刘占省,史国梁,孙佳佳.数字孪生技术及其在智能建造中的应用[J].工业建筑,2021,51(3):184-192.

　　为促进建筑行业的转型升级，引进和推广数字孪生技术在智能建造中的应用十分重要。首先介绍数字孪生技术的相关内涵特点、发展历程及主要应用，总结出数字孪生技术的五大特点和发展趋势。通过阐述智能建造的相关内涵，分析数字孪生和智能建造的特点，总结了两者的关系。在此基础上，分析了数字孪生技术应用于智能建造过程中亟需解决的四个关键问题，针对这四个问题，搭建了数字孪生应用于智能建造施工阶段的框架，并总结了数字孪生在智能建造各阶段中的应用内容及价值，为今后的相关研究和应用提供理论依据。

　　在新兴现代化信息技术(物联网、人工智能、大数据等)快速发展的背景下，建筑行业也迎来了高质量发展的契机，同时也推动着建筑行业的转型升级，走向智能化。针对如何深化落实信息技术在建筑业中的融合和应用，各个国家基于自身国情分别提出了相应的发展策略，促使了信息物理融合[1]、数字孪生[2]等相关技术的快速发展。在新兴现代化技术中，数字孪生为建造业精细化和数字化的发展提供了新的方法和思路。近年来，数字孪生、智能建造越来越受到业内专家学者的重视，在工业界也取得了丰硕的成果。

　　数字孪生技术是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的技术[3]，旨在以虚映实、以虚控实。董雷霆等得出数字孪生技术可以准确评估飞机结构的安全性能[4]。李浩等提出了基于数字孪生的智能服务系统，为现代制造服务的智能化转型升级提供了参考[5]。王建军等提出了数字孪生驱动的整体模型和应用框架，推进航天工业智能制造的发展[6]。Grégorio等提出了基于数字孪生的装配式组件虚拟表达方法，以便控制组件表面的位置和方向偏差[7]。由此可见，数字孪生技术在制造业已经有了很深入的研究和应用。

　　智能建造是一种广义的概念，是指在项目建造过程中，充分利用先进的智能化、机械化技术手段，达到项目质量、安全、进度、成本更优的目的，构建项目建造和运行的智能化环境。樊启祥等建立了基于工程技术和管理大数据的机理分析功能，推动了智能建造技术和管理体系在基础设施的研发应用[8]。吴建清等探索了智慧公路的全生命周期的管理模式，阐述了公路施工的智能建造[9]。Khoury等在智能建造应用过程中开发并评估了三种不同的无基础设施跟踪系统，用于跟踪建筑工地移动人员，保证了现场工人的安全[10]。Choi团队利用视觉驱动的6自由度位移估计方法，实现了工地现场各构件的智能化定位从而保证了施工进度[11]。Gong等利用UWB跟踪系统实现了混凝土内部振动器的精确定位，从而为振动器操作人员提供了混凝土固化质量的实时反馈，并识别振动缺陷[12]。

　　综上所述，数字孪生在制造业的应用较多，但在建造方面的应用较少，同时，智能建造的发展还处于初级阶段。本文通过总结数字孪生的相关内涵及应用发展、分析数字孪生与智能建造的关系，探索了数字孪生技术在智能建造中的应用，从而推动建筑行业的转型升级。

　　数字孪生是以可视化的虚拟空间建模复制现实物理实体，提高产品研发和制造的生产精度和效率[13]。数字孪生技术自提出以来，在制造业等领域有了大规模的应用，数字孪生技术可以贯穿于产品的整个生命周期。目前，国内外大量专家学者正在研究和应用数字孪生技术[14]。

　　从概念上来看，数字孪生技术有以下几个核心点：一是物理世界与数字世界之间的映射；二是动态的映射；三是除了物理的映射，还是逻辑、行为、流程的映射，比如生产流程、业务流程等；四是物理世界与数字世界的双向映射关系，即数字世界通过计算、处理，也能下达指令、进行计算和控制；五是全生命周期，数字孪生建立虚拟数字模型与现实物理实体是同步的，实现全过程的交互反馈。

