王建翔，胡蔚

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1 引言

“數(shù)字孿生”是指在數(shù)字空間用高度精確的數(shù)字模型來(lái)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，使之能夠隨現(xiàn)實(shí)的情況變化而不斷更迭，并能夠基于數(shù)字模型聯(lián)動(dòng)多源數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)性的仿真分析和可視化的過(guò)程。簡(jiǎn)而言之，“數(shù)字孿生”的基礎(chǔ)即數(shù)字模型、其核心是數(shù)據(jù)。BIM 技術(shù)的關(guān)鍵也是依托在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，具體實(shí)現(xiàn)是在數(shù)字空間中通過(guò)模擬創(chuàng)建具有生命周期的各種場(chǎng)景，并結(jié)合一些優(yōu)化的軟件輔助來(lái)進(jìn)行應(yīng)用，在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)偵測(cè)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤與沖突，從而減少額外的施工成本支出，提升工程效率。BIM 技術(shù)不僅為“數(shù)字孿生”工程提供了全方位的實(shí)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的底層支撐，并通過(guò)解決與其他數(shù)字模型結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)和全方位的業(yè)務(wù)協(xié)同，最大程度的滿足項(xiàng)目的技術(shù)實(shí)踐要求。

本文從全球范圍內(nèi)的BIM 技術(shù)的推廣現(xiàn)狀、BIM 技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)深度應(yīng)用目標(biāo)、BIM 技術(shù)在“數(shù)字孿生”建設(shè)工程的應(yīng)用實(shí)踐等方面對(duì)BIM 技術(shù)在智慧城市數(shù)字孿生建設(shè)工程的應(yīng)用做出初步分析。

2 全球范圍內(nèi)的BIM 技術(shù)的推廣現(xiàn)狀

當(dāng)前，BIM 技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了大力推廣，各國(guó)政府和行業(yè)協(xié)會(huì)都在政策上進(jìn)行了大力推動(dòng)。其中，美國(guó)作為BIM 技術(shù)的發(fā)源地，最早制定出BIM技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。該規(guī)劃在2006 年由美國(guó)軍方的工程技術(shù)人員首次制定，同時(shí)美國(guó)軍方還公布了兩大重要決定：BIM技術(shù)將應(yīng)用于未來(lái)所有軍事建筑項(xiàng)目和該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范由美國(guó)建筑科學(xué)研究院下屬的一個(gè)BIM 標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目委員會(huì)來(lái)負(fù)責(zé)。俄羅斯政府在2017 年對(duì)于國(guó)內(nèi)的建筑合同要求增加應(yīng)用BIM 技術(shù)的條款要求，并在2019 年要求政府工程中的參建方均要采用BIM 技術(shù)[1]。新加坡政府的建筑管理機(jī)構(gòu)要求所有跟政府有關(guān)的項(xiàng)目，在施工建設(shè)的工程中都必須利用BIM 技術(shù)和相關(guān)的應(yīng)用促進(jìn)并優(yōu)化其設(shè)計(jì)，除此之外，還在專業(yè)教育方面通過(guò)開設(shè)課程等方法來(lái)提倡該技術(shù)的普及。日本為了BIM 技術(shù)的研究使用，跟建筑相關(guān)的信息技術(shù)軟件產(chǎn)業(yè)專門組建了BIM 應(yīng)用聯(lián)盟，并積極推出與該技術(shù)相關(guān)的一些從業(yè)指南，目的就是加強(qiáng)對(duì)BIM 從業(yè)者進(jìn)行全方位的指導(dǎo)和交流。

我國(guó)相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，起步較晚，在2011 年住建部發(fā)布《2011-2015 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中首次將BIM 技術(shù)納入建筑信息化的標(biāo)準(zhǔn)中，接著2013年和2016 年相繼推出《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》、《2016-2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，再次明確BIM技術(shù)的重要性，BIM 成為“十三五”建筑業(yè)重點(diǎn)推廣的五大信息技術(shù)之首，至此，待國(guó)家層面的建筑業(yè)BIM 六大標(biāo)準(zhǔn)全部發(fā)布之后，BIM 技術(shù)的應(yīng)用將達(dá)到一個(gè)新的水平。與此同時(shí)，在國(guó)家級(jí)BIM 標(biāo)準(zhǔn)不斷推進(jìn)的同時(shí)，全國(guó)各省針對(duì)BIM 技術(shù)應(yīng)用也出臺(tái)了部分的地方標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還出臺(tái)了一些細(xì)分領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，以及行業(yè)內(nèi)企業(yè)自己制定的BIM 技術(shù)實(shí)施導(dǎo)則。這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、準(zhǔn)則，共同構(gòu)成了完整的中國(guó)BIM 標(biāo)準(zhǔn)序列[2]。

