“城市-建筑-人”耦合视角...生技术应用与分圈层场景构建_邬樱.pdf

180 Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期 智慧建筑和建造“城市-建筑-人”耦合视角下数字孪生技术应用与分圈层场景构建邬樱1李爱群2,3(1.北京建筑大学理学院,北京100044;2.北京建筑大学土木与交通工程学院,北京100044;3.东南大学土木工程学院,南京210096)摘要:数字孪生以万物生数、数生万物为基础,将城市、建筑、个人多层次时空发展孪结成一个虚实叠境的城市更新场景迭代耦合体。聚焦数字孪生关键技术和城市更新行业融合应用的新发展理念,较为详细地阐释了数字孪生城市、数字孪生建筑、数字孪生个体的新发展格局,深入解析新发展阶段数字孪生技术体系与城市体检、装配式建筑、个体时空索引的典型应用场景构建。围绕城市更新开展数字孪生理论架构、技术应用、场景构建等研究工作,旨在为城市更新数智化转型与城市现代化治理提供应用参考和有益借鉴,以数字孪生技术为数字化转型整体驱动核心要素,分圈层差异化创新引领城市更新的有序推进。关键词:数字孪生;装配式建筑;性能提升 DOI:10.13204/j.gyjzG23012403住房和城乡建设部科学技术计划项目(2022-K-017);北京建筑大学双塔计划-建大英才项目(JDYC20220830);北京建筑大学青年教师科研能力提升计划资助(X21029)。第一作者:邬樱,女,1988 年出生,博士,讲师。通信作者:李爱群,liaiqun 。收稿日期:2023-01-24 Application and Circled Layer Scene Construction of Digital Twin Technology fromCoupling Perspective of“City-Building-People”WU Ying1LI Aiqun2,3(1.School of Science,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2.School of Civil and Transportation Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;3.School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)Abstract:Supported by primary theoretical developments that all things generate numbers and numbers generate all things,digital twin combines multi-level spatio-temporal development of cities,buildings,and individuals into an iterative coupled combination of urban renewal scenarios where virtual and real are superimposed.This paper focused on new development concept of integrated application between key technologies of digital twin and urban renewal industries.In addition,new development paradigms of digital twin cities,digital twin buildings,and human digital twin were explained particularly.Furthermore,this paper provided in-depth analysis of digital twin technology system in new development stage and typical application scenarios of urban physical examination,prefabricated buildings,and individual spatiotemporal indexes.Thus,this paper carried out research work on digital twin theoretical architecture,technical application,and scene construction around urban renewal,aiming to contribute to this growing area of research by taking digital twin technology for the overall driving core of digital transformation,and leading the orderly advancement of urban renewal through differentiated innovation at circled levels.Keywords:digital twin;prefabricated building;performance improvement 0引言数字孪生(Digital Twin)是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型,借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为,通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段,为物理实体增加或扩展新的能力。作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术,数字孪生面向产品全生命周期过程,发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用,“城市-建筑-人”耦合视角下数字孪生技术应用与分圈层场景构建 邬樱,等181 提供更加实时、高效、智能的服务1。