数字孪生技术与工程实践 第5章 基于数字孪生的智能建造与智慧城市PPT资料.pptx

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城市运行系统是一个典型的复杂巨系统，其数字孪生系统的构建，不同于产品数字孪生系统和工厂数字孪生系统，需要更加注重数据和模型基础库的建设，通过不断丰富数字孪生服务功能，满足多领域、多业务场景的应用需求。

数字孪生技术与工程实践,目录,数字孪生技术与工程实践,5.1基于数字孪生的智能建造,数字孪生技术与工程实践,建筑和工业产品的不同,建筑对象和工业产品对象不同，表现在两个主要方面：

单件定制化。

建筑是典型的单件设计、单件施工的“产品”，每个建筑物都不同。

即使类似的两栋建筑，由于其地理位置不同，环境不同，其地下基础结构方案、施工方案可能也是各不相同的长使用周期。

建筑的生命周期从规划设计、勘探、施工建造、使用、管理、维护直到报废，时间跨度会有几十甚至上百年，期间会有涉及到不同的设计、施工、使用、运维单位，如何保证信息的畅通和共享是一个难题。

数字孪生技术与工程实践,建筑信息模型（BIM）历史,BIM（BuildingInformationModel，建筑信息模型）的思想由来已久20世纪60年代，CAD（ComputerAidedDesign，计算机辅助设计）技术开始出现。

到了70年代被，称为“BIM之父”的ChuckEastman教授就提出未来将会出现可以对建筑物进行智能模拟的计算机系统，并将这种系统命名为“BuildingDescriptionSystem”（建筑描述系统）20世纪90年代出现BuildingInformationModeling概念美国Autodesk公司于2002年首次提出BIM解决方案，推出了相应的Revit和Civil3D软件，美国Bentley公司基于全信息建筑模型（SingleBuildingModel,SBM），推出了MicroStationArchitecture2006年左右，BIM在各国开始得到应用美国于2007年发布了国家BIM标准（NationalBuildingInformationModelingStandard），作为BIM相关研究及开发的参考2009年，日本开始将BIM技术大量应用在建筑行业中2010年，韩国公共采购服务中心（PublicProcurementService，PPS）发布了韩国BIM路线图,数字孪生技术与工程实践,建筑信息模型（BIM）中国,2003年发布的20032008年全国建筑业信息化发展规划纲要，标志着BIM技术在我国建设行业的应用拉开了帷幕。

在2011年住建部发布2011-2015年建筑业信息化发展纲要中首次将BIM技术纳入建筑信息化的标准中，接着2013年和2016年相继推出关于推进建筑信息模型应用的指导意见、2016-2020年建筑业信息化发展纲要，再次明确BIM技术的重要性，BIM成为“十三五”建筑业重点推广的五大信息技术之首；

在2020年发布了住房和城乡建设部工程质量安全监管司2020年工作要点，提出“推动BIM技术在工程建设全过程的集成应用”2020年8月，住房和城乡建设部、国家发展改革委、工业和信息化部等13个部门联合印发关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见，指导意见提出，加快建筑工业化升级，加快推动新一代信息技术与建筑工业化技术协同发展，在建造全过程加大建筑信息模型（BIM）、互联网、物联网、大数据、云计算、移动通信、人工智能、区块链等新技术的集成与创新应用。

数字孪生技术与工程实践,BIM的概念和要素,BIM的英文全称可以由两种写法，一种是BuildingInformationModel，而另外一种是BuildingInformationModelling。

这两种写法代表了不同的理解，BuildingInformationModel表示BIM是一种模型的表示方法，体现在统一数据、统一表示方面，而BuildingInformationModelling表示的是建模和管理的过程，体现在统一流程、对全过程的管理方面。

因此，BIM的要素也可以从这两个方面去理解：

完整的模型信息BIMnD模型的概念关联的信息BIM中的信息对象是相互关联的并且具有可识别的标识。

唯一的模型信息全生命周期的跟踪标准化的表述,数字孪生技术与工程实践,BIM的作用,BIM技术发挥最大价值是在模型和协同的两个方面，通过BIM统一模型支撑、技术支撑和协同管理支撑来达到协同应用的高标准。

在企业级应用中能成为企业运营的关键支撑，根据建设项目，实现项目级应用的信息化管理和跨专业协同、多终端系统集成、全过程覆盖的目标。

BIM技术作为智能建造核心技术之一，在设计、施工、运维阶段发挥了重要作用。

BIM在建筑整个生命周期管理的过程中发挥着关键作用，不仅是一个可视化的三维模型，而且是一个建筑数据的载体。

BIM的推广，除了在技术上解决软件部署问题外，更大的是需要在组织流程、项目管理上面的革新。

而智能建造的提出，就是为了改造建造行业传统模式的弊端，促进技术和模式的变革。

数字孪生技术与工程实践,智能建造背景,长期以来，我国建筑业仍延续着劳动密集型的组织机制，粗放式的生产管理方式导致施工效率低下、资源浪费严重、环保问题突出、安全事故频发、工程质量难以保障等诸多问题，因此迫切需要向精益化管理模式转型升级，实现建筑业高质量发展。

传统建造业已不能满足新时代的发展需求，建筑业向智能化、信息化转型是必然的发展趋势。

“智能建造”这一概念逐渐产生并进入关注焦点。

建筑业的智能化是在工业化和信息化深度融合的背景下发生的，智能建造的概念是从建筑业的集成化建设理论开始发展的。

20世纪90年代，有学者开始将制造业中“计算机集成制造系统”（ComputerIntegratedManufactureSystem,CIMS）的理念引入建筑业，提出了计算机集成建设CIC（Computer-IntegratedConstruction）的思想。

