基于数字孪生的预制建筑全生命周期管理应用研究
江西金泰工程造价咨询有限责任公司张庆 蒋苹 应玮璐
【关键词】数字孪生；预制建筑；全生命周期管理；信息交互；工程造价
Exploring The Applicability of Digital Twin to The Lifecycle of Prefabricated Construction Projects
Zhang Qing Jiang Ping Ying Weilu
（Jiang Xi Jin Tai Enginering Creation-price Consults Limited Liability Company）
Abstract: At present, China's information management in prefabricated construction is low, construction activities can’t be fully managed in real time by information technology, often leading to excessive waste of resources, low construction efficiency and data missing problems. The information interaction between physical world and virtual space can remove the bottlenecks in the construction industry and further push for its transformation. Based on the perspective of lifecycle management, this paper analyzes the practical problems in the various stages of prefabricated construction projects, and proposes a framework for full life cycle management based on the five-dimensional model of digital twin. The application of digital twin technology provides a new tool for optimizing the information management of prefabricated buildings and improving construction cost efficiency.
Key words:Digital Twin；Prefabricated Construction；Lifecycle Management；Information Interaction
一、引言
预制建筑是将部件场组装而成的建筑。与传统的现浇体系建筑相比，预制建、成本低等众多优点[1], 因此其得到世界各国家的支持和推广。据报道，全球预制建筑市场将以每年约7%的速度增长到2020年[2]。放眼全球，许多发达国家的预制建筑自工业革命后，经历了成熟、完善的阶段[3]。与此同时，各种新技术，如：建筑信息模别（RFID）等，已经在该领域得到有效的应用。然而，在实践过程中，预制建筑各阶段仍然存在以下问题：
设计阶段：与下游阶段协同性差。
一方面，预制建筑的实施方法总体看上去是以设计为主导，但设计过程没有充分考虑制造和装配的需求，经常出现设计和施工冲突碰撞，发生设计变更，导致制造厂商和组装现场的待工待料甚至返工，严重影响工程进度和质量[4]。而此过程的到的数据资料多，频繁的变更和传递容易导致数据缺失，各阶段造价数据数据孤岛问题。另一方面，传统建筑生产过程是围绕直接形品展开的，设计单位提供二维平面设计图纸，施工单位根据图纸来施工，得到实物产品。而建筑产品是三维的，具有较高的，依据二维图纸的设计、施工过程不可避免存在错漏碰缺，造成建筑品质缺陷和资源浪费等问题[5]。
制造阶段：精益生产能力低。
