導(dǎo) 讀
隨著大數(shù)據(jù)、云霧計(jì)算等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字孿生體使能技術(shù)不斷進(jìn)步，深度學(xué)習(xí)算法體系和通用算法包的逐步成熟，基于數(shù)字孿生體技術(shù)應(yīng)用的“數(shù)字孿生建筑”發(fā)展迎來了絕佳機(jī)遇。未來的“數(shù)字孿生建筑”應(yīng)該是自學(xué)習(xí)、會思考，可以與人自然地溝通和交互的智慧化建筑，具有對各種場景的自適應(yīng)能力，并且作為“數(shù)字孿生城市”的一部分，可以在更高的結(jié)構(gòu)層次上高度互聯(lián)。
“數(shù)字孿生建筑”是將數(shù)字孿生體使能技術(shù)應(yīng)用于建筑科技的新技術(shù)，簡單說就是利用物理建筑模型，使用各種傳感器全方位獲取數(shù)據(jù)的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，以反映相對應(yīng)的實(shí)體建筑的全生命周期過程。“數(shù)字孿生建筑”將會成為“數(shù)字孿生城市”的中控載體。通過中控中心，可以掌控“數(shù)字孿生城市”一切過程應(yīng)用的數(shù)字動態(tài)，實(shí)時對城市運(yùn)行過程中各項(xiàng)數(shù)字信息進(jìn)行動態(tài)維護(hù)、預(yù)警和解決問題。全球知名的未來學(xué)家Thomas Frey預(yù)測，到2022年，85%的物聯(lián)網(wǎng)平臺將使用某種數(shù)字孿生體技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，少數(shù)城市已開始率先利用數(shù)字孿生體技術(shù)進(jìn)行智慧城市的管理。
數(shù)字孿生建筑具有四大特點(diǎn)：精準(zhǔn)映射、虛實(shí)交互、軟件定義、智能干預(yù)。
1、精準(zhǔn)映射：數(shù)字孿生建筑通過各層面的傳感器布設(shè)，實(shí)現(xiàn)對建筑的全面數(shù)字化建模，以及對建筑運(yùn)行狀態(tài)的充分感知、動態(tài)監(jiān)測，形成虛擬建筑在信息維度上對實(shí)體建筑的精準(zhǔn)信息表達(dá)和映射。
2、虛實(shí)交互：未來數(shù)字孿生建筑中，在建筑實(shí)體空間可觀察各類痕跡，在建筑虛擬空間可搜索各類信息，建筑規(guī)劃、建設(shè)以及民眾的各類活動，不僅在實(shí)體空間，而且在虛擬空間得到極大擴(kuò)充，虛實(shí)融合、虛實(shí)協(xié)同將定義建筑未來發(fā)展新模式。
3、軟件定義：數(shù)字孿生建筑針對物理建筑建立相對應(yīng)的虛擬模型，并以軟件的方式模擬建筑人、事、物在真實(shí)環(huán)境下的行為，通過云端和邊緣計(jì)算，軟性指引和操控建筑的電熱能源調(diào)度等。
4、智能干預(yù)：通過在“數(shù)字孿生建筑”上規(guī)劃設(shè)計(jì)、模擬仿真等，將建筑可能產(chǎn)生的不良影響、矛盾沖突、潛在危險(xiǎn)進(jìn)行智能預(yù)警，并提供合理可行的對策建議，以未來視角智能干預(yù)建筑原有發(fā)展軌跡和運(yùn)行，進(jìn)而指引和優(yōu)化實(shí)體建筑的規(guī)劃、管理，改善服務(wù)。
未來，隨著以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、城市仿真等為代表的數(shù)字孿生體使能技術(shù)不斷進(jìn)步，大數(shù)據(jù)、云霧計(jì)算等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，“數(shù)字孿生城市”應(yīng)用成熟度的穩(wěn)步提升，結(jié)合“數(shù)字孿生建筑”可提供的智慧化應(yīng)用越來越豐富，主要有以下幾個方面：
一、BIM技術(shù)賦予物理建筑“身份屬性”，構(gòu)筑數(shù)字孿生建筑數(shù)字化應(yīng)用基礎(chǔ)
BIM是建筑領(lǐng)域創(chuàng)建和使用數(shù)字孿生體技術(shù)的工具，其通過賦予各物理建筑構(gòu)件特有的“身份屬性”，將城市、建筑、產(chǎn)品和人員結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)整個城市人居環(huán)境開發(fā)的智慧化管理，同時為建筑業(yè)帶來全面的數(shù)字化變革和轉(zhuǎn)型升級?；贐IM技術(shù)和數(shù)字孿生城市的各應(yīng)用場景融合，可輔助實(shí)現(xiàn)智慧社區(qū)、智慧治理、智慧交通、智慧安防、智慧應(yīng)急、智慧規(guī)劃等以人為本的綜合體驗(yàn)服務(wù)。
