2020年11月11日，由中國城市規(guī)劃設計研究院和阿里巴巴牽頭承擔的 “雄安新區(qū)規(guī)劃建設BIM管理平臺（一期）項目”順利通過終驗專家評審會。來自住房和城鄉(xiāng)建設部、交通運輸部、國家信息中心、中國電子技術標準化研究院、清華大學的專家對項目進行了質詢與評審，雄安新區(qū)規(guī)劃建設局、改革發(fā)展局、中國雄安集團數字城市科技有限公司等相關領導及人員參會。
專家組對項目成果交付文件及平臺建設給予了高度評價。雄安新區(qū)規(guī)劃建設BIM管理平臺針對城市全生命周期的“規(guī)、建、管、養(yǎng)、用、維”六個階段，在國內率先提出了貫穿數字城市與現(xiàn)實世界映射生長的建設理念與方式；自主構建了以XDB為代表的一整套數據標準體系；實現(xiàn)了從核心引擎到上層應用的完全國產化，技術自主可控。在國內BIM/CIM領域實現(xiàn)了全鏈條應用突破，具有領先性與示范性。平臺各系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，將助力雄安數字孿生城市進一步完善提升。
本文為中國城市規(guī)劃設計研究院未來實驗室執(zhí)行副主任楊滔在“2019年度CAUPD業(yè)務交流會”上做的報告，感謝作者悉心整理&授權發(fā)布。感謝會議主辦單位總工室等部門提供的資源支持！
演講者丨楊滔
中國城市規(guī)劃設計研究院未來實驗室執(zhí)行副主任
引 言
在數字中國、新基建、新城建發(fā)展的大背景之下，“數字孿生城市“成為當今城市治理能力現(xiàn)代化的熱點話題。早在中共中央、國務院對《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》的批復精神和要求中，數字孿生城市的概念就得以提出：“堅持數字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設，適度超前布局智能基礎設施，打造全球領先的數字城市。建立城市智能治理體系，完善智能城市運營體制機制，打造全覆蓋的數字化標識體系，構建匯聚城市數據和統(tǒng)籌管理運營的智能城市信息管理中樞。”本文以雄安新區(qū)規(guī)劃建設BIM管理平臺項目為例，就數字孿生城市進行探索性思辨，也是對城市信息模型CIM作為數字孿生城市的操作系統(tǒng)進行概念性探索。
“數字孿生”從字面上看，就是對我們世界萬物的實體，不管是原子，還是分子，進行數字化的復制。早在1960年，美國宇航局提出數字孿生的概念，其目的是在地球上對外太空的航天器進行仿真模擬，從而推演外太空的航天計劃，避免航天器發(fā)生事故或遭遇災害。可認為，數字孿生是一組虛擬信息，從微觀原子角度直到宏觀幾何角度，去全面描述真實或潛在的物質世界；任何用于建造該物質真實的信息，都可以從數字孿生中所獲取。
對于數字孿生城市而言，它不僅是對實體城市的簡單復制和映射，而且促進我們基于數字空間進行社會經濟環(huán)境的重構與創(chuàng)新，這將會孕育出與實體城市互動交織的新興未來。因此，數字孿生城市將基于真實的城市數據不斷進化出未來智能；將隨著數字技術的演進日益強化，最終成為一個承載人類物質世界、社會活動和集體心智的無限場域。
對于雄安新區(qū)建設而言，數字孿生城市的建設是其重點之一，也孕育了未來城市的新需求。這包括三方面的內容：第一是數字智能基礎設施的建設，將支撐整個城市未來的數字化發(fā)展。第二是全域智能環(huán)境的建構，也就是實體城市公共空間或者室內空間都充滿泛在智能感知終端和服務，支持著人機友好互動的智能界面。第三是最終實現(xiàn)近期我國所提出的數字資產交易、數字資產管理、數字經濟創(chuàng)新等理念，將作為今后城鎮(zhèn)化的新動力，預測將衍生出未來新的城市形態(tài)。
