1、到了70年 代被，称为“BIM之父”的Chuck Eastman教授就提出未来将会出现可以对建筑物进行智能模拟的计 算机系统，并将这种系统命名为“Building Description System”（建筑描述系统）20世纪90年代出现Building Information Modeling概念美国Autodesk公司于2002年首次提出BIM解决方案，推出了相应的Revit和Civil 3D软件，美国 Bentley公司基于全信息建筑模型（Single Building Model,SBM），推出了MicroStation Architecture2006年左右，BIM在各国开始得到应用
2、美国于2007年发布了国家BIM标准（National Building Information Modeling Standard），作为 BIM相关研究及开发的参考2009年，日本开始将BIM技术大量应用在建筑行业中2010年，韩国公共采购服务中心（Public Procurement Service，PPS）发布了韩国BIM路线图,数字孪生技术与工程实践,建筑信息模型（BIM）中国,2003年发布的20032008 年全国建筑业信息化发展规划纲要，标志着BIM 技术在我国建 设行业的应用拉开了帷幕。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
3、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；在2020 年发布了住房和城乡建设部工程质量安全监管司 2020 年工作要点，提出“推动BIM 技术在工程建设全过程的集成应用”2020年8月，住房和城乡建设部、国家发展改革委、工业和信息化部等13个部门联合印发关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见，指导意见提出，加快建筑工业化 升级，加快推动新一代信息技术与建筑工业化技术协同发展，在建造全过程加大建筑信息模型（BIM）、互联网
4、、物联网、大数据、云计算、移动通信、人工智能、区块链等新技术的集 成与创新应用。,数字孪生技术与工程实践,BIM的概念和要素,BIM的英文全称可以由两种写法，一种是Building Information Model，而另外一种是 Building Information Modelling。这两种写法代表了不同的理解，Building Information Model表示BIM是一种模型的表示方法，体现在统一数据、统一表示方面，而Building Information Modelling表示的是建模和管理的过程，体现在统一流程、对全过程的管理方面。因此，BIM的要素也可以从这两个方面去理
5、解：完整的模型信息BIM nD模型的概念关联的信息BIM中的信息对象是相互关联的并且具有可识别的标识。唯一的模型信息全生命周期的跟踪标准化的表述,数字孪生技术与工程实践,BIM的作用,BIM技术发挥最大价值是在模型和协同的两个方面，通过BIM统一模型支撑、技术支撑和协同 管理支撑来达到协同应用的高标准。在企业级应用中能成为企业运营的关键支撑，根据建设 项目，实现项目级应用的信息化管理和跨专业协同、多终端系统集成、全过程覆盖的目标。BIM技术作为智能建造核心技术之一，在设计、施工、运维阶段发挥了重要作用。BIM在建筑整个生命周期管理的过程中发挥着关键作用，不仅是一个可视化的三维模型，而且 是一个
6、建筑数据的载体。BIM的推广，除了在技术上解决软件部署问题外，更大的是需要在组织流程、项目管理上面的 革新。而智能建造的提出，就是为了改造建造行业传统模式的弊端，促进技术和模式的变革。,数字孪生技术与工程实践,智能建造背景,长期以来，我国建筑业仍延续着劳动密集型的组织机制，粗放式的生产管理方式导致施工效 率低下、资源浪费严重、环保问题突出、安全事故频发、工程质量难以保障等诸多问题，因 此迫切需要向精益化管理模式转型升级，实现建筑业高质量发展。传统建造业已不能满足新 时代的发展需求，建筑业向智能化、信息化转型是必然的发展趋势。“智能建造”这一概念 逐渐产生并进入关注焦点。建筑业的智能化是在工业化
