数字孪生建筑：实现建筑一体化管控

文｜杜明芳

数字孪生建筑

数字孪生建筑的理论基础源自信息物理系统(CPS)和数字孪生（DT）。信息物理系统是集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间远程、可靠、实时、安全、协作方式操控物理实体。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多物理量、多尺度、多概率进行仿真，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体的全生命周期过程。

数字孪生的本质是基于数据线索的控制。数字孪生建立在信息物理系统基础之上，更加侧重于数据和模型，聚焦数字工程管理与技术两个层面，促进管理与技术深度融合，为世界提供一种通用的智能基础理论及发展范式。由数字孪生可推演出“数字孪生- X”系统，如：数字孪生城市、数字孪生建筑、数字孪生社区等。

数字孪生建筑（DTB）可看作是数字孪生系统在建筑载体上的一个具体实现。数字孪生建筑是指综合运用BIM、GIS、物联网、人工智能、大数据、区块链、智能控制、系统仿真、工程管理等数字孪生技术，以建筑物为载体的建筑信息物理系统。数字孪生建筑的目标是实现建筑规划、设计、施工、运营的一体化管控，绘制智慧建筑系统集成“一张图”，构建智能建筑集成管理“一盘棋”，打造建筑产业服务“一站式”。数字孪生建筑为建筑产业现代化提供了新思维和新方法，同时也为建筑智能化由工程技术向工程与管理融合转变开辟了新途径。建筑数字孪生系统可分为建筑物理孪生体和建筑数字孪生体两部分，对应建筑物理空间和建筑信息空间，以数据为纽带实现建筑信息物理系统的系统集成，以控制算法与模型为核心实现虚实建筑间的知识交互与迭代优化。数字孪生及数字孪生建筑包括七大要素，可抽象为：物理空间、数字空间、数据、模型、控制、管理、服务。

现实中，要求建筑数字孪生体能够综合指挥并动态优化物理建筑的全生命周期工程，因此必须首先开发实现建筑仿真与控制系统。建筑仿真与控制系统包括软硬件两个方面，采用的核心技术是计算机辅助设计、系统仿真、自动控制及系统集成。仿真系统的建立包括概念建模、仿真设计、计算机与数学仿真、物理建模与试验、半实物仿真与验证、系统集成等关键步骤。数字建筑孪生体的最终目标是实现泛在物联感知及复杂自动控制系统与三维可视化数字模型空间的深度融合，即在可视化构件和系统空间中实现实时泛在感知与自主协同控制，这也是目前尚未真正突破的技术难点。

图1 数字孪生建筑系统集成参考模型

数字孪生建筑系统集成模型

基于数字孪生的新型智慧建筑系统集成参考模型，即数字孪生建筑系统集成参考模型如图1所示。

参考模型包含五个层次：单元级、单系统级、集成系统级、企业级、商业级。每个层级内部均可采用数字孪生，从而实现多个颗粒度上的数字孪生。

综合应用智能控制、人工智能、BIM、GIS、大数据、区块链、系统仿真、AR/VR 等新一代信息技术，建立符合未来建筑系统集成需求的功能全面、集成度高、技术先进的数字孪生建筑系统，赋能传统建筑改造及传统建筑产业转型升级，全面提升建筑产业的智能化水平。数字孪生建筑系统包括四大基础模型系列：物理模型，逻辑模型，构件模型，数据模型。这些模型组成以物理模型为核心的多模型体系。基于多模型的数字孪生建筑，以及基于数字孪生建筑衍生的数字孪生建造概念模型如图2所示。

基于数字孪生的智慧建筑系统集成架构如图3所示。

基于数字孪生的智能建筑集成系统具有以下功能：将物理建筑中的实体模型及业务模型转化为虚拟建筑的信息模型，并建立虚拟建筑与物理建筑之间低延时、高保真的虚拟镜像。利用基于数字孪生的智能仿真计算技术，仿真模拟建筑构件从需求到产品加工制造，到施工应用，再到工程交付的全过程，形成优化的仿真结果，指导物理建筑的规划、建设及运营。物理建筑的实时数据和事件信息为虚拟建筑模型提供反馈修正。通过数字孪生可视化建模工具，开发立体可视化人机交互界面，方便管理和技术人员直观了解建筑工程全生命周期。

