智慧建造数字孪生：几何、数值、逻辑的孪生
2023-06-28 来源：数据管理自习室
导 读
数字孪生是将实体物体的几何形态、父子关系、运行状态和关键参数等属性复制到数字空间的技术。
数字孪生应用广泛，能为智慧建造提供全面的支持，从设计到施工，再到运维，具备很多优势，其中包括几何、数值和逻辑几个方面。数字孪生不仅是几何孪生，还包括各个方面的的孪生技术。
为此，本文将深入探讨数字孪生在智慧建造中的几何、数值和逻辑层面的应用。
一、数字孪生技术的基础
在建筑工程领域中，数字孪生技术的基础是BIM（建筑信息模型）技术和物联网技术，使得数字技术和实体建筑得以结合并发挥最大价值。BIM是一种数字化的建筑模型，能够采用三维建模技术来构建现实建筑的数字化模型，并提供准确的建筑信息和各个层面的数据支持。
BIM不仅仅是建筑的设计模型，而且包括了建筑的施工、运营和维护等所有生命周期阶段的信息。BIM的最大好处在于，它运用数字模型的方法代替了传统的图纸，不仅对建筑全体管理工作起到了极大地优化、提升和方便的作用，更能形成建筑物的数字孪生模型，对建筑物信息化建设的进程起到了非常重要的推动作用。
数字孪生是基于BIM技术构建的，将建筑物的BIM模型与传感器和物联网技术相结合，实现针对建筑物的数据采集、存储和分析，为建筑物的全寿命周期管理提供精准支持。数字孪生的好处是，能够将建筑物的设计、施工、运营和维护等信息进行整合和优化，提高项目决策的准确性和效率，使建筑全寿命周期的信息得以完整保存和再使用。
同时BIM也是一个大型数据库，储存整个生命周期当中所有与建物有关系的数据，需要透过各种方式维持数据与数据之间的关联性。
二、数字孪生技术在智慧建造中的几何层面
在智慧建造中，数字孪生的几何层面是最常用和广泛应用的。数字孪生技术可以帮助设计师、施工人员、供应商和子承包商等各方更好地理解建筑物的三维几何形状、内部布局、装置和移动物体等。数字孪生可以帮助建筑物的各项利益相关者更好地理解建筑物的复杂性和特性，精确描述建筑物的属性，并实现从设计到实施的design to as-built 高效管理。
在建筑物的设计阶段，几何孪生可以帮助设计师进行更加准确的3D设计和模拟，并评估设计方案的可行性。在建筑物的施工过程中，几何孪生可以帮助施工人员准确地掌握施工物体的尺寸、形状、重量等特征，帮助施工人员更好地控制施工过程，减少浪费和误差。
数字孪生的几何层面也可以帮助维护人员轻松管理和维护建筑物。数字孪生技术允许维护人员通过数字角度查看所有建筑物的细节和交互，以在实际工作中获得更大的可靠性和检查路径，从而实现更好的工作效率、更少的问题和更少的风险。
三、数字孪生技术在智慧建造中的数值层面
01数值孪生的概念和内涵
数值孪生是通过建筑BIM模型内部信息的提取，构建建筑物的数学模型，包括建筑物的物质、质量、体积、重量和其他测量数据等参数属性。数值孪生还可以包含设计意图、施工细节、设备维护要求等方面的信息，以及各种工程数据等信息。数字孪生允许相关人员对项目的重要数据进行更深入的分析和处理，从而更准确地了解建筑物的状态和性能，为决策提供支持。
简单来说，数值孪生是将分散在图纸、参建人员（设计、施工、监理、投资方等）电脑、头脑上的结构化和非结构化的数据孪生至计算机并存储下来。
02数值孪生的应用场景和价值
1）提高设计和施工效率和质量
基于数值孪生的方法可以分析建筑物的各个参数属性，为设计师提供更准确的建筑物性能数据，以便更好地完成建筑物设计。施工方面，数值孪生可以帮助施工人员更好地理解建筑物构造和特点，从而提高施工效率，降低误工率。
2）模拟和预测建筑物状态和性能