在雄安BIM平臺搭建的早期，我們借鑒了多倫多的Sidewalk案例。在傳統(tǒng)的城市設計和建設運營的基礎之上，該案例搭建了覆蓋全域的數字層，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、經濟適用性、機動性和經濟機會均好性的新標準。雖然目前該案例失敗夭折了，但其概念與理念對我們有很大的啟發(fā)。借助數字化技術，該案例創(chuàng)新了實體城市運營的方方面面，包括點對點交通方式、靈活高效的不動產管理模式、全天候公共空間共享設計、基于大數據服務的新型社區(qū)形式以及激勵創(chuàng)新的開放數字基礎設施。
基于傳統(tǒng)城市規(guī)劃和設計，該案例在可持續(xù)發(fā)展、城市可負擔性、建筑宜居性以及出行系統(tǒng)上建構了數字孿生的城市，使得城市各個方面能夠進行協(xié)調，能夠進行共生。從空間的角度出發(fā)，不管是對過去土地的空間管理、設計，還是今后對于數據的管理、融通，亦或對于未來智慧化的應用，包括數字化貨幣交易等，我們都將落實到空間的規(guī)劃、設計、治理和運營過程之中。在整個數字孿生城市體系架構下，我們在思考不同尺度的敏捷性智慧應用服務體系。在城市的層面上，比如存在電網、交通、氣象、水務、政務等設施系統(tǒng)，它們依賴不同的城市系統(tǒng)和組織在運行；在社區(qū)或者辦公區(qū)層面上，存在社區(qū)服務、智慧辦公、智能家居等；在個體層面上，存在各種類型的穿戴設備。借助GIS、BIM、IOT等系統(tǒng)，城市、社區(qū)、家庭三個層面得以相互連接，構建起數字城市的復雜巨系統(tǒng)。
對于這樣的巨系統(tǒng)，過去我們對于城市數據是被動的接收。而今后一旦有了這套敏捷感知和反饋的系統(tǒng)之后，我們對城市更多是主動發(fā)現(xiàn)，進行多維度的感知，最后分析出城市中需要進行創(chuàng)新的方式。其中，最重要的方面是事后的歸檔，也就是在系統(tǒng)性學習之中，形成結構化的知識圖譜，能夠運用下一步創(chuàng)新和迭代之中。對于整套系統(tǒng)而言，核心的一部分就是如何把宏觀的城市運行、中觀的建筑運維、乃至微觀的部件應用或事件發(fā)生進行關聯(lián)。借助于GIS和CityGML，以及BIM和IFC等融通方法技術，探索實現(xiàn)在不同尺度上的數據存儲、展示、計算的一體化打通，這是技術系統(tǒng)層面上的思考。
在整體層面上，我們會提出城市的發(fā)展目標，如創(chuàng)新、韌性、幸福、宜居、綠色等。而這些目標將會映射到每一個空間單元上，也許是過去的控規(guī)單元。不過，我們探索將這些目標分別映射到各種專業(yè)單元上，如功能單元、海綿單元、形態(tài)單元、能源單元、或生態(tài)單元，這個單元規(guī)模不一，同時存在各自的規(guī)則體系。那么，各種績效目標在不同的單元上進行了拆解，落實到每個地塊上，構成了幾何解析與數據解析，對應于于形態(tài)審查和指標審查。最后這些指標或規(guī)則落實到建筑及其部件之上，于是建設規(guī)劃的宏觀目標規(guī)則得以層層分解。
對于城市運行而言，這套邏輯又反過來了。從建筑部件到地塊、到各種專業(yè)單元，最終匯聚到城市，形成了城市運營活數據的層層匯聚，用于評估城市總體目標是否實現(xiàn)。于是，這構成了規(guī)劃、建設、監(jiān)測、調整的一個閉環(huán)。
