BIM 技術在智慧城市“數字孿生”建設工程的應用初步分析

王建翔，胡蔚

（中通服咨詢設計研究院有限公司）

1 引言

“數字孿生”是指在數字空間用高度精確的數字模型來映射真實世界中的事物，并將真實世界中采集的數據信息反映到數字模型，使之能夠隨現實的情況變化而不斷更迭，并能夠基于數字模型聯動多源數據信息進行預測性的仿真分析和可視化的過程。簡而言之，“數字孿生”的基礎即數字模型、其核心是數據。BIM 技術的關鍵也是依托在數據的基礎上，具體實現是在數字空間中通過模擬創建具有生命周期的各種場景，并結合一些優化的軟件輔助來進行應用，在設計階段實現偵測設計錯誤與沖突，從而減少額外的施工成本支出，提升工程效率。BIM 技術不僅為“數字孿生”工程提供了全方位的實體基礎數據的底層支撐，并通過解決與其他數字模型結合實際場景的數據聯動和全方位的業務協同，最大程度的滿足項目的技術實踐要求。

本文從全球范圍內的BIM 技術的推廣現狀、BIM 技術的應用現狀和未來深度應用目標、BIM 技術在“數字孿生”建設工程的應用實踐等方面對BIM 技術在智慧城市數字孿生建設工程的應用做出初步分析。

2 全球范圍內的BIM 技術的推廣現狀

當前，BIM 技術在全球范圍內得到了大力推廣，各國政府和行業協會都在政策上進行了大力推動。其中，美國作為BIM 技術的發源地，最早制定出BIM技術的發展規劃。該規劃在2006 年由美國軍方的工程技術人員首次制定，同時美國軍方還公布了兩大重要決定：BIM技術將應用于未來所有軍事建筑項目和該技術的標準規范由美國建筑科學研究院下屬的一個BIM 標準項目委員會來負責。俄羅斯政府在2017 年對于國內的建筑合同要求增加應用BIM 技術的條款要求，并在2019 年要求政府工程中的參建方均要采用BIM 技術[1]。新加坡政府的建筑管理機構要求所有跟政府有關的項目，在施工建設的工程中都必須利用BIM 技術和相關的應用促進并優化其設計，除此之外，還在專業教育方面通過開設課程等方法來提倡該技術的普及。日本為了BIM 技術的研究使用，跟建筑相關的信息技術軟件產業專門組建了BIM 應用聯盟，并積極推出與該技術相關的一些從業指南，目的就是加強對BIM 從業者進行全方位的指導和交流。

我國相對發達國家來說，起步較晚，在2011 年住建部發布《2011-2015 年建筑業信息化發展綱要》中首次將BIM 技術納入建筑信息化的標準中，接著2013年和2016 年相繼推出《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》、《2016-2020 年建筑業信息化發展綱要》，再次明確BIM技術的重要性，BIM 成為“十三五”建筑業重點推廣的五大信息技術之首，至此，待國家層面的建筑業BIM 六大標準全部發布之后，BIM 技術的應用將達到一個新的水平。與此同時，在國家級BIM 標準不斷推進的同時，全國各省針對BIM 技術應用也出臺了部分的地方標準，同時還出臺了一些細分領域標準，以及行業內企業自己制定的BIM 技術實施導則。這些標準、規范、準則，共同構成了完整的中國BIM 標準序列[2]。

3 BIM 技術的應用現狀和未來深度應用目標

隨著國家城市信息化建設的推進，衍生出智慧城市“數字孿生”方向，而BIM 技術可以實現“數字孿生”所需的產品虛擬模型，因此BIM 技術在城市建筑方面的普及是必然趨勢，對智慧城市的發展也會產生不可預估的影響。從目前來看建筑行業內對BIM 技術應用的積極性很高。一是政府相關政策的引導推進，還有就是業界對于BIM 技術所帶來的革命性價值的認可。從當前的應用情況來看，大部分企業對于BIM 技術的應用引入還處于項目試點階段，應用范圍有限，主要是在行業內技術層面的點狀應用，以項目中單一局部的子項應用為主，究其最終原因還是實施單位的BIM專業人員不齊全、應用頂層設計能力有限、綜合應用能力基本缺失，故在一定時期內提高BIM 技術團隊專業能力，加強全員全過程應用是實現BIM 普及應用的努力方向。同時在跨專業協同、多系統集成、工程全生命周期方面的BIM 的應用也較少，想實現整個BIM 技術體系的應用仍需持續探索和挖掘。BIM 技術發揮最大價值是在大數據和協同的兩個方面，即通過BIM 強大的數據支撐、技術支撐和協同管理支撐來達到高水平應用的標準。主要表現在企業級應用中能成為企業運營的關鍵支撐，項目級企業的信息化管理和在項目級應用中能達到跨專業協同、多終端系統集成、應用全過程的目標。

4 BIM 技術在“數字孿生”建設工程的應用實踐

4.1 項目建設場景的分析

建設場景分析是研究影響建筑實體定位的重要因素，是明確建筑實體的空間方位和外觀、建立與周邊環境景觀聯系的過程。在初期規劃階段，場景所在的各項環境條件都是影響設計的重要因素，需要基于對環境現狀、施工配套及項目實施周邊的交通情況等各類影響因素來進行綜合分析。以往對項目場景分析存在如定量分析缺失、主觀因素偏高、規模化數據信息處理困難等問題。通過BIM 與GIS 系統的應用結合，兩者優劣互補，能夠實現基于場景使用條件和特征，為項目建設前期制定最優的規劃、交通流線的關系、實體功能性建設布局等重要決策內容提供基于可靠數據的技術支撐。

