BIM技術(shù)在數(shù)字孿生建設(shè)中的運(yùn)用分析

摘" 要：近年來(lái)，我國(guó)大力推廣數(shù)字孿生建設(shè)模式，有助于提升工程品質(zhì)和增強(qiáng)實(shí)用價(jià)值。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM[A3]"[4]"）技術(shù)作為數(shù)字孿生建設(shè)體系的核心部分，技術(shù)應(yīng)用水準(zhǔn)決定著整體建設(shè)形勢(shì)。鑒于此，[5]"以BIM技術(shù)運(yùn)用體系作為研究對(duì)象，分析了數(shù)字孿生和BIM技術(shù)關(guān)系，多角度研討B(tài)IM技術(shù)運(yùn)用價(jià)值，重點(diǎn)闡述了BIM技術(shù)在數(shù)字孿生建設(shè)項(xiàng)目中的運(yùn)用方法。旨在為實(shí)現(xiàn)模擬仿真及綜合決策提供基礎(chǔ)，推動(dòng)數(shù)字孿生建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù) "數(shù)字孿生建設(shè) "三維建模 "數(shù)據(jù)融合

中圖分類號(hào)：TU17

Analysis of the Application of BIM Technology in Digital Twin Construction

YE Jiuling

Yuance Information Technology Co.， Ltd.， Suzhou，[A6]"[7]" Jiangsu Province， 215000 China

Abstract： In recent years， China has vigorously promoted the digital twin construction model， which helps to improve engineering quality and enhance practical value. As the core part of the digital twin construction system， Building Information Modeling （BIM） technology determines the overall construction situation based on the level of technological application. In view of this， it takes the BIM technology application system as the research object， analyzes the relationship between digital twins and BIM technology， discusses the value of BIM technology application from multiple perspectives， and focuses on the application methods of BIM technology in digital twin construction projects， aiming to provide a foundation for simulation and comprehensive decision-making， and promote the high-quality development of digital twin construction.

Key Words： BIM technology; Digital twin construction; 3D modeling; Data fusion

數(shù)字孿生建設(shè)作為水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志和構(gòu)建現(xiàn)代化水利治理體系的重要驅(qū)動(dòng)和支撐，探索研究傳統(tǒng)水利業(yè)務(wù)與現(xiàn)代信息技術(shù)的深度融合，構(gòu)建實(shí)時(shí)同步、虛實(shí)交互的模擬仿真平臺(tái)，高保真、高精度地還原工程實(shí)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的全生命周期運(yùn)行管控，為決策管理提供前瞻性、科學(xué)性、精準(zhǔn)性、安全性支持。

1 "數(shù)字孿生與BIM技術(shù)的關(guān)系

數(shù)字孿生建設(shè)是在數(shù)字化技術(shù)支撐下，提前在數(shù)字空間環(huán)境內(nèi)，精準(zhǔn)推演工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程和運(yùn)營(yíng)階段交付使用情況，以問(wèn)題防治處理作為功能定位，識(shí)別出潛在問(wèn)題，制訂專項(xiàng)解決方案。同時(shí)，也可以通過(guò)數(shù)字孿生建設(shè)手段，客觀論證工程項(xiàng)目建設(shè)方案、運(yùn)營(yíng)計(jì)劃是否具備可行性。在數(shù)字孿生建設(shè)體系，BIM技術(shù)以創(chuàng)建物理工程數(shù)字鏡像作為功能定位，構(gòu)建多專業(yè)模型與工程場(chǎng)景模型，再把各專業(yè)模型和場(chǎng)景模型整合為工程模型，依托建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）[8]"開(kāi)展仿真試驗(yàn)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程與后期運(yùn)營(yíng)情況^[1]。同時(shí)，BIM技術(shù)還承擔(dān)數(shù)據(jù)集成任務(wù)，向前集成設(shè)計(jì)信息，向后集成施工信息和運(yùn)維信息，為工程項(xiàng)目全生命周期數(shù)字化管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)助力，真正意義上實(shí)現(xiàn)“同步仿真、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化”目標(biāo)。

