基于数字孪生技术的建筑装修可持续设计与评估研究

2023-11-11陈孟鸿周灵次

中国建筑装饰装修 2023年20期

陈孟鸿周灵次谢刚田觅谭超

数字孪生技术是一项新兴技术，能够创建构件、系统或过程的虚拟副本，并在现实世界中进行实时交互。该技术在很多领域已经发挥了重要作用，如航空工业、汽车制造和建筑设计等领域。首先，数字孪生技术可以将建筑模型与实际施工过程进行对比，通过模拟装修过程中的各种情况，能及时发现和解决质量问题，提高装修质量。其次，数字孪生技术可帮助设计师模拟不同材料的使用效果和可持续性，包括材料的耐久性、可再生性和环境影响等，以便在装修过程中选择对环境影响较小的材料。最后，通过数字孪生技术能够模拟不同装修方案对建筑物能耗的影响，包括采光、通风、供暖、空调等系统，从而在装修阶段选择最具节能效果的方案。

本文研究的目的是探寻如何将数字孪生技术应用于建筑装修的可持续设计与评估，分析该技术在设计过程中的具体应用，阐述利用该技术进行可持续性评估的方法，提升设计效益和建筑质量，实现可持续发展。

1 数字孪生技术概述

1.1 数字孪生技术的起源和发展

数字孪生技术起源于2002 年，由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于载人远征任务时首次提出，用于创建复杂系统的高度详细和动态的虚拟模型，以便在飞船远离地球无法进行物理干预的情况下预测和解决潜在问题[1]。

近年来，数字孪生技术在工业制造中发展迅速，以数字方式创建物理实体的虚拟模型，不仅可以借助数据模拟实体在真实环境中的行为，还可以通过命令操作实体，使生产过程在计划指导下运行。例如，制造行业借助数字孪生技术，实现从设计到制造全过程的数字化产品管理。随着信息技术的发展，以数字地图、数字查询系统和空间分析技术为代表的信息技术工具越来越多地与城市规划相结合，广泛用于城市交通规划、防灾规划、夜间智能照明系统以及分析城市的地形、气候条件和环境因素[2]。

1.2 数字孪生技术的主要功能和应用现状

数字孪生技术以其强大的模拟、预测、优化、实时监控以及故障检测与预防功能，已广泛应用于航空航天、制造业、健康医疗、能源及建筑设计等多个领域。该技术能够在虚拟环境中创建并测试实际物体或系统的高精度模型，实时收集和处理数据，预测和分析可能出现的问题，以便在实际投产或实施前，精细地优化产品或系统[3]。无论是在创新产品设计、提升系统效率方面，还是在预防故障、管理生命周期方面，数字孪生技术都发挥着不可或缺的作用。

但是，数字孪生技术在建筑装修的可持续设计上应用较少。为解决我国建筑装修的可持续设计能力不足的问题，本文提出了基于数字孪生技术的建筑装修可持续设计系统，开发了系统原型，并以实际案例验证了该系统框架的可行性。

2 数字孪生技术在建筑装修设计中的关键技术

2.1 深度集成临建模型与数字模型

深度集成临建模型与数字模型是应用数字孪生技术进行建筑装修设计的关键步骤。该过程通常是先捕捉建筑的当前状态并进行数字化，然后创建准确且详细的数字孪生模型。模型不仅能够反映出建筑的结构细节，还能够表现出建筑的热性能、照明条件和空气质量等方面的信息[4]。

深度集成临建模型与数字模型意味着2 个模型能够实时同步更新，当物理环境发生变化时，如装修过程中更改设计或施工条件变化等，数字模型也会立即更新。该特性使设计师能够及时追踪施工过程，实时预测和评估装修效果，及时调整方案，避免设计和施工中的潜在问题。

2.2 实时数据采集与模型更新

实时数据采集和模型更新要先从建筑中收集实时数据，再利用这些数据更新数字模型，使其与实际状态保持一致。

首先，需要在建筑中安装传感器和监控设备，包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器以及施工设备传感器等。传感器将会不断收集建筑中各种参数和指标数据，如施工进度和材料使用情况等。其次，将网络传输收集到的数据进行处理和分析。最后，基于处理后的数据实时更新数字模型，通过实时数据采集和模型更新，可以实现与建筑装修过程的互动和监控。设计师和工程师可以通过实时的数字模型来预测装修过程中的问题和风险，及时进行调整和优化。