　　数字孪生的实现主要依赖于高性能计算、先进传感采集、数字仿真、智能数据分析、VR呈现，实现对目标物理实体对象的超现实镜像呈现，对产品进行性能预测和健康评估[15]。

　　通过分析数字孪生的内涵，可以总结出数字孪生具有的五大典型特征，即互操作性、可扩展性、实时性、保线]。数字孪生的典型特征如图1所示。

　　随着数字孪生技术的快速发展，在无形中已经融入到我们的生活中，并起到了越来越重要的作用。20世纪60年代就产生了数字孪生的雏形，1961-1972年，在阿波罗项目中NASA为实际飞行器制造了一个“孪生”飞行器。通过对数字孪生相关文献的查阅，将数字孪生技术的发展历程分为三个阶段，即2003-2010年为萌芽期，2011-2014年为起步期，2015年至今为成长期，数字孪生发展历程如图2所示。

　　2003年，美国密歇根大学的Grieves教授提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达(Conceptual Ideal for PLM)”概念[16]，指出孪生的虚拟数字模型可以通过仿真模拟产品的状态及行为从而抽象映射出物理实体的性能。自此，数字孪生技术崭露头角，逐步地被应用于航天航空领域。在2003-2010年，Grieves教授将此概念进一步称作“镜像空间模型”和“信息镜像模型”[17]。在此阶段数字孪生的抽象概念被首次提出，其最初在航天飞行器的维护和性能预测方面被引入，并用于进行航天飞行器状态维护和寿命预测。

　　2011年，Grieves教授正式提出“数字孪生”，用来描述概括虚拟映射，交互反馈[16]，随后一直沿用至今。在Grieves提出的数字孪生参考模型中，数字孪生由三部分组成，即物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、虚实之间的连接数据和信息[17]。至此，数字孪生概念模型引入了虚拟空间进行数字化表达，使真实空间与虚拟空间能够实时交互。2011年，美国NASA在其技术发展路线图的模型、仿真、信息技术与处理领域中提出了数字孪生体的概念，并在2012年正式给出了数字孪生的明确定义[18]。

　　随着数字孪生体被正式提出，并有了明确的定义，数字孪生技术迎来了新的发展契机。针对飞行器在运维阶段性能评估困难和剩余寿命预测不精确等问题，2011年美国空军研究实验室将数字孪生体引入飞行器工程[19]。2012年，美国空军研究实验室提出了“机体数字孪生体”的概念：机体虚拟数字模型是正在生产和运维的现实机体的高精度写照，能够用来仿真模拟并评估机体能否满足任务条件[20]。

　　2015年至今，数字孪生技术扩大了其应用范围，从飞行器领域拓展到其他领域。2017年数字孪生体的应用模型也被西门子正式发布；美国参数技术公司(PTC公司)在2017年推出基于数字孪生技术的物联网解决方案；数字孪生技术在法国达索、美国通用电气公司、法国ESI集团等企业也产生了巨大的效益[14]。九游会 J9官方网站

　　在这一时期，国内也在探索数字孪生技术的理念，并在制造业等领域进行了应用。随阳等研究航空发动机模型，并将其概念应用到数字孪生工厂中[21]。郭东升等探索了数字孪生车间建模，用于解决航天结构构件制造车间物理空间与信息空间缺乏动态感知的问题[22]。陶飞等设计了数字孪生车间的系统架构，总结出了信息物理融合的理论基础与关键技术[23]。

　　在未来，随着新兴信息技术的发展和进一步融合，数字孪生技术和产业生态都有望迎来爆发期，数字孪生将与新型应用场景更紧密结合。表1列出了数字孪生演化过程中的几个重要节点。

　　数字孪生技术架构的四个层面是相互关联的，物理层为模型层提供感知数据，模型层又为物理层提供仿真数据;在数据层中可以对物理和模型两者中的数据做采集、传输、预处理、处理分析，从而实现对产品的描述、诊断、预测、决策。

