数字孪生技术在建筑工程中的应用研究综述

刘 刚 马智亮 曾勃 谭啸 宋银灏

（1.清华大学 土木工程系，北京 100084；2.广联达科技股份有限公司 研究院，北京 100193；3.北京市通州区住房和城乡建设委员会，北京 101115）

引言

当前，以数字化技术创新引领的智能建造正在成为建造业发展的新趋势。新兴技术已经在建筑业领域得到了广泛的应用。其中，数字孪生于2002 年由密西根大学的Michael Grieves[1]首次提出，他认为可以利用物理模型、传感器和运行历史等数据，在虚拟空间中建立一个能够反映物理设备的虚拟实体和子系统，这种联系不是单向和静止的，而是全生命周期的双向动态映射。数字孪生技术以高度仿真的动态数字模型来模拟验证物理实体的状态和行为，通过以虚映实、以虚控实，为建筑业提供了新的方法和思路。

数字孪生技术具备数化保真、实时交互、先知先觉和共生共智的特征，强调了数字孪生体和物理实体的实时交互、数据的精准映射以及智慧化的预测[2]。从基本概念的提出，到目前步入主流研究领域，数字孪生技术经历了技术积累、概念提出、应用萌芽和快速发展四个阶段，目前已经被应用于航空航天、电力、船舶、城市管理和环境保护等诸多行业[3]，在建筑工程应用中也展示了巨大的潜力。Rubén Alonso 等[4]指出，将数字孪生技术与建筑业相结合，可以降低运维阶段15%的能源，加快施工阶段25%的工期，并减少25%的碳排放。随着技术的不断成熟和研究的逐步深化，数字孪生将为建筑业的高质量发展提供新的动力，成为建筑工程数字化的研究热点。但是，迄今针对数字孪生在建筑领域的应用论文数量比较有限，同时其研究的内容多是针对单一环节和业务，没有形成体系化的研究成果。

为促进数字孪生技术在提升建筑工程建造水平中的应用，本文拟通过对近年来在国内外学术期刊发表的以“数字孪生”为主题的研究型论文进行扫描，以文献统计分析、计量学分析和文献内容分析等为主要研究手段，对国内外数字孪生技术在建筑工程领域的学术研究论文进行梳理总结，并对数字孪生技术在建筑工程中各阶段的应用进行统计分析、总结与展望。

1 研究方法与技术路线

本文将按照三个步骤来完成对文献的调研工作，如图1 所示。

图1 报告技术路线图

1.1 文献搜索

为了对数字孪生领域的最新科研成果进行研究，需要选择权威的数据库和适当的关键词进行有效的文献搜索，主要涵盖以下步骤：

（1）数据库选择

选取ISI Web of Science 作为外文数据来源。该数据库是全球最大、覆盖学科最多的综合性学术信息资源，其收录论文被认为有更高的学术权威性且其更侧重于工程和科技领域[5]。选取CNKI 平台下的中国学术期刊网络出版总库作为中文数据源，该库是目前世界上最大的连续动态更新的中国学术期刊全文数据库，来源期刊完整率大于98%[6]。

（2）关键词选择

在Web of Science 数据库选定检索条件“article title/abstract/keyword”（篇名& 关键词& 摘要）输入“digital twin” 或者 “digital twins” 或者“virtual counterpart”，在检索结果中选择包括字段“construction”“construction industry”、“construction engineering” 或“construction management”，最终符合条件的文献有276 篇（检索日期截至2020 年12 月）。

在中国学术期刊全文数据库选择篇关摘（篇名&关键词&摘要）包含“数字孪生”或者“数字双胞胎”，同时包含“建筑”或“工程”或“项目”或“建造”或“建设”或“建筑业”或“项目管理”，最终符合条件的文献有256 篇（检索日期截至2020 年12 月）。

1.2 文献筛选

通过对论文标题进行初步判断，去掉明显不相关的论文，对剩下的论文阅读摘要，如有必要对全文进行快速扫描，最终筛选出Web of Science 数据库英文文献136 篇，中国学术期刊全文数据库中文文献74 篇。

1.3 文献分析

经过文献搜索得到的文献，需要进行统计和详细内容分析，才能遴选出有参考价值的重点文献：

（1）文献统计分析

文献计量学可以更加客观地评价其学科发展现状，更加准确地发现该领域的发展趋势[7]。基于此，本文也选取文献计量学方法，按照作者关键词进行聚类分析，找出研究热点及相关联系。