2.3 模型分析与效能改进

数字孪生模型的分析功能为效能改进提供了重要参考。数字模型不仅能够根据实际情况进行实时更新，还可以模拟和分析各种可能情况，从而找出最优的设计和操作参数。

首先，设计师可以利用数字模型模拟各种装修方案，评估方案的性能和效果，预测可能出现的问题，帮助设计师找出最优设计。其次，在数字模型上模拟最优装修方案，预测方案的性能，如能源使用效率、结构强度和环境舒适度等，以此为依据调整设计方案，优化施工工艺。最后，基于模型分析结果，设计师可以持续改进装修效能，提高装修质量和效果，降低能源消耗和装修成本。

2.4 建筑装修设计中的可持续性评价体系

一般采用环境质量的相对百分比来评估装修设计的可持续性[5]。

环境质量指数计算公式：

式中，p为环境质量指数；q为建筑装修的类型；x为权重指数；N为类型的数量；I为建筑装修集合；m为环境评估评价总体指数。

环境质量指数的数值越大，可持续性越好。基于测量数据中污染参数与污染危害的关系，建立类似经验公式的指数计算公式，获得单因素污染指数[6]。通过烟雾系数间接测量空气中颗粒物的含量，SO2污染指数计算公式：

式中，ρ为平均参考值；S为测量污染物的浓度。

烟雾系数计算公式：

3 数字孪生技术应用于建筑装修可持续设计与评估的案例分析

3.1 基于数字孪生技术的建筑装修建模过程

Revit 软件是1 种操作简单的自由建模和参数化设计工具，能够精细控制对象内部和外部的尺寸。借助Revit软件可以在项目开发初期进行设计分析，自由绘制草图并快速建立三维模型。首先，根据建筑装修的可持续性特点及建筑主体构件的尺寸和材质，利用Revit 软件建立建筑模型。其次，利用Fuzor 插件模拟装修过程，使建筑装修过程可视化。最后，结合建筑热环境设计模拟工具包（Designer's Simulation Toolkit，DeST）的分析，收集并设置污染物的浓度指标等参数，获得最适合的建筑装修可持续设计方案[7，8]。基于数字孪生技术的建模过程，如图1 所示。

图1 基于数字孪生技术的建模过程（来源：作者自绘）

3.2 商业大楼翻新项目

在我国北方某商业大楼翻新项目中，设计团队使用数字孪生技术，优化了装修设计方案并实现了建筑可持续性目标。首先，通过安装传感器实时收集大楼的参数，并根据数据建立全面的数字模型。其次，模拟不同的装修方案，找到最能够提高能源效率和环境舒适度的设计方案。再次，在装修过程中持续更新模型，实时反映施工过程的实际变化，从而及时调整装修方案。最后，通过监测能源消耗和二氧化碳排放等指标，确认装修方案实现预期的可持续性目标。基于可持续评价体系，得出该案例的环境质量指数，如表1 所示。其中，A+、A、B 所代表的污染指数依次减小，指数越大说明污染物对人体伤害越大。通过表1 可知，利用数字孪生技术可以有效管理污染源，通过不断调整施工方案降低了环境质量指数，污染指数也相应降低。

表1 可持续性环境质量指数

3.3 老旧住宅翻新项目

在我国北方某老旧住宅翻新项目中应用数字孪生技术。首先，建立详细的数字模型，反映原始建筑的所有特性，如图2 所示。然后，通过模拟不同的改造方案，评估每个方案在提高隔热性、减少能源消耗和提高舒适度等方面的表现，选出最符合可持续性目标的方案[9]。

图2 基于数字孪生技术某老旧住宅翻新项目（来源：软件）

在装修过程中，使用传感器检测数据并持续更新模型，使其与实际建筑始终保持同步，以便了解施工过程中的更改或突发情况，及时修改设计。同时，评估项目的环境影响和建筑性能，根据反馈进行方案调整[10-12]。该项目证明了数字孪生技术有助于提高装修效率，实现建筑的可持续性目标。基于可持续评价体系，得出该案例的环境质量指数，如表2 所示。