数值层面的数字孪生通常包括计算流体力学仿真、负载分析、结构分析等数值项，可以帮助设计师、施工人员和维护人员等更好地掌握建筑物的行为和性质，并可对建筑物的各项重要特征进行精准预测和分析。例如，在处理建筑物的流体力学问题时，一般需要解决表示流体的连续性方程、动量方程和能量方程等问题。利用数值孪生技术可以模拟建筑物的各个流体力学方面，估算物理变化和性质，使建筑物的各项特性得到更加精确的预测。
3）支持决策和管理
数字孪生的数值层面可应用于突发事件的应急预案制定和料件支持。针对建筑物的逃生、灭火和无线电建议计划等风险和应对措施，透彻有效的数值分析和技术支持可以帮助组织在需要的时候能够做出正确的决策，减少损失。
基于数值孪生的方法还可以提供建筑物各种参数属性的详细信息，这可以支持决策者更准确地了解建筑物的状况和性能，为决策提供支持。例如，决策者可以通过基于数值孪生的分析，确定建筑物的绿色性能、节能性能、安全性能等，为未来的建筑物运营和管理提供优化方案。
四、数字孪生技术在智慧建造中的逻辑层面
01逻辑孪生的概念和内涵
逻辑孪生是指数字孪生中建筑物的逻辑关系和流程呈现，是为了更好地描述和展示设计和建筑项目中的逻辑流程和关键点，以此协助项目管理团队有效地规划、执行和监测项目。
传统的建筑管理技术主要关注建筑物的物理属性，逻辑孪生从逻辑和参数层面，建立更加深入的建筑物管理，将每个物理元素等价映射到逻辑模型中，实现建筑物智慧化管理。
逻辑孪生可以包含不同的标准和规范，例如建筑和结构设计、供水方案等；描述建筑质量保障、安全管理等相关要求和流程，例如案例教学和安全责任等；描述各种业务流程和规则，例如审批流程、修改管理、生产流程等。
02逻辑孪生的应用场景和价值
1）支持项目管理和决策
基于逻辑孪生的方法可以更好地展示项目的实际流程和工作、规范和标准等，为项目管理者提供更全面、更准确的项目管理信息，帮助他们更好地掌握项目进展情况、评估项目风险、制定风控措施等，从而保证项目顺利完成。
2）提高建筑质量和安全管理
基于逻辑孪生的方法可以包含建筑质量保障、安全管理等相关要求和流程，按照规定的流程和要求完成建筑物的各项工作和任务，确保建筑物的施工质量和运营安全。
3）优化审批流程和减少人为错误
基于逻辑孪生的方法可以制定完整的审批流程和规则，为相关人员提供详尽的操作指南，减少人为错误和不必要的审批流程，提高有效性和工作效率。
五、数字孪生在智慧建造中的具体应用
01建筑模拟和可视化
数字孪生技术可以建立建筑物的准确复制品，并将其放置在虚拟空间中。借助数字技术，建筑师和工程师可以在更加详细、准确的模型中评估和优化建筑物的设计，并精确模拟它们在不同条件下的行为。数字孪生技术对于多样化的建筑设计方案的比较、建筑特性、器材选择和预算管理的控制至关重要。这可以运用在工程样板件虚拟确认中。
02建筑物性能模拟和评估
数字孪生模型可以帮助预测建筑物的性能、资源的利用率和生命周期成本，使设计师和工程师更有效地以性能为导向的建设。在摆脱大量重复、手动建模的情况下，采用机器学习技术，建筑师就可以在进行新的建筑建模或基于大模型的生成式设计。
此外，数字孪生技术可以帮助实现建筑物的生态可持续性经济和建筑物的有意义的功能管理，通过收集各种传感器的数据、转化为实际信息，并最终将其与无线电控制系统连接起来，实现数据的分析、模型预测和传感器数据回馈，从而有效地降低建筑物的能耗和环境污染。
03施工和质量管理
数字孪生技术可以帮助监控建筑物的建设过程。电子数据捕获和利用，通过实时监测现场建设情况来预测风险。数字孪生技术可以利用这些数据提供建筑物的主要质量性能和缺陷信息，以提升建筑的可持续性和更好的使用体验。
04维护和运营
在数字孪生建筑物中，监测和维护建筑物的功能和性质是非常重要的。数字孪生模型可以帮助维护人员更好地了解建筑物的状态，更及时地发现和解决问题。建筑物管理者可以利用数字孪生模型为建筑物的整个生命周期提供更好的预测和管理，以提高效率、减少维护时间。
05建筑物智能化