数字孪生理念最早由美国密歇根大学的迈克尔 格里夫斯(Michael Grieves)教授提出,后用镜像空间模型和信息镜像模型进行了较为详细的阐释,并经迈克尔格里夫斯多次修正后终在其著作中正式确立了“数字孪生”的表述;与此同时,美国国家航空航天局(NASA)和美国空军联合提出了面向未来飞行器的数字孪生范例,即飞行器数字孪生概念;美国空军研究实验室(AFRL)引入数字孪生技术应用于预测飞机结构寿命的概念模型,而后在 NASA发布的信息技术和处理路线图中正式使用了“数字孪生”一词2-5。随即数字孪生演变为一种新的释义,已逐渐成为全球数字化发展关注研究的热点技术,近些年来持续向智能制造、智慧城市与智能建筑等城市高质量发展方向提级拓展。城市为数字孪生提供了丰富的潜能挖掘与技术应用场景,而数字孪生为认识宏观城市物质空间更新和微观社会时空脆性环境的多向度柔性化重构提供了全新视角。我国城市发展已进入城市更新的重要时期,由过去大规模增量建设向存量的提质改造和增量的结构调整并重转变。2019、2020 年中央经济工作会议6-7,2021、2022 年政府工作报告8-9和中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要10都明确提出实施、有序推进城市更新行动内容。值得注意的是,上述文件在重申城市更新的同时均重点提及了加快数字化改造,加强数字中国建设整体布局等要点。城市更新与数字化发展重要性都提到了前所未有的高度。因此基于当前加快数字化改造背景下,有必要围绕城市更新开展数字孪生理论架构、技术应用、场景构建等研究工作,力求尽快形成覆盖城市更新时空延性、基础共性和机制柔性的城市更新数字化转型与城市现代化治理生态体系。让城市更聪明一些、更智慧一些,以数字孪生技术为数字化转型整体驱动的关键核心要素,分圈层差异化创新引领城市更新的有序推进。1数字孪生城市(DTC)在城市更新场景构建中的应用1.1数字孪生城市与城市更新国家“十四五”规划纲要与“十四五”国家信息化规划11明确提出探索建设数字孪生城市,“十四五”数字经济发展规划12提到要因地制宜构建数字孪生城市。河北雄安新区规划纲要13提出坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设,适度超前布局智能基础设施,推动全域智能化应用服务实时可控,建立健全大数据资产管理体系,打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市,并在随后的官方解读中,提出了“数字孪生城市”的表述14。近年来,作为国内城市更新发展起步较早地区,北京市“十四五”规划明确提出建设数字孪生城市,上海、江苏省、广东省也都相继发布了建设数字孪生城市(Digital Twin Cities,DTC)的规划方案,数字孪生城市已然成为赋能城市更新转型升级的重要演进方向,助推城市治理体系和治理能力现代化的新引擎。数字孪生城市是指通过构建城市物理世界与网络空间一一对应、相互映射、协同交互的复杂系统,在网络空间再造一个与物理世界中的城市匹配、对应的孪生城市。数字孪生城市是基于 3S 空间信息技术,物联网技术,人工智能技术,三维模型,建筑信息模型以及城市智能模型等多种技术构建起来的新型智慧城市。数字孪生城市需要通过这些技术来创建一个虚拟的智慧城市15-16。构建数字孪生城市,将极大改变城市面貌,重塑城市基础设施,实现城市管理决策协同化和智能化,确保城市安全、有序运行;数字化转型为城市更新提供了全新思路与方案,是全方位、立体化的城市更新17-18。数字孪生城市可广泛应用于市政交通、管网管线、智慧社区、智慧停车、绿色建筑、智能建筑、城市环境管理与城市体检等城市更新场景,在映射城市物理空间建设的数字孪生城市建设中链接城市更新信息,催生城市更新新业态、新模式,是以数智化转型驱动已有城市功能重组、结构优化和发展逻辑的变革,也是从物质空间功能性领域不断向孪生城市数字领域的纵深化拓展。可以说,数字孪生城市是数字城市的高级阶段,数字孪生城市既是数字城市的目标,也是智慧城市建设的新高度,赋予城市实现智慧化的重要设施和基础能力19。我国城市发展已进入城市更新的重要时期,建构数字孪生技术与实体城市深度融合的孪生城市数字更新空间,在不断推进城市更新战略过程中以数字孪生城市为介质基础适度结合超前布局,可精准高效、平稳有序地释放城市空间资源。基于现实城市运行、城市更新多源数据聚类的数字应用形式承载的物理城市时空轴线和大尺度空间孪生城市更新单元,将在源头上打造从数字孪生城市到城市数智更新的高精尖系统性架构。促进从城市更新走向城市复兴全过程、全要素的数字化更新提级,推动传统城市更新的数字化、时空一体化赋能改造,缝合日愈割裂的城市发展空间。182 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期1.2数字孪生城市的 CIM 应用城市信息模型(City Information Modeling,CIM)以建筑信息模型(BIM)、地理信息系统(GIS)、物联网(IoT)等技术为基础,整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度空间数据和物联感知数据,构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。城 市 信 息 模 型 基 础 平 台(Basic Platform of City Information Modeling,CIM 基础平台)是管理和表达城市立体空间、建筑物和基础设施等三维数字模型,支撑城市规划、建设、管理、运行工作的基础性操作平台。CIM 基 础 平 台 是 CIM 数 据 汇 聚、应 用 的载体20。城市是一个有机体,城市更新是一项系统性工程。数字孪生城市的运行仿真、态势推演和量化评估优势赋予了城市更新关于统筹谋划机制、可持续模式与配套制度政策智慧化探索的底层支撑能力。城市更新全生命周期的管理、监测和评估需基于涵盖城市更新全域的时