3 BIM 技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)深度應(yīng)用目標(biāo)

隨著國(guó)家城市信息化建設(shè)的推進(jìn)，衍生出智慧城市“數(shù)字孿生”方向，而BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”所需的產(chǎn)品虛擬模型，因此BIM 技術(shù)在城市建筑方面的普及是必然趨勢(shì)，對(duì)智慧城市的發(fā)展也會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)估的影響。從目前來(lái)看建筑行業(yè)內(nèi)對(duì)BIM 技術(shù)應(yīng)用的積極性很高。一是政府相關(guān)政策的引導(dǎo)推進(jìn)，還有就是業(yè)界對(duì)于BIM 技術(shù)所帶來(lái)的革命性價(jià)值的認(rèn)可。從當(dāng)前的應(yīng)用情況來(lái)看，大部分企業(yè)對(duì)于BIM 技術(shù)的應(yīng)用引入還處于項(xiàng)目試點(diǎn)階段，應(yīng)用范圍有限，主要是在行業(yè)內(nèi)技術(shù)層面的點(diǎn)狀應(yīng)用，以項(xiàng)目中單一局部的子項(xiàng)應(yīng)用為主，究其最終原因還是實(shí)施單位的BIM專業(yè)人員不齊全、應(yīng)用頂層設(shè)計(jì)能力有限、綜合應(yīng)用能力基本缺失，故在一定時(shí)期內(nèi)提高BIM 技術(shù)團(tuán)隊(duì)專業(yè)能力，加強(qiáng)全員全過(guò)程應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)BIM 普及應(yīng)用的努力方向。同時(shí)在跨專業(yè)協(xié)同、多系統(tǒng)集成、工程全生命周期方面的BIM 的應(yīng)用也較少，想實(shí)現(xiàn)整個(gè)BIM 技術(shù)體系的應(yīng)用仍需持續(xù)探索和挖掘。BIM 技術(shù)發(fā)揮最大價(jià)值是在大數(shù)據(jù)和協(xié)同的兩個(gè)方面，即通過(guò)BIM 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐、技術(shù)支撐和協(xié)同管理支撐來(lái)達(dá)到高水平應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。主要表現(xiàn)在企業(yè)級(jí)應(yīng)用中能成為企業(yè)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵支撐，項(xiàng)目級(jí)企業(yè)的信息化管理和在項(xiàng)目級(jí)應(yīng)用中能達(dá)到跨專業(yè)協(xié)同、多終端系統(tǒng)集成、應(yīng)用全過(guò)程的目標(biāo)。

4 BIM 技術(shù)在“數(shù)字孿生”建設(shè)工程的應(yīng)用實(shí)踐

4.1 項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)景的分析

建設(shè)場(chǎng)景分析是研究影響建筑實(shí)體定位的重要因素，是明確建筑實(shí)體的空間方位和外觀、建立與周邊環(huán)境景觀聯(lián)系的過(guò)程。在初期規(guī)劃階段，場(chǎng)景所在的各項(xiàng)環(huán)境條件都是影響設(shè)計(jì)的重要因素，需要基于對(duì)環(huán)境現(xiàn)狀、施工配套及項(xiàng)目實(shí)施周邊的交通情況等各類影響因素來(lái)進(jìn)行綜合分析。以往對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)景分析存在如定量分析缺失、主觀因素偏高、規(guī)?；瘮?shù)據(jù)信息處理困難等問(wèn)題。通過(guò)BIM 與GIS 系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)合，兩者優(yōu)劣互補(bǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于場(chǎng)景使用條件和特征，為項(xiàng)目建設(shè)前期制定最優(yōu)的規(guī)劃、交通流線的關(guān)系、實(shí)體功能性建設(shè)布局等重要決策內(nèi)容提供基于可靠數(shù)據(jù)的技術(shù)支撐。

