2020年11月11日，由中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院和阿里巴巴牽頭承擔(dān)的 “雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)BIM管理平臺（一期）項目”順利通過終驗專家評審會。來自住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運輸部、國家信息中心、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、清華大學(xué)的專家對項目進行了質(zhì)詢與評審，雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)局、改革發(fā)展局、中國雄安集團數(shù)字城市科技有限公司等相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及人員參會。
專家組對項目成果交付文件及平臺建設(shè)給予了高度評價。雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)BIM管理平臺針對城市全生命周期的“規(guī)、建、管、養(yǎng)、用、維”六個階段，在國內(nèi)率先提出了貫穿數(shù)字城市與現(xiàn)實世界映射生長的建設(shè)理念與方式；自主構(gòu)建了以XDB為代表的一整套數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系；實現(xiàn)了從核心引擎到上層應(yīng)用的完全國產(chǎn)化，技術(shù)自主可控。在國內(nèi)BIM/CIM領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全鏈條應(yīng)用突破，具有領(lǐng)先性與示范性。平臺各系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，將助力雄安數(shù)字孿生城市進一步完善提升。
本文為中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院未來實驗室執(zhí)行副主任楊滔在“2019年度CAUPD業(yè)務(wù)交流會”上做的報告，感謝作者悉心整理&授權(quán)發(fā)布。感謝會議主辦單位總工室等部門提供的資源支持！
演講者丨楊滔
中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院未來實驗室執(zhí)行副主任
引 言
在數(shù)字中國、新基建、新城建發(fā)展的大背景之下，“數(shù)字孿生城市“成為當(dāng)今城市治理能力現(xiàn)代化的熱點話題。早在中共中央、國務(wù)院對《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》的批復(fù)精神和要求中，數(shù)字孿生城市的概念就得以提出：“堅持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)，適度超前布局智能基礎(chǔ)設(shè)施，打造全球領(lǐng)先的數(shù)字城市。建立城市智能治理體系，完善智能城市運營體制機制，打造全覆蓋的數(shù)字化標(biāo)識體系，構(gòu)建匯聚城市數(shù)據(jù)和統(tǒng)籌管理運營的智能城市信息管理中樞。”本文以雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)BIM管理平臺項目為例，就數(shù)字孿生城市進行探索性思辨，也是對城市信息模型CIM作為數(shù)字孿生城市的操作系統(tǒng)進行概念性探索。
“數(shù)字孿生”從字面上看，就是對我們世界萬物的實體，不管是原子，還是分子，進行數(shù)字化的復(fù)制。早在1960年，美國宇航局提出數(shù)字孿生的概念，其目的是在地球上對外太空的航天器進行仿真模擬，從而推演外太空的航天計劃，避免航天器發(fā)生事故或遭遇災(zāi)害?？烧J(rèn)為，數(shù)字孿生是一組虛擬信息，從微觀原子角度直到宏觀幾何角度，去全面描述真實或潛在的物質(zhì)世界；任何用于建造該物質(zhì)真實的信息，都可以從數(shù)字孿生中所獲取。