【BIM數(shù)字化應(yīng)用示例，構(gòu)筑建筑數(shù)字孿生應(yīng)用基礎(chǔ)來源：廣聯(lián)達(dá)】
二、數(shù)字孿生體與增材制造技術(shù)應(yīng)用賦能建筑產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)“數(shù)字建筑”實(shí)現(xiàn)
在當(dāng)前數(shù)字化變革的大趨勢下，作為數(shù)字孿生技術(shù)與建筑產(chǎn)業(yè)有效融合的“數(shù)字孿生建筑”，已成為建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心引擎，同樣也是“數(shù)字孿生城市”建設(shè)的必要基礎(chǔ)。數(shù)字孿生建筑就是利用BIM和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬仿真等數(shù)字孿生體使能技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的精益建造項(xiàng)目管理理論方法，形成的以數(shù)字孿生體技術(shù)驅(qū)動的業(yè)務(wù)發(fā)展戰(zhàn)略。它集成了人員、流程、數(shù)據(jù)、技術(shù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)用場景，管理建筑物從規(guī)劃、設(shè)計(jì)開始到施工、運(yùn)維的全生命周期，包括全過程、全要素、全參與方的以人為本的人居環(huán)境開發(fā)和美好生活體驗(yàn)的智慧化應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)目、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)和數(shù)字孿生城市應(yīng)用的生態(tài)體系全新建立。
【數(shù)字孿生建筑生態(tài)體系平臺示例 來源：網(wǎng)絡(luò)】
二十一世紀(jì)以來，為應(yīng)對能源危機(jī)、人口增長等問題，綠色、低碳等可持續(xù)性發(fā)展理念逐漸深入人心，而以有效提高建筑物能源利用效率，降低對環(huán)境影響為目標(biāo)的綠色建筑成為全時間關(guān)注的重點(diǎn)。同時，我國正處于新型城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中，國家也推出了大力發(fā)展綠色建筑、裝配式建筑、海綿城市建設(shè)等一系列舉措將建筑產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步深化發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)以建筑產(chǎn)業(yè)數(shù)字化為核心的轉(zhuǎn)型升級。
隨著數(shù)字孿生體和增材制造新技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟應(yīng)用，賦能建筑產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，為快速實(shí)現(xiàn)綠色建筑、裝配式建筑和海綿城市建設(shè)等提供了有力技術(shù)支撐。如2017年10月，由北京崇建公司自主研制的“建筑渣土多功能3D打印系統(tǒng)”，它實(shí)現(xiàn)了建筑渣土回收再利用的功能；這正好符合綠色建筑“減少污染和廢物、節(jié)能降耗”的理念需求。同樣，如安世亞太等開發(fā)的建筑模塊化3D打印技術(shù)也為裝配式建筑的大力發(fā)展提供了技術(shù)應(yīng)用支撐。還有大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等數(shù)字孿生體使能技術(shù)的綜合應(yīng)用，為我國各地“海綿城市”的建設(shè)規(guī)劃提供了強(qiáng)有力的技術(shù)基礎(chǔ)條件…
三、數(shù)字孿生體使能技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)日趨智能的建筑能耗管理
