隨著數(shù)字孿生的概念不斷被人們所認識，各行業(yè)都在積極響應這一概念，但到底何為“孿生”，并沒有統(tǒng)一定義。這個疑惑也同樣一直纏繞著我。今天看一篇由王院士分享的文章，題目為“數(shù)字孿生——起源的故事”，讀后有些想法，也對建筑數(shù)字孿生于其意義有了更加清晰的認知。
文章中詳細的介紹了“孿生”概念的由來，從概念的提出到實踐，文章中深入的探討了Michael Grieves、王飛躍或是NASA誰應該是“孿生”概念第一人。其中詳細描述了一個NASA的案例：Apollo 13登月飛行中發(fā)生的一段歷史。無論誰是“孿生”第一人，NASA的案例給我們很好的詮釋了何為“數(shù)字孿生”。
50年前的4月14日，Apollo 13號宇宙飛船已經(jīng)遠離了地球210,000英里。Apollo 13生活艙中的一個氧氣罐發(fā)生了爆炸，爆炸嚴重地損壞了主推進器，同時氧氣被泄露到了太空之中。時間每經(jīng)過一分鐘，受損的太空飛船就會飛離地球400英里。這種狀況是人類歷史上的首次。如何讓三名宇航員安全回家，成為了數(shù)千名NASA地面支持人員在之后3天半時間里夜以繼日工作的唯一目標！他們?nèi)绾位丶夷兀窟@是一個巨大的挑戰(zhàn)。
NASA做到了，成功地將宇航史上，很可能的發(fā)生的最大災難，轉(zhuǎn)化為一個巨大的令人興奮的成功。
做到這一切的一個關鍵是，在NASA的身后，有一套完整的、高水準的地面仿真系統(tǒng)，用于培訓宇航員和任務控制人員所用到的全部任務操作，包括了多種故障場景的處理。其中一些故障場景處理，在Apollo 11與 Apollo 13的任務完成過程中，證明了其價值所在。
是NASA成功了？當然是！但更應該歸功于模擬器。這些模擬器或者叫做仿真器，才是真正的英雄。這些模擬器難道不是現(xiàn)在火熱的數(shù)字孿生一個實實在在的案例？準確地說，應該是數(shù)字孿生和物理孿生的結(jié)合體。所以，西門子工程師Stephen Ferguson說：“Apollo 13: The FirstDigital Twin”。
從這個例子中可以看出，數(shù)字孿生的內(nèi)核還是模擬與仿真。而模擬與仿真的前提則是有一套完整的、高水準的仿真系統(tǒng)。
1、BIM與“建筑數(shù)字孿生”
BIM作為建筑行業(yè)的數(shù)字化技術，其終極目的也應是“數(shù)字孿生”，實現(xiàn)模擬仿真。但是對此，我們的認知并不相同。如文中所描述，“現(xiàn)在大多數(shù)的應用場景都是使用現(xiàn)有數(shù)字技術，似乎沒有數(shù)字孿生，也不影響其實用效果”。放在建筑行業(yè)，這句話同樣適用，我們在處理建筑的各類模擬仿真時依然使用傳統(tǒng)的數(shù)字技術，比如力學計算、日照分析、能耗分析、流線分析、風力計算、節(jié)能分析、照明計算、甚至是我們最常見的效果圖。
當我們使用傳統(tǒng)的數(shù)字技術完成這些工作時看起來似乎也沒有什么大問題，一樣可以得到令人滿意的結(jié)果，通過專家的審查以及得到業(yè)主的認可。但是這些結(jié)果與其效用看起來并不像NASA的模擬器一樣那么有價值。由于傳統(tǒng)數(shù)字技術的數(shù)據(jù)基礎不完善，導致其模擬的結(jié)果是片面的，不能實際去指導和預測生產(chǎn)。我們在“黃果樹游客中心”項目中有這樣一個關于照明模擬的案例。照明專項設計在設計過程中會對其設計利用傳統(tǒng)的技術做照明計算，并提供了準確的燈具選型以及位置，整個設計，模擬過程看起來并沒有什么問題。但當我們在BIM的基礎上再次做照明模擬時發(fā)現(xiàn)其忽略了場地中的樹木，場地中的植物大量遮擋了燈光，導致其設計并不成立。這是一個非常典型的傳統(tǒng)數(shù)字技術與“孿生數(shù)字”技術的差別，也就是片面性，類似的問題幾乎會發(fā)生在建筑設計全流程的每一個環(huán)節(jié)。NASA之所以可以利用其強大的模擬器實現(xiàn)成功的營救，前提是他們在地面環(huán)境有一套“完整的”數(shù)字化系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境中模擬的內(nèi)容，可以準確的被宇航員實施。
我認為NASA的例子可以很好的回答我們對BIM質(zhì)疑，傳統(tǒng)的技術手段中，有三維電子模型，有二維電子圖紙，各類分析工具，為什么我們還需要BIM呢？因為傳統(tǒng)的數(shù)字技術均是片面的，不具備“數(shù)字孿生”虛擬與現(xiàn)實一一對應的特點。反過來說，即使我們使用了BIM技術，但是其數(shù)據(jù)是割裂的，同樣不具備“數(shù)字孿生”的特點，那和傳統(tǒng)的數(shù)字技術也不會有本質(zhì)上的差別。這也很好解釋為什么現(xiàn)階段出現(xiàn)了很多“假”BIM