　　当前正是数字孪生技术发展的成长期，通过对数字孪生技术架构的分析，可以总结出数字孪生技术的主要应用层面。本文主要从数字化工厂、智慧城市、智能建筑三个方面分析数字孪生理念的应用。

　　随着数字孪生等技术在制造业中的广泛应用，传统、单一的制造模式已经逐步转变为现代化的集成生产模式，从而为制造业和制造技术的发展提供了一个新的概念及发展途径，这就被称为“数字化工厂”[24]。

　　陶飞等提出了数字孪生车间并基于车间孪生数据的信息物理融合理论，明确了今后数字孪生车间发展所需的关键技术[25]。Ríos提出了通用产品的数字孪生体定义，将数字孪生由复杂的飞行器领域向一般工业领域进行拓展和推广[26]。Bicocchi等研究了数字工厂的互操作性架构，并提出了一个面向服务和数据共享体系结构特征的数字孪生应用框架[27]。九游会 J9官方网站隋少春等通过分析数字孪生和人工智能技术的特点，实现了数字化车间的智能控制[28]。

　　数字化工厂的建立和广泛实践，使数字孪生技术应用于产品的整个生命周期，有效缩短了新产品的生产周期，为制造行业在新经济形势下的发展提供了新的途径[29]。

　　随着移动互联网、云计算、大数据等新一轮信息通信技术的发展，智慧城市逐渐成为城市建设的重要发展趋势[30]。在智慧城市的发展和建设过程中数字孪生的理念也得到了进一步的应用[31]。陶飞等阐述了物理城市、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[3]。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，在雄安新区的规划中致力于将雄安打造为数字城市[32]。中国信通院成功举办了3次数字孪生城市研讨会，得出了一系列理论研究成果[33]。在数字孪生理念应用于智慧城市建设中，要明确智慧城市管理服务的动态实现与虚拟地理环境是紧密联系的[34]。

　　未来十年，智慧城市的主要工作就是打造数字孪生城市，其根本目的是产生新的应用、社会价值及生产力。而城市运营流程的数字孪生化主要是智慧政务、数字政务等内容[35]。数字孪生驱动的智慧城市能够达到虚拟服务现实、模拟仿真决策、智能化发展的目标。

　　近年来，随着现代化信息技术的不断提升和应用，建筑行业也获得了很大的发展，其中数字孪生技术在建筑行业的应用推动了智能建筑的发展。傅丽芳在建筑测量过程中提出数字化监测方法，解决了传统建筑质量监测中误差过大等问题[36]。韩佳等设计了火灾自动报警系统，为智能建筑的防火控制搭建了数字孪生理论体系[37]。罗钢等研发了基于BIM的绿色智能运维管理平台，实现了运维过程的数字孪生[38]。在智能建筑运维方面，不少专家学者正研究数字孪生驱动的消防安全疏散方法，利用建筑信息建模技术和物联网技术，结合智能算法，实现环境信息实时采集及疏散路径规划等功能[39]。在建筑装修方面，随着数字技术的不断完善，虚拟现实技术驱动的室内装饰成为主流[40]。另外，室内设计也在创造性地使用互联网空间设计平台[41]。由此可见，在建筑的装饰装修领域，数字孪生技术已经有所应用，并不断提高装饰的精度。在数字孪生技术架构下，建筑的施工和运维不断智能化，这也促进了智能建造的发展。

　　近年来，数字孪生理念得到了进一步发展和推广，它逐渐由复杂的飞行器领域向一般工业领域进行拓展应用[42]。诸多国内外企业和学者从数字孪生的理论、数字孪生在产品全生命期的应用、数字孪生在车间应用等方面进行了一系列应用，数字孪生应用领域见表2。

　　随着新型信息技术的进一步发展与融合，数字孪生技术将会融入更多领域，发挥巨大的作用。从宏观上看，数字孪生将会是数字社会人类认识和改造世界的方法论。从中观上看，数字孪生技术将推动社会治理和工业生产向数字化转型。从微观上看，数字孪生落地的关键是“数据+模型”，亟需分领域、分行业编制数字孪生模型全景图谱。

