数字孪生如何应用在建筑行业中？（下）

在上千年的发展历程当中，建筑行业对社会进步，丰富生活和经济发展都起到了巨大的促进作用。目前，建筑行业利益相关者众多，生命周期长，劳动密集的特点日益明显。这些特点在一定程度上阻碍了建筑行业的快速发展。所以面对社会需求的快速增长，建筑行业的技术革新应该得到更多的关注。

数字孪生是近些年来的重点技术之一。通过虚拟模型和物理实体的交互，数字孪生可以应用在决策，主动控制，科学管理，应急处理等很多方面。由于其明显的特点和优势，数字孪生技术在很多行业当中都得到了应用。但是将数字孪生应用到建筑行业当中的研究仍相对较少。本节将对这个领域近些年来的研究进行总结分析，为从业者未来的研究提供帮助。

4.1 主要的研究方向

从设计到拆除，建筑全生命周期由很多重要的阶段组成。著名的建筑软件供应商Jonas将一个施工项目分成了五个阶段，分别是初始阶段（设计规划），施工前阶段，采购阶段，施工阶段和施工后阶段。此外，在施工项目完成之后，建筑会经历一个时间跨度很长的运行和维护阶段。最后还会有拆除阶段。建筑行业庞大的体系给数字孪生等先进技术的应用带来了机遇和挑战。有很多学者就将研究聚焦在了数字孪生在建筑行业的应用方面。

表4从全生命周期的视角总结了2018年到2022年间有关数字孪生在建筑行业应用的研究成果。文献的搜集是利用Scopus引擎完成的。一共有131篇文章被收集到，但是由于字数限制，在此只展示了其中的一部分。从表中可以看出，数字孪生被应用在了建筑全生命周期的很多个阶段当中。只有采购阶段和建筑后阶段没有相关的研究报道。通过表1的“典型技术”一栏可以发现，建筑信息模型可以被认为是在建筑领域中应用数字孪生的最基础和最重要的技术之一。数字孪生和BIM的结合可以为建筑全生命周期中的很多个阶段服务。同时，数字孪生也可以和很多先进技术协同使用以便解决建筑行业的不同问题。例如，通过RFID和IoT，数字孪生可以准确的掌握施工现场中材料，设备，人员的位置和状态信息，并为规划和决策提供帮助。通过AI和计算机视觉技术的结合，数字孪生模型也可以变得更精确，更灵活。此外，从文章的数量上来看，大量的研究都聚焦在数字孪生技术在施工问题，运维问题上的应用，以及提出先进的建模方法。其中，数字孪生在施工阶段应用的研究主要聚焦在五个方面，分别是施工安全，监控，人机协作，施工质量评估以及利益相关者之间的信息共享。各个方向的研究都会对施工项目的效率和质量产生很大的影响。为了保证所述内容的准确性，本文引用的所有文章都经过了作者的仔细阅读和分析。

表4 数字孪生在建筑行业中应用的主要研究方向（时间范围：2018-2022）

4.2 关键技术

目前针对数字孪生技术最有名的定义来自NASA，他们认为数字孪生是一个实体或系统的仿真，仿真是为了镜像的对物理实体的全生命周期行为进行反映。从学术界和工业界对数字孪生的不同定义中来看，数字孪生可以为决策，控制，规划等任务提供巨大帮助。为了保证仿真的准确性和有效性，数字孪生技术可以和很多先进技术协同配合。不同行业中的特色技术是不同的。在建筑行业当中，数字孪生与BIM，IoT，AI的结合是当今的热门技术。

（1）BIM & IoT

BIM作为过去二十年的新兴技术，已经在建筑行业中得到了广泛的应用。通过BIM，建筑从设计到拆除的数据可以被整合到三维模型当中。利益相关者可以从模型当中随时获取他们想要的信息和数据。所以，越来越多的专家学者关注BIM技术的研究，以及BIM和IoT，数字孪生技术的协同应用。

Liu等基于数字孪生，BIM和IoT技术构建了吊装安全风险管理框架并建立了安全风险耦合模型。该模型可以通过虚实交互，对多源信息进行实时获取。同时，获取到的信息也能够可视化的传达给利益相关者。这是数字孪生，BIM和IoT技术协同应用的典型案例之一。通过信息的集成，共享和可视化，可以为后续很多工作提供理论基础。Zhang等利用BIM和数字孪生技术建立了施工现场管理框架，使得物理实体的信息能够被实时的获取，存储，整合和分析。这对施工现场的管理有很大帮助。Vivi等通过BIM，IoT和数字孪生技术建立了整个场所的虚拟模型。模型不仅能够对多源异构数据进行整合，还支持数据的快速读取和使用。同时，模型中的数据也可以成为评估设备运行状态的指标之一。

（2）AI

数字孪生技术的一个重要能力就是对物理实体的实际情况进行虚拟映射，包括模型和运行数据的可视化。AI技术历经几十年的发展，如今已经越来越成熟和先进。建模和数据分析是AI技术的重要分支。这和数字孪生技术十分吻合。所以很多学者将AI和数字孪生技术相结合来解决建筑行业中的实际问题。Kikuchi等通过增强现实和无人机技术提出了数字孪生模型的建模方法。在这项研究中，一个建筑甚至一个城市的虚拟模型可以很生动，真实的展现在公众面前。利用该方法，群众也可以参与到城市规划中来。Wu等利用数字孪生，机器学习和混合现实技术建立了施工安全事故的早期预警系统。利用此项技术，工人们可以准确掌握潜在的风险。施工安全事故的出现频次也大大降低。Liang等聚焦在机器人技术，增强学习和数字孪生在建筑领域的协同应用。机器人可以从人类操作中进行自主学习，并代替完成一些高度重复性的工作。这不仅仅能够帮助承包商降低成本，也能够帮助降低安全隐患。

5. 结论

由于数字化水平相对较低和智能化应用不足，建筑行业正在面临技术升级的需求。最近几年，包括数字孪生的一些新兴技术已经逐渐在建筑行业中得到了应用。本文首先总结了学术界和工业界对数字孪生技术的理解和应用。之后从主要研究方向和关键技术方面对数字孪生在建筑行业中的应用进行了综述。

近年来数字孪生已经成为了重点研究课题之一。尽管还没有形成统一的定义，但是学术界和工业界对数字孪生的理解是有很大相似性的，基本都围绕三个关键词，模型，交互和仿真。从航空航天和制造行业开始，数字孪生已经被应用在了很多行业当中，建筑行业就是其中之一。数字孪生通过与其他先进技术的协同使用，为建筑全生命周期中很多问题的改善提供了帮助。数字孪生的技术相融性很强。在建筑行业中，数字孪生与BIM，IoT以及AI的协同已经显示出了很强的技术优越性。

数字孪生技术在建筑行业中的应用可以从很多个视角进行综述分析。本文只选择了主要研究方向和关键技术。未来的研究可以更全面更系统的进行总结分析。此外，在文献搜集时，最好能够提出一个硬性指标来评判文章质量，以便对综述的客观性造成影响。此外，本文在文献搜集时只利用了一个搜索引擎，这可能会造成一些文章的疏漏。

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