（2）文献内容分析

对所选重点研究文献，按照建筑工程项目的各个阶段划分，对每一阶段的研究现状及特点进行解析，对当前的研究现状进行梳理提炼。通过重点研究文献的分析，总结当前理论研究的不足，为下一步确定研究方向奠定基础。

2 数字孪生在建筑工程中的应用研究综述

2.1 国内外研究现状统计分析

针对前述文献搜索、筛选和分析得到的文献数据，进行多维度的统计分析，旨在更好地把握该领域的研究现状和趋势。

（1）按年度及项目阶段进行统计分析

通过对选定的论文按照年度和阶段来进行统计分析，可发现研究的趋势和发展过程。首先，从各年度的论文数量上来看，在2018 年前，数字孪生在建筑领域的应用发表较少；在2019 年，开始陆续出现相关研究论文；在2020 年后，发表论文数量出现显著的增长，说明在全球范围内，数字孪生技术已经受到建筑工程相关学科研究者的关注，如图2 所示。其次，按照建筑工程项目生命周期（设计-施工-运维）的分类，对文献主要研究涉及的阶段进行划分（对涉及多阶段的文献，则所涉及阶段均记录一次；对于无法明显区分的文献，则不计入统计）。最后，从各阶段的论文数量分布来看，2019 年与2020 年，三个阶段的论文数量比较均衡。根据文献检索情况来看[8]，进入2021 年后，施工阶段成为了研究的热点，数量是设计、运维两个阶段的总和，成为数字孪生在建筑业深入应用的热点，如图3 所示。

图2 按发表年份的论文数量统计

图3 按建筑工程阶段划分的论文数量统计

2.2 按照作者关键词进行文献计量学分析

作者关键词是论文的主题或者研究点的重要显示，因此，本文利用作者和关键词的聚类共现关系分析进行分类研究，选用VOSviewer 软件进行分析。该软件图形呈现能力极强，分析样本数据容量大，能对知识单元进行聚类，且易于操作[9]。由于本文选择的文献中含中文及英文两大类，为了避免翻译不同导致的问题，在做聚类分析时，对其分别进行处理，其聚类结果如下：

（1）中文文献作者关键词分析

通过VOSviewer 软件生成的标签视图中，每1 个节点代表1 个作者关键词，出现频次越高节点越大，1种颜色代表1 个聚类，聚类是由共现频次高的关键词构成，本报告将共现次数定为大于等于3 次，则图中的连线代表连接的2 个关键词至少有3 次共现在1 篇文献里，关键词共现频次越高，线就越粗。列举每个聚类中的关键词，并对同一概念进行合并（如BIM 与建筑信息模型，则保留共现次数最多的一个关键词），并归纳总结主题，4 个聚类分别为：“信息模型应用（含BIM、CIM、智慧城市、数字孪生建筑）”“智能建造（含智能建造、人工智能）”“装配式建筑”“全生命周期”是未来的重点研究领域，如图4 所示。

图4 中文研究文献作者关键词可视化标签图

另外，VOSviewer 软件也支持热力图分析，其中颜色越接近黄色，可以认为其热度更高。从图5 中也可以比较直观地看出BIM、智能建造、装配式建筑等为中文文献的主要领域。标签聚类图适用于呈现类别之间的相似性和差异性，强调分类或分组结构。热力图则适用于显示两个维度之间的关系强度，通过颜色编码表现数据的程度差异。

图5 中文研究文献作者关键词热力图

（2）英文文献作者关键词分析

将作者关键词共现频率设为最少3 次，生成标签视图，如图6 所示。在标签视图中，列举每个聚类中的关键词，3 个聚类分别为：其中聚类1 包括（bimuildingscircular economystakeholderssustainabilitysustainable developmentvirtual reality）； 聚 类2 包 括（artificial intelligencecyber-physical systemsdecision makingindustry 4machine learningsmart manufacturing）；聚类3包括(digital twinindustry foundation classinteroperabilitymodular construction)。从目前每个聚类的所含关键词来看，难以归纳总结其主题，此外，在英文文献的热力图中，由于除“digital twin”之外的其他关键词出现频率类似，单纯直观上也比较难判断当前的热点，如图7 所示。通过对聚类结果中关键词的含义和上下文进行深入理解，探索这些关键词在不同应用领域中的具体含义和应用场景。对于聚类结果中出现的关键词，进一步分析这些关键词所代表的具体研究技术与方法。例如，关键词中包含了" artificial intelligence "等词汇，说明数字孪生与AI 技术正在深度融合发展。

