所謂數字孿生建築，是指綜合運用BIM、GIS、物聯網、人工智慧、智慧控制和系統模擬等數字孿生技術，以實體建築物為載體的建築資訊物理系統，是對建築結構內各類資料進行整合，是物理物件的真實對映。數字孿生要求資訊空間裡面的虛擬數字模型是“寫實”的，是“一種綜合多物理、多尺度模擬的載體或系統，以反映其對應實體的真實狀態”。數字孿生可以將物理空間裡的實時資料與虛擬數字模型緊密聯絡，以描繪相對應的實體建築的全生命週期過程。
數字孿生建築的核心是BIM的應用。當前，BIM技術已被國際工程界公認為建築產業革命性技術，並被許多國家列為強制應用技術。我國上海等地相繼出臺了相關政策，開始在國有投資專案中強制推行BIM技術。
BIM能夠幫助實現全生命週期（見圖1）的管理應用。
1.數字孿生建築的特點
（1）可視性。數字孿生技術基於BIM模型的三維資料進行展示和渲染，實現物理建築的數字化展現，達到更好的視覺化管理效果。
（2）互連性。使用各種互聯技術，如物聯網、5G和大資料等，對建築執行狀態的充分感知、動態監測，實時記錄建築的執行情況。
（3）控制性。透過人性化的合理的介面與模型實現互動控制，模擬在現實生活中的各類情況，為實際建築正常執行做好準備，為突發情況做好預案。
（4）學習性。數字孿生模型可基於前期記錄、互動、模擬的各類資料，實現建築執行模式的機器學習，並能夠分析人員的行為模式。
2.設計階段：並行設計，提高效率
基於數字孿生的設計，主要是應用BIM技術，不同專業可在數字孿生協同平臺進行並行設計，同時進行建築、結構和機電等模型的設計，克服了傳統設計模式中設計週期較長，需要嚴格按照專業先後順序，依次完成建築設計、結構、機電等模型的搭建的缺點，大大縮減了設計週期。同時可以透過基於Web的輕量化協同平臺，應用展示和稽核等工具，分別從設計和施工等人員的角度，對設計模型提前進行“圖紙會審”，從而在源頭上把控建築的質量。
數字孿生設計基於多種BIM軟體的互相配合，最後生成設計模型，其主流建模流程，如圖2所示。
3.施工階段：過程控制，無病移交
3.1施工場地管理的應用
透過數字孿生技術，能夠將施工場內的平面元素立體直觀化，以利於最佳化各階段場地的佈置。例如：綜合考慮不同階段的場地轉換，結合綠色施工中節約用地的理念，避免用地冗餘；臨水臨電、塔吊佈置及其動態模擬，實現最最佳化的塔吊配置；直觀展現用地情況，最大化地減少佔用施工用地，使平面佈置緊湊合理，同時做到場容整潔，道路通暢，符合消防安全及文明施工等相關要求。
3.2施工現場危險源辨識
在數字孿生模型中，將孔洞、臨邊和基坑等與安全生產相關的建築構件突出展示，並與施工計劃和施工過程中所需要的各類裝置及資源相關聯，共同構建數字孿生建築知識庫，實現在數字孿生環境下基坑及建築危險源的自動辨識和危險行為的自動預測。輔助安全管理人員透過數字孿生環境預先識別各類危險源，從重複性、流程性的工作中解放出來，將更多的時間用於對安全風險的評估與措施制定等方面，提前在數字孿生環境中進行安全預控，在施工全過程中保障安全生產。
3.3技術交底
一方面，運用數字化三維視覺化技術可以使施工單位建模流程圖快速瞭解工程的總體情況、施工、結構、機電工程和管道佈置。特別是那些不便於展現的地下管線等構件，透過BIM能清楚地被顯示出來，減小了設計與施工之間的溝通難度，有利於工程的實施與推進。另一方面，運用數字化三維視覺化技術可以按照施工計劃進行虛擬施工，並且可以模擬各專業施工工藝的關鍵程式，既有利於熟悉施工程式，又為成本控制、進度控制和質量控制提供可靠的依據。
3.4碰撞檢查
