数字孪生在建筑业全生命周期的应用综述.pdf

建筑业粗放的管理模式及信息化、智能化程度低等问题成为制约其向智能建造转变的关键因素。在新兴信息技术的推动下，数字孪生技术在解决以上问题方面发挥了重要作用。鉴于此，基于现有文献，对数字孪生技术进行介绍，通过文献计量方法对其在建筑业研究现状进行分析，并对数字孪生技术在建筑业全生命周期的应用进行综述，最后进行总结，提出现有研究不足并对未来的发展进行展望。关键词：数字孪生；建筑业；全生命周期中图分类号：TU17文献标识码：A文章编号：1002-851X（2023）S1-0479-05DOI：10.14181/ki.1002-851x.2023S1479Review of the Application of Digital Twin in the Whole Life Cycle of the Construction IndustryZHANG Yongfeng（School of Urban Economics and Management，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 102616，China）Abstract：The rough management mode and the low level of informationization and intelligence in the construction industry have become key factors limiting its transformation to intelligent construction.Driven by the emerging information technology，digital twin technology plays an important role in solving the above problems.In view of this，based on the existing literature，this paper introduces digital twin technology，analyzes the current status of its research in the construction industry through bibliometric methods，and review the application of digital twin technology in the whole life cycle of the construction industry，and finally conclude with a summary，presenting the shortcomings of existing research and providing an outlook on future development.Keywords：digital twin；construction industry；whole life cycle1引言近年来，建筑业作为国民经济支柱产业持续快速发展。然而，建筑业的工业化、信息化、智能化程度低，生产创新能力不足等原因导致其面临着生产方式粗放、劳动效率低、能源资源消耗大等问题。充分应用新型数字技术，促进建筑业转型升级是其可持续发展的必由之路。数字孪生的出现以及在工业制造等领域取得的成就为解决上述建筑业存在的问题提供了新的思路。数字孪生的概念最早由美国密歇根大学Grieves教授在2003年产品全生命周期管理课程上提出。它通过创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体行为，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。数字孪生技术最初被应用于航空航天领域，后进一步在制造业发挥了重要作用。目前，将数字孪生技术与传统建筑业结合成为新的研究热点，而现有研究大多针对数字孪生技术在建筑行业某一阶段的具体应用，但从全生命周期视角下对数字孪生应用于建筑业的系统性综述研究较少。因此，本文对现有文献进行系统性综述分析，进一步梳理建筑业数字孪生研究现状，重点分析数字孪生在建筑业全生命周期的应用，以推动建筑业数字化转型升级。2建筑业数字孪生研究现状为进一步了解数字孪生技术在建筑领域的研究现状，按照系统文献综述的程序指南，本文进行了三阶段*基金项目：北京建筑大学研究生创新项目（PG2023099）作者简介：张勇峰，硕士研究生，主要研究方向：工程项目管理。数字孪生在建筑业全生命周期的应用综述*张勇峰（北京建筑大学城市经济与管理学院，北京 102616）建 筑 经 济2023年480的文献处理，并利用CiteSpace软件对所收集文献的发表时间分布、期刊来源分布、研究热点分布进行分析研究，具体步骤如图1所示。2.1发表时间分布根据文献分析步骤中的检索条件，共收集国内外文献410篇。统计所选取文献的发布时间，如图2所示。数字孪生最早应用于建筑业的研究文献发表于2017年，此后发文量逐年增加，到2021年，国内外建筑业数字孪生发文总量已超过100篇。从国内外发文量现状可以看出，数字孪生技术在建筑业的应用仍处于起步阶段，但从逐年增长的趋势来看，未来数字孪生技术应用于建筑领域的研究将更加丰富，数字孪生技术与建筑业的结合也将更加紧密。