2 "BIM技術(shù)在數(shù)字孿生建設(shè)項(xiàng)目中的運(yùn)用價(jià)值

2.1" 提升運(yùn)維效率

工程項(xiàng)目運(yùn)維活動(dòng)有著內(nèi)容煩瑣[A9]"、時(shí)間跨度大的特征。BIM技術(shù)依托BIM模型，建立數(shù)字化運(yùn)維管理平臺(tái)，輔助人工高效開(kāi)展各項(xiàng)工作，可視化呈現(xiàn)工程項(xiàng)目投運(yùn)使用情況，迅速辨別異常問(wèn)題與發(fā)送報(bào)警信號(hào)，并通過(guò)開(kāi)展仿真試驗(yàn)，預(yù)測(cè)未來(lái)一段運(yùn)營(yíng)情況，充分論證運(yùn)維管理計(jì)劃可行性，起到提高運(yùn)維效率、降低總體運(yùn)營(yíng)成本和延長(zhǎng)工程使用壽命的顯著作用。

2.2" 助力頂層規(guī)劃

在早期工程項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，高度依賴規(guī)劃人員自身經(jīng)驗(yàn)及主觀判斷，難以提前考慮到全部問(wèn)題，規(guī)劃設(shè)計(jì)方案缺乏合理性，工程建設(shè)階段與運(yùn)營(yíng)階段，頻頻出現(xiàn)預(yù)料之外的突發(fā)情況，由此引發(fā)工程造價(jià)失控、工期延誤、實(shí)際利用效率低于預(yù)期在內(nèi)的一系列問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)用BIM技術(shù)，直接在數(shù)字空間環(huán)境內(nèi)，精準(zhǔn)推演暫定規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的實(shí)施過(guò)程，提前找出、統(tǒng)計(jì)未來(lái)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，評(píng)價(jià)工程項(xiàng)目綜合效益水平是否達(dá)到預(yù)期，針對(duì)性調(diào)整規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，協(xié)助規(guī)劃人員完成關(guān)鍵性決策。

2.3" 沉淀數(shù)字資產(chǎn)

工程項(xiàng)目信息屬于一類無(wú)形的數(shù)字資產(chǎn)，本身并不創(chuàng)造實(shí)際價(jià)值，但通過(guò)高效集成利用數(shù)據(jù)信息，有助于改善工程建設(shè)形勢(shì)和運(yùn)營(yíng)情況，如通過(guò)提高運(yùn)營(yíng)效率、延長(zhǎng)工程使用壽命來(lái)創(chuàng)造額外經(jīng)濟(jì)效益，通過(guò)提高工程設(shè)施服務(wù)品質(zhì)來(lái)創(chuàng)造額外社會(huì)效益。在數(shù)字孿生建設(shè)體系，BIM技術(shù)以沉淀數(shù)字資產(chǎn)作為核心功能，把BIM模型視為一種特殊的數(shù)據(jù)庫(kù)，負(fù)責(zé)持續(xù)采集、存儲(chǔ)工程項(xiàng)目全部信息，對(duì)海量信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，搭建工程數(shù)字資產(chǎn)管理平臺(tái)，提供數(shù)字交付、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析在內(nèi)的多元化服務(wù)^[2]。