要形成這一套規(guī)劃建設的邏輯，背后存在各種模型的支撐，包括基礎性的數學、統(tǒng)計、地理等模型、以及大數據挖掘、智能化算法等。同時，模型庫中也涵括專業(yè)模型，比如區(qū)域經濟模型、人口模型、適宜性評價模型等。最后還包括綜合性的城市模型，如增長邊界、投入產出比等模型。當然，我們也不可忽視專家團隊的作用，及時搭建機器與專家團隊之間的深度互動，共同優(yōu)化模型功能。
在這套模型的過程中間，我們設計了空間的閾值和時間的閾值，去判定我們城市運行過程中是否在空間上、時間上實現(xiàn)規(guī)劃目標。如果出現(xiàn)了突破閾值的預警情況，我們可以對比諸如公共服務設施和人口是否匹配，是否實際人口增量超過了公共服務設施配給，是否需要提升服務績效能力等。在評估過程中，將會進行方案對比。不僅是方案本身的優(yōu)劣勢對比，也包括影響力評估。例如，對于某個地塊，能源供給增加后，其周邊的磁場或熱環(huán)境是否有所變化，是否對健康有所影響。在優(yōu)化的過程中，設置了不同程度的決策模式，包括策略調整、設施調整以及規(guī)劃調整。例如，在交通領域，紅綠信號燈的改變是策略性的，停車場的變化是設施性的調整，而綜合交通規(guī)劃體系的修改則是規(guī)劃上的調整。那么，這就形成了預警、評估、方案對比、優(yōu)化這樣的閉環(huán)。
所有的分析、乃至于我們對于未來的推演研判，都依賴于數據。面向未來，物聯(lián)網感知數據是尤為重要的。通過無縫覆蓋的物聯(lián)網，自然環(huán)境、社會環(huán)境、行為模式等數據都將被有效地匯聚起來，從而通過數據治理，勾畫城市未來的畫像，這也是城市發(fā)展績效的一種監(jiān)測與評估。除此之外，還存在我們城市本身的建設活動及其相關指標標準，如容積率、貼線率等，這可視為城市作為實體的內在建設基因。那么，“實體”建設基因和“虛擬”運行績效之間是否有相關性？通過機器學習，可輔助我們揭示出城市內在規(guī)律。例如，一個運行績效良好的科技園區(qū)如何依賴于土地混合程度、綠化水平、路網可達性、住房租金、或咖啡廳密度等方面的支撐。建立起這套運行績效和建設基因之間的關聯(lián)后，可應用到開放的眾規(guī)，也就是賦能普通老百姓和利益相關方，助力他們更便捷而理性地參與到城市建設或城市運營管理中，建立起市民、專家以及政府之間很好的溝通互動渠道。
整體來說，數字孿生城市實際上立足建立全周期、全時空、全要素、全過程的數字信息系統(tǒng)，其核心是優(yōu)化時空資源配給，特別是從時間的維度去重新審視空間資源的配置，建立起實時協(xié)同反饋的規(guī)劃與治理模式。
在雄安BIM平臺項目中，我們牢牢圍繞空間這個核心，抓住行政許可環(huán)節(jié)，采用數字技術，來記錄雄安實時生長與演變規(guī)律，探索數字孿生城市的建設。首先包括6個階段：現(xiàn)狀、總規(guī)、控規(guī)、設計（擴初深度）、施工、竣工?？⒐ぶ?，這套BIM信息模型依據運營要求，進行拆解，重新又回到現(xiàn)狀空間，并與感知設備或物聯(lián)網相結合，實現(xiàn)城市的監(jiān)測預警評估。在6個階段的循環(huán)過程之中，雄安全周期的記錄得以實現(xiàn)，稱之為全周期。實際上這推動了規(guī)建管流程重塑，也切實減少管理審批流程環(huán)節(jié)。
第二是全時空，也就是異構數據，不管是規(guī)劃與建筑的數據，還是今后運營的數據，都以時空為框架，進行融通治理。GIS數據偏向相對較大尺度的地理定位信息，BIM偏向中觀尺度的物理空間信息，而IOT偏向監(jiān)測數據信息，更為微觀而細致。如何將不同格式的異構數據融通起來，形成一個公開的格式（XDB），使得數字化的市政、民用建筑、道橋、園林綠化，乃至于城市家具都能夠在這個平臺上運行起來。
