科普丨一文看懂数字孪生—应用发展综述（五）

内参来源：中国电子技术标准化研究院

本文截取自：《数字孪生白皮书2020》

作者：赵 波 等

数字孪生应用发展综述

随着物联网的应用更加广泛，各个领域越来越多的企业开始计划数字孪生的部署。Gartner 的研究显示，截至 2019 年 1 月底实施物联网的企业中，已有 13% 的企业实施了数字孪生项目， 62% 的企业正在实施或者有计划实施。工业互联网是数字孪生的延伸和应用，而数字孪生则拓展。了工业互联网应用层面的可能性 。

智慧建筑领域数字孪生应用

数字孪生应用概述

“数字孪生建筑”是将数字孪生使能技术应用于建筑科技的新技术，简单说就是利用物理建筑模型，使用各种传感器全方位获取数据的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，以反映相对应的实体建筑的全生命周期过程。

数字孪生建筑具有四大特点：精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预。

1、精准映射：数字孪生建筑通过各层面的传感器布设，实现对建筑的全面数字化建模，以及对建筑运行状态的充分感知、动态监测，形成虚拟建筑在信息维度上对实体建筑的精准信息表达和映射。

2、虚实交互：未来数字孪生建筑中，在建筑实体空间可观察各类痕迹，在建筑虚拟空间可搜索各类信息，建筑规划、建设以及民众的各类活动，不仅在实体空间，而且在虚拟空间得到极大扩充，虚实融合、虚实协同将定义建筑未来发展新模式。

3、软件定义：数字孪生建筑针对物理建筑建立相对应的虚拟模型，并以软件的方式模拟建筑人、事、物在真实环境下的行为，通过云端和边缘计算，软性指引和操控建筑的电热能源调度等。

4、智能干预：通过在“数字孪生建筑”上规划设计、模拟仿真等，将建筑可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警，并提供合理可行的对策建议，以未来视角智能干预建筑原有发展轨迹和运行，进而指引和优化实体建筑的规划、管理，改善服务。

数字孪生建筑的核心环节在于 BIM 的应用。建筑信息模型（ BIM）是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具和一种信息建模技术，可以实现建筑设计的三维可视化， BIM 技术叠加时间轴形成 4D 模型，进一步叠加成本信息可构筑 5D 模型，对建筑进行多维度考量，可贯穿建筑全生命周期中规划、概念设计、细节设计、分析、出图、预制、施工、运营维护、拆除或翻新等所有环节。

具体到 BIM 软件的核心领域，目前国内厂商占建筑结构设计软件市场优势，建筑信息化模型软件市场仍以国外厂商为主导：

（1）因建筑行业信息化发展迅速，作为建筑信息化的核心软件产品，建筑结构设计软件也吸引了越来越多企业进入。但是由于建筑结构设计软件专业技术门槛较高，目前国内外结构专业设计软件公司的集中度较高，主流软件包括北京盈建科软件股份有限公司 YJK 建筑结构软件系统、建研科技股份有限公司研发的 PKPM 系列软件、北京探索者软件技术股份有限公司的探索者结构系列软件， MIDAS Information Technology Co.，Ltd. 的 Midas 系列软件、上海佳构软件科技有限公司 STRAT 软件、深圳市斯维尔科技股份有限公司 SUP 系列软件等几款国内外结构设计软件产品。

因国外产品价格较高，对中国本土建筑规范理解不足，国外软件只在少量超高层复杂结构设计中有所应用，市场份额较小；而国内的软件，如 PKPM 系列软件等等，因研发应用较早，经过了多年发展在国内市场中具有较高的占有率 。

（2） 国 内 建 筑 信 息 化 模 型（ BIM） 软 件 市 场 上， 以 Autodesk、 DassaultSystems、 GRAPHISOFT、 Tekla 为代表的国外软件厂商依然在设计 BIM 软件领域占据绝对优势，国内企业的 BIM 应用软件都采用国外的Revit、 Tekla 等平台产品。

中国本土 BIM 软件厂商数量较多，开发的软件产品大多属于应用型软件，运行于基础平台软件环境中，这类应用型软件以项目业务为导向，注重将软件产品与本地化业务相结合，以提升项目推进效率，而本土软件厂商在提供应用软件产品的同时，也提供相关配套服务和业务解决方案。但近几年国内 BIM 软件厂商由建造、施工 BIM 软件向协同协作端软件发力，不断将触角伸向产业链上下游，通过本地化产品和配套的技术服务支撑，取得了相当好的成绩。因 BIM 软件研发需要大量的资金投入，目前国内实力的 BIM 研发企业主要有鲁班、广联达、鸿业、品茗等实力较大的软件厂商。