對于數(shù)字孿生城市而言，它不僅是對實體城市的簡單復(fù)制和映射，而且促進我們基于數(shù)字空間進行社會經(jīng)濟環(huán)境的重構(gòu)與創(chuàng)新，這將會孕育出與實體城市互動交織的新興未來。因此，數(shù)字孿生城市將基于真實的城市數(shù)據(jù)不斷進化出未來智能；將隨著數(shù)字技術(shù)的演進日益強化，最終成為一個承載人類物質(zhì)世界、社會活動和集體心智的無限場域。
對于雄安新區(qū)建設(shè)而言，數(shù)字孿生城市的建設(shè)是其重點之一，也孕育了未來城市的新需求。這包括三方面的內(nèi)容：第一是數(shù)字智能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，將支撐整個城市未來的數(shù)字化發(fā)展。第二是全域智能環(huán)境的建構(gòu)，也就是實體城市公共空間或者室內(nèi)空間都充滿泛在智能感知終端和服務(wù)，支持著人機友好互動的智能界面。第三是最終實現(xiàn)近期我國所提出的數(shù)字資產(chǎn)交易、數(shù)字資產(chǎn)管理、數(shù)字經(jīng)濟創(chuàng)新等理念，將作為今后城鎮(zhèn)化的新動力，預(yù)測將衍生出未來新的城市形態(tài)。
在雄安BIM平臺搭建的早期，我們借鑒了多倫多的Sidewalk案例。在傳統(tǒng)的城市設(shè)計和建設(shè)運營的基礎(chǔ)之上，該案例搭建了覆蓋全域的數(shù)字層，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟適用性、機動性和經(jīng)濟機會均好性的新標(biāo)準(zhǔn)。雖然目前該案例失敗夭折了，但其概念與理念對我們有很大的啟發(fā)。借助數(shù)字化技術(shù)，該案例創(chuàng)新了實體城市運營的方方面面，包括點對點交通方式、靈活高效的不動產(chǎn)管理模式、全天候公共空間共享設(shè)計、基于大數(shù)據(jù)服務(wù)的新型社區(qū)形式以及激勵創(chuàng)新的開放數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。
基于傳統(tǒng)城市規(guī)劃和設(shè)計，該案例在可持續(xù)發(fā)展、城市可負(fù)擔(dān)性、建筑宜居性以及出行系統(tǒng)上建構(gòu)了數(shù)字孿生的城市，使得城市各個方面能夠進行協(xié)調(diào)，能夠進行共生。從空間的角度出發(fā)，不管是對過去土地的空間管理、設(shè)計，還是今后對于數(shù)據(jù)的管理、融通，亦或?qū)τ谖磥碇腔刍膽?yīng)用，包括數(shù)字化貨幣交易等，我們都將落實到空間的規(guī)劃、設(shè)計、治理和運營過程之中。在整個數(shù)字孿生城市體系架構(gòu)下，我們在思考不同尺度的敏捷性智慧應(yīng)用服務(wù)體系。在城市的層面上，比如存在電網(wǎng)、交通、氣象、水務(wù)、政務(wù)等設(shè)施系統(tǒng)，它們依賴不同的城市系統(tǒng)和組織在運行；在社區(qū)或者辦公區(qū)層面上，存在社區(qū)服務(wù)、智慧辦公、智能家居等；在個體層面上，存在各種類型的穿戴設(shè)備。借助GIS、BIM、IOT等系統(tǒng)，城市、社區(qū)、家庭三個層面得以相互連接，構(gòu)建起數(shù)字城市的復(fù)雜巨系統(tǒng)。
對于這樣的巨系統(tǒng)，過去我們對于城市數(shù)據(jù)是被動的接收。而今后一旦有了這套敏捷感知和反饋的系統(tǒng)之后，我們對城市更多是主動發(fā)現(xiàn)，進行多維度的感知，最后分析出城市中需要進行創(chuàng)新的方式。其中，最重要的方面是事后的歸檔，也就是在系統(tǒng)性學(xué)習(xí)之中，形成結(jié)構(gòu)化的知識圖譜，能夠運用下一步創(chuàng)新和迭代之中。對于整套系統(tǒng)而言，核心的一部分就是如何把宏觀的城市運行、中觀的建筑運維、乃至微觀的部件應(yīng)用或事件發(fā)生進行關(guān)聯(lián)。借助于GIS和CityGML，以及BIM和IFC等融通方法技術(shù)，探索實現(xiàn)在不同尺度上的數(shù)據(jù)存儲、展示、計算的一體化打通，這是技術(shù)系統(tǒng)層面上的思考。