融通的框架就是統(tǒng)一ID的時空數據庫及其空間編碼?；谧钚∪S空間統(tǒng)計單元，將關聯(lián)地上地下、室內室外的空間數據，包括規(guī)劃，建設，以及諸如IOT水表的空間數據，它們彼此融合和溝通起來，形成一個層層嵌套的空間體系。那么，與之對應的一套空間編碼體系也由此生成，最小單元是三維房間，也就是讓規(guī)劃中、建設中、運營中，每個空間都有一個唯一的“空間身份證”。這個以三維房間為基準的身份證，記錄著某個空間中不同的功能、不同的人口，乃至于資源的變化等。以空間為錨點，統(tǒng)合不同行業(yè)的數據；同時，基于這套空間編碼，輔助6個階段中現(xiàn)狀、總規(guī)、控規(guī)、設計、施工、竣工之間的數據流轉，各個專業(yè)標準規(guī)范，專項的規(guī)劃要求以及指標體系等也由此而傳導下去，輔助實現(xiàn)城市決策與治理。
第三是全要素。全量要素本質是系統(tǒng)性關聯(lián)，這依賴于規(guī)則的運用。在規(guī)劃階段、建設階段以及今后的運營階段，其規(guī)則各自不一樣，怎樣將規(guī)劃目標最后傳導到建設、運營過程中，實際上要實現(xiàn)規(guī)則的縱向打通。與之同時，不同行業(yè)之間的橫向規(guī)則打通，也尤為重要，這是實現(xiàn)全要素系統(tǒng)聯(lián)動的關鍵。
而規(guī)則孕育在指標體系之中，分為審查值、監(jiān)測值以及備案值。審查值針對城市而言，比如三線劃定、容積率等，都是體現(xiàn)在建設標準之中，可進行剛性或彈性的管控。監(jiān)測值包括人口、綠色出行比例、萬元GPD能耗等。只有城市運行起來，我們才能知道是否達到規(guī)劃的要求，這實際上與告知承諾書或評估預警密切相關。備案值包括廠家信息、混凝土標號、養(yǎng)護情況等。也許是出現(xiàn)工程事故或者某種應急情況下，這些備案值才會得以應用。
第四是全過程，依據數據底板以及多元化的終端互動方式，推動開放式的城市治理新范式。對于全過程的開放治理，強調第一時間能夠實現(xiàn)查詢，也就是說規(guī)劃條件以及建設變更過程中各類數據，可查詢、可追溯、全透明。在此基礎之上，我們期望形成一個數字化的跨專業(yè)數字底板，能夠提供給全世界的規(guī)劃師和設計師，為雄安的建設獻計獻策。
雄安BIM管理平臺的成果包括如下方面。首先是平臺的軟硬件環(huán)境和運行的制度體系配套；其次是數據底板，包括現(xiàn)狀地質、各類規(guī)劃、專項與城市設計、建筑市政設計以及運營的數據；第三是三套數據管理標準，分別是身份標準、語言標準、計算標準。這些多源異構數據是根據三套標準被組織起來。身份標準就是上文提到的最小三維空間統(tǒng)計單元及其空間編碼標準，讓各類數據都納入空間框架之中。語言標準就是數據格式和數據成果標準。不同行業(yè)、不同軟件的數據格式有可能不一樣，建模方式以及匯交成果也可能不一樣，因此需要根據城市治理的需求進行標準化統(tǒng)一。計算標準指規(guī)則計算與傳導的方式標準化，也就是同一個規(guī)則可以在不同的行業(yè)，不同的階段都能標準化計算并傳導。同時，全局聯(lián)動計算更強調局部和整體之間的互動關聯(lián)，如某個地塊的人口規(guī)模與其周邊公共服務設施規(guī)模之間的關聯(lián)。在此基礎上，建構了孿生城市的數字空間。最后實現(xiàn)功能包括展示、查詢、交互、輔助管理與決策，并期望在未來能夠實現(xiàn)數字資產交易。