图6 英文研究文献作者关键词可视化标图

图7 英文研究文献作者关键词热力图

总的来看，一方面因为数字孪生在建筑工程项目中的研究仍然处于起步阶段，另一方面由于当前的研究内容也比较分散，导致从文献计量学的角度来看，目前无论中文文献还是英文文献，都没有形成具有显著典型意义的聚类主题，文献计量意义不突出。未来期望随着研究的持续深入和文献数量的增多，能够在文献计量学角度发掘出更多的规律。

3 数字孪生技术在各阶段应用分析

本报告借鉴本领域相关文献综述类论文的框架思路[10，11]，按照建筑工程全生命周期的逻辑进行分析，从设计、施工和运维三个方面对相关的研究成果进行了归纳总结。

3.1 设计阶段

在设计阶段，数字孪生技术的应用非常广泛，可以在规划设计、概念设计、初步设计、详细设计与模拟仿真等方面发挥作用[12]。首先，在概念设计与初步设计阶段，数字孪生技术通过项目数据的高度集成，可以自动提供包括了周边环境、设计文件以及其它可以有助于概念设计、初步设计等的数据来源[10]。例如，Lu Qiuchen[13]提出了一种基于图像和CAD 图纸建立系统、准确、方便的数字化孪生系统的半自动方法，可以快速生成三维的数字孪生模型。通过数字孪生技术构建的项目三维模型，为设计的各参与方提供唯一的数据源泉和统一的操作系统，使各方之间的沟通更加顺畅，也减少了因为数据不足或不及时造成的设计变更。其次，在详细设计过程中，将建筑物的孪生模型融合虚拟现实技术及时预测和规避设计的不合理之处，在施工过程中避免图纸的多次返工整改[14]。最后，通过数字孪生可以进行模拟仿真，从而减少设计缺陷，加快设计的迭代，从而提高项目的设计速度与质量，使设计方案达到最优。例如Matthias Flora 等[15]通过建立对地下基础设施工程进行建模，充分考虑地质条件、施工现场环境及施工机械等措施，建立包括地下空间、构筑物结构、施工现场三个模型在内的数据孪生体，从而大幅提高了机械化施工的精度，生成符合机械化施工的设计方案，提升了地下工程的施工效率。在轻型屋架结构设计过程中，G.P.Lydon 等[16]使用了高分辨率的模型对构件生成进行模拟，发现数字孪生技术能够对构件生产规划起到积极的作用。

从文献调研的结果来看，设计阶段数字孪生技术当前的研究已经从理论研究阶段向实地落地应用阶段发展，并且开始与其他先进技术相融合。比如Ye Zhang 等[17]利用数字孪生与机器人技术的融合，通过构建动态、数据驱动的模型，使施工机器人能够与动态化施工方案设计协同，从而使自动化施工成为可能等。但是总体来看，数字孪生技术在设计阶段的应用仍然缺乏更加深入的研究，与其他数字化技术的融合仍然研究不足，此外其对于设计过程与结果的实际价值目前也缺乏定量的计算，未来这些研究空白也需要被填补。