受到物联网技术的发展，数字孪生建筑物技术已经向智能化建筑物的生态系统迈进。数字孪生技术可以帮助建筑物之间的各元素相互接通，实现管理的统一和互联，使整个建筑物的功能和运行更加完善和高效。
六、数字孪生在智慧建造中的优势
01提高效率和减少浪费
快速地模拟和优化建筑物的设计，帮助设计者和工程师避免设计时的错误和缺陷。建筑物的模型可以帮助施工人员更好地掌握建筑物的几何和物理特征，使整个施工过程更加精准和高效。
02降低运营成本
通过对建筑物的各项参数进行精确分析和预测，实现建筑物的全寿命周期管理，从而降低运营成本和维护费用。
03提高安全保障
帮助在建筑物的设计和施工阶段就能够发现可能存在的安全隐患。数字孪生技术的模拟和预测功能还可以帮助建筑物管理者更好地对安全问题进行快速反应和预处理，提高安全保障。
04增强可持续性
帮助建筑物管理者更好地利用资源和节约能源，实现绿色建筑的目标。数字孪生技术可通过对建筑物的不同参数进行模拟和预测，实现建筑物的资源利用和环境控制的最优化管理，使建筑物的可持续性得到进一步提升。
05优化用户体验
帮助实现建筑物的个性化和多样化需求，提高用户体验。在实现建筑物智能化的过程中，数字孪生技术还可以帮助实现建筑物与公众的互动和参与，从而实现更好的信息共享和对话。
七、数字孪生在智慧建造中的挑战和解决方案
01实践中数字孪生的挑战
1）数据质量和数据来源问题
数字孪生模型的精度和可靠性直接影响到数字孪生的应用效果，因此，数字孪生模型必须保证足够的数据量和高质量的数据来源。在实践中，数字孪生面临数据来源和数据质量的问题，例如缺少关键数据、数据错误等。
2）数据格式和标准的不一致性
由于不同领域的数字建模方法不同，数字孪生面临着数据格式和标准的不一致性问题。例如，一个项目的工程师可能使用一种数字建模软件来建立BIM模型，而他的合作伙伴则使用另一种不同的软件来建立BIM模型，这就导致了数据格式和标准不一致的问题。
3）数字孪生与实际建筑物的差异
建筑物是一个非常复杂的系统，数字孪生需要包含大量的实际建筑物的场景和状态。然而，由于建筑物的复杂性和实际环境等因素，数字孪生很难完全呈现实际环境，这导致数字孪生可能存在与实际建筑物的差异问题。
02解决方案
1）数据标准化和共享
为避免数据格式和标准的不一致性，数字孪生需要建立相应的数据标准，以确保数据格式和标准的一致性。此外，数字孪生还可以建立共享平台，以便各个领域的专家和团队可以参与数字孪生建模，确保数字孪生的一致性和准确性。保证BIM数据统一，IFC标准作出了很大的努力：
IFC（Industry Foundation Classes）是由国际非盈利组织BuildingMART制定的一种文件格式，允许使用不同BIM软件的人员在同一项目上进行协作。许多软件厂商相继研发出基于BIM技术的设计软件和协作平台，不同文件格式之间的沟通转换需要统一的数据接口。IFC标准为这种数据接口的开发提供技术依据和准则，为设计文件在众多不同软件和平台之间传输和读取提供便利。例如，使用Revit创建的模型导出IFC格式文件在其它的BIM程序中也能正常打开。
简而言之，IFC是一种BIM数据规范。IFC格式文件包含建筑工程项目整个生命周期所需数据的定义。IFC旨在描述建筑物的组成部分，如厂房、空间、家具、结构元素（柱、梁、墙、地板等），包括每个对象的具体特征。
2）利用先进技术提高数据采集的准确性和完整性
数字孪生需要依赖大量的数据来源，例如传感器、测量设备等。因此，在数字孪生的建模过程中，可以利用新技术来提高数据采集的准确性和完整性。例如，可以利用激光扫描等先进技术来进行建筑物的三维扫描，获取更精确的数据。
3）加强设计和施工过程的数字化管理
数字孪生可以支持数字化管理，例如在设计过程中利用BIM模型进行数据分析、模拟和评估，从而提前预测并解决可能存在的质量、工序、材料等问题，提高施工效率和质量。在施工过程中，数字孪生还可以实现施工管理现场、材料和设备的追溯管理以及各种变更管理等，以保证工程的顺利进行。