在预制构件生产车间，由于缺乏信息的感知和集成能力，导致制造商与其他参与方信息反馈延迟以及制造商内部生产过多浪费。传统的制造车间对预制构件制作的工艺过程，依赖人力驱动机械完成，难免会出现工序错乱、材料性能参数混肴等情况，导致质量问题引起返工；此外，对车间的资源以及库存等管理过于依赖人工纸制化，缺少科学的管理仿真验证，具有多变性，经常出现不必要的浪费等问题。
现场装配阶段：现场装配协作沟通效率低。
现场装配的本质是面向物质和信息的协作过程。缺乏现场装配活动等信息的支撑，管理人员不能及时掌控现场情况，各参与方协作沟通效率低，导致现场资源占用或紧缺、材料供应不足、等问题不能及时解决。此外，项目管理中的造价管理工作面临的造价计量所耗费的时间以及造价数据无法在全过程造价管理中应用的数据孤岛等问题。
运维阶段：质量追溯性差。
建筑产品投产后，各设备运行状态信息缺乏跟踪，建筑产品没有数字化存档，当出现质量问题时，无法精确排查问题所在位置，难以追溯质量原因；此外，缺乏对建筑设备资产的行为模拟，无法对设备运行预测，往往会发生突发性事故。
从预制建筑实践中的问题分析，建筑业一直缺少在建筑全生命周期阶段能够实现实景再现、信息创建、管理和共享的系统，各利益相关者只注重本部门、本阶段的优化和成本降低，造成局部提高却无法形成全局最优的结果。数字孪生概念的出现和发展为解决以上问题提供了新的途径，这种技术不仅能够满足各利益相关者建造活动的优化，而且能够实现相互之间的信息交互与协同，提高项目管理的信息化水平，为预制建筑全生命周期各阶段各部门提供服务。
二、数字孪生技术概述
（一）概念
数字孪生的出现于2003年，是由美国密歇根大学Grieves教授在研究题上提出“与物表达”[6]。由于当时技术条件所限，没有受到关注。直到2011年，美国航生的概念引入到航空航天领域，并对其定义为一个集成的多物理量、多尺度、多概率模拟的过程或系统[7]，即基于飞行器的物理模型构件及传感器实时更新的数据，来刻画和反映命周期过程[8]。此后，在“工业4.0”和“中国制造2025”的战略背景下，物联网、机器学习、无线通信、传感器、云计算等技术的发展推动了数字孪生的研究活动。这期间，数字孪生也出现了多种定义。比如数字孪生是物理产品的数字对应物[9]，是模拟物理对象本身以预测系统的未来状态[10]，是实现物理世界与虚拟世界的交互与互融的方法[11]。如今，数字孪生已发展为一个更广泛的概念，它是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相应的实体装备的全生命周期过程。作为先进理念和赋能技术与手段，已被学术界和工业界探讨和研究用于制造、空间通信、航空、医疗、智慧城市等十大领域[12]。而在建动映射到虚拟空间，利用虚拟空间的建筑实建造活动，能够改善传统建筑的经验化管理模式。
（二）特点
用于预制建筑的数字孪生可以开发面向预制构件制造、装配和运维阶段三维数字化建筑产品模型（3D Digital Building Products Model-3D-BPM），在全生命周期创建各阶段实体活动对应的虚拟模型,通过3D-BPM指引现实世界各阶段施工对象实体活动，将现实世界实体活动映射至虚拟模型进行仿真模拟，再反馈至现实世界驱动实体活动。具有虚拟、包容和联动三个特点：
1）虚拟：物理实关活动，是一个虚拟模型，属于虚拟空间（信息空间）中。有了这种属性，预制建筑各个阶段都会在虚拟空间中与之相对应的数字孪生设计、数字孪生制造、数字孪生装配、数字孪生运维，能够在虚拟空间进行模拟仿真各阶段的运行以及相互间的协作。
2）包容：开放性集成多学科是数字孪生的内涵。预制建筑虚拟空间大到各个阶段，小到每个虚拟个体，都能够集成多种技术、模型来自我优化。如施工对象增强传感、处理和通信能力变得临时性或永久性智能，从而使其具有自治权和意识，并可以与周围环境进行交互[13]；施工过程与智能算法的集成，为各参与方资源配置优化、生产计划优化等服务。
3）联动：即虚实相映，以虚控实。是通过包容特性所增强的个体之间获得信息能力，且实体的状态等信息能够实时被虚体所感知，在虚拟空间优化后的虚体所要做出下一刻状态信息传给实体所呈现，再反馈到虚体的不断循环过程。基于数字孪生的预制建筑任一阶段都依赖信息交互来推动建筑活动开展，施工期间管理人员通过所呈现的虚体信息了解实时的施工活动，各参与方通过人机交互在虚拟空间控制虚体活动来保证虚体之间的协作性，虚体所附加的控制信息将会传输到对应的现实空间实体按照控制命令执行施工任务。