4.2 “數(shù)字孿生”頂層規(guī)劃輔助。

對(duì)比以往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)內(nèi)容及依據(jù)的編制方法，項(xiàng)目頂層規(guī)劃對(duì)建設(shè)目標(biāo)所處社會(huì)環(huán)境及相關(guān)因素的邏輯分析，制定和論證頂層規(guī)劃的依據(jù)，從而確定規(guī)劃內(nèi)容，并合理論證實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的科學(xué)方法。利用BIM 技術(shù)在空間分析方面的能力優(yōu)勢(shì)，可在項(xiàng)目頂層規(guī)劃階段中對(duì)復(fù)雜空間的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)進(jìn)行解讀，提高時(shí)間有效利用率，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開展多元化增值規(guī)劃創(chuàng)造更多可能。在初步方案與建設(shè)方的溝通過(guò)程中以及對(duì)于方案的選擇上，通過(guò)BIM 應(yīng)用的分析數(shù)據(jù)，協(xié)助工程師們完成關(guān)鍵性決策。BIM 應(yīng)用的階段性成果亦能及時(shí)被調(diào)用，方便工程師們隨時(shí)與需求方進(jìn)行溝通交流以便進(jìn)一步完善方案，實(shí)現(xiàn)基于BIM應(yīng)用融合的數(shù)據(jù)信息傳遞和事件追溯。

4.3 可視化及多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)支持

3D 設(shè)計(jì)軟件的使用在一定程度上彌補(bǔ)了建設(shè)方和使用者因缺乏對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙的理解能力而造成與設(shè)計(jì)師的交流障礙，但依舊存在使用功能上的局限，三維可視化展現(xiàn)不論用于前期方案還是用于階段性的效果圖展現(xiàn)，與實(shí)際需求的方案的差距依然明顯。跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)是數(shù)字化設(shè)計(jì)與快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的一大趨勢(shì)，BIM 技術(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)師們來(lái)說(shuō)，不僅是三維可視化的設(shè)計(jì)工具，帶來(lái)更多的對(duì)跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)方面的技術(shù)支撐。

4.4 工程量化統(tǒng)計(jì)和項(xiàng)目性能化計(jì)算能力

BIM 技術(shù)所涉及的應(yīng)用、與各系統(tǒng)對(duì)接而產(chǎn)生極具規(guī)?；脑O(shè)計(jì)信息(幾何信息、材料性能、構(gòu)件屬性等)，再結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)的操作流程、實(shí)體系統(tǒng)的能耗分析、內(nèi)外部氣流模擬、照明分析、人流分析等性能化軟件。通過(guò)BIM 模型導(dǎo)入，大量不同專業(yè)的數(shù)據(jù)自動(dòng)完成錄入和分析處理，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)工程內(nèi)容的精確計(jì)算和建筑物性能的準(zhǔn)確評(píng)估，并分析驗(yàn)證建筑物是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)定和未來(lái)的可持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)建造要求。

4.5 數(shù)字化管理的施工全生命周期

工程實(shí)施是動(dòng)態(tài)的過(guò)程，根據(jù)規(guī)模的擴(kuò)大，復(fù)雜程度亦隨之提高，使項(xiàng)目管理變得極為復(fù)雜?；贐IM 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目數(shù)字化的管理，可以更直觀、精確地了解到整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施的全生命周期。

1）項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃方面

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以利用BIM 應(yīng)用的施工模擬技術(shù)，來(lái)調(diào)整原有的施工計(jì)劃、施工進(jìn)度安排，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)施的數(shù)字化管理。通過(guò)BIM 技術(shù)來(lái)解決項(xiàng)目的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的可建性模擬，按時(shí)序進(jìn)行實(shí)施過(guò)程的分析并優(yōu)化流程。面對(duì)具體項(xiàng)目中關(guān)鍵性施工環(huán)節(jié)，比如涉及到新工藝的部分和平面部分，都可利用BIM 技術(shù)進(jìn)行模擬，從中分析來(lái)提高項(xiàng)目的操作空間。

