基于數(shù)字孿生技術(shù)的建筑裝修可持續(xù)設(shè)計與評估研究

陳孟鴻 周靈次 謝 剛 田 覓 譚 超

數(shù)字孿生技術(shù)是一項新興技術(shù)，能夠創(chuàng)建構(gòu)件、系統(tǒng)或過程的虛擬副本，并在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行實(shí)時交互。該技術(shù)在很多領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，如航空工業(yè)、汽車制造和建筑設(shè)計等領(lǐng)域。首先，數(shù)字孿生技術(shù)可以將建筑模型與實(shí)際施工過程進(jìn)行對比，通過模擬裝修過程中的各種情況，能及時發(fā)現(xiàn)和解決質(zhì)量問題，提高裝修質(zhì)量。其次，數(shù)字孿生技術(shù)可幫助設(shè)計師模擬不同材料的使用效果和可持續(xù)性，包括材料的耐久性、可再生性和環(huán)境影響等，以便在裝修過程中選擇對環(huán)境影響較小的材料。最后，通過數(shù)字孿生技術(shù)能夠模擬不同裝修方案對建筑物能耗的影響，包括采光、通風(fēng)、供暖、空調(diào)等系統(tǒng)，從而在裝修階段選擇最具節(jié)能效果的方案。

本文研究的目的是探尋如何將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于建筑裝修的可持續(xù)設(shè)計與評估，分析該技術(shù)在設(shè)計過程中的具體應(yīng)用，闡述利用該技術(shù)進(jìn)行可持續(xù)性評估的方法，提升設(shè)計效益和建筑質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)的起源和發(fā)展

數(shù)字孿生技術(shù)起源于2002 年，由美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于載人遠(yuǎn)征任務(wù)時首次提出，用于創(chuàng)建復(fù)雜系統(tǒng)的高度詳細(xì)和動態(tài)的虛擬模型，以便在飛船遠(yuǎn)離地球無法進(jìn)行物理干預(yù)的情況下預(yù)測和解決潛在問題[1]。

近年來，數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)制造中發(fā)展迅速，以數(shù)字方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，不僅可以借助數(shù)據(jù)模擬實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的行為，還可以通過命令操作實(shí)體，使生產(chǎn)過程在計劃指導(dǎo)下運(yùn)行。例如，制造行業(yè)借助數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計到制造全過程的數(shù)字化產(chǎn)品管理。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以數(shù)字地圖、數(shù)字查詢系統(tǒng)和空間分析技術(shù)為代表的信息技術(shù)工具越來越多地與城市規(guī)劃相結(jié)合，廣泛用于城市交通規(guī)劃、防災(zāi)規(guī)劃、夜間智能照明系統(tǒng)以及分析城市的地形、氣候條件和環(huán)境因素[2]。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)的主要功能和應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字孿生技術(shù)以其強(qiáng)大的模擬、預(yù)測、優(yōu)化、實(shí)時監(jiān)控以及故障檢測與預(yù)防功能，已廣泛應(yīng)用于航空航天、制造業(yè)、健康醫(yī)療、能源及建筑設(shè)計等多個領(lǐng)域。該技術(shù)能夠在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建并測試實(shí)際物體或系統(tǒng)的高精度模型，實(shí)時收集和處理數(shù)據(jù)，預(yù)測和分析可能出現(xiàn)的問題，以便在實(shí)際投產(chǎn)或?qū)嵤┣埃?xì)地優(yōu)化產(chǎn)品或系統(tǒng)[3]。無論是在創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計、提升系統(tǒng)效率方面，還是在預(yù)防故障、管理生命周期方面，數(shù)字孿生技術(shù)都發(fā)揮著不可或缺的作用。

但是，數(shù)字孿生技術(shù)在建筑裝修的可持續(xù)設(shè)計上應(yīng)用較少。為解決我國建筑裝修的可持續(xù)設(shè)計能力不足的問題，本文提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的建筑裝修可持續(xù)設(shè)計系統(tǒng)，開發(fā)了系統(tǒng)原型，并以實(shí)際案例驗證了該系統(tǒng)框架的可行性。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在建筑裝修設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 深度集成臨建模型與數(shù)字模型