3.2 施工阶段

施工阶段的数字孪生技术的应用研究主要集中在施工过程监管、质量和安全控制、人材机管理等方面[18]。在施工过程的监管上，依靠数字孪生技术，可以实现数据的可视化和监管的智能化，提升施工监管的水平[19]。刘占省等[20]在双层内环轮辐式索桁架结构张拉提升实验中，在轮辐式索桁架结构上安装传感器，将采集和感知的实时数据传输到大数据存储管理平台，并进行数字孪生建模。通过理论施工力学仿真分析和实时监测数据读取，将二者数据进行相似度分析后实时进行决策和安全风险预警，保证张拉提升的质量和安全，其相对于传统施工方法具有提高施工效率、避免返工、减小误差、保障质量和安全、提高施工作业的信息利用率等优势。D.Gerhard 等[21]利用数字孪生的概念，通过建立施工过程与产品的实时监管网络，对高效能混凝土装配式构件的施工过程进行监管，提高了模块化施工效率。在质量和安全控制上，目前也已经有了一定的尝试。比如谢先启等[22]提出了基于数字孪生技术的面向工程质量安全控制的产品智能设计、工程质量安全状态智能感知与分析、数据驱动的工程质量安全控制、工程质量治理与动态监管的新一代工程智能质量安全管理与控制体系，为数字孪生技术在工程项目中的应用做出了积极探索。Ha Tran 等[23]在装配式预制外墙安装工程中，基于数字孪生方法，用激光雷达点云来构建3D 模型与原有3D 设计模型之间进行自动定量比较，从而对外立面的几何质量在准确性、完整性和正确性方面进行全面检测，保证了外墙质量的可靠性。在人员、机械设备以及材料管理中，数字孪生技术可以解决单纯BIM 技术缺少项目现场人员、物料及设备的实时动态数据信息，与现场施工情况存在偏差，虚实系统之间不能同步的问题，从而充分发挥施工现场项目大脑的作用，对人材机进行智能化的调度。比如谢琳琳等[24]就通过集成BIM、物联网、大数据和人工智能算法等先进的信息技术，构建基于BIM+数字孪生技术的装配式建筑项目调度智能化管理平台，实现物理施工系统与虚拟施工系统之间的实时交互，有效应对项目调度过程中不确定性因素的动态干扰，提高装配式建筑调度的自主性、预测性与智能性，如图8 所示。Wang Xi 等[25]提出了一种集成可视化与监督、任务规划与执行、双向通信于一体的虚拟现实(VR)交互式沉浸式过程级数字孪生系统。在这种新的工作范式中，人类工作者负责高层次的任务规划和工作过程监督。机器人承担工作空间感知与监测、详细的运动规划和工作的物理执行。研究结果表明，用户可以使用该系统指定工作顺序，选择最佳任务计划，经过简单训练后进行机器人轨迹引导，实现了人机远程协作施工作业。Lee Dongmin 等[26]开发与测试了一个可追溯数据通信的数字孪生框架，利用物联网传感器对建筑物信息建模进行实时更新，同时利用区块链则对数字孪生的所有数据交易进行认证，并在一个装配式砖混结构项目中对该框架进行了测试，该项目将预制砖的虚拟定位数据近实时传输到数字孪生上，用时间戳记录在区块链上，使所有的数据交易都具有可追溯性，实现了项目各参与方的可靠、高效的信息共享。

图8 数字孪生与项目调度融合示意图（谢琳琳等）

从文献调研的情况来看，当前数字孪生技术在施工阶段的重要性已经得到了充分重视，一些研究机构以及企业对其进行了探索性地研究及应用。但是需要指出的是，当前现有多数工作仍然只是停留在模型展示、数据可视化等数字孪生初级使用阶段，并没有形成真正意义上的数字化、集成化、智慧化工地建设模式[22]。此外，当前的应用范围和模式仍处于实验探索阶段，并未在大规模的工程项目中得到实践验证，在实际价值上仍然有待商榷。未来在这一阶段地研究应集中在多种数字化技术的融合集成，以及基于数字孪生的项目管理平台的搭建上。

3.3 运维阶段

数字孪生技术在运维阶段的应用研究，当前主要集中在设备设施管理、维修管理、运维监控、能耗监控和结构安全监测等方面。通过数字孪生技术可以获得建筑物的实时数据，赋能运维方通过数据进行决策、最优化建筑物性能、最大化实现建筑节能，实现可预测性维护，大幅提升运维方的管理水平和效率[27]。例如，Y.C.Lin 等[28]将BIM 技术通过与（无线传感网络）WSN 的融合，将多个有控制与感应功能的传感器放置于地下停车场中，将收集的实时CO、温度和湿度数据传递到BIM 模型中，构建了初步的数字孪生体，打造出一种新型可视化高效的建筑环境监控管理系统。Lu Qiuchen 等[29]设计了新的数据结构，能够自动从建筑物的数字孪生模型中提取出运维诊断信息，实现某项目暖通系统的自动化资产运维管理，验证了一种可操作的设施设备管理系统，如图9 所示。Xie Xiang 等[30]通过融合AR 与数字孪生技术，开发出自动环境异常检测和故障隔离的方法，从而协助设施管理人员解决影响建筑物居住者的热舒适性的问题，取得了良好效果。饶小康等[31]通过搭建基于GIS+BIM+IoT 数字孪生的堤防工程安全管理平台，在空间地理数据、BIM模型数据、物联网数据融合与交互的基础上，解决了以往堤防工程数据库管理或二维平面管理模式中存在的信息缺失、精度不够、反馈滞后、表达单一等问题，可对堤防工程安全管理进行实时监测、诊断、分析、决策和预测，实现智能运行、精准管控和安全运维。Shim Chang-Su 等[32]利用数字孪生模型概念，将基于三维信息模型的维修信息管理系统与利用图像处理的数字化巡检系统相结合，构建了更可靠的新一代预应力混凝土桥梁养护系统。

