我国是一个建造大国,建筑市场规模与需求量处于世界领先之列,但传统建造方式和管理方式也存在生产效率低下、资源浪费大、安全风险大、预测难、智能化程度低等诸多缺点,与时代发展进步已不相适应。
当工业、物流、交通等行业已经逐步走向智能化的道路,而作为传统行业的建筑业,信息化和智能化程度与上述行业还是有有明显差距的。
我国不同行业智能化应用比例
第四次工业革命的到来开启了智能化时代,随着BIM 技术、物联网、人工智能、机器人、大数据、区块链等技术的应用,推动了建筑领域信息化的进程, 建筑施工的进程逐渐由手工化、机械化向智能化、智慧化阶段发展。
大数据、云计算、物联网、虚拟现实等智能科技
近年来,国家相继出台了相关政策指引。如2016 年住建部发布的《2016-2020 年建筑业信息化发展纲要》明确提出构建基于BIM、大数据、智能化等技术的工程安全监管模式与机制,加强新兴信息技术在工程质量安全管理中的应用。2017 年国务院印发的《新一代人工智能发展规划》中指出不久的将来人工智能将驱动我国产业和经济的快速发展,为智慧与安全施工提供了新的政策动力。2020年住建部等十三部委联合印发了《关于推动知能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》,指出要以大力发展建筑工业化为载体,以数字化、智能化升级为动力,创新突破相关核心技术,加大智能建造在工程建设各环节应用,形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业融合一体的智能建造产业体系。
国家相关政策
而数字孪生技术(digital twins)作为以高保真度的动态虚拟模型来仿真刻画物理实体的状态和行为的技术。也有研究人员正尝试着在建筑工程领域进行应用。
数字孪生技术自提出以来,在航空业和机械制造业取得了长足的发展,在整个设计、制造、服务阶段发挥了巨大作用,并逐渐成为企业新的业务形式,如 PTC、达索、西门子等将数字孪生理念应用到产品设计、 生产制造、故障预测、产品服务中,实现了制造全周期数字化。目前,数字孪生技术的研究和应用正在全球如火如荼的展开。2016-2018 年,全球权威 IT 公司连续三年将数字孪生列为十大战略科技趋势之一,美国将数字孪生视为工业互联网系统的关键之一,德国将数字孪生作为实现工业 4.0 的重要技术,目前,数字孪生技术已有多领域的研究和应用,涉及智能制造、智能工厂、智慧城市等,为智能化的发展注入了新的动力源泉。
美国工业互联网系统
数字孪生的应用领域
首次提出“孪生体(twin)”概念的是美国国家航空航天局(NASA) 。1961-1972 年,NASA 在阿波罗项目中为实际飞行器制造了一个“孪生”飞行器,地面上的孪生飞行器用于执行任务前的训练准备以及执行任务期间的精确仿真试验与预测飞行状态。此时,孪生体概念是与实体对象具有相同几何信息和非几何信息(如材料、功用等)的物理实体,用于反映、预测实体对象的真实状态。数字孪生的理念最初用于进行航天飞行器状态维护和寿命预测,它通过集成数字模型(如结构模型、机体材料状态演化模型)与仿真分析,用于模拟与预测飞行器是否需要维护与状态是否满足要求。
“孪生”飞行器仿真实验和数据分析
数字孪生技术通过对物理实体进行数据采集、数据处理、数据传输后,建立高保真度的数字孪生模型,实现对物理世界的描述、诊断、决策、预测等一系列功能。
数字孪生为建筑业智能化的发展提供了新的思路,创造了新的工具,目前,建筑业有哪些领域、哪些应用呢?
数字孪生的理念在建筑行业也正蓬勃兴起。部分学者已经阐述了物理城市、虚拟城市、城市大数据、虚实交互、智能服务之间的关系,搭建了数字孪生城市的运行框架。我国政府将数字孪生城市作为实现智慧城市的必要途径和有效手段,雄安新区的规划纲要明确指出要同步规划建设与现实世界交互的数字城市,致力于将雄安打造为全球领先的数字城市。目前,中国信通院已经成功举办3次数字孪生城市研讨会,得出了一系列理论研究成果。
在设计阶段,按照设计方案中建立理论 BIM 模型,在有限元软件中建立理论有限元分析模型,二者共同作为理论设计模型,可提前进行施工模拟、施工方案比选等,为建筑施工提供指导; 在施工阶段,实时从物理空间利用传感器采集包含对象物理信息的数据,并利用三维激光扫描仪对对象进行扫描、去噪、点云拼接后建立包含对象几何信息的点云模型,二者经数据融合后共同作为实际监测模型,可作为施工阶段物理对象的实时映射,准确的反映真实施工情况;在反馈修正阶段,将点云数据导出并链接到理论 BIM 模型中,通过数据转换得到修正后的 BIM 模型,再在修正 BIM 模型中提取新的关键节点坐标,更新原理论分析有限元模型,得到修正有限元模型,二者共同作为修正模型,消除了实际施工误差,使得数字孪生模型更接近真实物理对象。
数字孪生城市
以上只是数字孪生技术在施工中的尝试应用,相信随着新型信息技术的进一步发展与融合,以及各行业领域信息化转型的需求增强,数字孪生技术将会融入更多领域,发挥巨大的作用。