BIM 技术在智慧城市“数字孪生”建设工程的应用初步分析

王建翔，胡蔚

（中通服咨询设计研究院有限公司）

1 引言

“数字孪生”是指在数字空间用高度精确的数字模型来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，使之能够随现实的情况变化而不断更迭，并能够基于数字模型联动多源数据信息进行预测性的仿真分析和可视化的过程。简而言之，“数字孪生”的基础即数字模型、其核心是数据。BIM 技术的关键也是依托在数据的基础上，具体实现是在数字空间中通过模拟创建具有生命周期的各种场景，并结合一些优化的软件辅助来进行应用，在设计阶段实现侦测设计错误与冲突，从而减少额外的施工成本支出，提升工程效率。BIM 技术不仅为“数字孪生”工程提供了全方位的实体基础数据的底层支撑，并通过解决与其他数字模型结合实际场景的数据联动和全方位的业务协同，最大程度的满足项目的技术实践要求。

本文从全球范围内的BIM 技术的推广现状、BIM 技术的应用现状和未来深度应用目标、BIM 技术在“数字孪生”建设工程的应用实践等方面对BIM 技术在智慧城市数字孪生建设工程的应用做出初步分析。

2 全球范围内的BIM 技术的推广现状

当前，BIM 技术在全球范围内得到了大力推广，各国政府和行业协会都在政策上进行了大力推动。其中，美国作为BIM 技术的发源地，最早制定出BIM技术的发展规划。该规划在2006 年由美国军方的工程技术人员首次制定，同时美国军方还公布了两大重要决定：BIM技术将应用于未来所有军事建筑项目和该技术的标准规范由美国建筑科学研究院下属的一个BIM 标准项目委员会来负责。俄罗斯政府在2017 年对于国内的建筑合同要求增加应用BIM 技术的条款要求，并在2019 年要求政府工程中的参建方均要采用BIM 技术[1]。新加坡政府的建筑管理机构要求所有跟政府有关的项目，在施工建设的工程中都必须利用BIM 技术和相关的应用促进并优化其设计，除此之外，还在专业教育方面通过开设课程等方法来提倡该技术的普及。日本为了BIM 技术的研究使用，跟建筑相关的信息技术软件产业专门组建了BIM 应用联盟，并积极推出与该技术相关的一些从业指南，目的就是加强对BIM 从业者进行全方位的指导和交流。

我国相对发达国家来说，起步较晚，在2011 年住建部发布《2011-2015 年建筑业信息化发展纲要》中首次将BIM 技术纳入建筑信息化的标准中，接着2013年和2016 年相继推出《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》、《2016-2020 年建筑业信息化发展纲要》，再次明确BIM技术的重要性，BIM 成为“十三五”建筑业重点推广的五大信息技术之首，至此，待国家层面的建筑业BIM 六大标准全部发布之后，BIM 技术的应用将达到一个新的水平。与此同时，在国家级BIM 标准不断推进的同时，全国各省针对BIM 技术应用也出台了部分的地方标准，同时还出台了一些细分领域标准，以及行业内企业自己制定的BIM 技术实施导则。这些标准、规范、准则，共同构成了完整的中国BIM 标准序列[2]。

3 BIM 技术的应用现状和未来深度应用目标

随着国家城市信息化建设的推进，衍生出智慧城市“数字孪生”方向，而BIM 技术可以实现“数字孪生”所需的产品虚拟模型，因此BIM 技术在城市建筑方面的普及是必然趋势，对智慧城市的发展也会产生不可预估的影响。从目前来看建筑行业内对BIM 技术应用的积极性很高。一是政府相关政策的引导推进，还有就是业界对于BIM 技术所带来的革命性价值的认可。从当前的应用情况来看，大部分企业对于BIM 技术的应用引入还处于项目试点阶段，应用范围有限，主要是在行业内技术层面的点状应用，以项目中单一局部的子项应用为主，究其最终原因还是实施单位的BIM专业人员不齐全、应用顶层设计能力有限、综合应用能力基本缺失，故在一定时期内提高BIM 技术团队专业能力，加强全员全过程应用是实现BIM 普及应用的努力方向。同时在跨专业协同、多系统集成、工程全生命周期方面的BIM 的应用也较少，想实现整个BIM 技术体系的应用仍需持续探索和挖掘。BIM 技术发挥最大价值是在大数据和协同的两个方面，即通过BIM 强大的数据支撑、技术支撑和协同管理支撑来达到高水平应用的标准。主要表现在企业级应用中能成为企业运营的关键支撑，项目级企业的信息化管理和在项目级应用中能达到跨专业协同、多终端系统集成、应用全过程的目标。

4 BIM 技术在“数字孪生”建设工程的应用实践

4.1 项目建设场景的分析

建设场景分析是研究影响建筑实体定位的重要因素，是明确建筑实体的空间方位和外观、建立与周边环境景观联系的过程。在初期规划阶段，场景所在的各项环境条件都是影响设计的重要因素，需要基于对环境现状、施工配套及项目实施周边的交通情况等各类影响因素来进行综合分析。以往对项目场景分析存在如定量分析缺失、主观因素偏高、规模化数据信息处理困难等问题。通过BIM 与GIS 系统的应用结合，两者优劣互补，能够实现基于场景使用条件和特征，为项目建设前期制定最优的规划、交通流线的关系、实体功能性建设布局等重要决策内容提供基于可靠数据的技术支撑。