推動這個平臺的建設，還有一系列配套指標體系及其衍生標準，包括規(guī)劃、建筑、市政、地質、水利、園林等指標體系、建模掛載標準、以及智能基礎設施的標準等。同時，也包括雄安的規(guī)、建、管的制度體系創(chuàng)新。這個平臺本質上也以數字化的方式推動了規(guī)、建、管的治理方式改革，包括建筑師負責制、總規(guī)劃師負責制、建設單位告知承諾制、建設單位主體責任制等。
面向未來，城市信息模型（CIM）將會推動數字孿生城市全生命周期的智能化應用。下一步，我們將更加專注于規(guī)劃方案仿真模擬，也就是借助三維規(guī)劃條件形成環(huán)節(jié)，打造跨專業(yè)數據底板，不僅把總規(guī)和詳規(guī)以及城市設計連接起來，同時也把地質、交通、能源、供水、環(huán)保等與之相關的專項規(guī)劃和城市規(guī)劃方案無縫銜接起來，建立各專業(yè)之間的數據協(xié)同聯(lián)動。實際上，在雄安項目上，不同機構的方案在平臺上拼合在一起，就能快速發(fā)現(xiàn)某些線下難以發(fā)現(xiàn)的不吻合點。同時，模型測試以及仿真模擬，包括交通、空間、水和氣候系統(tǒng)模型，都將成為規(guī)劃設計方案優(yōu)化的輔助工具。更為重要的是專家會商，推動人機互動，輔助識別規(guī)劃設計中需要優(yōu)化的部分。
針對具體施工項目，這個平臺也將關注全生命周期的建設施工過程，包括土方量的估算、施工時序、物料運輸、物流配給等，同時也包括施工過程中的科學化管理以及工地的智慧化監(jiān)測、預警等。針對不動產的管理，空間編碼最小單元是房間或戶型，這些房間或戶型具有不同的空間編碼，關聯(lián)到人口信息，之后衍生到與人相關的社會經濟等屬性之中，從而實現(xiàn)對不動產更為綜合化的評估，包括住房和產業(yè)體系的評估，有助于實時協(xié)同空間資源的再分配和相關政策的優(yōu)化。
對于城市運維方面，更加強調城市感知與萬物互聯(lián)互通的作用。通過城市市場化的運行，實時采集不同類型的建筑物、不同類型的人口對能源、交通、公共設施等使用情況，推動城市實時監(jiān)測、預警、評估，定期反饋進行大數據分析，用于下一步的規(guī)劃、設計、建造、運營，提高空間治理能力。
對于CIM平臺本身而言，不同技術模塊之間的協(xié)同尤為重要。首先是大數據空間分析，既包括描述性分析，也包括預測性分析，還會涉及機器自動擬合出來的經驗參數，實際上，這部分大數據分析仍然是各類數據在空間上的可視化及其關聯(lián)判斷。其次是城市系統(tǒng)性模型，包括交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)，環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)、水系統(tǒng)等模型建構，在很大程度上依賴于專業(yè)知識圖譜的建立。最后是監(jiān)測數據，包括居民出行、生活質量、市場交易、城市環(huán)境等，這些屬于規(guī)則性綜合指標的再現(xiàn)。這些不同技術模塊將會共用一些數據或數據集，不同的專業(yè)也將共用一些數據或數據集，那么以此建構數據中臺和微服務，將會更為高效地調用不同模型，進行仿真評估，助力形成全要素、全流程的CIM平臺。
最后，CIM平臺將提供以人為中心的智慧感知界面。街道立面是我們感知城市空間的界面，手機屏幕是我們感知數字空間的界面，個體穿戴設備是我們感知隱匿維度的界面。不同智能化的感知界面將會促進人們從更多的視角去體驗空間，這將會加速我們對物質世界和數字世界的認知和決策?；贑IM平臺的數字孿生城市最終將會提升并重塑我們人類對于城市或者對于未來的感知、認知、體驗、決策能力，孕育出更多的未來使用場景，挖掘更多的未來發(fā)展維度，催生更多的未來創(chuàng)意想法，最終加速實體城市社會的演進。