现在，知名的 BIM 软件供应商有 Autodesk、 Trimble、 Bentley、广联达、 RIB Software 等 。

▲全球主要 BIM 软件供应商

（3）典型应用场景介绍

▲数字孪生建筑典型应用场景

数字孪生建筑在规划设计方面主要应用于以下场景 ：

场地分析：传统的场地分析存在诸如定量分析不足、主观因素过重、无法处理大量数据信息等弊端；BIM 结合地理信息系统 (GeographiInformation System，简称（ GIS），对场地及拟建的建筑物空间数据进行建模，通过 BIM 及 GIS 软件的强大功能，迅速得出令人信服的分析结果，帮助项目在规划阶段评估场地的使用条件和特点，从而做出新建项目最理想的场地规划、交通流线组织关系、建筑布局等关键决策 。

功能分析：项目投资方可以使用 BIM 来评估设计方案的布局、视野、照明、安全、人体工程学、声学、纹理、色彩及规范的遵守情况。BIM甚至可以做到建筑局部的细节推敲，迅速分析设计和施工中可能需要应对的问题。方案论证阶段还可以借助 BIM 提供方便的、低成本的不同解决方案供项目投资方进行选择，通过数据对比和模拟分析，找出不同解决方案的优缺点，帮助项目投资方迅速评估建筑投资方案的成本和时间。

对设计师来说，通过BIM来评估所设计的空间，可以获得较高的互动效应，以便从使用者和业主处获得积极的反馈。设计的实时修改往往基于最终用户的反馈，在 BIM 平台下，项目各方关注的焦点问题比较容易得到直观的展现并迅速达成共识，相应的需要决策的时间也会比以往减少 。

空间分析：详图设计阶段发现不合格需要修改，造成设计的巨大浪费，BIM 能够帮助项目团队在功能规划阶段，通过对空间进行分析来理解复杂空间的标准和法规，从而节省时间，提供对团队更多增值活动的可能。特别是在客户讨论需求、选择以及分析最佳方案时，能借助 BIM 及相关分析数据，做出关键性的决定。BIM 在建筑策划阶段的应用成果还会帮助建筑师在建筑设计阶段随时查看初步设计是否符合业主的要求，是否满足建筑策划阶段得到的设计依据。

公用设施分析：在厂区管网规划中，通常相关部门各行其道，造成道路经常被开挖，管线经常被挖断，造成很大经济损失。利用数字孪生技术通过对各类管线进行统一信息化处理，以市政规划数据库为设计基础进行相关管道的设计布线，就可避免错误发生，从而优化管网布置，提高设计及经济效率 。

信息模型构建：以往的二维平面设计对建筑空间尤其是复杂的建筑空间表达效率较低， BIM 是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型， BIM 是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。一个完善的信息模型，能够连接建筑项目生命期不同阶段的数据、过程和资源，是对工程对象的完整描述，可被建设项目各参与方普遍使用，支持建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共享。建筑信息模型同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化方法， 这种方法支持建筑工程的集成管理环境，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率和大量减少风险。

数字孪生建筑在建设实施环节主要应用于以下场景 ：

施工策划：施工组织是对施工活动实行科学管理的重要手段，它决定了各阶段的施工准备工作内容，传统施工组织设计很难协调施工过程中各施工单位、各施工工种、各项资源之间的相互关系。BIM 施工组织可视化在编制施工方案、施工组织设计的同时，将 BIM 技术融入到整个环节中去，以直观可视化的方式进行方案编制辅助、方案模拟验证、方案优化、方案敲定等。从方案模型创建到方案优化再到方案敲定输出，全部基于BIM 技术可视化呈现，更加有益于保证施工组织设计可行性。

造价控制：施工单位精细化管理很难实现的根本原因在于，海量的工程数据无法快速准确获取，以便更好的支持资源计划，致使经验主义盛行。而数字孪生建筑可以让建筑模型快速准确的获得工程基础数据，为施工单位制定精准的资源计划提供有效支持，大大减少了资源、物流和仓储环节的浪费，为实现限额领料、消耗控制提供技术支撑 。

进度管理：建筑施工是一个高度动态的过程，随着建筑工程规模不断扩大，复杂程度不断提高，使得施工项目管理变得极为复杂。通过将BIM 与施工进度计划相链接，将空间信息与时间信息整合在一个可视的4D（ 3D+Time）模型中，可以直观、精确地反映整个建筑的施工过程。可以在项目建造过程中合理制定施工计划、 4D 精确掌握施工进度，优化使用施工资源以及科学地进行场地布置，对整个工程的施工进度、资源和质量进行统一管理和控制，以缩短工期、降低成本、提高质量 。

施工模拟：通过 BIM 可以对项目的重点或难点部分进行可建性模拟，对于一些重要的施工环节或采用新施工工艺的关键部位进行模拟和分析，如可进行深基坑支护分析，各专业综合管线干涉分析等，也可以利用 BIM 技术结合施工组织计划进行预演以提高复杂建筑体系的可造性。借助 BIM 对施工组织的模拟，项目管理方能够非常直观地了解整个施工安装环节的时间节点和安装工序，并清晰把握在安装过程中的难点和要点，施工方也可以进一步对原有安装方案进行优化和改善，以提高施工效率和施工方案的安全性 。

来源：人工智能学家

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原标题：《科普丨一文看懂数字孪生—应用发展综述（五）》

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