进入21世纪，随着BIM理念的推广和BIM技术的日益成熟，以BIM为技术支撑，对建筑业实施系统变革的集成化建设理论逐渐成为工程建设领域的研究热点。

其中比较著名的有斯坦福大学的设施集成化工程中心（CIFE）的虚拟设计与施工（VirtualDesignandConstruction,VDC）理念，以及英国Salford大学提出的nD（nDimension）理论。

数字孪生技术与工程实践,智能建造概念和要素,智能建造是在信息化、工业化高度融合的基础上，将新一代信息技术、智能技术与先进设计施工技术贯彻于工程建造的决策、设计、生产、施工、运维整个环节，使得建造方式具有自感知、自学习、自决策、自适应等特点。

智能建造促进了各个建造活动生产关系的变革，实现了整个产业链的信息集成、业务协同，提升整个建造过程的能效，实现安全绿色，精益优效的建造。

智能建造的核心要素包括：

统一的模型。

智能建造注重全流程的集成，需要依靠BIM来统一对建造对象、建造过程的描述在，建造过程不断丰富模型的内涵，为建筑、工程设施的全生命周期管理提供唯一的模型和数据依据；

统一的过程。

智能建造改进建筑施工的管理模式，基于信息技术来对建造过程进行统一管理。

各个环节及时反馈，基于协同平台进行工作交互，推行建造过程的“并行工程”、“精益建造”；

实时感知。

基于CPS概念，实时感知每个环节的建造数据，为科学决策提供依据；

智能决策支持。

利用大数据、人工智能等方法，基于统一模型和实时感知数据，对建造过程进行分析和预测，及时发现质量问题，提前发现风险，解决问题。

数字孪生技术与工程实践,装配式建筑,在讨论建造模式变革的时候，装配式建筑是一个建筑工业化的发展方向，逐渐在厂房、公用建筑（如医院、酒店）等领域得到重视和应用。

装配式建筑是将建筑主体的墙、屋顶、窗、地板等在工厂预先浇筑，形成模块单元，再到施工现场拼装的一种建造模式，它将传统的“设计现场施工”变成“设计工厂预制运输现场装配”的模式。

装配式建筑的预制单元可以只是混凝土浇筑的毛坯件，也可以是带装修内饰和内部设施的预制房间单元，具有较大的灵活性。

装配式建筑把工业生产所具有的标准化、产品质量一致性、生产周期稳定、工业化低成本等优势带入建造行业，具有建造速度快、节省劳动力、质量较高、节约资源等优点。

装配式建筑的推广应用，可以促进建筑施工的标准化和生产方式的转变，和BIM等技术一起，可以加快智能建造模式的应用推广。

数字孪生技术与工程实践,智能建造和数字孪生,智能建造在一定程度上提高了建筑工程的数字化与信息化水平，采用数字孪生技术，则引入了“数字化镜像”，使得在虚拟世界中再现智能建造过程成为可能。

因此，结合数字孪生系统的实施，可以推动智能建造模式的真正落地。

在智能建造中，除了施工阶段实现智能化，还应在建筑物的设计、运维阶段提高精细化水平，实现对整个建造过程进行实时优化控制。

在建筑物的全生命周期管理中，数据是传递建造信息的重要载体，在智能建造中应用数字孪生技术，实现虚实融合与交互反馈，充分发挥数据与信息在虚实世界中传递与集成的作用。

数字孪生技术与工程实践,智能建造中数字孪生的特点,数字孪生在智能建造中的应用，核心是建筑物的数字孪生系统，类比产品数字孪生系统，应该是其全生命周期的模型和数据的融合统一。

但是和工业产品数字孪生系统不同，智能建造中的数字孪生有其自身特点：

建筑设施的建造过程是多方参与的现场工作，一般采用项目制管理，这就比工业生产的标准化过程需要更多的管控措施。

因此，建设设施的数字孪生系统，在其建造阶段就需要投入应用，并且发挥建造过程模型和数据管理的智能化应用；

建筑设施的寿命相比普通的工业产品都长，使用周期中会进行多次的改建、装修，这就导致建筑模型会比产品模型有更多的变化，更加需要数字孪生体对这个变化进行记录。

“唯一模型”、“版本管理”在建筑数字孪生体中更加重要。

每次变更，都需要进行记录，并且能追溯，这样才能保证建筑的安全。

数字孪生技术与工程实践,建筑数字孪生系统,建筑数字孪生系统的物理世界包括了对建造过程的跟踪和对建筑设施的管理两部分。

在数字孪生构建的初期，只有虚拟世界中对建筑物的设计方案，可以看做是建筑的“数字胚胎”（参考产品数字孪生系统的生命周期，图3-7）。

设计方案经过施工，形成建筑设施实体。

智能建造的应用，需要对建筑过程进行跟踪与管理。

因此，数字孪生系统的初期，就用于建造过程的数字化和智能化。

建筑设施完成建造投入使用后，物理世界中的建筑实体完成，数字孪生的主要工作就是实现对建筑本身的维护和使用优化了。

建筑的虚拟实体包括了数字模型和信息系统。

数字孪生引擎，包括对模型和数据的融合，实现智能化功能。

数字孪生服务，也大致分为设计建造阶段的服务和使用维护阶段的服务。

数字孪生技术与工程实践,基于数字孪生的智能建造应用场景

（1）,初期规划阶段结合城市信息模型（CIM），通过BIM与GIS系统的应用结合，能