图9 数字孪生在运维异常情况检测中的数据流程（LuQiuchen 等）

从当前文献调研的情况来看，虽然运维阶段的数字孪生技术应用范围最广，但也存在着一定的问题。比如运维阶段的数据很多都是通过点云技术进行逆向建模而来，并不是从施工阶段取得，没有充分发挥出数字孪生技术的价值。另外，运维阶段的实践案例主要集中在大型的基础设施上，但这些设施的数据并不全面，很难将物理实体与数字虚体真正连接起来。未来如何保持各阶段数据的连续性以及强化物理实体与数字虚体之间的联系，应该成为运维阶段的研究重点。

4 总结与展望

本研究报告以文献研究为主要手段，对国内外数字孪生在建筑工程领域的学术研究论文进行分析总结，对当前的研究现状进行梳理，对数字孪生的定义、发展历程、架构、关键技术以及应用现状进行分析。在此基础上，对建筑工程项目中的应用场景和价值进行了深入的系统性研究。总体来看，数字孪生技术及其在建筑工程的应用和研究仍处于起步阶段，虽然已有部分研究成果和工程实践，但仍存在系统性的文献梳理与总结不足的问题。可以看出，随着数字孪生技术的逐步成熟，在建筑工程中的应用将具有广阔的发展前景，运用数字孪生理念和技术推动建筑工程的管理升级与数字化转型是可行的。未来还需要从以下三方面加强研究和推动发展：

（1）进一步加强面向建筑工程的数字孪生信息模型的研究

目前在建筑工程领域，应用最多的仍然是正向的建筑信息模型，但对于数字孪生技术而言，不仅需要前期设计阶段产生的信息模型，也需要在实施阶段整个建造过程、建筑产品等的信息模型构建，同时也需要各模型之间的联动和映射[33]。而从文献调研结果来看，针对这方面的研究仍是空白，未来需要关注和研究基于数字孪生机理的信息模型体系并结合其他信息技术研究建造过程中的应用和实施。

（2）进一步探索数字孪生技术与建筑工程管理模式融合的研究

从BIM、物联网、大数据、AI 等数字化技术的推广过程中，不难发现技术应用落地靠单纯的技术驱动是远远不够的，需要涉及到管理模式、组织模式和生产方式等各个层面的融合。随着数字孪生技术的逐步落地，必然会对管理的方式、流程、场景将产生巨大的改变，所以数字孪生技术与管理模式融合的探索是十分必要的。在目前公开发表的文献中，针对数字孪生与管理模式相融合的研究仍非常少见。但在建筑工程项目管理中，精益建造、EPC、IPD 等新型项目管理模式已经逐步推广，如何将这些先进管理模式与数字孪生技术进行深度融合，是数字孪生技术在建筑工程中应用落地的重点和难点。

（3）进一步深化面向建筑工程的数字孪生平台研究

数字孪生是多模型、多技术、多数据、多业务的集成化技术。未来数字孪生技术想要在建筑工程项目全生命周期落地，集成化平台的研究是不可或缺的。但是当前的研究和实践呈现出两级化，或针对数字孪生理论和整体框架的研究，或针对单领域应用的研究。通过设计与研发融合先进建筑工程管理模式与项目管理模型的数字孪生平台的架构，将有效实现项目全过程的一体化管理。通过人、材料、机械等全要素数据的融合，全参与方基于平台的高效协同,将实现建筑工程项目的成功交付。