利用數(shù)字孿生虛擬建筑體和能源建模技術(shù)可改變建筑物的設(shè)計(jì)、管理和維護(hù)。如通過各類傳感器和智能感知技術(shù)應(yīng)用，收集實(shí)體建筑實(shí)時能耗數(shù)據(jù)，并參考建筑設(shè)計(jì)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及天氣實(shí)時數(shù)據(jù)，經(jīng)過精細(xì)計(jì)算，為建筑業(yè)主提供各種設(shè)備使用的優(yōu)化方案，從而降低能源消耗。
【建筑能耗數(shù)字化管理示例 來源：伊視貝】
在這方面的典型應(yīng)用還有阿聯(lián)酋Bee'ah公司打造的新總部大樓智慧化應(yīng)用。通過整合OT和IT系統(tǒng)，該總部大樓基于人工智能的預(yù)測和自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了建筑內(nèi)部資源利用零摩擦，實(shí)現(xiàn)效率、性能和功能的全面優(yōu)化，提高能效水平，提升空間利用率，同時降低總體運(yùn)營費(fèi)用。Bee'ah新總部大樓將完全使用可再生能源，優(yōu)化資源的可持續(xù)利用，逐步達(dá)成能耗降低5%，耗水量降低20%，運(yùn)營兩年內(nèi)零凈碳排放量的結(jié)果。該大樓已獲得LEED 鉑金級認(rèn)證，將在中東地區(qū)乃至全球智慧建筑領(lǐng)域成為典范案例。
【Bee'ah新總部大樓內(nèi)部示意圖 來源：江森自控】
四、基于數(shù)字孿生體技術(shù)的建筑智慧化運(yùn)維管理
當(dāng)前，我國建筑運(yùn)維領(lǐng)域的運(yùn)行方式仍以傳統(tǒng)的人力結(jié)合部分樓宇智能化子系統(tǒng)進(jìn)行的，這種運(yùn)維方式對建筑設(shè)備的故障處理相對及時，但對建筑設(shè)備故障預(yù)警分析的能力尚有欠缺。良好的建筑運(yùn)維服務(wù)應(yīng)是“預(yù)防為主，檢修為輔”，因此，數(shù)字孿生體技術(shù)通過其良好的全面分析和預(yù)測能力為建筑智慧化運(yùn)維和建筑設(shè)施的預(yù)測性維護(hù)提供高效技術(shù)支撐。
例如，針對建筑設(shè)施運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種故障特征，可以將建筑傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過機(jī)器深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結(jié)合專家處理的記錄，將其形成未來對建筑設(shè)施故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)判決的依據(jù)，并可針對不同的新形態(tài)的故障進(jìn)行特征庫的豐富和更新，最終形成預(yù)測性的診斷和判定。如某公司通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控建筑物中各關(guān)鍵設(shè)施的運(yùn)行情況，為每臺機(jī)器或設(shè)備建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，不僅可以識別節(jié)能運(yùn)行效率，還可以預(yù)測設(shè)備未來何時發(fā)生故障，并提醒管理人員，從而簡化建筑運(yùn)營與維護(hù)流程，使建筑業(yè)主全天候確保其資產(chǎn)處于最佳性能，從而達(dá)到節(jié)省10%的建筑運(yùn)維成本。
五、數(shù)字孿生可讓被損壞的歷史優(yōu)秀建筑完美重生
2019年4月15日，巴黎圣母院發(fā)生大火，塔樓倒塌、建筑受損。世界聞名的歷史優(yōu)秀建筑就讓大火毀于一旦，人們都感到非常惋惜，都在關(guān)心巴黎圣母院以后還能完美重現(xiàn)嗎？非常幸運(yùn)的是，在2015年達(dá)索系統(tǒng)公司與巴黎市政府合作的“數(shù)字巴黎”項(xiàng)目中，其通過數(shù)字化建模、仿真，完整地還原了巴黎古城的建造過程，真實(shí)還原了巴黎圣母院的原貌和幾百年的建造過程，在數(shù)字世界中再現(xiàn)了一塊磚、一扇門、一扇窗的安裝過程，同時也完美的構(gòu)建了巴黎圣母院的數(shù)字孿生體。
因此數(shù)字孿生可以讓巴黎圣母院完美獲得重生。“數(shù)字巴黎”項(xiàng)目把這座城市從零開始的歷史時空連續(xù)地在數(shù)字孿生虛擬世界呈現(xiàn)出來，重現(xiàn)了巴黎城市和文明的歷史，人們就可以在孿生虛擬世界中實(shí)現(xiàn)時空穿越和體驗(yàn)，通過沉浸式的體驗(yàn)來學(xué)習(xí)和傳承人類的歷史與文明。
