数字孪生在智慧建筑中的应用探索

2022-01-13 15:51:20
金明堂
数字孪生
数字孪生建筑的核心是BIM的应用。当前,BIM技术已被国际工程界公认为建筑产业革命性技术,并被许多国家列为强制应用技术。我国上海等地相继出台了相关政策,开始在国有投资项目中强制推行BIM技术。

所谓数字孪生建筑,是指综合运用BIM、GIS、物联网、人工智能、智能控制和系统仿真等数字孪生技术,以实体建筑物为载体的建筑信息物理系统,是对建筑结构内各类数据进行集成,是物理对象的真实映射。数字孪生要求信息空间里面的虚拟数字模型是“写实”的,是“一种综合多物理、多尺度模拟的载体或系统,以反映其对应实体的真实状态”。数字孪生可以将物理空间里的实时数据与虚拟数字模型紧密联系,以描绘相对应的实体建筑的全生命周期过程。

数字孪生建筑的核心是BIM的应用。当前,BIM技术已被国际工程界公认为建筑产业革命性技术,并被许多国家列为强制应用技术。我国上海等地相继出台了相关政策,开始在国有投资项目中强制推行BIM技术。

BIM能够帮助实现全生命周期(见图1)的管理应用。

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1.数字孪生建筑的特点

(1)可视性。数字孪生技术基于BIM模型的三维数据进行展示和渲染,实现物理建筑的数字化展现,达到更好的可视化管理效果。

(2)互连性。使用各种互联技术,如物联网、5G和大数据等,对建筑运行状态的充分感知、动态监测,实时记录建筑的运行情况。

(3)控制性。通过人性化的合理的界面与模型实现交互控制,模拟在现实生活中的各类情况,为实际建筑正常运行做好准备,为突发情况做好预案。

(4)学习性。数字孪生模型可基于前期记录、交互、模拟的各类数据,实现建筑运行模式的机器学习,并能够分析人员的行为模式。

2.设计阶段:并行设计,提高效率

基于数字孪生的设计,主要是应用BIM技术,不同专业可在数字孪生协同平台进行并行设计,同时进行建筑、结构和机电等模型的设计,克服了传统设计模式中设计周期较长,需要严格按照专业先后顺序,依次完成建筑设计、结构、机电等模型的搭建的缺点,大大缩减了设计周期。同时可以通过基于Web的轻量化协同平台,应用展示和审核等工具,分别从设计和施工等人员的角度,对设计模型提前进行“图纸会审”,从而在源头上把控建筑的质量。

数字孪生设计基于多种BIM软件的互相配合,最后生成设计模型,其主流建模流程,如图2所示。

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3.施工阶段:过程控制,无病移交

3.1施工场地管理的应用

通过数字孪生技术,能够将施工场内的平面元素立体直观化,以利于优化各阶段场地的布置。例如:综合考虑不同阶段的场地转换,结合绿色施工中节约用地的理念,避免用地冗余;临水临电、塔吊布置及其动态模拟,实现最优化的塔吊配置;直观展现用地情况,最大化地减少占用施工用地,使平面布置紧凑合理,同时做到场容整洁,道路通畅,符合消防安全及文明施工等相关要求。

3.2施工现场危险源辨识

在数字孪生模型中,将孔洞、临边和基坑等与安全生产相关的建筑构件突出展示,并与施工计划和施工过程中所需要的各类设备及资源相关联,共同构建数字孪生建筑知识库,实现在数字孪生环境下基坑及建筑危险源的自动辨识和危险行为的自动预测。辅助安全管理人员通过数字孪生环境预先识别各类危险源,从重复性、流程性的工作中解放出来,将更多的时间用于对安全风险的评估与措施制定等方面,提前在数字孪生环境中进行安全预控,在施工全过程中保障安全生产。

3.3技术交底

一方面,运用数字化三维可视化技术可以使施工单位建模流程图快速了解工程的总体情况、施工、结构、机电工程和管道布置。特别是那些不便于展现的地下管线等构件,通过BIM能清楚地被显示出来,减小了设计与施工之间的沟通难度,有利于工程的实施与推进。另一方面,运用数字化三维可视化技术可以按照施工计划进行虚拟施工,并且可以模拟各专业施工工艺的关键程序,既有利于熟悉施工程序,又为成本控制、进度控制和质量控制提供可靠的依据。