（三）模型结构
本文采用陶飞等[12]提出的五维数字孪生模型来驱动预制建筑全生命周期的历程，如式（1）所示：
(1)式中：PE表示物表示虚拟实务，DD表示孪生数据，CN表示连接。根据式（1）,用于预制建筑的数字孪生结构模型如图1所示。
物理实体，简称实体，是客观存在的物质、活动以及系统，实体之间具有独立、从属和关联属性。主要包括施工过程中的资源、各资源对象为完成某项任务组成的活动以及各活动所构成的系统。比如现场构件装配系统-预制楼梯装配活动-人员、部件、塔吊等，这是一组具有从属关系的物理实体。
虚拟实体，简称虚体，是实像[14]。主要包括几何模型、物理模则模型，这些模型与刻画[12]，是实体在虚拟空间的真实映射。服务集成了评统，为实体和虚益建造和可靠运维等服务。
图1-数字孪生五维结构模型
孪生数据包括实体、虚体和服务系统的相关数据，能够实时更新并不断优化[14]。
连接，是将以上4部分两两连接，支撑各部分信息数据的实时传输，从而实现实时交互以保证各部分的一致性和迭代优化[14]。
三、基于数字孪生的预制建筑全生命周期管理体系架构
预制建筑促进传统建造方式向现代工业化建造方式的转变，其全生命周期建造阶段具备多维作业空间的异地域、非同步和建造资源性质各异、相互牵制等特点[15]，实现整个建造过程的场景虚拟再现和信息实时交互对复杂建造过程的高效沟通、有效协作和资源管理极为重要。因此，本文基于数字孪生五维模型构建面向预制建筑全生命周期管理应用体系架构（图2所示）
该架构首先是对预制建筑全过程阶段建立数字孪生五维模型并划分作用区域，基于设计阶段开发面向部件制造的三维数字模型、面向施工的三维数字模型，基于制造阶段构建数字孪生车间，基于现场施工阶段构建数字孪生工地，经现实活动所反馈到虚拟空间中设计、制造和施工的数字所集成的数字建筑产品最终附着于建筑实物产品用于运营管理阶段。其次，基于设计阶段的数字模型是利用数字化手段对复杂建筑产品的理想设计信息与实际制造、装配等真实信息进行一致性表达，其目的是为了实现设计-制造-施工一体化，以便提高项目全局控制意识，避免项目成本超支等造价问题。数字孪生车间和数字孪生工地将现实世界的实体活动实时镜像到虚拟空间中，通过对虚拟空间进行模拟仿真，一方面能够满足制造方和施工方内部资源精益管理以追求利润最大化，另一方面为参与方协作沟通提供信息支撑。最后，所交付的数字建筑产品将集成制造和施工实体历史数据，采用仿真模拟模型刻画出与实物产品相一致的虚拟产品，用于协作建筑实体产品运营维护。通过综合利用数字孪生技术来实现模型与数据之间的交互，管理人员 之间的工作协同，数据信息之间的流转应用，可以提升造价工作和沟通协调效率。
图2-基于数字孪生的预制建筑全生命周期管理体系架构
四、数字孪生在预制建筑全生命周期管理各阶段的实施途径
（一）规划设计
基于数字孪生的规划设计能够实现建筑设计与执行之间形成紧密的闭环，向业主交付的工程产品，不仅仅是实物工程产品，还附着一种与实物产品对应的数字化产品。这种实物工程产品在虚拟空间中的超写实动态数字化工程产品能够驱动整个建造过程下游的各个环节，充分体现了建筑产品的并行协同设计理念和单一数据源思想。基于数字孪生建筑设计过程借助MBD技术将建筑产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都集成到三维数字模型中，然后在建筑样机中进行生产制造过程模拟、施工装配碰撞检测，最后将信息反馈回设计阶段，实现“先试后建”（图3所示）。
对于构件制造过程中，为避免人工原因引发设计变更，首先摒弃传统的二维平面识图，采用基于MBD技术面向制造过程中的构件三维标注图，实现生产装配环节无纸化识图；然后对构件的尺寸检测（3D激光扫描技术等）、制造工艺过程参数化等数据实时采集传输至设计三维数字化模型中进行虚实比对进行构件的质量控制。
图3-基于数字孪生的预制建筑设计施工一体化开发流程
（二）预制生产