在整體層面上，我們會提出城市的發(fā)展目標(biāo)，如創(chuàng)新、韌性、幸福、宜居、綠色等。而這些目標(biāo)將會映射到每一個空間單元上，也許是過去的控規(guī)單元。不過，我們探索將這些目標(biāo)分別映射到各種專業(yè)單元上，如功能單元、海綿單元、形態(tài)單元、能源單元、或生態(tài)單元，這個單元規(guī)模不一，同時存在各自的規(guī)則體系。那么，各種績效目標(biāo)在不同的單元上進行了拆解，落實到每個地塊上，構(gòu)成了幾何解析與數(shù)據(jù)解析，對應(yīng)于于形態(tài)審查和指標(biāo)審查。最后這些指標(biāo)或規(guī)則落實到建筑及其部件之上，于是建設(shè)規(guī)劃的宏觀目標(biāo)規(guī)則得以層層分解。
對于城市運行而言，這套邏輯又反過來了。從建筑部件到地塊、到各種專業(yè)單元，最終匯聚到城市，形成了城市運營活數(shù)據(jù)的層層匯聚，用于評估城市總體目標(biāo)是否實現(xiàn)。于是，這構(gòu)成了規(guī)劃、建設(shè)、監(jiān)測、調(diào)整的一個閉環(huán)。
要形成這一套規(guī)劃建設(shè)的邏輯，背后存在各種模型的支撐，包括基礎(chǔ)性的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計、地理等模型、以及大數(shù)據(jù)挖掘、智能化算法等。同時，模型庫中也涵括專業(yè)模型，比如區(qū)域經(jīng)濟模型、人口模型、適宜性評價模型等。最后還包括綜合性的城市模型，如增長邊界、投入產(chǎn)出比等模型。當(dāng)然，我們也不可忽視專家團隊的作用，及時搭建機器與專家團隊之間的深度互動，共同優(yōu)化模型功能。
在這套模型的過程中間，我們設(shè)計了空間的閾值和時間的閾值，去判定我們城市運行過程中是否在空間上、時間上實現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)。如果出現(xiàn)了突破閾值的預(yù)警情況，我們可以對比諸如公共服務(wù)設(shè)施和人口是否匹配，是否實際人口增量超過了公共服務(wù)設(shè)施配給，是否需要提升服務(wù)績效能力等。在評估過程中，將會進行方案對比。不僅是方案本身的優(yōu)劣勢對比，也包括影響力評估。例如，對于某個地塊，能源供給增加后，其周邊的磁場或熱環(huán)境是否有所變化，是否對健康有所影響。在優(yōu)化的過程中，設(shè)置了不同程度的決策模式，包括策略調(diào)整、設(shè)施調(diào)整以及規(guī)劃調(diào)整。例如，在交通領(lǐng)域，紅綠信號燈的改變是策略性的，停車場的變化是設(shè)施性的調(diào)整，而綜合交通規(guī)劃體系的修改則是規(guī)劃上的調(diào)整。那么，這就形成了預(yù)警、評估、方案對比、優(yōu)化這樣的閉環(huán)。
所有的分析、乃至于我們對于未來的推演研判，都依賴于數(shù)據(jù)。面向未來，物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)是尤為重要的。通過無縫覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)，自然環(huán)境、社會環(huán)境、行為模式等數(shù)據(jù)都將被有效地匯聚起來，從而通過數(shù)據(jù)治理，勾畫城市未來的畫像，這也是城市發(fā)展績效的一種監(jiān)測與評估。除此之外，還存在我們城市本身的建設(shè)活動及其相關(guān)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，如容積率、貼線率等，這可視為城市作為實體的內(nèi)在建設(shè)基因。那么，“實體”建設(shè)基因和“虛擬”運行績效之間是否有相關(guān)性？通過機器學(xué)習(xí)，可輔助我們揭示出城市內(nèi)在規(guī)律。例如，一個運行績效良好的科技園區(qū)如何依賴于土地混合程度、綠化水平、路網(wǎng)可達性、住房租金、或咖啡廳密度等方面的支撐。建立起這套運行績效和建設(shè)基因之間的關(guān)聯(lián)后，可應(yīng)用到開放的眾規(guī)，也就是賦能普通老百姓和利益相關(guān)方，助力他們更便捷而理性地參與到城市建設(shè)或城市運營管理中，建立起市民、專家以及政府之間很好的溝通互動渠道。