　　数字孪生的出现是信息化发展到一定程度的必然性结果，数字孪生正成为人类解构、描述、认识物理世界的新型工具。数字孪生是一套支撑数字化转型的综合技术体系，其应用推广也是一个动态的、演进的、长期的过程。数字孪生=数据+模型+软件，我国在数据采集、模型积累、软件开发等方面存在诸多短板，成为制约数字孪生发展的瓶颈。在重点领域、重点环节率先实现突破，树立一批典型模式和样板[14]。

　　随着建筑业的转型升级，数字孪生技术应用于建造领域并推动智能建造的发展，又是其一个发展方向。数字孪生技术在智能建造中的应用将实现以下作用。

　　1)通过感知设备采集建造过程的数据信息，对建筑物实体的各要素进行监测和动态描述，提高施工的效率。

　　2)在数字孪生技术架构下，数据处理层可以分析历史数据，检查结构性能变化的原因，并揭示各类建造风险的关系，对施工现场起到指导性的作用。

　　3)数字孪生驱动的建造过程对结构的监测也能起到关键作用，可以智能地定位结构损伤位置，判定损伤程度，评估安全性能。

　　通过广泛的文献调研，得到智能建造在施工领域的四个关键应用，即施工要素在现场的定位、施工布局优化、信息化管理、动态监测[43]。智能建造是结合全生命周期和精益建造理念，利用先进的信息技术和建造技术，对建造的全过程进行技术和管理的创新，实现建设过程数字化、自动化向集成化、智慧化的变革，进而实现优质、高效、低碳、安全的工程建造模式和管理模式。随着人工智能、VR、5G、区块链等新兴信息技术的涌现并应用至工程实践，将会产生更多智慧创新应用成果，不断丰富智能建造的内涵[44]。

　　智能建造从范围上来讲，包含了建设项目建造的全生命周期；从内容上来讲，通过互联网和物联网来传递数据，借助于云平台的大数据挖掘和处理能力，建设项目参建方可以实时清晰地了解项目运行的方方面面；从技术上来讲，智能建造中“智能”的根源在于以BIM、物联网等为基础和手段的信息技术的应用，智能建造涉及的各个阶段、各个专业领域不再相互独立存在，信息技术将其串联成一个整体，这就要求建造过程中做到信息物理的融合。

　　实现信息物理融合的有效手段是数字孪生技术[45]。一方面，数字孪生能够实现建造过程的现实物理空间与虚拟数字空间之间的虚实映射；另一方面，数字孪生能够将实况信息与信息空间数据进行交互反馈与精准融合，从而增强现实世界与虚拟空间的同步性与一致性。

　　统计数字孪生发文情况，在数字孪生技术应用成果中：1)已发表文献中一半以上的论文是数字孪生与工业4.0、信息物理系统、智能装备/工厂/服务等相结合的内容；2)纵观各国数字孪生的研究成果，其中美国、中国、德国发文量最多，而且此类论文主要来自基建相关领域的高校与科研院所；3)在工业界，关注工业生产的企业或单位发行数字孪生相关领域的文章最多。通过对比分析发现，学术界和工业界都将数字孪生作为实现智能化的关键使能技术之一。在未来，要实现建筑全生命周期的动态监控、可视化呈现、融合性数据处理和数字化智能建造也必然依靠数字孪生等信息技术、智能设备[46]。

　　综上所述，智能建造是建筑业的发展趋势，数字孪生是推动智能建造发展使能技术之一。

　　数字孪生作为实现智能建造的关键前提和使能技术之一，能够实现虚拟空间与物理空间的信息融合与交互，并向物理空间实时传递虚拟空间反馈的信息，从而实现建筑工程的全物理空间映射、全生命期动态建模、全过程实时信息交互、全阶段反馈控制。

