“數(shù)字孿生建筑”應(yīng)用簡(jiǎn)述

隨著大數(shù)據(jù)、云霧計(jì)算等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善,人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字孿生體使能技術(shù)不斷進(jìn)步,深度學(xué)習(xí)算法體系和通用算法包的逐步成熟,基于數(shù)字孿生體技術(shù)應(yīng)用的“數(shù)字孿生建筑”發(fā)展迎來(lái)了絕佳機(jī)遇。

導(dǎo) 讀

隨著大數(shù)據(jù)、云霧計(jì)算等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善,人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字孿生體使能技術(shù)不斷進(jìn)步,深度學(xué)習(xí)算法體系和通用算法包的逐步成熟,基于數(shù)字孿生體技術(shù)應(yīng)用的“數(shù)字孿生建筑”發(fā)展迎來(lái)了絕佳機(jī)遇。未來(lái)的“數(shù)字孿生建筑”應(yīng)該是自學(xué)習(xí)、會(huì)思考,可以與人自然地溝通和交互的智慧化建筑,具有對(duì)各種場(chǎng)景的自適應(yīng)能力,并且作為“數(shù)字孿生城市”的一部分,可以在更高的結(jié)構(gòu)層次上高度互聯(lián)。

“數(shù)字孿生建筑”是將數(shù)字孿生體使能技術(shù)應(yīng)用于建筑科技的新技術(shù),簡(jiǎn)單說(shuō)就是利用物理建筑模型,使用各種傳感器全方位獲取數(shù)據(jù)的仿真過(guò)程,在虛擬空間中完成映射,以反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體建筑的全生命周期過(guò)程。“數(shù)字孿生建筑”將會(huì)成為“數(shù)字孿生城市”的中控載體。通過(guò)中控中心,可以掌控“數(shù)字孿生城市”一切過(guò)程應(yīng)用的數(shù)字動(dòng)態(tài),實(shí)時(shí)對(duì)城市運(yùn)行過(guò)程中各項(xiàng)數(shù)字信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)、預(yù)警和解決問(wèn)題。全球知名的未來(lái)學(xué)家Thomas Frey預(yù)測(cè),到2022年,85%的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將使用某種數(shù)字孿生體技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控,少數(shù)城市已開(kāi)始率先利用數(shù)字孿生體技術(shù)進(jìn)行智慧城市的管理。

數(shù)字孿生建筑具有四大特點(diǎn):精準(zhǔn)映射、虛實(shí)交互、軟件定義、智能干預(yù)。

1、精準(zhǔn)映射:數(shù)字孿生建筑通過(guò)各層面的傳感器布設(shè),實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的全面數(shù)字化建模,以及對(duì)建筑運(yùn)行狀態(tài)的充分感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),形成虛擬建筑在信息維度上對(duì)實(shí)體建筑的精準(zhǔn)信息表達(dá)和映射。

2、虛實(shí)交互:未來(lái)數(shù)字孿生建筑中,在建筑實(shí)體空間可觀察各類痕跡,在建筑虛擬空間可搜索各類信息,建筑規(guī)劃、建設(shè)以及民眾的各類活動(dòng),不僅在實(shí)體空間,而且在虛擬空間得到極大擴(kuò)充,虛實(shí)融合、虛實(shí)協(xié)同將定義建筑未來(lái)發(fā)展新模式。

3、軟件定義:數(shù)字孿生建筑針對(duì)物理建筑建立相對(duì)應(yīng)的虛擬模型,并以軟件的方式模擬建筑人、事、物在真實(shí)環(huán)境下的行為,通過(guò)云端和邊緣計(jì)算,軟性指引和操控建筑的電熱能源調(diào)度等。

4、智能干預(yù):通過(guò)在“數(shù)字孿生建筑”上規(guī)劃設(shè)計(jì)、模擬仿真等,將建筑可能產(chǎn)生的不良影響、矛盾沖突、潛在危險(xiǎn)進(jìn)行智能預(yù)警,并提供合理可行的對(duì)策建議,以未來(lái)視角智能干預(yù)建筑原有發(fā)展軌跡和運(yùn)行,進(jìn)而指引和優(yōu)化實(shí)體建筑的規(guī)劃、管理,改善服務(wù)。

未來(lái),隨著以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、城市仿真等為代表的數(shù)字孿生體使能技術(shù)不斷進(jìn)步,大數(shù)據(jù)、云霧計(jì)算等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善,“數(shù)字孿生城市”應(yīng)用成熟度的穩(wěn)步提升,結(jié)合“數(shù)字孿生建筑”可提供的智慧化應(yīng)用越來(lái)越豐富,主要有以下幾個(gè)方面:

一、BIM技術(shù)賦予物理建筑“身份屬性”,構(gòu)筑數(shù)字孿生建筑數(shù)字化應(yīng)用基礎(chǔ)

BIM是建筑領(lǐng)域創(chuàng)建和使用數(shù)字孿生體技術(shù)的工具,其通過(guò)賦予各物理建筑構(gòu)件特有的“身份屬性”,將城市、建筑、產(chǎn)品和人員結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市人居環(huán)境開(kāi)發(fā)的智慧化管理,同時(shí)為建筑業(yè)帶來(lái)全面的數(shù)字化變革和轉(zhuǎn)型升級(jí)?;贐IM技術(shù)和數(shù)字孿生城市的各應(yīng)用場(chǎng)景融合,可輔助實(shí)現(xiàn)智慧社區(qū)、智慧治理、智慧交通、智慧安防、智慧應(yīng)急、智慧規(guī)劃等以人為本的綜合體驗(yàn)服務(wù)。

【BIM數(shù)字化應(yīng)用示例,構(gòu)筑建筑數(shù)字孿生應(yīng)用基礎(chǔ)來(lái)源:廣聯(lián)達(dá)】

二、數(shù)字孿生體與增材制造技術(shù)應(yīng)用賦能建筑產(chǎn)業(yè),促進(jìn)“數(shù)字建筑”實(shí)現(xiàn)

在當(dāng)前數(shù)字化變革的大趨勢(shì)下,作為數(shù)字孿生技術(shù)與建筑產(chǎn)業(yè)有效融合的“數(shù)字孿生建筑”,已成為建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心引擎,同樣也是“數(shù)字孿生城市”建設(shè)的必要基礎(chǔ)。數(shù)字孿生建筑就是利用BIM和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬仿真等數(shù)字孿生體使能技術(shù),結(jié)合先進(jìn)的精益建造項(xiàng)目管理理論方法,形成的以數(shù)字孿生體技術(shù)驅(qū)動(dòng)的業(yè)務(wù)發(fā)展戰(zhàn)略。它集成了人員、流程、數(shù)據(jù)、技術(shù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)用場(chǎng)景,管理建筑物從規(guī)劃、設(shè)計(jì)開(kāi)始到施工、運(yùn)維的全生命周期,包括全過(guò)程、全要素、全參與方的以人為本的人居環(huán)境開(kāi)發(fā)和美好生活體驗(yàn)的智慧化應(yīng)用,從而實(shí)現(xiàn)目、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)和數(shù)字孿生城市應(yīng)用的生態(tài)體系全新建立。

【數(shù)字孿生建筑生態(tài)體系平臺(tái)示例 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)】

二十一世紀(jì)以來(lái),為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、人口增長(zhǎng)等問(wèn)題,綠色、低碳等可持續(xù)性發(fā)展理念逐漸深入人心,而以有效提高建筑物能源利用效率,降低對(duì)環(huán)境影響為目標(biāo)的綠色建筑成為全時(shí)間關(guān)注的重點(diǎn)。同時(shí),我國(guó)正處于新型城鎮(zhèn)化發(fā)展過(guò)程中,國(guó)家也推出了大力發(fā)展綠色建筑、裝配式建筑、海綿城市建設(shè)等一系列舉措將建筑產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步深化發(fā)展,逐步實(shí)現(xiàn)以建筑產(chǎn)業(yè)數(shù)字化為核心的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

隨著數(shù)字孿生體和增材制造新技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟應(yīng)用,賦能建筑產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí),為快速實(shí)現(xiàn)綠色建筑、裝配式建筑和海綿城市建設(shè)等提供了有力技術(shù)支撐。如2017年10月,由北京崇建公司自主研制的“建筑渣土多功能3D打印系統(tǒng)”,它實(shí)現(xiàn)了建筑渣土回收再利用的功能;這正好符合綠色建筑“減少污染和廢物、節(jié)能降耗”的理念需求。同樣,如安世亞太等開(kāi)發(fā)的建筑模塊化3D打印技術(shù)也為裝配式建筑的大力發(fā)展提供了技術(shù)應(yīng)用支撐。還有大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等數(shù)字孿生體使能技術(shù)的綜合應(yīng)用,為我國(guó)各地“海綿城市”的建設(shè)規(guī)劃提供了強(qiáng)有力的技術(shù)基礎(chǔ)條件…

三、數(shù)字孿生體使能技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)日趨智能的建筑能耗管理

利用數(shù)字孿生虛擬建筑體和能源建模技術(shù)可改變建筑物的設(shè)計(jì)、管理和維護(hù)。如通過(guò)各類傳感器和智能感知技術(shù)應(yīng)用,收集實(shí)體建筑實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù),并參考建筑設(shè)計(jì)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及天氣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)精細(xì)計(jì)算,為建筑業(yè)主提供各種設(shè)備使用的優(yōu)化方案,從而降低能源消耗。