整體來說，數(shù)字孿生城市實際上立足建立全周期、全時空、全要素、全過程的數(shù)字信息系統(tǒng)，其核心是優(yōu)化時空資源配給，特別是從時間的維度去重新審視空間資源的配置，建立起實時協(xié)同反饋的規(guī)劃與治理模式。
在雄安BIM平臺項目中，我們牢牢圍繞空間這個核心，抓住行政許可環(huán)節(jié)，采用數(shù)字技術(shù)，來記錄雄安實時生長與演變規(guī)律，探索數(shù)字孿生城市的建設(shè)。首先包括6個階段：現(xiàn)狀、總規(guī)、控規(guī)、設(shè)計（擴初深度）、施工、竣工?？⒐ぶ?，這套BIM信息模型依據(jù)運營要求，進行拆解，重新又回到現(xiàn)狀空間，并與感知設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實現(xiàn)城市的監(jiān)測預(yù)警評估。在6個階段的循環(huán)過程之中，雄安全周期的記錄得以實現(xiàn)，稱之為全周期。實際上這推動了規(guī)建管流程重塑，也切實減少管理審批流程環(huán)節(jié)。
第二是全時空，也就是異構(gòu)數(shù)據(jù)，不管是規(guī)劃與建筑的數(shù)據(jù)，還是今后運營的數(shù)據(jù)，都以時空為框架，進行融通治理。GIS數(shù)據(jù)偏向相對較大尺度的地理定位信息，BIM偏向中觀尺度的物理空間信息，而IOT偏向監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，更為微觀而細致。如何將不同格式的異構(gòu)數(shù)據(jù)融通起來，形成一個公開的格式（XDB），使得數(shù)字化的市政、民用建筑、道橋、園林綠化，乃至于城市家具都能夠在這個平臺上運行起來。
融通的框架就是統(tǒng)一ID的時空數(shù)據(jù)庫及其空間編碼?；谧钚∪S空間統(tǒng)計單元，將關(guān)聯(lián)地上地下、室內(nèi)室外的空間數(shù)據(jù)，包括規(guī)劃，建設(shè)，以及諸如IOT水表的空間數(shù)據(jù)，它們彼此融合和溝通起來，形成一個層層嵌套的空間體系。那么，與之對應(yīng)的一套空間編碼體系也由此生成，最小單元是三維房間，也就是讓規(guī)劃中、建設(shè)中、運營中，每個空間都有一個唯一的“空間身份證”。這個以三維房間為基準(zhǔn)的身份證，記錄著某個空間中不同的功能、不同的人口，乃至于資源的變化等。以空間為錨點，統(tǒng)合不同行業(yè)的數(shù)據(jù)；同時，基于這套空間編碼，輔助6個階段中現(xiàn)狀、總規(guī)、控規(guī)、設(shè)計、施工、竣工之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，各個專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，專項的規(guī)劃要求以及指標(biāo)體系等也由此而傳導(dǎo)下去，輔助實現(xiàn)城市決策與治理。
第三是全要素。全量要素本質(zhì)是系統(tǒng)性關(guān)聯(lián)，這依賴于規(guī)則的運用。在規(guī)劃階段、建設(shè)階段以及今后的運營階段，其規(guī)則各自不一樣，怎樣將規(guī)劃目標(biāo)最后傳導(dǎo)到建設(shè)、運營過程中，實際上要實現(xiàn)規(guī)則的縱向打通。與之同時，不同行業(yè)之間的橫向規(guī)則打通，也尤為重要，這是實現(xiàn)全要素系統(tǒng)聯(lián)動的關(guān)鍵。