3 "BIM技術(shù)在數(shù)字孿生建設(shè)項(xiàng)目中的運(yùn)用方法

3.1" 三維建模

三維建模即為構(gòu)建BIM模型，以BIM模型作為物理工程的數(shù)據(jù)載體，也是數(shù)字孿生平臺(tái)的基礎(chǔ)信息模型，負(fù)責(zé)匯集工程項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的全部信息，包括基本信息、過(guò)程信息以及圖紙資源，通過(guò)BIM模型可視化表達(dá)工程實(shí)體結(jié)構(gòu)與功能特性。三維建模環(huán)節(jié)，工作人員選用Revit軟件或其他建模軟件，以主體結(jié)構(gòu)、各專業(yè)系統(tǒng)、單體設(shè)備、單體構(gòu)件作為建模內(nèi)容，重點(diǎn)掌握建模精度、添加屬性信息、圖屬分離、質(zhì)量控制這4個(gè)方面的技術(shù)運(yùn)用方法。

3.1.1" 建模精度

建模對(duì)象劃分為諸多等級(jí)。正常情況下，對(duì)于土建結(jié)構(gòu)和普通設(shè)備，構(gòu)建功能級(jí)模型單元；對(duì)于重要設(shè)備，構(gòu)建精度更高的構(gòu)件級(jí)模型單元，模型包含數(shù)量、位置、姿態(tài)等相關(guān)信息。也可以按照工程類型來(lái)確定模型精度要求。以水利工程為例，嚴(yán)格遵循水利部印發(fā)的《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》，功能級(jí)模型單元精度等級(jí)為L(zhǎng)OD2.0（多細(xì)節(jié)層次，Level of Detail，LOD），構(gòu)件級(jí)模型單元精度等級(jí)為L(zhǎng)OD3.0^[3]。

3.1.2" 添加屬性信息

空白模型構(gòu)建完畢后，根據(jù)物理實(shí)體對(duì)象情況，向模型內(nèi)添加各項(xiàng)屬性信息，具體包含項(xiàng)目信息、定位信息、建造信息、維護(hù)信息、結(jié)構(gòu)信息等內(nèi)容，明確規(guī)定數(shù)據(jù)格式、類型、編碼規(guī)則以及計(jì)量單位。

3.1.3" 圖屬分離

BIM模型在輕量化處理、格式轉(zhuǎn)換以及場(chǎng)景渲染期間，極易出現(xiàn)信息丟失問(wèn)題。需要在建模流程內(nèi)增設(shè)圖屬分離步驟，把ID（唯一編碼，Identity document，ID）對(duì)應(yīng)屬性信息臨時(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，輕量化模型加載期間，再基于ID調(diào)取對(duì)應(yīng)屬性信息。

3.1.4" 質(zhì)量控制

BIM模型構(gòu)建完畢后，不得直接交付使用，全面檢驗(yàn)?zāi)Ｐ唾|(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，以屬性信息內(nèi)容完整程度、幾何信息是否滿足精度要求、剔除模型無(wú)效體、模型紋理配色是否高度貼合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、模型命名、模型編碼格式、相關(guān)鏈接有效性作為質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容。

3.2" 數(shù)據(jù)融合

從數(shù)字孿生建設(shè)總體視角來(lái)看，數(shù)據(jù)類型眾多，除了BIM數(shù)據(jù)外，還存在二維矢量數(shù)據(jù)、多源地形數(shù)據(jù)、三維矢量數(shù)據(jù)等諸多類型，數(shù)據(jù)格式未能保持一致，這就導(dǎo)致數(shù)字孿生建設(shè)期間出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)亂、平臺(tái)運(yùn)行崩潰情況。對(duì)此，需要把數(shù)據(jù)融合作為BIM技術(shù)的全新功能定位，把BIM模型本體數(shù)據(jù)連同其他全部類型數(shù)據(jù)，集中存儲(chǔ)在BIM數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定格式或統(tǒng)一格式，上傳至BIM模型，組合采取遙感影像勻色拼接、單體化精修、輕量化處理、LOD金字塔在內(nèi)的多項(xiàng)措施，在三維場(chǎng)景內(nèi)高效融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)^[4]。