【建筑能耗數(shù)字化管理示例 來(lái)源:伊視貝】

在這方面的典型應(yīng)用還有阿聯(lián)酋Bee'ah公司打造的新總部大樓智慧化應(yīng)用。通過(guò)整合OT和IT系統(tǒng),該總部大樓基于人工智能的預(yù)測(cè)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了建筑內(nèi)部資源利用零摩擦,實(shí)現(xiàn)效率、性能和功能的全面優(yōu)化,提高能效水平,提升空間利用率,同時(shí)降低總體運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。Bee'ah新總部大樓將完全使用可再生能源,優(yōu)化資源的可持續(xù)利用,逐步達(dá)成能耗降低5%,耗水量降低20%,運(yùn)營(yíng)兩年內(nèi)零凈碳排放量的結(jié)果。該大樓已獲得LEED 鉑金級(jí)認(rèn)證,將在中東地區(qū)乃至全球智慧建筑領(lǐng)域成為典范案例。

【Bee'ah新總部大樓內(nèi)部示意圖 來(lái)源:江森自控】

四、基于數(shù)字孿生體技術(shù)的建筑智慧化運(yùn)維管理

當(dāng)前,我國(guó)建筑運(yùn)維領(lǐng)域的運(yùn)行方式仍以傳統(tǒng)的人力結(jié)合部分樓宇智能化子系統(tǒng)進(jìn)行的,這種運(yùn)維方式對(duì)建筑設(shè)備的故障處理相對(duì)及時(shí),但對(duì)建筑設(shè)備故障預(yù)警分析的能力尚有欠缺。良好的建筑運(yùn)維服務(wù)應(yīng)是“預(yù)防為主,檢修為輔”,因此,數(shù)字孿生體技術(shù)通過(guò)其良好的全面分析和預(yù)測(cè)能力為建筑智慧化運(yùn)維和建筑設(shè)施的預(yù)測(cè)性維護(hù)提供高效技術(shù)支撐。

例如,針對(duì)建筑設(shè)施運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種故障特征,可以將建筑傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)器深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對(duì)不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型,并結(jié)合專家處理的記錄,將其形成未來(lái)對(duì)建筑設(shè)施故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)判決的依據(jù),并可針對(duì)不同的新形態(tài)的故障進(jìn)行特征庫(kù)的豐富和更新,最終形成預(yù)測(cè)性的診斷和判定。如某公司通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控建筑物中各關(guān)鍵設(shè)施的運(yùn)行情況,為每臺(tái)機(jī)器或設(shè)備建立數(shù)字孿生系統(tǒng),不僅可以識(shí)別節(jié)能運(yùn)行效率,還可以預(yù)測(cè)設(shè)備未來(lái)何時(shí)發(fā)生故障,并提醒管理人員,從而簡(jiǎn)化建筑運(yùn)營(yíng)與維護(hù)流程,使建筑業(yè)主全天候確保其資產(chǎn)處于最佳性能,從而達(dá)到節(jié)省10%的建筑運(yùn)維成本。

五、數(shù)字孿生可讓被損壞的歷史優(yōu)秀建筑完美重生

2019年4月15日,巴黎圣母院發(fā)生大火,塔樓倒塌、建筑受損。世界聞名的歷史優(yōu)秀建筑就讓大火毀于一旦,人們都感到非常惋惜,都在關(guān)心巴黎圣母院以后還能完美重現(xiàn)嗎?非常幸運(yùn)的是,在2015年達(dá)索系統(tǒng)公司與巴黎市政府合作的“數(shù)字巴黎”項(xiàng)目中,其通過(guò)數(shù)字化建模、仿真,完整地還原了巴黎古城的建造過(guò)程,真實(shí)還原了巴黎圣母院的原貌和幾百年的建造過(guò)程,在數(shù)字世界中再現(xiàn)了一塊磚、一扇門、一扇窗的安裝過(guò)程,同時(shí)也完美的構(gòu)建了巴黎圣母院的數(shù)字孿生體。

因此數(shù)字孿生可以讓巴黎圣母院完美獲得重生。“數(shù)字巴黎”項(xiàng)目把這座城市從零開(kāi)始的歷史時(shí)空連續(xù)地在數(shù)字孿生虛擬世界呈現(xiàn)出來(lái),重現(xiàn)了巴黎城市和文明的歷史,人們就可以在孿生虛擬世界中實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿越和體驗(yàn),通過(guò)沉浸式的體驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)和傳承人類的歷史與文明。

