能在未來成為智慧建筑系統(tǒng)集成理論與工程實踐的主導(dǎo)模式。建筑數(shù)字孿生體從數(shù)據(jù)和模型的角度，依據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學(xué)性和落地性都極強的解決方案?；跀?shù)字孿生建筑和建筑信息模型，可構(gòu)建出由模型到系統(tǒng)再到體系的微觀與宏觀一體化的智慧建筑系統(tǒng)集成模式，真正實現(xiàn)基于模型的智慧建筑系統(tǒng)工程。進一步，可基于數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成實現(xiàn)真正意義上的城市信息模型和數(shù)字孿生城市。