而規(guī)則孕育在指標(biāo)體系之中，分為審查值、監(jiān)測值以及備案值。審查值針對城市而言，比如三線劃定、容積率等，都是體現(xiàn)在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)之中，可進行剛性或彈性的管控。監(jiān)測值包括人口、綠色出行比例、萬元GPD能耗等。只有城市運行起來，我們才能知道是否達到規(guī)劃的要求，這實際上與告知承諾書或評估預(yù)警密切相關(guān)。備案值包括廠家信息、混凝土標(biāo)號、養(yǎng)護情況等。也許是出現(xiàn)工程事故或者某種應(yīng)急情況下，這些備案值才會得以應(yīng)用。
第四是全過程，依據(jù)數(shù)據(jù)底板以及多元化的終端互動方式，推動開放式的城市治理新范式。對于全過程的開放治理，強調(diào)第一時間能夠?qū)崿F(xiàn)查詢，也就是說規(guī)劃條件以及建設(shè)變更過程中各類數(shù)據(jù)，可查詢、可追溯、全透明。在此基礎(chǔ)之上，我們期望形成一個數(shù)字化的跨專業(yè)數(shù)字底板，能夠提供給全世界的規(guī)劃師和設(shè)計師，為雄安的建設(shè)獻計獻策。
雄安BIM管理平臺的成果包括如下方面。首先是平臺的軟硬件環(huán)境和運行的制度體系配套；其次是數(shù)據(jù)底板，包括現(xiàn)狀地質(zhì)、各類規(guī)劃、專項與城市設(shè)計、建筑市政設(shè)計以及運營的數(shù)據(jù)；第三是三套數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)，分別是身份標(biāo)準(zhǔn)、語言標(biāo)準(zhǔn)、計算標(biāo)準(zhǔn)。這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)是根據(jù)三套標(biāo)準(zhǔn)被組織起來。身份標(biāo)準(zhǔn)就是上文提到的最小三維空間統(tǒng)計單元及其空間編碼標(biāo)準(zhǔn)，讓各類數(shù)據(jù)都納入空間框架之中。語言標(biāo)準(zhǔn)就是數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)成果標(biāo)準(zhǔn)。不同行業(yè)、不同軟件的數(shù)據(jù)格式有可能不一樣，建模方式以及匯交成果也可能不一樣，因此需要根據(jù)城市治理的需求進行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一。計算標(biāo)準(zhǔn)指規(guī)則計算與傳導(dǎo)的方式標(biāo)準(zhǔn)化，也就是同一個規(guī)則可以在不同的行業(yè)，不同的階段都能標(biāo)準(zhǔn)化計算并傳導(dǎo)。同時，全局聯(lián)動計算更強調(diào)局部和整體之間的互動關(guān)聯(lián)，如某個地塊的人口規(guī)模與其周邊公共服務(wù)設(shè)施規(guī)模之間的關(guān)聯(lián)。在此基礎(chǔ)上，建構(gòu)了孿生城市的數(shù)字空間。最后實現(xiàn)功能包括展示、查詢、交互、輔助管理與決策，并期望在未來能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字資產(chǎn)交易。
推動這個平臺的建設(shè)，還有一系列配套指標(biāo)體系及其衍生標(biāo)準(zhǔn)，包括規(guī)劃、建筑、市政、地質(zhì)、水利、園林等指標(biāo)體系、建模掛載標(biāo)準(zhǔn)、以及智能基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)等。同時，也包括雄安的規(guī)、建、管的制度體系創(chuàng)新。這個平臺本質(zhì)上也以數(shù)字化的方式推動了規(guī)、建、管的治理方式改革，包括建筑師負(fù)責(zé)制、總規(guī)劃師負(fù)責(zé)制、建設(shè)單位告知承諾制、建設(shè)單位主體責(zé)任制等。