【巴黎圣母院建造過(guò)程的復(fù)原示例】

六、數(shù)字孿生建筑融合城市安防和災(zāi)害救援信息,實(shí)現(xiàn)智慧化應(yīng)用

未來(lái)基于安防和建筑物數(shù)字孿生體,融合消防應(yīng)急數(shù)據(jù)和信息資源,可實(shí)現(xiàn)城市消防能力及信息的統(tǒng)一管控,打造城市智能化的消防應(yīng)急指揮系統(tǒng),輔助現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行最佳救援路線選擇和火災(zāi)救援工作,提高災(zāi)害預(yù)防、處置和應(yīng)急救援能力。同時(shí)還可基于數(shù)字孿生體制定消防演練方案,對(duì)消防人員進(jìn)行業(yè)務(wù)培訓(xùn),提升消防人員緊急應(yīng)變能力。

當(dāng)現(xiàn)實(shí)物理城市運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生突發(fā)事件需要進(jìn)行人群疏散和應(yīng)急救援時(shí),可采用相關(guān)模擬仿真軟件,結(jié)合建筑數(shù)字孿生體快速進(jìn)行模擬分析,找到最佳人群疏散路徑和應(yīng)急救援方案。如安世亞太通過(guò)STEPS人群疏散仿真與建筑數(shù)字孿生體的融合應(yīng)用,快速實(shí)現(xiàn)辦公大樓、機(jī)場(chǎng)、地鐵、車站、劇場(chǎng)等人口密集區(qū)域的人員應(yīng)急疏散和分布狀況仿真。STEPS仿真軟件已經(jīng)被成功應(yīng)用于一些世界級(jí)的大項(xiàng)目,包括:加拿大埃得蒙頓機(jī)場(chǎng)、印度德里地鐵、英國(guó)生命國(guó)際中心等。

【地鐵站內(nèi)人員行動(dòng)仿真與學(xué)校人員應(yīng)急疏散仿真示例 來(lái)源:安世亞太】

七、基于數(shù)字孿生建筑的疫情社區(qū)智慧化網(wǎng)格監(jiān)控管理

例如在此次新冠疫情防控過(guò)程中,我們可通過(guò)社區(qū)數(shù)字孿生建筑,實(shí)現(xiàn)對(duì)社區(qū)建筑內(nèi)居民健康信息及居家隔離狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)報(bào)警和常態(tài)管理相結(jié)合,為社區(qū)基層抗疫工作人員減壓和社區(qū)網(wǎng)絡(luò)化智慧管理提供重要技術(shù)和數(shù)據(jù)資源保障。

【新冠疫情下的社區(qū)網(wǎng)格化智慧管理應(yīng)用示列 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)】

八、數(shù)字孿生建筑為城市電網(wǎng)輸配電智能化應(yīng)用提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)

基于數(shù)字孿生建筑提供的建筑物高度、屋頂表面和日照量等數(shù)據(jù)。這使城市規(guī)劃者可以分析哪些建筑物具有較高的太陽(yáng)能生產(chǎn)潛力,適合安裝太陽(yáng)能電池板等建筑儲(chǔ)能材料。進(jìn)一步分析可使城市智慧電網(wǎng)管理人員估計(jì)各社區(qū)一天可產(chǎn)生多少太陽(yáng)能,以及節(jié)省的電力能源和成本。同時(shí),還可以通過(guò)與相鄰建筑物歷史數(shù)據(jù)的交叉引用,來(lái)驗(yàn)證以上分析的正確性,并進(jìn)行季節(jié)性調(diào)整以反映出更準(zhǔn)確更精細(xì)的社區(qū)電力輸配需求預(yù)測(cè)。

另外通過(guò)采用智能傳感器系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)獲取各建筑物內(nèi)照明系統(tǒng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)的使用數(shù)據(jù),精確了解各建筑物和城市社區(qū)具體用電狀況和高峰數(shù)據(jù),為城市電網(wǎng)智能化輸配電提供執(zhí)行依據(jù)。

【虛擬新加坡-太陽(yáng)能生產(chǎn)潛力分析示例 來(lái)源:新加坡政府技術(shù)局】

結(jié)合數(shù)字孿生城市各應(yīng)用場(chǎng)景,基于數(shù)字孿生建筑的智慧化應(yīng)用還有許多,如智慧社區(qū)管理、智慧醫(yī)院管理、智慧停車管理等等,這里就不在一一介紹。未來(lái)“數(shù)字孿生建筑”通過(guò)群體智能和數(shù)字孿生體使能技術(shù),使傳統(tǒng)建筑從無(wú)生命的鋼筋水泥結(jié)構(gòu)演變成具有全面感知、人工智能的自適應(yīng)、可進(jìn)化的“生命體”,最終形成人機(jī)物深度融合的開(kāi)放智慧建筑生態(tài)系統(tǒng),讓我們的世界更綠色、工作更高效、生活更美好。

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