深度集成臨建模型與數(shù)字模型是應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行建筑裝修設(shè)計的關(guān)鍵步驟。該過程通常是先捕捉建筑的當(dāng)前狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)字化，然后創(chuàng)建準(zhǔn)確且詳細(xì)的數(shù)字孿生模型。模型不僅能夠反映出建筑的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，還能夠表現(xiàn)出建筑的熱性能、照明條件和空氣質(zhì)量等方面的信息[4]。

深度集成臨建模型與數(shù)字模型意味著2 個模型能夠?qū)崟r同步更新，當(dāng)物理環(huán)境發(fā)生變化時，如裝修過程中更改設(shè)計或施工條件變化等，數(shù)字模型也會立即更新。該特性使設(shè)計師能夠及時追蹤施工過程，實(shí)時預(yù)測和評估裝修效果，及時調(diào)整方案，避免設(shè)計和施工中的潛在問題。

2.2 實(shí)時數(shù)據(jù)采集與模型更新

實(shí)時數(shù)據(jù)采集和模型更新要先從建筑中收集實(shí)時數(shù)據(jù)，再利用這些數(shù)據(jù)更新數(shù)字模型，使其與實(shí)際狀態(tài)保持一致。

首先，需要在建筑中安裝傳感器和監(jiān)控設(shè)備，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器以及施工設(shè)備傳感器等。傳感器將會不斷收集建筑中各種參數(shù)和指標(biāo)數(shù)據(jù)，如施工進(jìn)度和材料使用情況等。其次，將網(wǎng)絡(luò)傳輸收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。最后，基于處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時更新數(shù)字模型，通過實(shí)時數(shù)據(jù)采集和模型更新，可以實(shí)現(xiàn)與建筑裝修過程的互動和監(jiān)控。設(shè)計師和工程師可以通過實(shí)時的數(shù)字模型來預(yù)測裝修過程中的問題和風(fēng)險，及時進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

2.3 模型分析與效能改進(jìn)

數(shù)字孿生模型的分析功能為效能改進(jìn)提供了重要參考。數(shù)字模型不僅能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時更新，還可以模擬和分析各種可能情況，從而找出最優(yōu)的設(shè)計和操作參數(shù)。

首先，設(shè)計師可以利用數(shù)字模型模擬各種裝修方案，評估方案的性能和效果，預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，幫助設(shè)計師找出最優(yōu)設(shè)計。其次，在數(shù)字模型上模擬最優(yōu)裝修方案，預(yù)測方案的性能，如能源使用效率、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和環(huán)境舒適度等，以此為依據(jù)調(diào)整設(shè)計方案，優(yōu)化施工工藝。最后，基于模型分析結(jié)果，設(shè)計師可以持續(xù)改進(jìn)裝修效能，提高裝修質(zhì)量和效果，降低能源消耗和裝修成本。

2.4 建筑裝修設(shè)計中的可持續(xù)性評價體系

一般采用環(huán)境質(zhì)量的相對百分比來評估裝修設(shè)計的可持續(xù)性[5]。

環(huán)境質(zhì)量指數(shù)計算公式：

式中，p為環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；q為建筑裝修的類型；x為權(quán)重指數(shù)；N為類型的數(shù)量；I為建筑裝修集合；m為環(huán)境評估評價總體指數(shù)。

環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的數(shù)值越大，可持續(xù)性越好。基于測量數(shù)據(jù)中污染參數(shù)與污染危害的關(guān)系，建立類似經(jīng)驗公式的指數(shù)計算公式，獲得單因素污染指數(shù)[6]。通過煙霧系數(shù)間接測量空氣中顆粒物的含量，SO2污染指數(shù)計算公式：

式中，ρ為平均參考值；S為測量污染物的濃度。

煙霧系數(shù)計算公式：

3 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于建筑裝修可持續(xù)設(shè)計與評估的案例分析