2、“真”BIM的幾個必要條件
“真”BIM我認為至少要滿足的三個條件1、實體數(shù)字化2、虛體數(shù)字化3、編碼系統(tǒng)
先來說“實體”。我在這里指的一一對應并非指形態(tài)上的“一模一樣”，這樣做會導致災難性的幾何圖形龐大。這里強調(diào)的是每一個現(xiàn)實中的建筑構件都應有與之對應的“數(shù)字孿生”，而該“數(shù)字孿生”即可以是具象的，同樣也可以是抽象的。BIM中的每一個構件在某些方面可以不完善，但其必須包含一些必不可少的關鍵要素。對不同建筑構件的“數(shù)字孿生”化，即是我們對真實世界認知的抽象描述，又是我們對數(shù)字世界的具象構成。所以，在BIM中我們可以對構件有區(qū)分的抽象描述，但必須保持其完整性。對每一個實物的缺失，都會讓BIM的價值打折扣。
在此，我突然想起了最近常在討論的一個話題，關于BIM輕量化的問題。其中有一種觀點是，BIM輕量化即是對BIM模型簡化，而簡化的標準是建筑表觀的完整度。我認為這種方式是不可取的。BIM的輕量化應該建立在其還是BIM的基礎上，當我們從視覺角度去判斷輕量化那些內(nèi)容的時候，我們已經(jīng)失去了“數(shù)字孿生”的基本理念。“孿生”并非單純表觀的一致性，而是應該在數(shù)字環(huán)境中能找到其一一對應的數(shù)字表達。
我們再來討論一下“虛體”，“虛體”是一些看不到，非實體物體，多為抽象概念，如空間、分區(qū)、路徑、系統(tǒng)、結(jié)構模型、能耗模型等。這些“物體”均為建筑中不可或缺的部分，對其數(shù)字化抽象描述是BIM中必不可少的一部分。這也從另一個角度說明從表觀角度判斷BIM的完整性是片面的。如結(jié)構關系的正確，結(jié)構BIM模型的正確并非僅僅是幾何圖形的正確，更重要的是結(jié)構力學線的關系的正確，這樣的BIM模型才具備力學分析的基礎。類似邏輯關系的缺失或不正確，意味著整個BIM模型會淪為花架子。當然除此之外還有空間關系、機電系統(tǒng)、系統(tǒng)拓撲關系等。這些看不見的東西在更大程度上決定了BIM模型是否可以像NASA的模型一樣用來做模擬與預判。
最后我們再來說一下BIM中的編碼系統(tǒng)。一個字典如果沒有目錄，對于使用者將是災難性的。沒有編碼系統(tǒng)的BIM的同樣是災難性的。編碼系統(tǒng)是對BIM信息的“專業(yè)化”分類。我在這里強調(diào)專業(yè)化的原因是，絕大多數(shù)的BIM工具對模型和信息有自己的分類與管理方式，但是這些分類方法均不夠純粹，與工程實踐不一致，難以與工程實踐相結(jié)合。所以需要一套以工程實踐為基礎的信息分類編碼對建筑信息模型進行統(tǒng)一管理。
3、BIM的模型深度
BIM是建筑“數(shù)字孿生”的具體實現(xiàn)。但是BIM到底應該做到什么深度，體現(xiàn)哪些數(shù)據(jù)，一直是一個很模糊的概念。站在行業(yè)不同的角度，對其有不同的解答。NASA的案例從某種角度講很好的回答了我們這個問題。真實與虛擬的一一對應我認識為基礎。有人可能會質(zhì)疑，關于模型的大小，計算機的承載力，包括成本等等問題。在這里強調(diào)的一一對應并不是一模一樣，而是有對應關系。數(shù)字物體可以是抽象的表達或者概括表達，比如結(jié)構柱，我們需要表達其混凝土與鋼筋的部分，但是不一定需要表達其中的每一根鋼筋，而可根據(jù)需求對鋼筋整體做抽象表達。在特定的需求的情況下，可以再基于該抽象深化或分析等。但是在BIM中不應該缺少對鋼筋的表達。每一個實物要素都應該能找到其在數(shù)字環(huán)境中的表達。
4、總結(jié)：
NASA在多年以前就給我們展示了“數(shù)字孿生”的價值與意義，BIM在建筑工程領域的應用也將像NASA的案例一樣，在工程建設，使用安全，社會管理等方面帶來巨大的價值。但前提是要有一套像NASA一樣的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)，而其中的數(shù)據(jù)基礎BIM，必須是“真”BIM，而一個真BIM應該包含以下幾個基本因素。1、BIM構件與現(xiàn)實實物的一一對應。2、對于非實體概念的準確表達。3、建筑信息的編碼系統(tǒng)。缺少或不能準確表達其中任何一個部分，BIM將不具備“數(shù)字孿生”的價值。