4.2 “數字孿生”頂層規劃輔助。

對比以往根據經驗確定設計內容及依據的編制方法，項目頂層規劃對建設目標所處社會環境及相關因素的邏輯分析，制定和論證頂層規劃的依據，從而確定規劃內容，并合理論證實現這一目標的科學方法。利用BIM 技術在空間分析方面的能力優勢，可在項目頂層規劃階段中對復雜空間的標準和法規進行解讀，提高時間有效利用率，為設計團隊開展多元化增值規劃創造更多可能。在初步方案與建設方的溝通過程中以及對于方案的選擇上，通過BIM 應用的分析數據，協助工程師們完成關鍵性決策。BIM 應用的階段性成果亦能及時被調用，方便工程師們隨時與需求方進行溝通交流以便進一步完善方案，實現基于BIM應用融合的數據信息傳遞和事件追溯。

4.3 可視化及多專業協同設計支持

3D 設計軟件的使用在一定程度上彌補了建設方和使用者因缺乏對傳統設計圖紙的理解能力而造成與設計師的交流障礙，但依舊存在使用功能上的局限，三維可視化展現不論用于前期方案還是用于階段性的效果圖展現，與實際需求的方案的差距依然明顯。跨專業協同設計是數字化設計與快速發展的網絡技術結合的一大趨勢，BIM 技術對于設計師們來說，不僅是三維可視化的設計工具，帶來更多的對跨專業協同設計的數據方面的技術支撐。

4.4 工程量化統計和項目性能化計算能力

BIM 技術所涉及的應用、與各系統對接而產生極具規模化的設計信息(幾何信息、材料性能、構件屬性等)，再結合機械系統的操作流程、實體系統的能耗分析、內外部氣流模擬、照明分析、人流分析等性能化軟件。通過BIM 模型導入，大量不同專業的數據自動完成錄入和分析處理，實現相應工程內容的精確計算和建筑物性能的準確評估，并分析驗證建筑物是否滿足設計規定和未來的可持續標準建造要求。

4.5 數字化管理的施工全生命周期

工程實施是動態的過程，根據規模的擴大，復雜程度亦隨之提高，使項目管理變得極為復雜。基于BIM 應用實現的項目數字化的管理，可以更直觀、精確地了解到整個項目實施的全生命周期。

1）項目實施計劃方面

在項目實施過程中，設計團隊可以利用BIM 應用的施工模擬技術，來調整原有的施工計劃、施工進度安排，實現項目實施的數字化管理。通過BIM 技術來解決項目的關鍵節點的可建性模擬，按時序進行實施過程的分析并優化流程。面對具體項目中關鍵性施工環節，比如涉及到新工藝的部分和平面部分，都可利用BIM 技術進行模擬，從中分析來提高項目的操作空間。

2）項目物料追蹤方面

隨著國家對智慧城市的推進，一系列與之相關的標準化水平也隨之提升，相對應的施工設備也越來越復雜。而構件的備貨計劃，基于設計的符合性及品質標準是項目實施過程中影響的關鍵環節。在獲取建筑物構件和其相關設備的所有信息時，BIM 技術也要結合RDID技術才能實現，通過兩種技術的融合使用實現對實施過程中物料的復雜性管理。

3）項目實施過程專業協同方面

基于BIM 搭載的項目共享管理平臺，能讓項目實施的各方人員共同就項目方案進行溝通，及時排除風險隱患，減少項目變更數量，合理縮短工期，降低因設計協調產生的成本增加，提升實施現場的生產效率。

4）項目交付及運維方面

BIM 技術利用數據與施工管理數據之間的聯系，以及包括隱蔽工程數據信息的數據集成，來實現項目后續的運行維護，同時對于未來可進行的翻新、改造、擴建工程提供有效的數據信息。將BIM中包含的建筑信息和物料的完整信息導入資產管理系統，而不必人工錄入數據，減少系統初始化過程中數據準備方面的時間及人力成本。BIM 技術與FRID 結合，借助RFID 在資產跟蹤定位方面的優勢，呈現一個有序、可靠、可追蹤定位的資產管理系統，大幅提高建筑資產管理水平和生產效率。

4.6 終端系統結合BIM 帶來的功能多元化

以災害應急的需求為例，在“數字孿生”城市管理方面，結合BIM 及相應災害分析模擬軟件，通過模擬基于BIM的“數字孿生”場景中災害發生的全過程，有效分析災害形成的內外因素，根據建筑特征制定避免災害的措施和發生災害后在場景中的人員疏散、救援支持的應急預案，并且在實際災害發生時，通過基于BIM 應用的“數字孿生”平臺可提供救援人員對于事件發生環境的精確信息，有效增強突發狀況應對措施的能力，場景中的受災人員、管理方和救援方都基于應用的多種平臺及時掌握建筑物內部發生緊急狀況的位置和到達緊急狀況點最合適的路線，救援人員可以由此做出正確的現場處置，提高應急行動的成效。

5 結語

綜合而言，建筑行業內的各企業已然隨著BIM 的變革進行提升轉換，以便能夠充分利用BIM 帶來的各項優勢。項目實施流程的轉換是漸進式的，其過程是先將既有流程上的作業分項逐一分解分析，評估其與BIM 協作平臺串接所需的功能要求，改變以圍繞BIM 協作模式為中心，重新接合提升營建生產力。這項生產流程的改造，將引發工程產業分工結構的重組。而終端的使用也因為BIM 的導入而更具多樣化，若流程改造工程得以順利完成，在可預見的未來，不具備BIM 能力的企業將喪失參與重大類復雜項目的競爭能力。