基于西南地区城乡发展现状的数字孪生智能建造平台研究

陈麟， 陈麒， 张璇， 韩利红

（云南农业大学）

1 引言

鹤庆县位于云南省西北部，地处滇西横断山脉南端、云岭山脉以东，大理白族自治州北端。2018年9 月29 日，鹤庆县经云南省委、省政府研究，批准退出贫困县。在摘除贫困帽之后，鹤庆地区开展基础设施建设，加大城镇化力度，启动建设工业园区。然而由于当地的施工技术不能达标，施工环境遭到破坏，影响鹤庆地区的水文条件和环境，加上施工人员的技术素质低下，引发的事故不断[1]。

2 云南省鹤庆县建筑业存在的问题及建筑企业数字化管理平台的特点

2.1 云南省鹤庆县建筑业存在的问题

在鹤庆城乡各个施工单位的环境保护意识较差，对施工所带来的环境保护问题不够重视，甚至对此视而不见，导致在建筑施工过程中破坏了生态的平衡，缺乏施工的先进理念和工程施工的基础管理。随着大批的建筑工程上马，使得建筑垃圾和建筑原料的耗费同样成了建筑工程与质量管理的一项重要问题。

经调查发现，在这些施工场地中存在安排未取得特种作业人操作证的人员上岗，项目主要负责人、管理人员、一线从业人员的安全教育培训不足，人员素质参差不齐。对农民工安全管理不到位，一线作业人员大部分都是农民工，安全意识差，中小型机具、特种设备管理不到位，安全操作规程不健全。安全生产管理制度落实不到位。甚至存在部分工人施工不佩戴安全帽的现象，无法保障施工人员自身安全。

未设立健全的质量管理制度——科学高效的质量评价体系能够使建筑工程的整体质量大大提高。对施工材料和设备的质量管理工作开展不到位——材料和施工设备的质量直接影响到工程项目的质量，所以需要对他们进行严格的管理，不能让劣质材料和设备进入到施工现场，影响工程项目的质量。此外，工程管理者在质量管理上存在缺陷（见图1）。

图1 鹤庆县112名施工人员调查问题分布柱状图

2.2 建筑企业数字化管理平台的特点

这一系列建筑行业普遍存在的问题是推动建筑业数字化转型升级的动力，建筑企业数字化管理平台可缓解这些问题，但也存在许多障碍，使数字化转型升级的难度剧增。如行业低利润使建筑企业没有足够的资金对平台研发，阻碍了数字建筑转型升级的发展；当前的建筑市场趋于饱和使高新技术人才望而却步，人才队伍长期不能满足需求。面对诸多复杂问题，建筑企业必须采用数字化解决方案，就目前而言数字化建筑企业管理平台仍在低位运行，建筑企业数字化管理平台给建筑业带来的优势有待进一步开发。

建筑企业数字化管理平台的流程特点：对建筑物各构配件自动分类、智能布置、自动归类建筑物构配件的项目特征、匹配清单及定额、自动套用清单定额、计算钢筋工程量、对接计价及管控平台、实时汇总实时出量，输出报表。综上发现无一例外需要设计师从设计到出量最后进行施工的整个过程进行人工设计+平台辅助，虽相比纯人工设计的施工全生命周期的方案先进不少，但因设计师自身原因可能导致低估或高估建筑总造价或造成浪费等。

3 基于数字孪生的智能建造平台建设

基于西南地区城乡发展现状的数字孪生智能建造平台可以通过数字技术和模拟建模来改善城乡建设与发展。以下是该平台的构造与功能：我们通过该智能平台可以进行衍生式智能设计、智能化计价以及制定智能化施工方案等功能。在衍生式智能设计当中我们能够实现建筑生命周期管理、工艺优化、整体仿真、以及模型可视化，完成高效率、高质量的设计。我们通过智能建造平台对数据进行成本分析、智能组价高效准确的生成项目电子预算书，开辟了我国工程预算管理方法的新道路。最后我们还可以利用平台数字化的优势通过分析计算建立工程数据库，智能动态地模拟施工过程和环境，为管理者与决策者制定施工方案时提供更加智能化、智慧化的思路（见图2）。

图2 数字孪生智能建造平台建设

3.1 衍生式智能设计

衍生式智能设计不同于传统的建筑设计平台(设计师设计施工方案+平台辅助表达)，而是通过一系列复杂算法进行建筑全生命周期管理、工艺优化，快速生成所有可能出现的排列组合，利用BIM（Building Information Modeling）技术对所有组合进行模型仿真，利用模型可视化效果从这些组合中选取最优方案，实现最优全生命周期管理。提高效率的同时质量得到保证，实现利润最大化，成本最小化的目标。