3.1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的建筑裝修建模過程

Revit 軟件是1 種操作簡單的自由建模和參數(shù)化設(shè)計工具，能夠精細(xì)控制對象內(nèi)部和外部的尺寸。借助Revit軟件可以在項目開發(fā)初期進(jìn)行設(shè)計分析，自由繪制草圖并快速建立三維模型。首先，根據(jù)建筑裝修的可持續(xù)性特點(diǎn)及建筑主體構(gòu)件的尺寸和材質(zhì)，利用Revit 軟件建立建筑模型。其次，利用Fuzor 插件模擬裝修過程，使建筑裝修過程可視化。最后，結(jié)合建筑熱環(huán)境設(shè)計模擬工具包（Designer's Simulation Toolkit，DeST）的分析，收集并設(shè)置污染物的濃度指標(biāo)等參數(shù)，獲得最適合的建筑裝修可持續(xù)設(shè)計方案[7，8]。基于數(shù)字孿生技術(shù)的建模過程，如圖1 所示。

圖1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的建模過程（來源：作者自繪）

3.2 商業(yè)大樓翻新項目

在我國北方某商業(yè)大樓翻新項目中，設(shè)計團(tuán)隊使用數(shù)字孿生技術(shù)，優(yōu)化了裝修設(shè)計方案并實(shí)現(xiàn)了建筑可持續(xù)性目標(biāo)。首先，通過安裝傳感器實(shí)時收集大樓的參數(shù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)建立全面的數(shù)字模型。其次，模擬不同的裝修方案，找到最能夠提高能源效率和環(huán)境舒適度的設(shè)計方案。再次，在裝修過程中持續(xù)更新模型，實(shí)時反映施工過程的實(shí)際變化，從而及時調(diào)整裝修方案。最后，通過監(jiān)測能源消耗和二氧化碳排放等指標(biāo)，確認(rèn)裝修方案實(shí)現(xiàn)預(yù)期的可持續(xù)性目標(biāo)。基于可持續(xù)評價體系，得出該案例的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，如表1 所示。其中，A+、A、B 所代表的污染指數(shù)依次減小，指數(shù)越大說明污染物對人體傷害越大。通過表1 可知，利用數(shù)字孿生技術(shù)可以有效管理污染源，通過不斷調(diào)整施工方案降低了環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，污染指數(shù)也相應(yīng)降低。

表1 可持續(xù)性環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

3.3 老舊住宅翻新項目

在我國北方某老舊住宅翻新項目中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)。首先，建立詳細(xì)的數(shù)字模型，反映原始建筑的所有特性，如圖2 所示。然后，通過模擬不同的改造方案，評估每個方案在提高隔熱性、減少能源消耗和提高舒適度等方面的表現(xiàn)，選出最符合可持續(xù)性目標(biāo)的方案[9]。

圖2 基于數(shù)字孿生技術(shù)某老舊住宅翻新項目（來源：軟件）

在裝修過程中，使用傳感器檢測數(shù)據(jù)并持續(xù)更新模型，使其與實(shí)際建筑始終保持同步，以便了解施工過程中的更改或突發(fā)情況，及時修改設(shè)計。同時，評估項目的環(huán)境影響和建筑性能，根據(jù)反饋進(jìn)行方案調(diào)整[10-12]。該項目證明了數(shù)字孿生技術(shù)有助于提高裝修效率，實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)性目標(biāo)。基于可持續(xù)評價體系，得出該案例的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，如表2 所示。

表2 可持續(xù)性環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

4 結(jié)語

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)通過實(shí)時數(shù)據(jù)采集和模型更新，能夠?qū)崟r監(jiān)控裝修過程，提供精確且及時的反饋。同時，該技術(shù)具有深度模擬和分析功能，幫助設(shè)計師預(yù)測建筑性能，為設(shè)計方案優(yōu)化提供參考。通過模擬和監(jiān)測能源消耗和二氧化碳排放等重要指標(biāo)，可以評估裝修方案是否符合可持續(xù)性目標(biāo)，并進(jìn)行必要的效能改進(jìn)。

經(jīng)實(shí)際案例證明，在實(shí)際施工過程中，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于建筑裝修設(shè)計中，可以顯著提高設(shè)計效率和建筑裝修質(zhì)量，提高建筑的能源利用率和環(huán)境友好性。