数字化建筑产品的演化和完善是通过与建筑实体的交互基础上开展的。基于设计阶段面向制造的三维数字模型中，对虚拟模型中已设计的构件性能、尺寸、材料、工艺、属性等信息参数与现实制造过程中的实际参数进行实时上传对比，并在关键信息设定响应报警，以预防构件生产出现质量问题。此外，基于预制生产数字孪生车间[8]为预制厂商实现精益生产提供了一种新的思路，即通过在虚拟空间建立数字孪生车间，同样将现实世界生产信息传输到虚拟车间中并实时展示，实现基于数字孪生车间的生产资源要素管理、生产活动计划管理、生产过程控制。
在制造过程中，利用物联网、RFID、射频识别等技术将制造资源（人员、设备、物料等）信息标识，对制造过程关键信息采集点进行参数化设计，在生产车间里构建一个制造物联网环境，实现对制造资源的实时感知。将所采集的资源数据、生产数据、物流数据等借助智能算法实现制造资源配置优化、生产计划优化、生产和运输调度优化等服务。
图4-基于数字孪生的生产过程
因此，基于数字孪生的预制建筑构件生产阶段作为设计到施工的过渡阶段，不仅能够有效的衔接，而且制造商也有足够空间优化制造服务，通过数字孪生车间收集的数据进行建立管理仿真模型来驱动实体车间制造活动，实现精益制造（图4所示）。
（三）建造施工
预制建筑现场施工是一个复杂的实体系统，系统内部的实体资源往往涉及到多重属性，虚、实体的联动将不是单方面或某个参与方所决定的，需重点考虑各参与方的协作管理。传统的预制建筑施工协作之所以困难，是因为缺乏实时数据支撑的反馈。虽然施工现场的施工活动是多样、差异和非标准的，但涉及施工现场活动的参与方是繁多和固定的，主要是设计方、制造方、运输方、供货方、施工方、监理方以及业主方，开发面向参与方服务的数字孪生工地成为可能。将现场的实体在虚拟空间建立联动的虚体，数据信息采取各参与方所负责的活动进行分类处理后反馈到相应的参与方。与此同时，主导施工现场的施工方不仅要将信息反馈其他参与方协作工程进展，而且对建筑施工环节进行精确管控。基于设计阶段面向施工的三维数字模型与制造三维数字模型类似，三维标注减少了人工识图的错误，与实体联动的虚拟空间施工过程采集点的数据与工艺过程的参数对比避免的施工质量问题。此外，项目施工是一个动态持续的过程，涉及内容广泛。这个阶段造价管理的重点是减少实际工程量与核算工程量的差异，根据工程实际情况进行动态调整。通过数字化信息模型与现实活动双向映射，可在虚拟环境中预判施工进程中找到可能会遇到的困难，然后反馈到现实活动中，针对问题及时更正方案，使模型不断优化，减少施工现场变更。同时，对局部结构的施工工艺模拟，可以降低复杂节点施工困难，实现从局部到整体对施工过程动态控制。
（四）运营管理
在建筑产品的运维阶段，仍然需要对产跟踪和监控。借用物联网、传感技术数据、产品据等关联映射至虚拟产品。与此同时，在虚拟空间中，利用数字化产品采集的历史使用数据、历史维护数据、同类建筑产品历史数据等，采用数据挖掘方法和智能算法来对数字化产品模拟仿真，使其更符合实际情况。对于已发生故障和质量问题的字化产品进行追溯速定位、原因分析和解决果反馈给物理空产品的质量排查和追溯等。
五、结论与展望
数字孪生技术的出现为预制建筑全生命周期信息化管理提供了新的思路和途径。通过创建与现实世界并行的虚拟世界，在虚拟世界中实现虚拟精益建造，利用计算机仿真技术、智能算法技术使虚拟施工系统具有检测、分析、计算和决策能力。
本文针对预制建筑全生命周期的实际问题，从分析数字孪生概念及应用入手，总结出用于预制建筑的数字孪生具有虚拟、包容和联动三个特点。基于数字孪生技术五维结构模型，提出了预制建筑全生命周期管理体系架构。在此基础上，分别探讨了规划设计阶段的设计-制造-施工一体化、制造阶段的精益生产、施工阶段与各参与方高效协作以及运维阶段数字建筑产品管理的实施途径，使各阶段、各参与方及时共享和交流信息，将数字孪生技术结合全过程施工造价管理，有利于打破传统僵化的管理模式，提高预制建筑信息化管理水平。
另外，本文研究仍存在一些不足，由于数字孪生技术处于萌芽阶段，只提出了一个系统的框架和实施途径，没有具体分析在各个阶段的运行机制。未来研究可针对本文中提出的基于MBD技术集成的三维数字模型开发、数字孪生工地运行机制、数字孪生建筑产品模式等方向进一步研究。
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