建筑设计师把构想的设计施工方案输入数字建筑设计平台，平台通过云计算、大数据、人工智能等数字技术结合现有建筑设计成功案例多次迭代进行学习进化，衍生式智能设计挑选最优方案供设计师选择。例如凤凰国际中心是国内首次应用衍生式设计，在虚拟环境对实体建筑进行信息模拟数字化建筑，数次迭代优化。在设计创意上，建筑设计师会有意或无意识地考虑建筑全过程生命周期所有限制因素，在建筑过程中有明显的设计师个人风格，如贝律铭追求建筑内外协调统一，安藤忠雄“住吉的长屋风格”，人情化建筑理论的倡导者：阿尔瓦·阿尔托等。简单的计算机辅助设计往往可能偏离最优设计方案，难以生成多个人类大脑的最优解。从设计师角度看，衍生式设计能消除设计师在设计上出现的失误或建筑工程创建过程中的猜测。设计师可以把建筑全过程生命周期所有限制性问题输入进计算机，计算机快速演算，多次迭代，输出一系列最优解供设计师任意选择，最大程度减少时间、人工等成本。

衍生式设计不等于拓补优化。拓补优化是衍生式设计包含的一个重要却很小的一部分，拓补优化采用的是传统方法开发的设计通过后处理算法对材料进行优化，在给定负载情况，约束条件和性能条件对材料分布进行优化的数学方法。普通的优化算法受到过度限制无法得到最优答案，只能在设计师的猜测下变得略微好一些。相比拓补优化，衍生式设计则脱离大部分限制，摆脱设计师惯用设计理念，快速迭代得到多个最优方案供设计师选择[2]。

3.2 智能化计价

与传统工程造价相比，数字平台智能化工程量清单计价模式更加规范化、市场化、透明化。具有科学分担风险机制，有利于与国际惯例接轨等优点。采用国家最新标准《建筑工程工程量清单计价规范》（GB 50500-2013），定额依据各省份新出台的标准实现由传统的量价“一体化”转换为“量价分离”的模式。工程量清单计价与市场相适应，承包单位可根据创新数字平台进行智能化计价。大数据、数字孪生等数字技术通过收集市场数据（人工费，材料费，机械费，管理费和利润）及人工根据产品价格行情、自身技术实力、管理水平等其他数据，分析数据，衍生出更符合当前市场的数据，让投标报价更具竞争力。在建设工程施工招投标时，招标人根据本篇所述创新数字平台智能化衍生设计出的施工图纸，按招标文件要求及智能化计价平台得出的数据，结合项目、市场、风险、企业自身实力等进行报价，投标人只对自己报价合理性负责。对工程量计算错误，人工费、材料费、机械费、管理费和利润的合理性等不负责任。有利于风险的科学分担。工程量清单招标是国际上惯用的招标手段之一，本篇所述数字平台的智能化计价核心方式则是采用清单计价法，是建筑市场自由竞争的体现，有利于与国际惯例接轨，加强国际交流与合作，使国内智能建筑企业参与国际竞争，增强我国西南地区智能化建筑企业管理水平[3]。

3.3 智能化施工方案

数字建造平台的智能施工方案是在衍生式智能设计和智能化计价基础上进行的。在数字建筑模型的基础上，附加平台衍生出的工程全生命周期所需的工艺工法、定额和工料等进行分析计算，形成庞大的智能化建筑工程信息数据。通过数字孪生、大数据、云计算等的赋能，在相似工程施工方案模板基础上结合建筑工程信息数据形成动态施工模拟环境，快速生成数字化施工方案。并在实施过程中实时计算方案资源需求，最大程度地发挥智能化施工方案在工程施工的价值。

传统施工管理过程中，决策者对现场不能全面了解进行信息不对等的讨论过度拉长会议时长造成时间浪费；目前施工方案的制定往往从子系统开始，缺乏全局观考虑整体设计造成施工过程中财务损失，材料浪费。相比传统施工方案制定，本篇所述创新型数字建筑平台的智能化施工方案则可以避免上述所说的缺点，大幅度节约时间成本，减少损失、材料浪费及人员伤亡等。做到衍生出设计师无法全面考虑整个施工过程的智能化施工方案[4]。

4 结语

随着数字技术的快速发展，智能化是各行业未来发展的必然趋势，拥有相比原始技术的更多优势。国内建筑市场的企业竞争激烈，因此不得不开发新技术获取更多利润谋求生存，数字孪生这一新兴技术运用在建筑业可减少时间、成本、能耗等的损失，有效改善环境，及时预测并减少安全事故的发生率。本篇所述的数字建筑平台是在数字孪生的基础上开发的，具有一定的建筑业技术前沿性，能为工程建设全生命周期服务，最大程度发挥智能化及数字孪生在工程施工中的应用价值。