我國(guó)是一個(gè)建造大國(guó)，建筑市場(chǎng)規(guī)模與需求量處于世界領(lǐng)先之列，但傳統(tǒng)建造方式和管理方式也存在生產(chǎn)效率低下、資源浪費(fèi)大、安全風(fēng)險(xiǎn)大、預(yù)測(cè)難、智能化程度低等諸多缺點(diǎn)，與時(shí)代發(fā)展進(jìn)步已不相適應(yīng)。
當(dāng)工業(yè)、物流、交通等行業(yè)已經(jīng)逐步走向智能化的道路，而作為傳統(tǒng)行業(yè)的建筑業(yè)，信息化和智能化程度與上述行業(yè)還是有有明顯差距的。
我國(guó)不同行業(yè)智能化應(yīng)用比例
第四次工業(yè)革命的到來開啟了智能化時(shí)代，隨著BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了建筑領(lǐng)域信息化的進(jìn)程， 建筑施工的進(jìn)程逐漸由手工化、機(jī)械化向智能化、智慧化階段發(fā)展。
大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等智能科技
近年來，國(guó)家相繼出臺(tái)了相關(guān)政策指引。如2016 年住建部發(fā)布的《2016-2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》明確提出構(gòu)建基于BIM、大數(shù)據(jù)、智能化等技術(shù)的工程安全監(jiān)管模式與機(jī)制，加強(qiáng)新興信息技術(shù)在工程質(zhì)量安全管理中的應(yīng)用。2017 年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出不久的將來人工智能將驅(qū)動(dòng)我國(guó)產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為智慧與安全施工提供了新的政策動(dòng)力。2020年住建部等十三部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動(dòng)知能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出要以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級(jí)為動(dòng)力，創(chuàng)新突破相關(guān)核心技術(shù)，加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)應(yīng)用，形成涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營(yíng)等全產(chǎn)業(yè)融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。
國(guó)家相關(guān)政策
而數(shù)字孿生技術(shù)(digital twins)作為以高保真度的動(dòng)態(tài)虛擬模型來仿真刻畫物理實(shí)體的狀態(tài)和行為的技術(shù)。也有研究人員正嘗試著在建筑工程領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。
數(shù)字孿生技術(shù)自提出以來，在航空業(yè)和機(jī)械制造業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在整個(gè)設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)階段發(fā)揮了巨大作用，并逐漸成為企業(yè)新的業(yè)務(wù)形式，如 PTC、達(dá)索、西門子等將數(shù)字孿生理念應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)制造、故障預(yù)測(cè)、產(chǎn)品服務(wù)中，實(shí)現(xiàn)了制造全周期數(shù)字化。目前，數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用正在全球如火如荼的展開。2016-2018 年，全球權(quán)威 IT 公司連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技趨勢(shì)之一，美國(guó)將數(shù)字孿生視為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，德國(guó)將數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 的重要技術(shù)，目前，數(shù)字孿生技術(shù)已有多領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，涉及智能制造、智能工廠、智慧城市等，為智能化的發(fā)展注入了新的動(dòng)力源泉。
美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域
首次提出“孿生體(twin)”概念的是美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA) 。1961-1972 年，NASA 在阿波羅項(xiàng)目中為實(shí)際飛行器制造了一個(gè)“孿生”飛行器，地面上的孿生飛行器用于執(zhí)行任務(wù)前的訓(xùn)練準(zhǔn)備以及執(zhí)行任務(wù)期間的精確仿真試驗(yàn)與預(yù)測(cè)飛行狀態(tài)。此時(shí)，孿生體概念是與實(shí)體對(duì)象具有相同幾何信息和非幾何信息(如材料、功用等)的物理實(shí)體，用于反映、預(yù)測(cè)實(shí)體對(duì)象的真實(shí)狀態(tài)。數(shù)字孿生的理念最初用于進(jìn)行航天飛行器狀態(tài)維護(hù)和壽命預(yù)測(cè)，它通過集成數(shù)字模型(如結(jié)構(gòu)模型、機(jī)體材料狀態(tài)演化模型)與仿真分析，用于模擬與預(yù)測(cè)飛行器是否需要維護(hù)與狀態(tài)是否滿足要求。
“孿生”飛行器仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析
數(shù)字孿生技術(shù)通過對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸后，建立高保真度的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的描述、診斷、決策、預(yù)測(cè)等一系列功能。
數(shù)字孿生為建筑業(yè)智能化的發(fā)展提供了新的思路，創(chuàng)造了新的工具，目前，建筑業(yè)有哪些領(lǐng)域、哪些應(yīng)用呢？
數(shù)字孿生的理念在建筑行業(yè)也正蓬勃興起。部分學(xué)者已經(jīng)闡述了物理城市、虛擬城市、城市大數(shù)據(jù)、虛實(shí)交互、智能服務(wù)之間的關(guān)系，搭建了數(shù)字孿生城市的運(yùn)行框架。我國(guó)政府將數(shù)字孿生城市作為實(shí)現(xiàn)智慧城市的必要途徑和有效手段，雄安新區(qū)的規(guī)劃綱要明確指出要同步規(guī)劃建設(shè)與現(xiàn)實(shí)世界交互的數(shù)字城市，致力于將雄安打造為全球領(lǐng)先的數(shù)字城市。目前，中國(guó)信通院已經(jīng)成功舉辦3次數(shù)字孿生城市研討會(huì)，得出了一系列理論研究成果。
在設(shè)計(jì)階段，按照設(shè)計(jì)方案中建立理論 BIM 模型，在有限元軟件中建立理論有限元分析模型，二者共同作為理論設(shè)計(jì)模型，可提前進(jìn)行施工模擬、施工方案比選等，為建筑施工提供指導(dǎo); 在施工階段，實(shí)時(shí)從物理空間利用傳感器采集包含對(duì)象物理信息的數(shù)據(jù)，并利用三維激光掃描儀對(duì)對(duì)象進(jìn)行掃描、去噪、點(diǎn)云拼接后建立包含對(duì)象幾何信息的點(diǎn)云模型，二者經(jīng)數(shù)據(jù)融合后共同作為實(shí)際監(jiān)測(cè)模型，可作為施工階段物理對(duì)象的實(shí)時(shí)映射，準(zhǔn)確的反映真實(shí)施工情況;在反饋修正階段，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出并鏈接到理論 BIM 模型中，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到修正后的 BIM 模型，再在修正 BIM 模型中提取新的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，更新原理論分析有限元模型，得到修正有限元模型，二者共同作為修正模型，消除了實(shí)際施工誤差，使得數(shù)字孿生模型更接近真實(shí)物理對(duì)象。
數(shù)字孿生城市
以上只是數(shù)字孿生技術(shù)在施工中的嘗試應(yīng)用，相信隨著新型信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與融合，以及各行業(yè)領(lǐng)域信息化轉(zhuǎn)型的需求增強(qiáng)，數(shù)字孿生技術(shù)將會(huì)融入更多領(lǐng)域，發(fā)揮巨大的作用。