八、数字孪生技术的价值
数字孪生技术为建筑工程提供了许多优势，如更准确的建筑模拟、更高效的数据分析、更好的质量管理等。数字孪生最大的优势是能够快速反应实际场景，并在数字空间中尝试可能的解决方案。数字孪生提供了更加精准的数值模拟和逻辑分析，使我们能够更好地预测建筑物的行为和发现可能的问题。数字孪生建筑物的全面参数属性信息，使得全寿命周期管理得到有效的支持，促进了建筑物信息的标准化和共享，提高了管理效率和合作效果。
数字孪生技术在智慧建造中的应用价值不断增长。数字孪生技术未来将会不断拓展应用领域，实现更多细节、更大深度和更多领域的覆盖，助力建筑行业实现更高效率、更广泛的应用和更可持续的发展。
九、数字孪生的发展方向和趋势
数字孪生的发展方向将更加智能化、自动化和集成化，为建筑全寿命周期的各个领域提供更完善的支持和服务。其中，数字孪生的人工智能应用将会显著提高数字孪生的智能化水平，帮助建筑物更好地服务人们的生活和工作。此外，数字孪生的数据共享和可视化也将得到进一步的发展和优化，在数字孪生的建模过程中，更多的数据将被整合和利用，以提高数字孪生的精确性和综合性。数字孪生还将在建筑领域外拓展新的应用领域，例如城市规划、交通运输、环境保护等，将数字孪生技术的优势拓展到更广泛的领域。
总体来说，数字孪生是建筑领域快速发展的重要一环，它将会不断优化和改进传统建筑工程的设计和施工流程，提高建筑全寿命周期的管理效率和效果，为建筑行业的可持续发展提供切实可行的方案。
01智能化数字孪生的应用趋势
数字孪生将更加智能化，将数据分析和机器学习与建筑工程的现实工作相结合，从而更好地帮助设计和施工团队在建筑物的全生命周期中实现更高的效率和质量。例如，数字孪生技术可以在建筑物的预测和模拟过程中采用自学习算法，使得这些模型和算法能够从先前的数据和经验中自动学习新的建筑物特征，更好地模拟建筑物的实际运行情况。
02数字孪生的可视化趋势
数字孪生模型的可视化是数字孪生技术重要的应用方向之一。在后续，数字孪生模型的可视化渲染技术将会不断提升，从而更好地展示数字孪生模型的特征和各项参数属性，直观地展示建筑物的情况。
03数字孪生模型的应用拓展
数字孪生模型的应用将自建筑行业拓展到其他行业领域，例如城市规划、交通规划、能源管理等领域。数字孪生模型可以更好地模拟和测试复杂城市系统的各项参数属性，帮助城市规划和管理者根据实际情况调整规划和管理策略，从而更好地提高城市的可持续发展能力。
十、结 语
数字孪生技术对于建筑工程的未来发展具有重大意义。数字孪生技术将建筑物的物理属性和逻辑属性相互关联，实现建筑物的智慧化管理。数字孪生技术为建筑物的设计、施工、管理、维护、运营等各方面提供了更加精准、高效和可靠的支持，从而实现建筑物的全寿命周期管理。数字孪生技术的发展将使建筑业实现信息化、智能化、数字化和可持续化的进一步发展。
在数字孪生技术的应用中，仍然面临着一些挑战和困难，如数据集成、隐私保护、统一标准、技术与人才等。建筑业应积极应对这些挑战和困难，推动数字孪生技术的应用和创新，不断提升建筑物的设计、施工和管理水平，助力行业的可持续发展。同时，建筑业可以利用数字孪生技术与其他技术相结合，实现更加优秀的解决方案和优秀的客户体验，促进建筑物设计和建筑物运营的效率和质量。
总之，数字孪生技术在智慧建造中的应用对于全面提升建筑物的管理绩效、解决工程问题、节约资源、增强可持续性意义重大。数字孪生技术将为智慧建造领域赋予更多潜力，实现更可靠和高质量的建筑工程，助力建筑业实现新时代的可持续发展。
来源：数据管理自习室作者：莫工
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