“数字孪生建筑”应用简述

2020-07-31 09:21:11
陈志强
数字孪生
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随着大数据、云雾计算等基础设施的不断完善,人工智能、物联网等数字孪生体使能技术不断进步,深度学习算法体系和通用算法包的逐步成熟,基于数字孪生体技术应用的“数字孪生建筑”发展迎来了绝佳机遇。

导 读

随着大数据、云雾计算等基础设施的不断完善,人工智能、物联网等数字孪生体使能技术不断进步,深度学习算法体系和通用算法包的逐步成熟,基于数字孪生体技术应用的“数字孪生建筑”发展迎来了绝佳机遇。未来的“数字孪生建筑”应该是自学习、会思考,可以与人自然地沟通和交互的智慧化建筑,具有对各种场景的自适应能力,并且作为“数字孪生城市”的一部分,可以在更高的结构层次上高度互联。

“数字孪生建筑”是将数字孪生体使能技术应用于建筑科技的新技术,简单说就是利用物理建筑模型,使用各种传感器全方位获取数据的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,以反映相对应的实体建筑的全生命周期过程。“数字孪生建筑”将会成为“数字孪生城市”的中控载体。通过中控中心,可以掌控“数字孪生城市”一切过程应用的数字动态,实时对城市运行过程中各项数字信息进行动态维护、预警和解决问题。全球知名的未来学家Thomas Frey预测,到2022年,85%的物联网平台将使用某种数字孪生体技术进行监控,少数城市已开始率先利用数字孪生体技术进行智慧城市的管理。

数字孪生建筑具有四大特点:精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预。

1、精准映射:数字孪生建筑通过各层面的传感器布设,实现对建筑的全面数字化建模,以及对建筑运行状态的充分感知、动态监测,形成虚拟建筑在信息维度上对实体建筑的精准信息表达和映射。

2、虚实交互:未来数字孪生建筑中,在建筑实体空间可观察各类痕迹,在建筑虚拟空间可搜索各类信息,建筑规划、建设以及民众的各类活动,不仅在实体空间,而且在虚拟空间得到极大扩充,虚实融合、虚实协同将定义建筑未来发展新模式。

3、软件定义:数字孪生建筑针对物理建筑建立相对应的虚拟模型,并以软件的方式模拟建筑人、事、物在真实环境下的行为,通过云端和边缘计算,软性指引和操控建筑的电热能源调度等。

4、智能干预:通过在“数字孪生建筑”上规划设计、模拟仿真等,将建筑可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警,并提供合理可行的对策建议,以未来视角智能干预建筑原有发展轨迹和运行,进而指引和优化实体建筑的规划、管理,改善服务。

未来,随着以物联网、人工智能、虚拟现实、城市仿真等为代表的数字孪生体使能技术不断进步,大数据、云雾计算等基础设施的不断完善,“数字孪生城市”应用成熟度的稳步提升,结合“数字孪生建筑”可提供的智慧化应用越来越丰富,主要有以下几个方面:

一、BIM技术赋予物理建筑“身份属性”,构筑数字孪生建筑数字化应用基础

BIM是建筑领域创建和使用数字孪生体技术的工具,其通过赋予各物理建筑构件特有的“身份属性”,将城市、建筑、产品和人员结合起来,实现整个城市人居环境开发的智慧化管理,同时为建筑业带来全面的数字化变革和转型升级。基于BIM技术和数字孪生城市的各应用场景融合,可辅助实现智慧社区、智慧治理、智慧交通、智慧安防、智慧应急、智慧规划等以人为本的综合体验服务。

【BIM数字化应用示例,构筑建筑数字孪生应用基础来源:广联达】

二、数字孪生体与增材制造技术应用赋能建筑产业,促进“数字建筑”实现

在当前数字化变革的大趋势下,作为数字孪生技术与建筑产业有效融合的“数字孪生建筑”,已成为建筑产业转型升级的核心引擎,同样也是“数字孪生城市”建设的必要基础。数字孪生建筑就是利用BIM和云计算、大数据、物联网、人工智能、虚拟仿真等数字孪生体使能技术,结合先进的精益建造项目管理理论方法,形成的以数字孪生体技术驱动的业务发展战略。它集成了人员、流程、数据、技术、业务系统和应用场景,管理建筑物从规划、设计开始到施工、运维的全生命周期,包括全过程、全要素、全参与方的以人为本的人居环境开发和美好生活体验的智慧化应用,从而实现目、企业、产业和数字孪生城市应用的生态体系全新建立。

