數字孿生建筑：實現建筑一體化管控

文｜杜明芳

數字孿生建筑

數字孿生建筑的理論基礎源自信息物理系統(CPS)和數字孿生（DT）。信息物理系統是集計算、通信與控制于一體的下一代智能系統。信息物理系統通過人機交互接口實現和物理進程的交互，使用網絡化空間遠程、可靠、實時、安全、協作方式操控物理實體。數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，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，從而反映相對應的實體的全生命周期過程。

數字孿生的本質是基于數據線索的控制。數字孿生建立在信息物理系統基礎之上，更加側重于數據和模型，聚焦數字工程管理與技術兩個層面，促進管理與技術深度融合，為世界提供一種通用的智能基礎理論及發展范式。由數字孿生可推演出“數字孿生- X”系統，如：數字孿生城市、數字孿生建筑、數字孿生社區等。

數字孿生建筑（DTB）可看作是數字孿生系統在建筑載體上的一個具體實現。數字孿生建筑是指綜合運用BIM、GIS、物聯網、人工智能、大數據、區塊鏈、智能控制、系統仿真、工程管理等數字孿生技術，以建筑物為載體的建筑信息物理系統。數字孿生建筑的目標是實現建筑規劃、設計、施工、運營的一體化管控，繪制智慧建筑系統集成“一張圖”，構建智能建筑集成管理“一盤棋”，打造建筑產業服務“一站式”。數字孿生建筑為建筑產業現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向工程與管理融合轉變開辟了新途徑。建筑數字孿生系統可分為建筑物理孿生體和建筑數字孿生體兩部分，對應建筑物理空間和建筑信息空間，以數據為紐帶實現建筑信息物理系統的系統集成，以控制算法與模型為核心實現虛實建筑間的知識交互與迭代優化。數字孿生及數字孿生建筑包括七大要素，可抽象為：物理空間、數字空間、數據、模型、控制、管理、服務。

現實中，要求建筑數字孿生體能夠綜合指揮并動態優化物理建筑的全生命周期工程，因此必須首先開發實現建筑仿真與控制系統。建筑仿真與控制系統包括軟硬件兩個方面，采用的核心技術是計算機輔助設計、系統仿真、自動控制及系統集成。仿真系統的建立包括概念建模、仿真設計、計算機與數學仿真、物理建模與試驗、半實物仿真與驗證、系統集成等關鍵步驟。數字建筑孿生體的最終目標是實現泛在物聯感知及復雜自動控制系統與三維可視化數字模型空間的深度融合，即在可視化構件和系統空間中實現實時泛在感知與自主協同控制，這也是目前尚未真正突破的技術難點。

圖1 數字孿生建筑系統集成參考模型

數字孿生建筑系統集成模型

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

參考模型包含五個層次：單元級、單系統級、集成系統級、企業級、商業級。每個層級內部均可采用數字孿生，從而實現多個顆粒度上的數字孿生。

綜合應用智能控制、人工智能、BIM、GIS、大數據、區塊鏈、系統仿真、AR/VR 等新一代信息技術，建立符合未來建筑系統集成需求的功能全面、集成度高、技術先進的數字孿生建筑系統，賦能傳統建筑改造及傳統建筑產業轉型升級，全面提升建筑產業的智能化水平。數字孿生建筑系統包括四大基礎模型系列：物理模型，邏輯模型，構件模型，數據模型。這些模型組成以物理模型為核心的多模型體系?；诙嗄Ｐ偷臄底謱\生建筑，以及基于數字孿生建筑衍生的數字孿生建造概念模型如圖2所示。

基于數字孿生的智慧建筑系統集成架構如圖3所示。

基于數字孿生的智能建筑集成系統具有以下功能：將物理建筑中的實體模型及業務模型轉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。利用基于數字孿生的智能仿真計算技術，仿真模擬建筑構件從需求到產品加工制造，到施工應用，再到工程交付的全過程，形成優化的仿真結果，指導物理建筑的規劃、建設及運營。物理建筑的實時數據和事件信息為虛擬建筑模型提供反饋修正。通過數字孿生可視化建模工具，開發立體可視化人機交互界面，方便管理和技術人員直觀了解建筑工程全生命周期。

基于數字孿生建筑構建數字孿生城市

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

隨著數字孿生理論和技術的成熟，數字孿生建筑、數字孿生城市相關理論正在逐步建立，相關技術正在開發驗證中。建筑數字孿生體和城市數字孿生體可為“全周期”閉環管理的城市智慧治理提供保障。依據建筑和城市數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，典型的應用是：城市災害監測與防控，應急管理預案可通過城市數字孿生體進行預先演練和綜合模擬驗證，實現對各類應急資源的優化整合與合理調度。

圖2 基于多模型的數字孿生建筑與數字孿生建造概念模型

圖3 數字孿生建筑集成系統架構

數字孿生系統集成法具有集大成的特點，基于數字孿生理論和方法發展智慧建筑系統集成，有可能在未來成為智慧建筑系統集成理論與工程實踐的主導模式。建筑數字孿生體從數據和模型的角度，依據復雜系統控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學性和落地性都極強的解決方案?；跀底謱\生建筑和建筑信息模型，可構建出由模型到系統再到體系的微觀與宏觀一體化的智慧建筑系統集成模式，真正實現基于模型的建筑系統工程。數字孿生建筑的泛在互聯可構建出現代建筑工業化體系，進而構建出基于信息物理系統的數字孿生城市。在此基礎上，可構建數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字孿生為理論基礎，以城市數據為信息基礎，以城市空間地理信息模型、BIM模型及城市智能計算系統模型等多模型為核心，以數據為線索，建立起的服務于城市場景應用的數字孿生體。建立城市信息模型的目的是使城市信息得到更加科學、嚴謹、統一、明確的表達，為城市建設與治理提供數字引擎。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嚴謹的表達，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邏輯集成，因此能夠更好地優化城市、管理城市、治理城市。CIM應依托數字孿生理論和技術建立，宜采用基于模型的復雜系統工程思維。CIM的建立可由數字孿生建筑通過系統集成產生，這也是CIM構建的一條可行路徑。

創新點及發展展望

基于數字孿生的智能建筑集成系統的創新點如下：（1）大數據驅動的三維虛擬建筑場景呈現。（2）建筑系統數據的工程全生命周期貫通。（3）故障異常的實時監測與預測性維護。（4）智能指揮決策與統一協同調度。

數字孿生為智慧建筑系統集成提供了新方法、新手段、新路徑，可有效解決長期以來制約行業發展的眾多瓶頸問題，在系統架構、數據共享、行業平臺等方面均可提供極富實用性和創新性的方案，有可能是大規模城市實時計算時代最具理論價值和實用價值的系統集成方式。

數字孿生建筑系統集成法具有集大成的特點，基于數字孿生理論和方法發展智慧建筑系統集成，有可能在未來成為智慧建筑系統集成理論與工程實踐的主導模式。建筑數字孿生體從數據和模型的角度，依據復雜系統控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學性和落地性都極強的解決方案?；跀底謱\生建筑和建筑信息模型，可構建出由模型到系統再到體系的微觀與宏觀一體化的智慧建筑系統集成模式，真正實現基于模型的智慧建筑系統工程。進一步，可基于數字孿生建筑系統集成實現真正意義上的城市信息模型和數字孿生城市。