隨著數(shù)字孿生的概念不斷被人們所認(rèn)識，各行業(yè)都在積極響應(yīng)這一概念，但到底何為“孿生”，并沒有統(tǒng)一定義。這個疑惑也同樣一直纏繞著我。今天看一篇由王院士分享的文章，題目為“數(shù)字孿生——起源的故事”，讀后有些想法，也對建筑數(shù)字孿生于其意義有了更加清晰的認(rèn)知。
文章中詳細(xì)的介紹了“孿生”概念的由來，從概念的提出到實踐，文章中深入的探討了Michael Grieves、王飛躍或是NASA誰應(yīng)該是“孿生”概念第一人。其中詳細(xì)描述了一個NASA的案例：Apollo 13登月飛行中發(fā)生的一段歷史。無論誰是“孿生”第一人，NASA的案例給我們很好的詮釋了何為“數(shù)字孿生”。
50年前的4月14日，Apollo 13號宇宙飛船已經(jīng)遠(yuǎn)離了地球210,000英里。Apollo 13生活艙中的一個氧氣罐發(fā)生了爆炸，爆炸嚴(yán)重地?fù)p壞了主推進(jìn)器，同時氧氣被泄露到了太空之中。時間每經(jīng)過一分鐘，受損的太空飛船就會飛離地球400英里。這種狀況是人類歷史上的首次。如何讓三名宇航員安全回家，成為了數(shù)千名NASA地面支持人員在之后3天半時間里夜以繼日工作的唯一目標(biāo)！他們?nèi)绾位丶夷?？這是一個巨大的挑戰(zhàn)。
NASA做到了，成功地將宇航史上，很可能的發(fā)生的最大災(zāi)難，轉(zhuǎn)化為一個巨大的令人興奮的成功。
做到這一切的一個關(guān)鍵是，在NASA的身后，有一套完整的、高水準(zhǔn)的地面仿真系統(tǒng)，用于培訓(xùn)宇航員和任務(wù)控制人員所用到的全部任務(wù)操作，包括了多種故障場景的處理。其中一些故障場景處理，在Apollo 11與 Apollo 13的任務(wù)完成過程中，證明了其價值所在。
是NASA成功了？當(dāng)然是！但更應(yīng)該歸功于模擬器。這些模擬器或者叫做仿真器，才是真正的英雄。這些模擬器難道不是現(xiàn)在火熱的數(shù)字孿生一個實實在在的案例？準(zhǔn)確地說，應(yīng)該是數(shù)字孿生和物理孿生的結(jié)合體。所以，西門子工程師Stephen Ferguson說：“Apollo 13: The FirstDigital Twin”。
從這個例子中可以看出，數(shù)字孿生的內(nèi)核還是模擬與仿真。而模擬與仿真的前提則是有一套完整的、高水準(zhǔn)的仿真系統(tǒng)。
1、BIM與“建筑數(shù)字孿生”
BIM作為建筑行業(yè)的數(shù)字化技術(shù)，其終極目的也應(yīng)是“數(shù)字孿生”，實現(xiàn)模擬仿真。但是對此，我們的認(rèn)知并不相同。如文中所描述，“現(xiàn)在大多數(shù)的應(yīng)用場景都是使用現(xiàn)有數(shù)字技術(shù)，似乎沒有數(shù)字孿生，也不影響其實用效果”。放在建筑行業(yè)，這句話同樣適用，我們在處理建筑的各類模擬仿真時依然使用傳統(tǒng)的數(shù)字技術(shù)，比如力學(xué)計算、日照分析、能耗分析、流線分析、風(fēng)力計算、節(jié)能分析、照明計算、甚至是我們最常見的效果圖。