　　智能建造的本质是结合设计和管理实现动态配置的生产方式，从而对施工方式进行改造和升级[47]。智能建造在一定程度上提高了建筑工程的数字化与信息化水平，采用数字孪生技术，则引入了“数字化镜像”，使得在虚拟世界中再现智能建造过程成为可能。虚实融合与交互反馈的过程，实质上是数据与信息在虚实世界中传递与发挥作用的过程，如图4所示。在智能建造中，除了施工阶段实现智能化，还应在建筑物的设计、运维阶段提高精细化水平，实现对整个建造过程进行实时优化控制。在建筑物的全生命周期管理中，数据是传递建造信息的重要载体，在智能建造中应用数字孪生技术，需要解决四个关于数据的问题，即数据采集与通信、数据建模、数据管理、数据应用。

　　针对数字孪生技术应用于智能建造要解决的问题，提出了利用物理模型和虚拟模型的信息进行数据采集、预处理、挖掘和融合，全方位监控建造过程的生产要素的方法。根据数字孪生的技术架构，在施工阶段，搭建了基于数字孪生的智能建造框架，该框架包括物理空间、虚拟空间、信息处理层、系统层四部分，各部分之间的关系为：物理空间提供建造过程多源异构数据并实时传送至虚拟空间；虚拟空间通过建立虚拟模型，完成从物理空间到虚拟空间的真实映射，实现对物理空间建造全过程的实时反馈控制；大数据存储管理平台接收物理空间与虚拟空间的数据并进行数据处理操作，提高数据的准确性、完整性和一致性，作为调控建造活动的决策性依据；基于数字孪生的智能建造系统平台通过分析物理空间的实际需求，依靠虚拟空间算法库、模型库和知识库的支撑和信息层强大的数据处理能力，进行建筑工程数字孪生的决策与功能性调控，数字孪生技术在智能建造施工阶段的应用框架如图5所示。

　　由数字孪生技术在智能建造施工阶段的应用框架，本文总结了数字孪生在施工阶段的两大应用，即基于数字孪生的装配式建筑施工和基于数字孪生的预应力钢结构智能张拉。在装配式建筑施工中，应用数字孪生理念，通过人工建模、物联网和设备采集信息的方法，现实物理实体同虚拟模型的交互映射，构建出孪生模型，并生成孪生数据。最后利用机器学习算法等对数字孪生模型中的信息进行分析，通过智能设备把分析结果传达给施工人员。在数字孪生技术的驱动下实现了施工过程安全风险管理等服务功能。在预应力钢结构的张拉过程中，充分考虑时间与空间两个维度，在空间维度，实现对张拉系统纵向维度的多尺度建模；在时间维度，建立以孪生智能体为主的动态协同运作机制，支撑智能张拉虚实交互配置建模以及多维多尺度时空域下的智能张拉过程的建模，实现对智能张拉系统的仿真模拟与虚实集成管控。

　　数字孪生除了可以应用于智能建造的施工阶段，还可以应用于设计和运维阶段，提高建筑物全生命周期的精细化管理。在智能建造的设计阶段，融合数字孪生技术可以实现建筑物的协同化设计。在设计过程中，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，提高设计精度，在施工过程中避免图纸的多次返工整改，保证施工质量和速度。在智能建造的运维阶段，融合数字孪生技术可以实现建筑物的智能运维管理，应用数字孪生理念，由包括虚拟模型数据和设备参数数据在内各种数据库作为支撑，融合建筑结构和设备在运行和维护过程中产生的数据，形成建筑结构和设备的数字孪生体。由此实现建筑结构和设备实体与虚拟建筑结构和设备实体之间的同步反馈和实时交互，以达到对建筑结构和设备故障准确的预测与健康管理服务的目的。