7、和信息化深度融合的背景下发生的，智能建造的概念是从建筑业 的集成化建设理论开始发展的。20世纪90年代，有学者开始将制造业中“计算机集成制造系统”（Computer Integrated Manufacture System,CIMS）的理念引入建筑业，提出了计算机集成建设CIC（Computer-Integrated Construction）的思想。进入21世纪，随着BIM理念的推广和BIM技术的日益成熟，以BIM为技术支撑，对建筑业实施 系统变革的集成化建设理论逐渐成为工程建设领域的研究热点。其中比较著名的有斯坦福大 学的设施集成化工程中心（CIFE）的虚拟设计与施工（Virtual D
8、esign and Construction,VDC）理念，以及英国Salford大学提出的nD（n Dimension）理论。,数字孪生技术与工程实践,智能建造概念和要素,智能建造是在信息化、工业化高度融合的基础上，将新一代信息技术、智能技术与先进设计 施工技术贯彻于工程建造的决策、设计、生产、施工、运维整个环节，使得建造方式具有自 感知、自学习、自决策、自适应等特点。智能建造促进了各个建造活动生产关系的变革，实 现了整个产业链的信息集成、业务协同，提升整个建造过程的能效，实现安全绿色，精益优 效的建造。智能建造的核心要素包括：统一的模型。智能建造注重全流程的集成，需要依靠BIM来统一对建造
9、对象、建造过程的描述在，建造过程不断丰富模型的内涵，为建筑、工程设施的全生命周期管理提供唯一的模型和数据依据；统一的过程。智能建造改进建筑施工的管理模式，基于信息技术来对建造过程进行统一管理。各个环节及时反馈，基于协同平台进行工作交互，推行建造过程的“并行工程”、“精益建造”；实时感知。基于CPS概念，实时感知每个环节的建造数据，为科学决策提供依据；智能决策支持。利用大数据、人工智能等方法，基于统一模型和实时感知数据，对建造过程进 行分析和预测，及时发现质量问题，提前发现风险，解决问题。,数字孪生技术与工程实践,装配式建筑,在讨论建造模式变革的时候，装配式建筑是一个建筑工业化的发展方向，逐渐在
10、厂房、公用 建筑（如医院、酒店）等领域得到重视和应用。装配式建筑是将建筑主体的墙、屋顶、窗、地板等在工厂预先浇筑，形成模块单元，再到施工现场拼装的一种建造模式，它将传统的“设计现场施工”变成“设计工厂预制运输现场装配”的模式。装配式建筑的预制单元可以只是混凝土浇筑的毛坯件，也可以是带装修内饰和内部设施的预制房间单元，具有 较大的灵活性。装配式建筑把工业生产所具有的标准化、产品质量一致性、生产周期稳定、工业化低成本等 优势带入建造行业，具有建造速度快、节省劳动力、质量较高、节约资源等优点。装配式建 筑的推广应用，可以促进建筑施工的标准化和生产方式的转变，和BIM等技术一起，可以加快 智能建造模式
11、的应用推广。,数字孪生技术与工程实践,智能建造和数字孪生,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。因此，结合数字孪生系 统的实施，可以推动智能建造模式的真正落地。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，实现虚实融合与交互反馈，充分发挥数据 与信息在虚实世界中传递与集成的作用。,数字孪生技术与工程实践,智能建造中数字孪生的特点,数
12、字孪生在智能建造中的应用，核心是建筑物的数字孪生系统，类比产品数字孪生系统，应 该是其全生命周期的模型和数据的融合统一。但是和工业产品数字孪生系统不同，智能建造 中的数字孪生有其自身特点：建筑设施的建造过程是多方参与的现场工作，一般采用项目制管理，这就比工业生产的标准化 过程需要更多的管控措施。因此，建设设施的数字孪生系统，在其建造阶段就需要投入应用，并且发 挥建造过程模型和数据管理的智能化应用；建筑设施的寿命相比普通的工业产品都长，使用周期中会进行多次的改建、装修，这就导致建 筑模型会比产品模型有更多的变化，更加需要数字孪生体对这个变化进行记录。“唯一模型”、“版 本管理”在建筑数字孪生体中
