BIM技术在智慧城市“数字孪生”建设中的应用

赵强

（中国移动通信集团设计院有限公司）

1 数字孪生技术与BIM技术

1.1 数字孪生的含义

数字孪生（Digital Twin）是由美国NASA首先提出的，具体指在数字空间用高度精确的数字模型映射真实世界中的事物，并将真实世界中采集的数据信息反映到数字模型中，模型会随着现实的改变而变化，研究者可以基于数字模型，对各类信息数据进行联动，以及预测性的可视化仿真分析[1]。数字孪生包含：①在数字空间内，使用高度精确的数字模型描述和模拟现实世界中的事物；②将现实世界中采集到的真实信息反映到数字模型中，使之随现实进行更新；③在数字空间内，使用模型和信息进行预测性的仿真分析和可视化。

1.2 BIM技术的发展情况

BIM 技术始于工程建设行业，借鉴了制造业的3D数字化技术。在我国，虽然经过了大量的项目实践，但对其应用还主要集中在可视化、参数化、碰撞检测等方面，不能完全满足建造过程全生命周期的所有数据信息需求。

现代建筑是由多个子系统组成的复杂整体，在建设过程中，各专业工程师通常只掌握了本专业的工作内容，并不能完全了解整个工程的全貌和细节。同时，在建造过程中，传统的BIM软件很难应对精细的构造和复杂的智能系统。因此，专业工程师常认为BIM软件功能不足，运维管理人员也发现BIM模型并不能提供他们所需的全部信息。此外，随着建设行业从传统的现场人力劳动迈向预制化、装配化和机械化建造，行业亟需应用数字化模型，将构件或各子系统的生产、装配流程等纳入其中，形成动态的全过程数字仿真。这种全过程数字仿真不仅包含项目建设本身，更要纳入生产设备、工艺、人员、工期、质量记录等各种信息，形成建造过程的完整记录。

2 智慧城市建设：BIM+数字孪生

2.1 BIM 技术的应用现状和深度应用目标

当前，我国城镇化率不断提高，为了解决城市发展带来的种种问题，以人为本的智慧城市建设在我国兴起并逐步发展。随着科技的不断进步，“数字孪生”技术应运而生，该技术不同于传统的物联网、大数据等智慧城市建设技术，它推动我国的智慧城市发展衍生出数字孪生方向。而恰恰工程建设行业的BIM 技术可以构建数字孪生所需的虚拟数据模型。这也给BIM技术的进一步发展指明方向——BIM技术将在智慧城市建设中逐渐发展和普及。目前，很多企业应用BIM 还处于试点阶段，需要通过各种措施，不断提高BIM 技术团队的专业能力。BIM 技术跨专业协同、多系统集成方面的应用还需深入研究。通过项目的实践可得，BIM 技术的最大价值是信息数据和业务协同，即通过BIM强大的数据支撑、技术支撑和协同管理支撑，可达到高水平应用的标准。

2.2 从BIM迈向数字孪生

数字孪生不仅是建模，还包括全生命期的仿真模拟，该技术是面向整个客观世界的，数字孪生认为，客观世界的一切都可以用3D数字化方式进行建模和仿真。通过数字孪生技术，可以在虚拟世界中对现实世界进行分析和优化，从而辅助决策。数字孪生之于工程建设行业，无论是城市建筑、基础设施，还是工业产品，都是虚拟世界中的一部分，必须以统一的数字化技术和平台处理现实世界中的各种数据和流程，真正消除信息的断裂和孤岛[2]。

综上，数字孪生的基础是数字模型，核心是数据；BIM技术同样依托数据基础，在数字空间中通过模拟创建具有生命周期的各种场景，并结合BIM 软件，实现各场景的各种功能。BIM 技术为数字孪生工程提供了全方位实体基础数据的底层支撑，与其他数字模型场景数据联动，并进行全方位的业务协同，可最大程度满足项目的技术实践要求。