　　数字孪生技术不仅可以应用于智能建造的施工阶段，而且可以应用于设计与运维阶段。通过融合数字孪生技术可以实现建筑物全生命周期的智能化和高精度管理。

　　智能建造数字孪生框架为智能建造系统提供了使能技术与手段，面向建筑物的全生命周期过程，以数字化方式创建建造系统的多物理、多尺度、多学科高保真虚拟模型。通过虚实交互反馈、信息挖掘处理、方案迭代更新等手段为物理建造系统扩展新能力。智能建造就是工程建造的创新模式，这种模式是由新一代信息技术与工程建造融合形成的[48]。数字孪生对建筑业而言，是建筑物建造过程中，物理世界的建筑产品与虚拟空间中的数字建筑信息模型同步生产、更新，形成完全一致的交付成果。

　　数字孪生作为实现智能建造的关键前提，它能够提供数字化模型、实时的管理信息、覆盖全面的智能感知网络，更重要的是，能够实现虚拟空间与物理空间的实时信息融合与交互反馈，从而对建造过程起到可视化呈现、智能诊断、科学预测、辅助决策四大方面的作用，数字孪生在智能建造中的应用价值如图6所示。

　　1)可视化呈现。由于虚拟数字空间中的模型是根据现实物理世界进行搭建的，因此可以通过BIM模型、有限元模型、三维点云模型将建筑物实体的相关性能做可视化呈现，实现了现实同虚拟的一一映射。

　　2)智能诊断。在虚拟映射的基础上，由孪生模型中的数据层，进行建筑物的信息处理，实现对建造过程的风险进行智能诊断。

　　3)科学预测。孪生模型可以根据获取的数据拟合出建筑物的性能函数，从而准确预测安全风险的影响程度以及引起风险的作用机理，保障了建造的科学性和可行性。

　　4)辅助决策。在对现实数据和模拟数据的综合分析后，可以结合建造过程中的相关性能限值，对建造过程进行指导，从而辅助施工，做出科学决策。数字孪生技术将结合物联网、云计算、大数据等现代化信息技术应用于智能建造，并对建筑物的整个生命周期和建造过程的全要素进行监测和控制，提高建造效益。

　　新一代信息技术的快速发展给建筑业带来了新的高质量发展契机。本文通过总结数字孪生技术的相关内涵和特点，分析数字孪生技术的发展历程和主要应用，探索了数字孪生技术与智能建造的关系并总结了数字孪生在智能建造各个阶段的应用内容及其应用价值。

　　1)总结了数字孪生技术的内涵和特点。归纳了数字孪生技术的五大特点，即互操作性、可扩展性、实时性、保线)分析了数字孪生技术的发展历程和主要应用。将数字孪生的发展分为三个阶段，总结了数字孪生的技术架构并归纳其主要应用，得出数字孪生将会融入更多领域；

　　3)结合智能建造和数字孪生的特点，得出智能建造是当前建筑行业的共同发展趋势，数字孪生是智能建造使能技术之一。分析了数字孪生技术应用于智能建造过程中要解决的四个关键问题，提出了一套数字孪生在智能建造中的实施方法，最后以该方法为指导，搭建了数字孪生在智能建造施工阶段的应用框架，为今后的相关研究和应用提供理论依据。在此基础上，总结了数字孪生在智能建造各阶段的应用内容及其应用价值。

　　从上述分析中可以看出，数字孪生技术具有广阔的发展前景，并且运用数字孪生理念推动智能建造的发展是可行的。在未来，还将基于孪生模型结合其他信息技术研究建造过程中的具体实施细节，从而实现整个建筑行业的智能建造。

　　《工业建筑》（CN 11-2068/TU，ISSN 1000-8993）创刊于1964年，是一本由中冶建筑研究总院有限公司（原冶金工业部建筑研究总院）主办，《工业建筑》杂志社有限公司出版发行的国家级科技期刊。《工业建筑》报道方向涵盖了土木建筑领域的主要学科，包括建筑学、建筑结构、岩土工程与地基基础、建筑材料、建筑施工五大专业。报道方向始终围绕通过对新型建筑思想和理念，新材料、新结构、新工法的介绍，力求能在建筑技术方针政策和技术发展趋向上具有指导性，为生产建设中重大技术问题的解决提供帮助，以促进土木建筑领域的技术创新和进步。J9九游会登录入口首页J9九游会登录入口首页