當(dāng)我們使用傳統(tǒng)的數(shù)字技術(shù)完成這些工作時看起來似乎也沒有什么大問題，一樣可以得到令人滿意的結(jié)果，通過專家的審查以及得到業(yè)主的認(rèn)可。但是這些結(jié)果與其效用看起來并不像NASA的模擬器一樣那么有價值。由于傳統(tǒng)數(shù)字技術(shù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)不完善，導(dǎo)致其模擬的結(jié)果是片面的，不能實際去指導(dǎo)和預(yù)測生產(chǎn)。我們在“黃果樹游客中心”項目中有這樣一個關(guān)于照明模擬的案例。照明專項設(shè)計在設(shè)計過程中會對其設(shè)計利用傳統(tǒng)的技術(shù)做照明計算，并提供了準(zhǔn)確的燈具選型以及位置，整個設(shè)計，模擬過程看起來并沒有什么問題。但當(dāng)我們在BIM的基礎(chǔ)上再次做照明模擬時發(fā)現(xiàn)其忽略了場地中的樹木，場地中的植物大量遮擋了燈光，導(dǎo)致其設(shè)計并不成立。這是一個非常典型的傳統(tǒng)數(shù)字技術(shù)與“孿生數(shù)字”技術(shù)的差別，也就是片面性，類似的問題幾乎會發(fā)生在建筑設(shè)計全流程的每一個環(huán)節(jié)。NASA之所以可以利用其強(qiáng)大的模擬器實現(xiàn)成功的營救，前提是他們在地面環(huán)境有一套“完整的”數(shù)字化系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境中模擬的內(nèi)容，可以準(zhǔn)確的被宇航員實施。
我認(rèn)為NASA的例子可以很好的回答我們對BIM質(zhì)疑，傳統(tǒng)的技術(shù)手段中，有三維電子模型，有二維電子圖紙，各類分析工具，為什么我們還需要BIM呢？因為傳統(tǒng)的數(shù)字技術(shù)均是片面的，不具備“數(shù)字孿生”虛擬與現(xiàn)實一一對應(yīng)的特點。反過來說，即使我們使用了BIM技術(shù)，但是其數(shù)據(jù)是割裂的，同樣不具備“數(shù)字孿生”的特點，那和傳統(tǒng)的數(shù)字技術(shù)也不會有本質(zhì)上的差別。這也很好解釋為什么現(xiàn)階段出現(xiàn)了很多“假”BIM
2、“真”BIM的幾個必要條件
“真”BIM我認(rèn)為至少要滿足的三個條件1、實體數(shù)字化2、虛體數(shù)字化3、編碼系統(tǒng)
先來說“實體”。我在這里指的一一對應(yīng)并非指形態(tài)上的“一模一樣”，這樣做會導(dǎo)致災(zāi)難性的幾何圖形龐大。這里強(qiáng)調(diào)的是每一個現(xiàn)實中的建筑構(gòu)件都應(yīng)有與之對應(yīng)的“數(shù)字孿生”，而該“數(shù)字孿生”即可以是具象的，同樣也可以是抽象的。BIM中的每一個構(gòu)件在某些方面可以不完善，但其必須包含一些必不可少的關(guān)鍵要素。對不同建筑構(gòu)件的“數(shù)字孿生”化，即是我們對真實世界認(rèn)知的抽象描述，又是我們對數(shù)字世界的具象構(gòu)成。所以，在BIM中我們可以對構(gòu)件有區(qū)分的抽象描述，但必須保持其完整性。對每一個實物的缺失，都會讓BIM的價值打折扣。
在此，我突然想起了最近常在討論的一個話題，關(guān)于BIM輕量化的問題。其中有一種觀點是，BIM輕量化即是對BIM模型簡化，而簡化的標(biāo)準(zhǔn)是建筑表觀的完整度。我認(rèn)為這種方式是不可取的。BIM的輕量化應(yīng)該建立在其還是BIM的基礎(chǔ)上，當(dāng)我們從視覺角度去判斷輕量化那些內(nèi)容的時候，我們已經(jīng)失去了“數(shù)字孿生”的基本理念。“孿生”并非單純表觀的一致性，而是應(yīng)該在數(shù)字環(huán)境中能找到其一一對應(yīng)的數(shù)字表達(dá)。