3 BIM 技术在智慧城市数字孪生建设中的实践应用

数字孪生是面向全域的，具有精准映射、模拟仿真、虚拟交互、智能干预等特点，它与BIM 技术参数化设计、仿真模拟、可视化预警、协同作业等优势相结合，为推动智慧城市建设提供了科学、合理、高标准的技术支撑和保障。工程项目建设是智慧城市建设的具象体现，BIM+数字孪生技术可以将工程周围的环境进行数据还原，在建立的模型基础上，进行参数化设计、交互设计、过程模拟等，确保数据模型在项目建设全过程的信息数据交换和反馈。

3.1 规划阶段

将BIM 数据导入智慧城市数字孪生建设平台，进行模拟仿真假设分析和虚拟规划，推动工程项目的提前部署，有利于避免不合理、不科学的规划设计。通过三维信息模型以及可视化系统，以定量与定性的方式进行模拟仿真、动态评估，保证项目综合效益实现最优化。通过建立城市信息模型平台，汇聚更多规划数据，构建各类模型，为项目的规划设计提供决策依据。同时，利用数据信息模型机器可识别、可分析的特点，为项目的运行数据进行可视化分析，从环境监测反馈、建设监测反馈和运营监测反馈三个层面进行工程项目的全方位监测，分析梳理相关问题，进行归纳和总结，并不断优化设计方案[4]。

3.2 设计阶段

利用BIM+数字孪生技术重塑工程项目周边环境，建立信息数据模型，设计师在可视化环境中进行交互设计的同时，还可以科学验证设计方案和项目环境的关系，可使方案中存在的问题提前暴露，并在设计阶段进行解决。各专业首先要建立自己的三维数据模型，再将所有分专业模型统一到一起，形成全专业模型（见图1）。

图1 工程项目全专业模型

3.3 施工阶段

利用BIM+数字孪生技术中特有的时空特性对项目建设方案进行仿真模拟，对项目的进度和质量、周期进行全面把控。在这一阶段，可以利用数据模型模拟大型设备的吊装方案、进行管线的碰撞检测等。这个阶段是BIM 技术应用最成熟的阶段，尤其是在机电专业中，无论是给排水、暖通还是电气，BIM+数字孪生技术都可以形成管线综合、管线安装定位等三维可视化模型（见图2-3），优化设计方案。

图2 管综优化后模型

图3 管综优化后模型剖面

3.4 运维阶段

项目交付后，留档的设计、施工数据会导入数字孪生模型，搭建时空数据库，精确显示建筑物的全貌和细节。同时，在建筑物的内外部空间部署传感器、监控设备，采集建筑环境、设备运行、构件压力和应变、视频监控、异常报警等数据，并基于数字孪生模型进行智能分析和科学预测。

4 展望

4.1 给智慧城市产业带来新动力

数字孪生+BIM，可以协同更多的资源和产业力量，共建城市级创新平台，带动信息通信产业链的共同发展。互联网、电信、设备制造、系统集成、软件开发等传统行业，也都在积极提档转型，逐渐向数字孪生建设的方向前进。新兴的技术创新性企业，也与数字孪生一同发展，不断提升、持续扩张，传统与新兴的碰撞，激发了新的发展动力。

4.2 独特的城市治理优势

数字孪生技术与传统的智慧城市IT组件物理堆砌的架构方式不同，随着科技的发展，数字孪生与BIM技术融合，将不断支撑城市的发展和治理。

1）全域视角

从多维度观察和分析，模拟验证，实现精准、科学施策。

2）精细管理

利用模型对整个客观世界进行监测、分析、智能决断。

3）协同作业

体现在对突发事件的联动应急反应等方面。

5 结语

综上所述，BIM 在智慧城市数字孪生建设中的实践应用以信息数据为核心、以模型为基础，进行虚拟仿真、动态可视、协同作业，大大提高了城市的可持续发展能力，也为智慧城市的不断向前发展奠定了可靠的数据模型基础，使城市建设发展决策的科学性有了高标准的技术保障。