2.2期刊来源分布分别选取载文量位于前五的中外期刊归纳如表1所示。从期刊分布来看，中文文献多在 中国建设信息化智能建筑 等期刊发表；外文文献多在 Automation in Construction Buildings 等期刊发表。国内外关于建筑领域数字孪生的研究文献大多都发表在建筑信息化相关期刊上，这与目前建筑业智能化、数字化与工业化趋势相吻合。2.3研究热点分布本文采用CiteSpace软件对上述在CNKI和WOS数据库中检索到的文献进行关键词共现分析，以确定数字孪生技术在建筑领域的研究热点，如图3、4所示。其次，本文还分别列出了出现频数位于前十的关键词列表，如表2所示。从关键词共现分析和关键词列表中可以看出，国内外关于数字孪生技术应用于建筑业的研究热点大致相图1建筑业数字孪生研究文献处理步骤图2发文量情况表1期刊分布情况期刊名称载文量 占比（%）中文期刊中国建设信息化189.63智能建筑126.42中国勘察设计105.35建筑经济42.14工业建筑31.60外文期刊Automation in Construction2511.21Buildings188.07Sustainability146.28Applied Sciences Basel114.93International Journal of Advanced Manufacturing Technology114.93第 44 卷第 S1 期481同。除去自我指向性的关键词“数字孪生”“建筑业”，出现频数较高的有物联网、BIM、智慧城市、智能建造、人工智能、大数据等，这些关键词一类属于数字孪生应用于建筑业的关键技术，一类属于数字孪生应用于建筑业的具体领域。由此可以说明，目前建筑领域的数字孪生研究集中于智慧城市和智能建造等场景，多采用物联网、人工智能、BIM等技术。此外，关键词出现频数普遍较低，这也反映了目前数字孪生技术在建筑领域的应用并不深入，数字孪生理论研究与实际应用相结合仍有较大进步空间，相关科研机构和人员应深入挖掘数字孪生技术在建筑领域的应用潜力，推动数字孪生应用落地。3数字孪生在建筑业全生命周期的研究现状数字孪生技术能够整合各种信息手段将物理世界与信息世界融合，并通过预测分析等功能提高建筑业生产效率。基于数字孪生技术的功能优势，国内外学者将其应用于建筑业各个阶段。对国内外的相关文献进行系统性综述，梳理数字孪生技术在建筑领域全生命周期的研究现状，有利于建筑领域专家学者对数字孪生技术的研究有一个整体掌握，为进一步研究建筑业数字孪生提供参考。3.1设计阶段工程的设计过程是整个项目的孕育阶段，是对项目全面、详细的规划方案，直接关系到项目预期目标的实现。凭借物理信息融合优势，数字孪生技术对工程项目的设计规划发挥了重要作用。首先，数字孪生技术通过整合周围环境、类似建筑等海量数据并进行算法处理，形成高保真的建筑模型，基于此设计师能够确定大概的设计思路和方案，明确注意事项，从而辅助工程项目进行概念设计。对于建设场景的分析，数字孪生技术可以把GIS与BIM结合，将项目的地理位置、周边建筑、城市交通等数据进行整合与分析，形成拟建项目的虚拟建设场景，从而明确建筑实体的空间方位和外观，建立与周边环境的联系。初步设计完成后，可以通过对数字孪生体进行虚拟验证，判断实际方案与预期方案的差别，不断优化设计，大幅减少设计周期和成本，实现了设计方案风险的及时预测。同时，数字孪生能够使得各专业人员通过数字孪生协同平台进行各个专业内容的方案设表2关键词列表（CNKI和WOS）序号频数中心度年份关键词序号频数中心度年份关键词11150.82018数字孪生11510.992018Digital Twin2130.122020物联网2190.142019Internet of Thing3130.12020智慧城市3130.112020BIM4110.272018建筑业4100.082020Construction Industry5602021智能建造5100.092018Smart City660.082020人工智能690.112020Cyber-Physical System750.042022智慧建筑790.052020Artificial Intelligence850.092018建筑行业890.202020Machine Learning940.012018大数据980.102020Deep Learning1040.042020信息模型1080.032021Industry 4.0图3关键词共现分析（CNKI）图4关键词共现分析（WOS）张勇峰数字孪生在建筑业全生命周期的应用综述建 筑 经 济2023年482计，并在同一张图上进行设计审查，克服了传统设计模式中严格按照专业先后顺序而导致设计周期较长的问题，并且能在施工前严格把控设计质量。最后，可以依靠数字孪生技术实现设计的数字化和动态化表达，并结合VR、AR等技术手段实现设计成果现实表达。由于设计阶段尚未形成工程实体，因此数字孪生技术在该阶段的应用大多离不开BIM技术。BIM技术在可视化、模拟性等方面与数字孪生存在相似之处，如赵强指出，数字孪生的基础是数字模型，核心是数据，BIM技术同样依托数据基础，BIM技术为数字孪生工程提供了全方位实体基础数据的底层支撑。而数字孪生技术与BIM又存在不同，Khajavi从应用目标、使用对象、支撑技术等方面详细阐述了BIM与数字孪生的区别，并进一步指出数字孪生技术相对于BIM而言采用的是物理实体的实时数据，从而实现高精度的数字孪生模拟和数据分析。