3.3" 輔助仿真場(chǎng)景

輔助仿真場(chǎng)景即為仿真試驗(yàn)，以BIM模型為載體，結(jié)合工程類型、用途、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件等信息，BIM模型向數(shù)字孿生建設(shè)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)，依托模擬仿真引擎，精準(zhǔn)推演各項(xiàng)業(yè)務(wù)活動(dòng)的開(kāi)展情況，提前辨別處理潛在問(wèn)題。輔助仿真場(chǎng)景具體分為輕量化仿真、高性能仿真兩種類型。其中，輕量化仿真場(chǎng)景側(cè)重于仿真效率，強(qiáng)調(diào)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)迅速出具仿真分析報(bào)告，用于執(zhí)行場(chǎng)景三維展示、可視化呈現(xiàn)業(yè)務(wù)流程等任務(wù)，改善管理?xiàng)l件，減輕工作負(fù)擔(dān)。高性能仿真場(chǎng)景側(cè)重于提高仿真分析結(jié)果準(zhǔn)確性，用于執(zhí)行復(fù)雜決策任務(wù)，如機(jī)電設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)調(diào)度、會(huì)商決策，把物理工程和數(shù)字孿生平臺(tái)進(jìn)行虛實(shí)交互。

3.4" 設(shè)備管理與運(yùn)維決策

在BIM技術(shù)落地運(yùn)用期間，必須在數(shù)字孿生平臺(tái)內(nèi)開(kāi)發(fā)設(shè)備管理、運(yùn)維決策兩項(xiàng)功能，確保工程項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)過(guò)程得到有效控制。其中，設(shè)備管理功能是把設(shè)備運(yùn)行信息持續(xù)導(dǎo)入BIM模型，二者保持關(guān)聯(lián)狀態(tài)，通過(guò)模型可視化呈現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程和使用狀況，建立配套異常報(bào)警機(jī)制和狀態(tài)預(yù)測(cè)機(jī)制。異常報(bào)警是BIM模型判定設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)超出正常范圍后，自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，回溯設(shè)備故障出現(xiàn)過(guò)程，顯示故障設(shè)備編號(hào)位置；狀態(tài)預(yù)測(cè)是通過(guò)歷史數(shù)據(jù)來(lái)總結(jié)設(shè)備運(yùn)行特征與故障規(guī)律，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況。運(yùn)維決策功能負(fù)責(zé)執(zhí)行復(fù)雜決策任務(wù)，工程投運(yùn)使用期間，工作人員依托BIM模型開(kāi)展仿真試驗(yàn)，用于推演調(diào)度計(jì)劃、總體管理計(jì)劃、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃、故障設(shè)備維修計(jì)劃的實(shí)施過(guò)程，比對(duì)分析實(shí)施效果和預(yù)期目標(biāo)，總結(jié)現(xiàn)有計(jì)劃的不合理問(wèn)題，采取專項(xiàng)改進(jìn)措施，確保工程運(yùn)營(yíng)過(guò)程不會(huì)偏離預(yù)期方向。