13、更加重要。每次变更，都需要进行记录，并且能追溯，这样才能保证建 筑的安全。,数字孪生技术与工程实践,建筑数字孪生系统,建筑数字孪生系统的物理世界包括了对建造过程的跟踪和对建 筑设施的管理两部分。在数字孪生构建的初期，只有虚拟世界中 对建筑物的设计方案，可以看做是建筑的“数字胚胎”（参考产品 数字孪生系统的生命周期，图3-7）。设计方案经过施工，形成 建筑设施实体。智能建造的应用，需要对建筑过程进行跟踪与管理。因此，数 字孪生系统的初期，就用于建造过程的数字化和智能化。建筑设 施完成建造投入使用后，物理世界中的建筑实体完成，数字孪生 的主要工作就是实现对建筑本身的维护和使用优化了。建筑的虚拟实体
14、包括了数字模型和信息系统。数字孪生引擎，包括对模型和数据的融合，实现智能化功能。数字孪生服务，也大致分为设计建造阶段的服务和使用维护阶 段的服务。,数字孪生技术与工程实践,基于数字孪生的智能建造应用场景（1）,初期规划阶段结合城市信息模型（CIM），通过BIM与GIS系统的应用结合，能够基于建筑环境特征和条件，为 项目建设前期制定最优的规划、物流路线、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，实现建筑设计和施工方案的优化。采用数字孪生的方法，可以为项目顶层规划提供科学依据。设计阶段数字孪生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 模型和
15、数据方面的技术支撑。数字孪生系统基于BIM技术，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。,数字孪生技术与工程实践,基于数字孪生的智能建造应用场景（2）,建造阶段建造工程是一个动态过程，随着规模的扩大，复杂程度亦随之提高，使项目管理变得极为复杂。基 于BIM 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在项目实施计划方面，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，实现项目实施的数字化管理在项目物料追踪方面，根据BIM中的
16、定量计算，可以精确采购，并且对物流供应过程进行跟踪管理，类 似造业的供应链管理基于项目共享管理平台，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运行维护阶段数字孪生体记录了施工过程的数据以及管理数据，包括隐蔽工程数据信息，为建筑物运行维护提供支持将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 程过中数据准备方面的时间及人力成本利用数字孪生体，可以对建筑物的各项功能进行模拟演练,数字孪生技术与工程实践,5.2 基于数字孪生的智慧城市,数字孪生技术
17、与工程实践,城市的定义,城市是人类文明的结晶，中东的约旦河西岸的耶利哥，被认为是世界上最古老的持续有人居 住的城市。人类建造城市的历史，有1万年了城市的定义（辞海）：具有一定的人口密度和建筑密度、第二及第三产业高度集聚、以 非农业人口为主的居民点。古代城市起源于历史上的手工业和农业分离，随阶级和国家的出 现而产生，其职能多以政治中心、军事城堡或商业集市为主要标志。现代城市的形成和发展 以工业化为动力，是现代大工业与科技教育、商贸、交通等现代服务业集聚的区域。现代化 的生活方式、价值观念和人口、建筑物高度密集的城市景观是其主要特征。现代城市通常都 是各级区域的政治、经济和文化中心，亦是地区经济发
18、展赖以依托的支撑点。,数字孪生技术与工程实践,城市是一个“开放的复杂巨系统”,开放复杂巨系统是子系统种类很多并有层次结构，它们之间关联关系又很复杂，如果这个系 统又是开放的，就称作开放的复杂巨系统。其复杂性可以概况为：系统的子系统间可以有各 种方式的通讯；子系统的种类多，各有其定性模型；各子系统中的知识表达不同，以各种 方式获取知识；系统中子系统的结构随着系统的演变会有变化，所有系统的结构是不断改变 的城市作为区域的政治、经济、文化中心，其包括的主要对象有政府机关、社会单位（企业、研究机构等）、公共设施、居民城市包括了由这些对象组成的不同子系统，每个子系统再细分成下属系统，形成一个巨大的 体系