4.2 “数字孪生”顶层规划辅助。

对比以往根据经验确定设计内容及依据的编制方法，项目顶层规划对建设目标所处社会环境及相关因素的逻辑分析，制定和论证顶层规划的依据，从而确定规划内容，并合理论证实现这一目标的科学方法。利用BIM 技术在空间分析方面的能力优势，可在项目顶层规划阶段中对复杂空间的标准和法规进行解读，提高时间有效利用率，为设计团队开展多元化增值规划创造更多可能。在初步方案与建设方的沟通过程中以及对于方案的选择上，通过BIM 应用的分析数据，协助工程师们完成关键性决策。BIM 应用的阶段性成果亦能及时被调用，方便工程师们随时与需求方进行沟通交流以便进一步完善方案，实现基于BIM应用融合的数据信息传递和事件追溯。

4.3 可视化及多专业协同设计支持

3D 设计软件的使用在一定程度上弥补了建设方和使用者因缺乏对传统设计图纸的理解能力而造成与设计师的交流障碍，但依旧存在使用功能上的局限，三维可视化展现不论用于前期方案还是用于阶段性的效果图展现，与实际需求的方案的差距依然明显。跨专业协同设计是数字化设计与快速发展的网络技术结合的一大趋势，BIM 技术对于设计师们来说，不仅是三维可视化的设计工具，带来更多的对跨专业协同设计的数据方面的技术支撑。

4.4 工程量化统计和项目性能化计算能力

BIM 技术所涉及的应用、与各系统对接而产生极具规模化的设计信息(几何信息、材料性能、构件属性等)，再结合机械系统的操作流程、实体系统的能耗分析、内外部气流模拟、照明分析、人流分析等性能化软件。通过BIM 模型导入，大量不同专业的数据自动完成录入和分析处理，实现相应工程内容的精确计算和建筑物性能的准确评估，并分析验证建筑物是否满足设计规定和未来的可持续标准建造要求。

4.5 数字化管理的施工全生命周期

工程实施是动态的过程，根据规模的扩大，复杂程度亦随之提高，使项目管理变得极为复杂。基于BIM 应用实现的项目数字化的管理，可以更直观、精确地了解到整个项目实施的全生命周期。

1）项目实施计划方面

在项目实施过程中，设计团队可以利用BIM 应用的施工模拟技术，来调整原有的施工计划、施工进度安排，实现项目实施的数字化管理。通过BIM 技术来解决项目的关键节点的可建性模拟，按时序进行实施过程的分析并优化流程。面对具体项目中关键性施工环节，比如涉及到新工艺的部分和平面部分，都可利用BIM 技术进行模拟，从中分析来提高项目的操作空间。

2）项目物料追踪方面

随着国家对智慧城市的推进，一系列与之相关的标准化水平也随之提升，相对应的施工设备也越来越复杂。而构件的备货计划，基于设计的符合性及品质标准是项目实施过程中影响的关键环节。在获取建筑物构件和其相关设备的所有信息时，BIM 技术也要结合RDID技术才能实现，通过两种技术的融合使用实现对实施过程中物料的复杂性管理。

3）项目实施过程专业协同方面

基于BIM 搭载的项目共享管理平台，能让项目实施的各方人员共同就项目方案进行沟通，及时排除风险隐患，减少项目变更数量，合理缩短工期，降低因设计协调产生的成本增加，提升实施现场的生产效率。

4）项目交付及运维方面

BIM 技术利用数据与施工管理数据之间的联系，以及包括隐蔽工程数据信息的数据集成，来实现项目后续的运行维护，同时对于未来可进行的翻新、改造、扩建工程提供有效的数据信息。将BIM中包含的建筑信息和物料的完整信息导入资产管理系统，而不必人工录入数据，减少系统初始化过程中数据准备方面的时间及人力成本。BIM 技术与FRID 结合，借助RFID 在资产跟踪定位方面的优势，呈现一个有序、可靠、可追踪定位的资产管理系统，大幅提高建筑资产管理水平和生产效率。

4.6 终端系统结合BIM 带来的功能多元化

以灾害应急的需求为例，在“数字孪生”城市管理方面，结合BIM 及相应灾害分析模拟软件，通过模拟基于BIM的“数字孪生”场景中灾害发生的全过程，有效分析灾害形成的内外因素，根据建筑特征制定避免灾害的措施和发生灾害后在场景中的人员疏散、救援支持的应急预案，并且在实际灾害发生时，通过基于BIM 应用的“数字孪生”平台可提供救援人员对于事件发生环境的精确信息，有效增强突发状况应对措施的能力，场景中的受灾人员、管理方和救援方都基于应用的多种平台及时掌握建筑物内部发生紧急状况的位置和到达紧急状况点最合适的路线，救援人员可以由此做出正确的现场处置，提高应急行动的成效。

5 结语

综合而言，建筑行业内的各企业已然随着BIM 的变革进行提升转换，以便能够充分利用BIM 带来的各项优势。项目实施流程的转换是渐进式的，其过程是先将既有流程上的作业分项逐一分解分析，评估其与BIM 协作平台串接所需的功能要求，改变以围绕BIM 协作模式为中心，重新接合提升营建生产力。这项生产流程的改造，将引发工程产业分工结构的重组。而终端的使用也因为BIM 的导入而更具多样化，若流程改造工程得以顺利完成，在可预见的未来，不具备BIM 能力的企业将丧失参与重大类复杂项目的竞争能力。