基于数字孪生建筑构建数字孪生城市

在数字孪生城市建设初期，基于BIM技术、3D-GIS技术等为城市构建城市三维信息模型CIM，为城市各建筑或结构物、自然资源等赋予数字化属性，从而对城市的真实地形、地上地下景观进行数字化三维模拟，给政府提供一个与真实城市一致的虚拟城市环境。通过物联网、智能感知技术、智能控制技术、互联网+等技术对建筑和城市实体运行状况进行实时监测与管控。

随着数字孪生理论和技术的成熟，数字孪生建筑、数字孪生城市相关理论正在逐步建立，相关技术正在开发验证中。建筑数字孪生体和城市数字孪生体可为“全周期”闭环管理的城市智慧治理提供保障。依据建筑和城市数字孪生体做出的智慧治理决策指令，能够反作用于城市物理空间，典型的应用是：城市灾害监测与防控，应急管理预案可通过城市数字孪生体进行预先演练和综合模拟验证，实现对各类应急资源的优化整合与合理调度。

图2 基于多模型的数字孪生建筑与数字孪生建造概念模型

图3 数字孪生建筑集成系统架构

数字孪生系统集成法具有集大成的特点，基于数字孪生理论和方法发展智慧建筑系统集成，有可能在未来成为智慧建筑系统集成理论与工程实践的主导模式。建筑数字孪生体从数据和模型的角度，依据复杂系统控制与决策理论为建筑信息模型提供了科学性和落地性都极强的解决方案。基于数字孪生建筑和建筑信息模型，可构建出由模型到系统再到体系的微观与宏观一体化的智慧建筑系统集成模式，真正实现基于模型的建筑系统工程。数字孪生建筑的泛在互联可构建出现代建筑工业化体系，进而构建出基于信息物理系统的数字孪生城市。在此基础上，可构建数字孪生城市模式下的城市信息模型（CIM）。

城市信息模型是以数字孪生为理论基础，以城市数据为信息基础，以城市空间地理信息模型、BIM模型及城市智能计算系统模型等多模型为核心，以数据为线索，建立起的服务于城市场景应用的数字孪生体。建立城市信息模型的目的是使城市信息得到更加科学、严谨、统一、明确的表达，为城市建设与治理提供数字引擎。城市信息模型试图从城市建模的角度为城市提供更加科学严谨的表达，以“信息”为主线贯穿城市空间，使物理分散的城市在信息空间中实现逻辑集成，因此能够更好地优化城市、管理城市、治理城市。CIM应依托数字孪生理论和技术建立，宜采用基于模型的复杂系统工程思维。CIM的建立可由数字孪生建筑通过系统集成产生，这也是CIM构建的一条可行路径。

创新点及发展展望

基于数字孪生的智能建筑集成系统的创新点如下：（1）大数据驱动的三维虚拟建筑场景呈现。（2）建筑系统数据的工程全生命周期贯通。（3）故障异常的实时监测与预测性维护。（4）智能指挥决策与统一协同调度。

数字孪生为智慧建筑系统集成提供了新方法、新手段、新路径，可有效解决长期以来制约行业发展的众多瓶颈问题，在系统架构、数据共享、行业平台等方面均可提供极富实用性和创新性的方案，有可能是大规模城市实时计算时代最具理论价值和实用价值的系统集成方式。

数字孪生建筑系统集成法具有集大成的特点，基于数字孪生理论和方法发展智慧建筑系统集成，有可能在未来成为智慧建筑系统集成理论与工程实践的主导模式。建筑数字孪生体从数据和模型的角度，依据复杂系统控制与决策理论为建筑信息模型提供了科学性和落地性都极强的解决方案。基于数字孪生建筑和建筑信息模型，可构建出由模型到系统再到体系的微观与宏观一体化的智慧建筑系统集成模式，真正实现基于模型的智慧建筑系统工程。进一步，可基于数字孪生建筑系统集成实现真正意义上的城市信息模型和数字孪生城市。