我們再來討論一下“虛體”，“虛體”是一些看不到，非實體物體，多為抽象概念，如空間、分區(qū)、路徑、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)模型、能耗模型等。這些“物體”均為建筑中不可或缺的部分，對其數(shù)字化抽象描述是BIM中必不可少的一部分。這也從另一個角度說明從表觀角度判斷BIM的完整性是片面的。如結(jié)構(gòu)關(guān)系的正確，結(jié)構(gòu)BIM模型的正確并非僅僅是幾何圖形的正確，更重要的是結(jié)構(gòu)力學(xué)線的關(guān)系的正確，這樣的BIM模型才具備力學(xué)分析的基礎(chǔ)。類似邏輯關(guān)系的缺失或不正確，意味著整個BIM模型會淪為花架子。當(dāng)然除此之外還有空間關(guān)系、機(jī)電系統(tǒng)、系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系等。這些看不見的東西在更大程度上決定了BIM模型是否可以像NASA的模型一樣用來做模擬與預(yù)判。
最后我們再來說一下BIM中的編碼系統(tǒng)。一個字典如果沒有目錄，對于使用者將是災(zāi)難性的。沒有編碼系統(tǒng)的BIM的同樣是災(zāi)難性的。編碼系統(tǒng)是對BIM信息的“專業(yè)化”分類。我在這里強(qiáng)調(diào)專業(yè)化的原因是，絕大多數(shù)的BIM工具對模型和信息有自己的分類與管理方式，但是這些分類方法均不夠純粹，與工程實踐不一致，難以與工程實踐相結(jié)合。所以需要一套以工程實踐為基礎(chǔ)的信息分類編碼對建筑信息模型進(jìn)行統(tǒng)一管理。
3、BIM的模型深度
BIM是建筑“數(shù)字孿生”的具體實現(xiàn)。但是BIM到底應(yīng)該做到什么深度，體現(xiàn)哪些數(shù)據(jù)，一直是一個很模糊的概念。站在行業(yè)不同的角度，對其有不同的解答。NASA的案例從某種角度講很好的回答了我們這個問題。真實與虛擬的一一對應(yīng)我認(rèn)識為基礎(chǔ)。有人可能會質(zhì)疑，關(guān)于模型的大小，計算機(jī)的承載力，包括成本等等問題。在這里強(qiáng)調(diào)的一一對應(yīng)并不是一模一樣，而是有對應(yīng)關(guān)系。數(shù)字物體可以是抽象的表達(dá)或者概括表達(dá)，比如結(jié)構(gòu)柱，我們需要表達(dá)其混凝土與鋼筋的部分，但是不一定需要表達(dá)其中的每一根鋼筋，而可根據(jù)需求對鋼筋整體做抽象表達(dá)。在特定的需求的情況下，可以再基于該抽象深化或分析等。但是在BIM中不應(yīng)該缺少對鋼筋的表達(dá)。每一個實物要素都應(yīng)該能找到其在數(shù)字環(huán)境中的表達(dá)。
4、總結(jié)：
NASA在多年以前就給我們展示了“數(shù)字孿生”的價值與意義，BIM在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用也將像NASA的案例一樣，在工程建設(shè)，使用安全，社會管理等方面帶來巨大的價值。但前提是要有一套像NASA一樣的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)，而其中的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)BIM，必須是“真”BIM，而一個真BIM應(yīng)該包含以下幾個基本因素。1、BIM構(gòu)件與現(xiàn)實實物的一一對應(yīng)。2、對于非實體概念的準(zhǔn)確表達(dá)。3、建筑信息的編碼系統(tǒng)。缺少或不能準(zhǔn)確表達(dá)其中任何一個部分，BIM將不具備“數(shù)字孿生”的價值。