2）項(xiàng)目物料追蹤方面

隨著國(guó)家對(duì)智慧城市的推進(jìn)，一系列與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化水平也隨之提升，相對(duì)應(yīng)的施工設(shè)備也越來(lái)越復(fù)雜。而構(gòu)件的備貨計(jì)劃，基于設(shè)計(jì)的符合性及品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在獲取建筑物構(gòu)件和其相關(guān)設(shè)備的所有信息時(shí)，BIM 技術(shù)也要結(jié)合RDID技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)兩種技術(shù)的融合使用實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)施過(guò)程中物料的復(fù)雜性管理。

3）項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程專業(yè)協(xié)同方面

基于BIM 搭載的項(xiàng)目共享管理平臺(tái)，能讓項(xiàng)目實(shí)施的各方人員共同就項(xiàng)目方案進(jìn)行溝通，及時(shí)排除風(fēng)險(xiǎn)隱患，減少項(xiàng)目變更數(shù)量，合理縮短工期，降低因設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)產(chǎn)生的成本增加，提升實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率。

4）項(xiàng)目交付及運(yùn)維方面

BIM 技術(shù)利用數(shù)據(jù)與施工管理數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，以及包括隱蔽工程數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)集成，來(lái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)，同時(shí)對(duì)于未來(lái)可進(jìn)行的翻新、改造、擴(kuò)建工程提供有效的數(shù)據(jù)信息。將BIM中包含的建筑信息和物料的完整信息導(dǎo)入資產(chǎn)管理系統(tǒng)，而不必人工錄入數(shù)據(jù)，減少系統(tǒng)初始化過(guò)程中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備方面的時(shí)間及人力成本。BIM 技術(shù)與FRID 結(jié)合，借助RFID 在資產(chǎn)跟蹤定位方面的優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)一個(gè)有序、可靠、可追蹤定位的資產(chǎn)管理系統(tǒng)，大幅提高建筑資產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)效率。

4.6 終端系統(tǒng)結(jié)合BIM 帶來(lái)的功能多元化

以災(zāi)害應(yīng)急的需求為例，在“數(shù)字孿生”城市管理方面，結(jié)合BIM 及相應(yīng)災(zāi)害分析模擬軟件，通過(guò)模擬基于BIM的“數(shù)字孿生”場(chǎng)景中災(zāi)害發(fā)生的全過(guò)程，有效分析災(zāi)害形成的內(nèi)外因素，根據(jù)建筑特征制定避免災(zāi)害的措施和發(fā)生災(zāi)害后在場(chǎng)景中的人員疏散、救援支持的應(yīng)急預(yù)案，并且在實(shí)際災(zāi)害發(fā)生時(shí)，通過(guò)基于BIM 應(yīng)用的“數(shù)字孿生”平臺(tái)可提供救援人員對(duì)于事件發(fā)生環(huán)境的精確信息，有效增強(qiáng)突發(fā)狀況應(yīng)對(duì)措施的能力，場(chǎng)景中的受災(zāi)人員、管理方和救援方都基于應(yīng)用的多種平臺(tái)及時(shí)掌握建筑物內(nèi)部發(fā)生緊急狀況的位置和到達(dá)緊急狀況點(diǎn)最合適的路線，救援人員可以由此做出正確的現(xiàn)場(chǎng)處置，提高應(yīng)急行動(dòng)的成效。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合而言，建筑行業(yè)內(nèi)的各企業(yè)已然隨著BIM 的變革進(jìn)行提升轉(zhuǎn)換，以便能夠充分利用BIM 帶來(lái)的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。項(xiàng)目實(shí)施流程的轉(zhuǎn)換是漸進(jìn)式的，其過(guò)程是先將既有流程上的作業(yè)分項(xiàng)逐一分解分析，評(píng)估其與BIM 協(xié)作平臺(tái)串接所需的功能要求，改變以圍繞BIM 協(xié)作模式為中心，重新接合提升營(yíng)建生產(chǎn)力。這項(xiàng)生產(chǎn)流程的改造，將引發(fā)工程產(chǎn)業(yè)分工結(jié)構(gòu)的重組。而終端的使用也因?yàn)锽IM 的導(dǎo)入而更具多樣化，若流程改造工程得以順利完成，在可預(yù)見的未來(lái)，不具備BIM 能力的企業(yè)將喪失參與重大類復(fù)雜項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)能力。