【巴黎圣母院建造過程的復(fù)原示例】
六、數(shù)字孿生建筑融合城市安防和災(zāi)害救援信息，實(shí)現(xiàn)智慧化應(yīng)用
未來基于安防和建筑物數(shù)字孿生體，融合消防應(yīng)急數(shù)據(jù)和信息資源，可實(shí)現(xiàn)城市消防能力及信息的統(tǒng)一管控，打造城市智能化的消防應(yīng)急指揮系統(tǒng)，輔助現(xiàn)場工作人員進(jìn)行最佳救援路線選擇和火災(zāi)救援工作，提高災(zāi)害預(yù)防、處置和應(yīng)急救援能力。同時還可基于數(shù)字孿生體制定消防演練方案，對消防人員進(jìn)行業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提升消防人員緊急應(yīng)變能力。
當(dāng)現(xiàn)實(shí)物理城市運(yùn)行過程中發(fā)生突發(fā)事件需要進(jìn)行人群疏散和應(yīng)急救援時，可采用相關(guān)模擬仿真軟件，結(jié)合建筑數(shù)字孿生體快速進(jìn)行模擬分析，找到最佳人群疏散路徑和應(yīng)急救援方案。如安世亞太通過STEPS人群疏散仿真與建筑數(shù)字孿生體的融合應(yīng)用，快速實(shí)現(xiàn)辦公大樓、機(jī)場、地鐵、車站、劇場等人口密集區(qū)域的人員應(yīng)急疏散和分布狀況仿真。STEPS仿真軟件已經(jīng)被成功應(yīng)用于一些世界級的大項(xiàng)目，包括:加拿大埃得蒙頓機(jī)場、印度德里地鐵、英國生命國際中心等。
【地鐵站內(nèi)人員行動仿真與學(xué)校人員應(yīng)急疏散仿真示例 來源：安世亞太】
七、基于數(shù)字孿生建筑的疫情社區(qū)智慧化網(wǎng)格監(jiān)控管理
例如在此次新冠疫情防控過程中，我們可通過社區(qū)數(shù)字孿生建筑，實(shí)現(xiàn)對社區(qū)建筑內(nèi)居民健康信息及居家隔離狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)動態(tài)報(bào)警和常態(tài)管理相結(jié)合，為社區(qū)基層抗疫工作人員減壓和社區(qū)網(wǎng)絡(luò)化智慧管理提供重要技術(shù)和數(shù)據(jù)資源保障。
【新冠疫情下的社區(qū)網(wǎng)格化智慧管理應(yīng)用示列 來源：網(wǎng)絡(luò)】
八、數(shù)字孿生建筑為城市電網(wǎng)輸配電智能化應(yīng)用提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)
基于數(shù)字孿生建筑提供的建筑物高度、屋頂表面和日照量等數(shù)據(jù)。這使城市規(guī)劃者可以分析哪些建筑物具有較高的太陽能生產(chǎn)潛力，適合安裝太陽能電池板等建筑儲能材料。進(jìn)一步分析可使城市智慧電網(wǎng)管理人員估計(jì)各社區(qū)一天可產(chǎn)生多少太陽能，以及節(jié)省的電力能源和成本。同時，還可以通過與相鄰建筑物歷史數(shù)據(jù)的交叉引用，來驗(yàn)證以上分析的正確性，并進(jìn)行季節(jié)性調(diào)整以反映出更準(zhǔn)確更精細(xì)的社區(qū)電力輸配需求預(yù)測。
另外通過采用智能傳感器系統(tǒng)，可以實(shí)時獲取各建筑物內(nèi)照明系統(tǒng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)的使用數(shù)據(jù)，精確了解各建筑物和城市社區(qū)具體用電狀況和高峰數(shù)據(jù)，為城市電網(wǎng)智能化輸配電提供執(zhí)行依據(jù)。
【虛擬新加坡-太陽能生產(chǎn)潛力分析示例 來源：新加坡政府技術(shù)局】
結(jié)合數(shù)字孿生城市各應(yīng)用場景，基于數(shù)字孿生建筑的智慧化應(yīng)用還有許多，如智慧社區(qū)管理、智慧醫(yī)院管理、智慧停車管理等等，這里就不在一一介紹。未來“數(shù)字孿生建筑”通過群體智能和數(shù)字孿生體使能技術(shù)，使傳統(tǒng)建筑從無生命的鋼筋水泥結(jié)構(gòu)演變成具有全面感知、人工智能的自適應(yīng)、可進(jìn)化的“生命體”，最終形成人機(jī)物深度融合的開放智慧建筑生態(tài)系統(tǒng)，讓我們的世界更綠色、工作更高效、生活更美好。