3.5" 全生命周期數(shù)字化管理

數(shù)字孿生建設(shè)活動(dòng)跨越工程項(xiàng)目全生命周期，所有階段都具備數(shù)字孿生建設(shè)條件和BIM技術(shù)運(yùn)用條件，這也是消除數(shù)字孿生建設(shè)盲區(qū)的關(guān)鍵。因此，BIM技術(shù)運(yùn)用期間，應(yīng)同步施行全生命周期數(shù)字化管理模式，積極拓展BIM技術(shù)在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、現(xiàn)場(chǎng)施工階段、竣工驗(yàn)收階段和運(yùn)維階段的運(yùn)用場(chǎng)景。例如：在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，以輔助規(guī)劃、三維可視化設(shè)計(jì)、數(shù)字化交付作為技術(shù)運(yùn)用場(chǎng)景^[5]。在輔助規(guī)劃場(chǎng)景，基于BIM技術(shù)將各套規(guī)劃方案轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字實(shí)體，規(guī)劃人員可以直接了解不同規(guī)劃方案的預(yù)期建設(shè)成果，選擇符合工程愿景的規(guī)劃方案，再根據(jù)二者偏差情況，完善方案內(nèi)容。在三維可視化設(shè)計(jì)場(chǎng)景，把BIM模型作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)構(gòu)建、修改BIM模型來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)意圖、完善設(shè)計(jì)內(nèi)容，BIM軟件本身具備碰撞檢查、專業(yè)模型整合在內(nèi)的多項(xiàng)功能，有效化解專業(yè)沖突與發(fā)現(xiàn)更多設(shè)計(jì)問(wèn)題。在數(shù)字化交付場(chǎng)景，以BIM模型作為設(shè)計(jì)成果，取代常規(guī)二維平面圖紙，無(wú)[A10]"須額外繪圖，大幅縮短了設(shè)計(jì)周期，幫助施工單位與一線施工人員更為直觀地了解設(shè)計(jì)意圖，有助于改善設(shè)計(jì)、施工活動(dòng)銜接效果，避免因理解誤差而形成施工問(wèn)題。

3 "結(jié)語(yǔ)

綜上所述，BIM技術(shù)已成為數(shù)字孿生建設(shè)體系推廣實(shí)施的技術(shù)保障，也是推動(dòng)工程項(xiàng)目建設(shè)體系轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心支撐。工程各方參建單位理應(yīng)加強(qiáng)對(duì)BIM技術(shù)的運(yùn)用力度，引導(dǎo)BIM技術(shù)融入數(shù)字孿生建設(shè)體系，積極采取三維建模、數(shù)據(jù)融合、輔助仿真場(chǎng)景、設(shè)備管理與運(yùn)維決策、全生命周期數(shù)字化管理在內(nèi)的多項(xiàng)運(yùn)用方法，豐富技術(shù)運(yùn)用手段，深入挖掘技術(shù)價(jià)值，順利打造新一代數(shù)字孿生建設(shè)項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)

[1]王建翔，胡蔚.BIM技術(shù)在智慧城市“數(shù)字孿生”建設(shè)工程的應(yīng)用初步分析[J].智能建筑與智慧城市，2021（1）：94-95，[A11]"98.

[2]侯毅，虞鴻，張冬，等.關(guān)于數(shù)字孿生水利建設(shè)中BIM深化應(yīng)用的思考[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2023，44（S2）：301-304.

[3]申振，姜爽.BIM技術(shù)在數(shù)字孿生建設(shè)中的探索與應(yīng)用[J].東北水利水電，2024，42（12）：58-61.

[4]文博華.鐵路橋梁BIM+數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用研究[J].鐵路工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2024，39（5）：16-21.

[5]陳昭，時(shí)建平，李旭，[A12]"等.數(shù)字孿生技術(shù)在智慧機(jī)場(chǎng)建設(shè)中的幾點(diǎn)思考[J].中國(guó)設(shè)備工程，2024（16）：30-32[A13]".

[6]孟楠，端木森嘉，劉夢(mèng)，等.[A14]"元宇宙應(yīng)用場(chǎng)景創(chuàng)新研究及實(shí)施建議[A15]"：以蘇州工業(yè)園區(qū)為例[J].信息通信技術(shù)與政策，2023，49（9）：74-81.

[7]蒲清平，向往.元宇宙及其對(duì)人類社會(huì)的影響與變革[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2023，29（2）：111-123.

[8]茍尤釗，季雪庭，葉盈如，等.元宇宙技術(shù)體系構(gòu)建與展望[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，52（1）：74-84.

[9]伏麗君.元宇宙概念下成都太古里體驗(yàn)式景觀設(shè)計(jì)研究[D].[A16]"[17]"濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2023.

[10]侯悅.元宇宙概念下的數(shù)字藏品趨勢(shì)研究[A18]"：以《元夢(mèng)》App為例[D]. 上海：東華大學(xué)，2023.