【数字孪生建筑生态体系平台示例 来源:网络】

二十一世纪以来,为应对能源危机、人口增长等问题,绿色、低碳等可持续性发展理念逐渐深入人心,而以有效提高建筑物能源利用效率,降低对环境影响为目标的绿色建筑成为全时间关注的重点。同时,我国正处于新型城镇化发展过程中,国家也推出了大力发展绿色建筑、装配式建筑、海绵城市建设等一系列举措将建筑产业链进一步深化发展,逐步实现以建筑产业数字化为核心的转型升级。

随着数字孪生体和增材制造新技术的不断进步和成熟应用,赋能建筑产业数字化转型升级,为快速实现绿色建筑、装配式建筑和海绵城市建设等提供了有力技术支撑。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打印系统”,它实现了建筑渣土回收再利用的功能;这正好符合绿色建筑“减少污染和废物、节能降耗”的理念需求。同样,如安世亚太等开发的建筑模块化3D打印技术也为装配式建筑的大力发展提供了技术应用支撑。还有大数据、云计算、人工智能、物联网和虚拟现实仿真等数字孪生体使能技术的综合应用,为我国各地“海绵城市”的建设规划提供了强有力的技术基础条件…

三、数字孪生体使能技术的应用,实现日趋智能的建筑能耗管理

利用数字孪生虚拟建筑体和能源建模技术可改变建筑物的设计、管理和维护。如通过各类传感器和智能感知技术应用,收集实体建筑实时能耗数据,并参考建筑设计、暖通空调系统、照明系统、供电系统以及天气实时数据,经过精细计算,为建筑业主提供各种设备使用的优化方案,从而降低能源消耗。

【建筑能耗数字化管理示例 来源:伊视贝】

在这方面的典型应用还有阿联酋Bee'ah公司打造的新总部大楼智慧化应用。通过整合OT和IT系统,该总部大楼基于人工智能的预测和自动化控制系统实现了建筑内部资源利用零摩擦,实现效率、性能和功能的全面优化,提高能效水平,提升空间利用率,同时降低总体运营费用。Bee'ah新总部大楼将完全使用可再生能源,优化资源的可持续利用,逐步达成能耗降低5%,耗水量降低20%,运营两年内零净碳排放量的结果。该大楼已获得LEED 铂金级认证,将在中东地区乃至全球智慧建筑领域成为典范案例。

【Bee'ah新总部大楼内部示意图 来源:江森自控】

四、基于数字孪生体技术的建筑智慧化运维管理

当前,我国建筑运维领域的运行方式仍以传统的人力结合部分楼宇智能化子系统进行的,这种运维方式对建筑设备的故障处理相对及时,但对建筑设备故障预警分析的能力尚有欠缺。良好的建筑运维服务应是“预防为主,检修为辅”,因此,数字孪生体技术通过其良好的全面分析和预测能力为建筑智慧化运维和建筑设施的预测性维护提供高效技术支撑。

例如,针对建筑设施运行过程中出现的各种故障特征,可以将建筑传感器的历史数据通过机器深度学习训练出针对不同故障现象的数字化特征模型,并结合专家处理的记录,将其形成未来对建筑设施故障状态进行精准判决的依据,并可针对不同的新形态的故障进行特征库的丰富和更新,最终形成预测性的诊断和判定。如某公司通过物联网设备监控建筑物中各关键设施的运行情况,为每台机器或设备建立数字孪生系统,不仅可以识别节能运行效率,还可以预测设备未来何时发生故障,并提醒管理人员,从而简化建筑运营与维护流程,使建筑业主全天候确保其资产处于最佳性能,从而达到节省10%的建筑运维成本。