傳統的二維設計有多種工程管線，專業管線之間相互交叉，施工過程中很難實現緊密的協調與配合。運用數字孿生環境的碰撞檢測功能，可根據各專業管道之間的衝突，設定無壓管壓力管道和大型管道小型管道，以減小施工難度。考慮到管道的厚度、管坡、間距，以及安裝、執行和維護所需的空間，結合工程結構與裝置管道檢測的實用綜合佈置圖繪製圖紙，以加快解決所有專業人員的施工難題。結合BIM的視覺化技術，模擬施工工藝和施工方法，使現場施工不再單純依靠平面圖紙，不僅提高了施工技術能力，還能避免因理解不一致等認知偏差而造成的返工現象，從而加快施工進度和提高現場工作效率。
3.5進度管理
工程實施期間，對建築、道路、基坑和管線等所有構件進行任務分解，對構件（如：支撐梁、管線、3軸攪拌樁、地連牆等）進行工作分解結構（WorkBreakdownStructure，WBS）編碼。憑藉任務與模型的關聯動作，可根據任務時間進行四維動畫模擬，以動畫的形式檢視專案的施工計劃和實際進度，包括瞭解專案各時間段的形象進度及里程碑節點等。將完成的工程實體元件繫結到BIM的ID中，用不同顏色展示構件，透過顏色變化改變元件模型，繼而顯示專案的進度。應用BIM對專案的實際進度與計劃進度進行比較，一旦發現施工進度提前或滯後，可及時發出相應的警報以提前預警。
隨著三維鐳射掃描技術的不斷髮展，BIM技術逐漸被用於獲取現場情況等場合，包括應用BIM連線點雲資料組織管理現場計劃、施工計劃和物流計劃。在同時獲得虛擬照片和場景影象後，服務端平臺會自動比較它們的畫素大小和分析實物與模型的差異，進行建築工作量的計算。
3.6成本管理
BIM模型構件透過構件ID編碼與工程量清單專案編碼建立關聯，包括構件與工程量清單專案名稱、單價、專案特徵等之間的對應關係，並且將相關資料寫入構件明細表對應的資料庫中，同時提取BIM中不同構件及模型的幾何資訊和屬性資訊，彙總統計各種構件的數量。基於BIM開展算量工作，不僅使算量工作得到大幅度簡化並實現自動化，減少了因人為計算失誤等而造成的錯誤，而且極大地節約了工作量和時間，方便稽核人員複核工程量成果，付款時還能直觀地進行檢視。
3.7生產、質量和安全管理
在建設過程中，現場工作人員可以透過移動端App記錄生產任務的實際實施情況，檢視任務過程的控制要求，實時上傳資料至伺服器。其他人員可透過網頁端檢視實際生產工作的跟蹤結果，並與任務計劃進行比較和分析，使任務更加清晰、可控。專案經理透過移動App將施工計劃傳送給現場所有的專業生產負責人，現場製作人員只需拍照報告施工情況即可，而資料即刻被自動送回至伺服器。由BIM平臺快速生成生產資料，形成數字化報表，併發送至專案聯絡群和朋友圈；或經專案生產經理批准發給各參建方，同步監督專案的工作成果，協助專案管理者現場控制施工狀態。
與此同時，手機端可快速記錄施工現場的質量和安全問題，PC端可隨時檢視工程質量及可能出現的安全隱患，並在數字孿生場景中直觀地確定問題的位置。施工現場常見的危險源將由常規檢查點確定，形成固定的檢查計劃，現場管理人員透過掃描二維碼定期檢查現場檢查點，如發現安全隱患，即刻啟動安全檢查程式。此外，PC端還可以驗證現場各巡邏點的視察和執行效果，並全面覆蓋現場的安全管理。
4運維階段：變被動維修為主動維護
數字孿生建築具有較好的綜合分析和預測能力，為預測維修建築物的智慧設施提供了有效的技術支援，是智慧建築物執行與智慧系統一體化的主要模式。從構件資訊和BIM模型的角度看，數字孿生建築結構將智慧結構體系從模型整合到系統，實現了微觀和宏觀的整合。
數字孿生技術的發展為智慧建築提供了堅實基礎，是建築視覺化和數字化的基石。其中，BIM是一個核心引擎，目前得到了建築界的普遍認可，但還需要經過一個較長的磨合期。無論是數字孿生還是BIM，都是未來建築業的總體發展方向——基於數字孿生建築平臺，實現整個建築業的數字化、線上化和智慧化，並最終實現未來建築的美好願景。
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