3.4碰撞检查

传统的二维设计有多种工程管线,专业管线之间相互交叉,施工过程中很难实现紧密的协调与配合。运用数字孪生环境的碰撞检测功能,可根据各专业管道之间的冲突,设置无压管压力管道和大型管道小型管道,以减小施工难度。考虑到管道的厚度、管坡、间距,以及安装、运行和维护所需的空间,结合工程结构与设备管道检测的实用综合布置图绘制图纸,以加快解决所有专业人员的施工难题。结合BIM的可视化技术,模拟施工工艺和施工方法,使现场施工不再单纯依靠平面图纸,不仅提高了施工技术能力,还能避免因理解不一致等认知偏差而造成的返工现象,从而加快施工进度和提高现场工作效率。

3.5进度管理

工程实施期间,对建筑、道路、基坑和管线等所有构件进行任务分解,对构件(如:支撑梁、管线、3轴搅拌桩、地连墙等)进行工作分解结构(WorkBreakdownStructure,WBS)编码。凭借任务与模型的关联动作,可根据任务时间进行四维动画模拟,以动画的形式查看项目的施工计划和实际进度,包括了解项目各时间段的形象进度及里程碑节点等。将完成的工程实体组件绑定到BIM的ID中,用不同颜色展示构件,通过颜色变化改变组件模型,继而显示项目的进度。应用BIM对项目的实际进度与计划进度进行比较,一旦发现施工进度提前或滞后,可及时发出相应的警报以提前预警。

随着三维激光扫描技术的不断发展,BIM技术逐渐被用于获取现场情况等场合,包括应用BIM连接点云数据组织管理现场计划、施工计划和物流计划。在同时获得虚拟照片和场景图像后,服务端平台会自动比较它们的像素大小和分析实物与模型的差异,进行建筑工作量的计算。

3.6成本管理

BIM模型构件通过构件ID编码与工程量清单项目编码建立关联,包括构件与工程量清单项目名称、单价、项目特征等之间的对应关系,并且将相关数据写入构件明细表对应的数据库中,同时提取BIM中不同构件及模型的几何信息和属性信息,汇总统计各种构件的数量。基于BIM开展算量工作,不仅使算量工作得到大幅度简化并实现自动化,减少了因人为计算失误等而造成的错误,而且极大地节约了工作量和时间,方便审核人员复核工程量成果,付款时还能直观地进行查看。

3.7生产、质量和安全管理

在建设过程中,现场工作人员可以通过移动端App记录生产任务的实际实施情况,查看任务过程的控制要求,实时上传数据至服务器。其他人员可通过网页端查看实际生产工作的跟踪结果,并与任务计划进行比较和分析,使任务更加清晰、可控。项目经理通过移动App将施工计划发送给现场所有的专业生产负责人,现场制作人员只需拍照报告施工情况即可,而数据即刻被自动送回至服务器。由BIM平台快速生成生产数据,形成数字化报表,并发送至项目联络群和朋友圈;或经项目生产经理批准发给各参建方,同步监督项目的工作成果,协助项目管理者现场控制施工状态。

与此同时,手机端可快速记录施工现场的质量和安全问题,PC端可随时查看工程质量及可能出现的安全隐患,并在数字孪生场景中直观地确定问题的位置。施工现场常见的危险源将由常规检查点确定,形成固定的检查计划,现场管理人员通过扫描二维码定期检查现场检查点,如发现安全隐患,即刻启动安全检查程序。此外,PC端还可以验证现场各巡逻点的视察和执行效果,并全面覆盖现场的安全管理。

4运维阶段:变被动维修为主动维护

数字孪生建筑具有较好的综合分析和预测能力,为预测维修建筑物的智能设施提供了有效的技术支持,是智能建筑物运行与智能系统一体化的主要模式。从构件信息和BIM模型的角度看,数字孪生建筑结构将智能结构体系从模型集成到系统,实现了微观和宏观的集成。

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数字孪生技术的发展为智能建筑提供了坚实基础,是建筑可视化和数字化的基石。其中,BIM是一个核心引擎,目前得到了建筑界的普遍认可,但还需要经过一个较长的磨合期。无论是数字孪生还是BIM,都是未来建筑业的总体发展方向——基于数字孪生建筑平台,实现整个建筑业的数字化、在线化和智能化,并最终实现未来建筑的美好愿景。

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