3.2施工阶段数字孪生技术在施工阶段主要是利用传感器、RFID标签等感知设备对人、机、料、法、环等全要素进行实时感知，并通过智能算法对数据处理和分析，实现工程项目的管理。工程进入施工阶段，首先需要按照设计图纸制定施工方案，数字孪生技术能够依据设计图纸在虚拟空间中建立对应模型，在模型中进行施工仿真分析，并模拟各专业关键施工工艺，从而制定施工方案，优化施工流程，降低施工风险。施工过程中，数字孪生技术能够利用其优势实现进度、质量、安全等目标管理。在进度管理上，数字孪生技术能够从施工现场采集实时信息数据，建立包含对象几何信息的点云模型作为进度观测的依据，通过实际施工进度与计划进度的对比，实现进度的监测与控制。在质量管理上，通过激光扫描等技术获取现场构件、节点的点云数据，在虚拟空间完成建模，基于此，管理人员能够依靠虚拟模型实时数据获取功能进行施工现场指导与结构监测，从而高效完成质量管理。在安全管理上，数字孪生技术一方面能够利用传感设备进行施工过程的实时数据传输，另一方面通过人工智能算法对获取的数据进行算法驱动分析，从而实现对施工过程的安全风险预测与控制。同时，对于施工现场的生产要素管理，能够基于物联网技术，将工人、物料、设备等实时数据传输到数字孪生模型，利用机器算法优化资源配置和调度。3.3运维阶段在运维阶段，传统的物业管理没有考虑建筑运维时间与空间维度上多源信息的融合，无法实现对运维全要素的智能化管控。而数字孪生技术凭借其物理信息实时交互反馈的特点，在运维阶段广泛应用，实现建筑物运维过程的智能化管控。对于资产的管理，主要是利用传感器等设备，掌握资产运行状态的实时数据，从而建立一套数字孪生资产监测系统，通过该系统实现对建筑资产状态的实时监测、评估和决策的智能化运维管理。在能源管理上，主要是在建筑物内外设置无线传感网络，采集环境相关方面的实时数据，再经机器学习处理数据，实现数字孪生建筑的能源运维管理和预测分析。在缺陷检测方面，数字孪生技术能够通过采集来自激光扫描仪、传感器等设备关于建筑结构等方面的状态数据，基于模型对数据进行分析处理，与最初设计参数相比较，从而实现结构缺陷的检测与维护。在应急管理上，数字孪生技术把灾害发生的室内建筑与室外地理位置信息3D模型化，以提高对建筑物内部及其室外环境的态势感知能力，并根据人工智能等算法技术规划智能逃生路线，实现智能救援与疏散。3.4改造与拆除阶段关于建筑的改造与拆除，几乎很少有数字孪生技术相关研究关注该阶段。但是由于改造与拆除阶段在最后时刻保留了大量项目全生命周期的信息与数据，能够为未来项目建设提供重要的参考，因此该阶段应该引起相应的重视。数字孪生在此过程中能够在虚拟空间中以最小成本将建筑剩余有价值的信息与数据进行保存，形成历史建筑信息模型（HBIM），从而为既有建筑提供帮助。4结论与展望以人工智能为代表的新一轮信息技术革命已在各行各业掀起了新的改革浪潮，本文通过探究数字孪生技术在建筑业全生命周期各个阶段的应用，主要有以下 发现：（1）数字孪生技术应用于建筑业是目前的研究热点，而从全生命周期视角下对数字孪生应用于建筑业的系统性综述研究较少。（2）根据文献计量分析，数字孪生技术应用于建筑业的研究最早发表于2017年，从2020年开始相关文献逐渐增多，并且大多文献都发表在建筑信息化相关的期刊上。数字孪生技术在建筑领域的研究热点主要包括智慧城市、智能建造等，关键技术涉及物联网、BIM、人工智能、大数据等。第 44 卷第 S1 期483（3）数字孪生技术由于其功能优势，在建筑设计、施工、运维及改造拆除的全生命周期中都有所应用，通过结合数据采集与传输、建模与仿真、智能预测与决策等关键技术，为改善传统建筑业存在的问题发挥了重要作用。虽然国内外学者已将数字孪生技术开始与建筑业相结合，但目前的研究仍面临许多问题：如数字孪生缺乏技术的集成应用，很少有研究将各种关键技术集成到一个应用平台；其次，数字孪生在建筑领域的研究内容仍不全面，存在局限性。因此，未来数字孪生技术与建筑领域应进一步结合，一方面是加强理论的研究，如形成统一的建筑数字孪生定义，完善建筑领域数字孪生的应用标准等；另一方面是加强实践应用，如开发数字孪生集成应用平台，大力支持相关技术的研究及人才的培养等。相信在未来，数字孪生技术在建筑业必将进一步推广，走向成熟。参考文献1 陈珂，丁烈云.我国智能建造关键领域技术发展的战略思 考J.中国工程科学，2021（4）：64-70.2 Forcael E，Ferrari I，Opazo-Vega A，etal.Construction 4.0：A Literature ReviewJ.Sustainability，2020（22）：9755.3 陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用J.计算机集成制造系统，2019（1）：1-18.4 刘大同，郭凯，王本宽，等.数字孪生技术综述与展望J.仪器仪表学报，2018（11）：1-10.5 GRIEVES M W.Product lifecycle management：The new paradigm for enterprisesJ.International Journal of Product Development，2005（1-2）：71-84.6 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