五、数字孪生可让被损坏的历史优秀建筑完美重生

2019年4月15日,巴黎圣母院发生大火,塔楼倒塌、建筑受损。世界闻名的历史优秀建筑就让大火毁于一旦,人们都感到非常惋惜,都在关心巴黎圣母院以后还能完美重现吗?非常幸运的是,在2015年达索系统公司与巴黎市政府合作的“数字巴黎”项目中,其通过数字化建模、仿真,完整地还原了巴黎古城的建造过程,真实还原了巴黎圣母院的原貌和几百年的建造过程,在数字世界中再现了一块砖、一扇门、一扇窗的安装过程,同时也完美的构建了巴黎圣母院的数字孪生体。

因此数字孪生可以让巴黎圣母院完美获得重生。“数字巴黎”项目把这座城市从零开始的历史时空连续地在数字孪生虚拟世界呈现出来,重现了巴黎城市和文明的历史,人们就可以在孪生虚拟世界中实现时空穿越和体验,通过沉浸式的体验来学习和传承人类的历史与文明。

【巴黎圣母院建造过程的复原示例】

六、数字孪生建筑融合城市安防和灾害救援信息,实现智慧化应用

未来基于安防和建筑物数字孪生体,融合消防应急数据和信息资源,可实现城市消防能力及信息的统一管控,打造城市智能化的消防应急指挥系统,辅助现场工作人员进行最佳救援路线选择和火灾救援工作,提高灾害预防、处置和应急救援能力。同时还可基于数字孪生体制定消防演练方案,对消防人员进行业务培训,提升消防人员紧急应变能力。

当现实物理城市运行过程中发生突发事件需要进行人群疏散和应急救援时,可采用相关模拟仿真软件,结合建筑数字孪生体快速进行模拟分析,找到最佳人群疏散路径和应急救援方案。如安世亚太通过STEPS人群疏散仿真与建筑数字孪生体的融合应用,快速实现办公大楼、机场、地铁、车站、剧场等人口密集区域的人员应急疏散和分布状况仿真。STEPS仿真软件已经被成功应用于一些世界级的大项目,包括:加拿大埃得蒙顿机场、印度德里地铁、英国生命国际中心等。

【地铁站内人员行动仿真与学校人员应急疏散仿真示例 来源:安世亚太】

七、基于数字孪生建筑的疫情社区智慧化网格监控管理

例如在此次新冠疫情防控过程中,我们可通过社区数字孪生建筑,实现对社区建筑内居民健康信息及居家隔离状态、实现动态报警和常态管理相结合,为社区基层抗疫工作人员减压和社区网络化智慧管理提供重要技术和数据资源保障。

【新冠疫情下的社区网格化智慧管理应用示列 来源:网络】

八、数字孪生建筑为城市电网输配电智能化应用提供精准数据指导

基于数字孪生建筑提供的建筑物高度、屋顶表面和日照量等数据。这使城市规划者可以分析哪些建筑物具有较高的太阳能生产潜力,适合安装太阳能电池板等建筑储能材料。进一步分析可使城市智慧电网管理人员估计各社区一天可产生多少太阳能,以及节省的电力能源和成本。同时,还可以通过与相邻建筑物历史数据的交叉引用,来验证以上分析的正确性,并进行季节性调整以反映出更准确更精细的社区电力输配需求预测。

另外通过采用智能传感器系统,可以实时获取各建筑物内照明系统和暖通空调系统的使用数据,精确了解各建筑物和城市社区具体用电状况和高峰数据,为城市电网智能化输配电提供执行依据。

【虚拟新加坡-太阳能生产潜力分析示例 来源:新加坡政府技术局】

结合数字孪生城市各应用场景,基于数字孪生建筑的智慧化应用还有许多,如智慧社区管理、智慧医院管理、智慧停车管理等等,这里就不在一一介绍。未来“数字孪生建筑”通过群体智能和数字孪生体使能技术,使传统建筑从无生命的钢筋水泥结构演变成具有全面感知、人工智能的自适应、可进化的“生命体”,最终形成人机物深度融合的开放智慧建筑生态系统,让我们的世界更绿色、工作更高效、生活更美好。

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