面向未來，城市信息模型（CIM）將會推動數(shù)字孿生城市全生命周期的智能化應(yīng)用。下一步，我們將更加專注于規(guī)劃方案仿真模擬，也就是借助三維規(guī)劃條件形成環(huán)節(jié)，打造跨專業(yè)數(shù)據(jù)底板，不僅把總規(guī)和詳規(guī)以及城市設(shè)計連接起來，同時也把地質(zhì)、交通、能源、供水、環(huán)保等與之相關(guān)的專項規(guī)劃和城市規(guī)劃方案無縫銜接起來，建立各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)協(xié)同聯(lián)動。實際上，在雄安項目上，不同機構(gòu)的方案在平臺上拼合在一起，就能快速發(fā)現(xiàn)某些線下難以發(fā)現(xiàn)的不吻合點。同時，模型測試以及仿真模擬，包括交通、空間、水和氣候系統(tǒng)模型，都將成為規(guī)劃設(shè)計方案優(yōu)化的輔助工具。更為重要的是專家會商，推動人機互動，輔助識別規(guī)劃設(shè)計中需要優(yōu)化的部分。
針對具體施工項目，這個平臺也將關(guān)注全生命周期的建設(shè)施工過程，包括土方量的估算、施工時序、物料運輸、物流配給等，同時也包括施工過程中的科學(xué)化管理以及工地的智慧化監(jiān)測、預(yù)警等。針對不動產(chǎn)的管理，空間編碼最小單元是房間或戶型，這些房間或戶型具有不同的空間編碼，關(guān)聯(lián)到人口信息，之后衍生到與人相關(guān)的社會經(jīng)濟等屬性之中，從而實現(xiàn)對不動產(chǎn)更為綜合化的評估，包括住房和產(chǎn)業(yè)體系的評估，有助于實時協(xié)同空間資源的再分配和相關(guān)政策的優(yōu)化。
對于城市運維方面，更加強調(diào)城市感知與萬物互聯(lián)互通的作用。通過城市市場化的運行，實時采集不同類型的建筑物、不同類型的人口對能源、交通、公共設(shè)施等使用情況，推動城市實時監(jiān)測、預(yù)警、評估，定期反饋進行大數(shù)據(jù)分析，用于下一步的規(guī)劃、設(shè)計、建造、運營，提高空間治理能力。
對于CIM平臺本身而言，不同技術(shù)模塊之間的協(xié)同尤為重要。首先是大數(shù)據(jù)空間分析，既包括描述性分析，也包括預(yù)測性分析，還會涉及機器自動擬合出來的經(jīng)驗參數(shù)，實際上，這部分大數(shù)據(jù)分析仍然是各類數(shù)據(jù)在空間上的可視化及其關(guān)聯(lián)判斷。其次是城市系統(tǒng)性模型，包括交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)，環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)、水系統(tǒng)等模型建構(gòu)，在很大程度上依賴于專業(yè)知識圖譜的建立。最后是監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括居民出行、生活質(zhì)量、市場交易、城市環(huán)境等，這些屬于規(guī)則性綜合指標(biāo)的再現(xiàn)。這些不同技術(shù)模塊將會共用一些數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)集，不同的專業(yè)也將共用一些數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)集，那么以此建構(gòu)數(shù)據(jù)中臺和微服務(wù)，將會更為高效地調(diào)用不同模型，進行仿真評估，助力形成全要素、全流程的CIM平臺。
最后，CIM平臺將提供以人為中心的智慧感知界面。街道立面是我們感知城市空間的界面，手機屏幕是我們感知數(shù)字空間的界面，個體穿戴設(shè)備是我們感知隱匿維度的界面。不同智能化的感知界面將會促進人們從更多的視角去體驗空間，這將會加速我們對物質(zhì)世界和數(shù)字世界的認(rèn)知和決策?；贑IM平臺的數(shù)字孿生城市最終將會提升并重塑我們?nèi)祟悓τ诔鞘谢蛘邔τ谖磥淼母兄⒄J(rèn)知、體驗、決策能力，孕育出更多的未來使用場景，挖掘更多的未來發(fā)展維度，催生更多的未來創(chuàng)意想法，最終加速實體城市社會的演進。