19、（System of System）。城市又是一个开放的系统，其经济活动、人员活动、气候水文 等都会和其外在环境发生交互，是一定区域内能量、物质、信息的聚集和沉淀。对于这种复杂系统，不能用对简单系统或者简单大系统的研究方法来进行研究,数字孪生技术与工程实践,复杂系统的研究方法,针对复杂系统的研究方法，钱学森先生给出的是“定性定量相结合的综合集成方法”。而美国圣 塔菲研究所John Holand提出的是复杂适应系统理论（Complex Adaptive System，CAS）。定性和定量相结合的综合集成方法：定性定量相结合的综合集成方法，就其实质而言，是将专家群体（各种有关的专家）、数据和各种信
20、息 与计算机技术有机结合起来，把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来。这三者本身也构成了一 个系统。这个方法的成功应用，就在于发挥这个系统的整体优势和综合优势复杂适应系统理论：认为复杂适应系统的组成元素不是机器元件，其本身是有智能的，称为适应性主体，并能够聚集成更大 的适应性主体，层层涌现，最终形成复杂适应系统城市作为一个复杂适应系统，其核心概念是城市主体（City Agent）城市主体是城市的基本构成单元，是具有自适应性的城市活动参与者，包括个体的人、由人组成的组织 机构，还包括与人类活动密切相关、承载人类活动的物质载体（建筑物、交通网络、地下管廊等传统基 础设施、大数据等新型基础设施）
21、等可以按主体的特征构建主体聚集、非线性发展、要素流、目标多样性、特点标识、内部模型和系统积木 的七个重要内涵和概念关系。,数字孪生技术与工程实践,城市模型,现代城市及其管理是一类开放的复杂巨系统，具有多主 体多、层次、多结构、多形态、非线性的城市生命体特征城市各子系统间形成了空间结构、经济结构、社会结构，针对其不同的结构特征，构建城市模型，是城市研究、城 市规划和城市管理的重要手段城市模型有不同的分类（见表5-1），从研究内容来说，城市模型包括城市土地利用模型、城市交通规划模拟模 型城、市规划模型、城市人口增长和迁移模型、城市景观模拟 模型等；从城市模型研究的空间尺度来说，包括城市宏观 模型、
22、城市微观模型；从城市模型采用的数学方法来说，有城市统计模型、城市系统动力学模型、城市分形几何模 型、城市混沌模型和城市自组织模型等。不同的模型反映了城市系统的某个方面，是分析城市某个 方面运作规律的机理模型。而作为一个复杂巨系统，城市 模型是各类模型的综合，是一组“模型集”。,数字孪生技术与工程实践,城市信息模型（CIM）,在城市的三维表述和信息结构方面，城市信息模型（City Information Model,CIM）是一个 重要概念。CIM通过数据驱动城市治理的新方式，以实现城市规划、建设和运维的全链条协同管理。CIM 管理城市空间地理信息，感知监测公共专题数据、业务数据以及三维模型等多
23、源异构数据。从城市建模的角度，CIM更加科学严谨地表达城市，以“信息”为主线贯穿城市空间，在信息 空间逻辑集成物理分散的各城市组成要素，以实现城市的优化管理和治理。行业内认为CIM是由BIM、GIS（Geographic Information System或 Geo-Information system，地理信息系统）和IoT（Internet of Things，物联网）组成。CIM是一种描述城市 的物理和功能的数字化描述方式，基于CIM平台进行城市的信息化管理，以实现信息集的多方 共享和协同维护，为城市规划、管理提供相关决策信息。,数字孪生技术与工程实践,城市信息模型（CIM）的特点,C
24、IM是一个城市的空间信息模型。CIM 模型是高精度表达了城市空间全要素模型，并且汇聚 和融合了城市级别海量的多源数据与各类模型。CIM是城市全生命周期的模型和数据管理平台。CIM不仅是一个BIM和GIS集成形成的三维模 型环境，而是应该以此为基础的一个数据、信息和知识的集成平台。CIM是一个智慧城市的规划平台。建立智能规划应用模型，统一城市空间布局，通过仿真模拟 和分析进行多方案比选、合规性比对、会商会审、同屏沟通、沙盘互动等，设计方案通过多 个场景融合模拟和综合研判后优化规划。CIM基于互联网技术形成数据库，实现城市信息的共享和传递。CIM汇聚了基础地理信息、城 市建筑物信息和城市设施三维模
25、型等城市基础数据，并且通过城市物联感知体系，也包含了 统一时空的房、人、物、事等多维实时数据库。CIM数据组织应基于开放共享的城市信息模型和三维传输交换标准来构建。,数字孪生技术与工程实践,智慧城市,2010年上海世博会园区总设计师、同济大学吴志强院士认为：城市是人类建的，但是人类建 的城市一直依托外力。第一次找到了畜力，第二次找到了石油和煤炭这些化工燃料，使得整 个城市尺度完全不一样，第三次找到了电力，整个城市道路完全不一样。有了计算机，电子 设备，使得控制系统能力惊人。而有了人工智能，是真正的对整个城市智慧的一个革命性时 代。最先提出智慧城市理念的IBM公司认为：智慧城市是指能够充分运用信
26、息技术和通信手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应，为人类创造美好的城市生活智慧城市概念自2008年（以 IBM 首次提出“智慧地球”的时间为参考）提出以来，全国各地 加速布局实践，历经多轮迭代演进，先后形成概念导入期（2008-2012 年）、试点探索期（2012-2016 年）、统筹推进期（2016-2020 年）等重要发展期，正迈入集成融合发展的新 时期，也就是有些学者认为是进入了“智慧城市4.0”阶段,数字孪生技术与工程实践,数字孪生城市,城市已进入从管理升华到治理的历史阶段，社区网格化精细管理
27、模式将逐步向基于数字孪生 智能化自治模式演进。数字孪生作为一种充分利用模型、数据并集成多学科的技术，其面向 系统全生命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，从而提供更实时、高效、智能的服务。数字孪生城市是数字孪生在城市领域融合应用后的产物，是智慧城市深度发展的形态，也是 当前智慧城市发展的最新阶段。数字孪生城市的全局视野、精准映射、模拟仿真、虚实交互、智能干预等典型特性正加速推 动城市治理和各行业领域应用创新发展。在城市治理领域，将形成若干全域视角的超级应用，如城市规划的空间分析和效果仿真，城市建设 项目的交互设计与模拟施工，城市常态运行监测下的城市特征画像。依托城市数字孪生系
28、统，能实现通过城市发展时空轨迹推演未来的演进趋势，洞察城市发展规律以 支撑政府精准施策,数字孪生技术与工程实践,城市数字孪生系统架构,城市数字孪生系统中的“物理实体”是“数字化的城市系统”，就是具备感知和数字化执行能力的城市系统，包括了城市运行子系统、感 知/发布设备以及通信设施组成。城市运行子系统是实现城市基本功能的各类子系统。虚拟城市，是城市在数字空间的一个映射。CIM为虚拟城市提供了基 础支撑，将城市物理空间和数字空间进行映射，实现虚实融合。CIM也为数字孪生的实现提供了基础模型架构，通过三维地理信息模型（GIS）和建筑信息模型（BIM）的集成来构建，是数字孪生城市精准虚 拟映射的核心。
29、城市数字孪生引擎，是数字孪生城市、智慧城市区别一般城市信息系 统的关键。在这个部分，包括了数据融合、模型融合和智能功能三部 分。而对于城市来说，智能功能是通过城市大脑来实现的，城市大脑 是智慧城市的中枢，也是建设的重点。模型和数据的融合，体现了“定性和定量相结合的综合集成方法”。基于城市数字孪生系统的服务与应用，是数字孪生技术驱动下的新型 应用。各类应用基于数字孪生引擎中的模型、数据，以及城市大脑提 供的各项智能化功能，为智慧城市实现精细化管理提供条件。,数字孪生技术与工程实践,5.3 数字孪生城市应用案例,数字孪生技术与工程实践,数字孪生城市应用,数字孪生技术应用为智慧城市建设注入活力，随着
30、数字孪生城市从概念培育走向实施落地，物联感知、遥感测绘、模拟仿真、虚拟现实、信息通信等技术加速成熟应用，以空间信息为 索引的城市大数据治理体系日益完善，多源异构数据融合能力提升，行业创新应用不断涌现。此外，多技术交叉集成创新全面重构智慧城市技术体系，打造城市“规建管”全过程可视化、可模拟、可分析等场景，精准把握城市运行情况，全面提升城市管控、公共服务能力。中国新智慧城市建设是物理设施和数字技术同步进行。中国的智慧城市更多是从刚开始规划 的时候就实行智慧城市的概念，就相当于在建设物理城市的时候，就已经把虚拟城市数字城 市的规划都包含在这里面。中国智慧城市实验基本都在新城，比如上海临港以及河北雄安。,数字孪生技术与工程实践,智慧临港,在智慧城市的体系化建设方面，中国（上海）自由贸易
