数字孪生技术在建筑环境中的应用

数字孪生是指针对一个物理对象和其所在环境的数据驱动模型。 它是建立在物联网(IoT)和人工智能技术上的系统的系统(SoS)。 虽然传统上数字孪生被用于制造业，但现在数字孪生被同样用于许多其他环境，尤其是在建筑中。 建筑环境正在向计算环境过渡，并从数字化中获得前所未有的运营效率。 数字孪生允许用户主动管理他们的资产，模拟条件变化，并发现操作中的低效率环节。 这样，物业经理、楼宇业主和所有利益相关者都可以延长楼宇的使用寿命，同时为住户提供更舒适和更环保的环境。

数字孪生是什么?

让我们先从最简单的答案开始，然后再展开说明: 数字孪生是物理对象在时间和空间中的1:1虚拟版本(“孪生”)。 所以，在一个非常简单的层面上，数字孪生可以被描述为一个对象的高度复杂的数字模型(“对象”的定义非常广泛)。 如果该对象是一栋建筑，那么它就是这栋真实建筑、及其系统、环境(温度、湿度、空气质量指数)等的数字副本。

但关键的是，数字孪生不仅仅是一个时间点的3D快照。 事实上，3D模型只是一个层面，是一个更深入、更强大的系统的接口，该系统主动监控、构造和传输丰富的来自数字孪生的每个部分及每个过程的实时数据。 因此，无论物理对象做了什么，或者发生了什么变化，都会被量化并精确地体现在这个数字孪生中，不断地为人工智能和机器学习的应用程序提供支持。

数字孪生简史

从没听说过数字孪生? 虽然数字孪生被认为是一项新兴技术，而且最近才开始受到公众的关注，但它的历史比预期的要长得多。 1969年，美国国家航空航天局(NASA)在阿波罗13号(Apollo 13)的任务中实现了第一个初级数字孪生。 后来，在20世纪80年代早期，达索航空（Dassault Aviation）率先在产品设计和测试中应用数字建模，达索随后将这些早期努力的成果扩展到更广泛的产品应用中。

从那以后，数字孪生继续进化，变得更加强大和复杂。 如今，几乎可以通过无限数量的应用程序和范围创建数字孪生(例如，整个新加坡现在都以数字孪生的形式并行存在)。

数字化建筑环境

在某些方面，将建筑环境数字化比将火箭飞船数字化更复杂。 这是因为一栋建筑的数字孪生体不仅仅是建筑本身的一个模型。 它集成了其中发生的每个系统、对象和过程。 资产监控、运营管理、能源使用——大楼内的所有系统都将数据输入数字孪生设备。 数字孪生大楼是一个系统的系统，它将所有纵深数据纳入一个中央平台，为一个互动的、可扩展的、可操作的单一信息来源提供动力。

数字孪生在建筑环境中的应用是智能建筑和房地产科技之前发展的必然结果。 建筑环境的功能化信息变得显著并数字化，实现了各种各样的应用案例。 有了这个强大的工具，建筑管理不再局限于显而易见的东西，而是由一个由实时数据提供的单一真相来源来监管。市场正在注意到这一点。 目前，数字孪生在建筑环境中的应用正呈现爆炸式增长，预计到2025年，其价值将达到近360亿美元，比2019年增长至1000%。

数字孪生的进化：BIM, BAM, BOOM

几十年来，建筑师和承包商一直在使用3D技术来设计和建造建筑物及其他结构。 如今，在市场中，约有2/3的建筑、工程和建筑公司正在使用BIM(建筑信息建模)软件进行数字化工作。 创建BIM通常是建造数字孪生的第一步。 对于计划中的项目，它是信息的单一来源开始的地方。

BIM是在设计阶段创建的结构化的3D蓝图。 它是所有物理方面和功能系统的完整映射，如照明、暖通空调、机械、电气及管道(MEP)。 BIM不仅是建筑师的强大工具; 它也给工程师带来了诸多好处，比如能够共享数据并与建筑设计师合作。 与单一的真相来源进行数字化协作，简化了诸如遵从性和兼容性检查等传统困境。

在设计完成后，施工阶段也受益于BIM交付的数据和技术。 许多承包商依赖BIM数据来帮助优化施工过程，即所谓的建筑装配模型。 BAM继续在设计过程中建立BIM数据库，引入预算、材料、时间表、检验数据等新信息。

使用BAM作为信息的单一来源和协作平台，可以显著降低构建成本和缩短时间，并在效率和准确性方面获得巨大收益。 例如，2016年，英国奥雅纳工程顾问公司(ARUP)在规划和执行英国昆斯费里大桥升级项目时大幅降低了成本。 通过与英国雅各布工程公司的合作，ARUP利用BAM和BIM系统将成本从42亿英镑降低到14亿英镑，并在项目管理方面节省了额外成本。

67%的成本降低是非常可观的，但如果从建筑的总生命周期成本的角度来看，施工成本仅占1/3。 这仍然将最大的财政负担放在运营阶段。 这就是为什么建筑和物业经理使用BIM作为操作工具。 在这个阶段，这个模型被称为建筑业主操作模型(BOOM)。

BOOM为提高建造环境中的操作效率提供了更多的潜力。 在建造之后，BIM可以继续作为资产管理和维护等过程的单一信息来源。 它可以跟踪各种零件的生命周期，安装日期，物理性能，维修历史等。 作为一个BOOM，系统充当了记录保管员、保修管理人员及维护调度人员。

BOOM和数字孪生有什么区别? 关于实时数据，模拟及可操作性的见解

BOOM和数字孪生之间的区别在于建筑及其所有系统和过程的实时虚拟化。 要做到这一点，需要用物联网连接整个建筑组件、资产、系统和流程。 它还需要将BIM迁移到一个能够接收和处理数据的平台上。 一旦连接起来，这个数字孪生系统将收集所有建筑过程和操作的数据，并将其可视化地复制到BIM上。 所有资产和系统性能数据、维护记录、环境数据——所有的一切都源源不断地输入到数字孪生系统中。

数字孪生还利用人工智能的力量，通过模拟条件变化，将原始数据转化为建议的行动，帮助管理者和所有者优化日常运营。

数字孪生的力量在于它的动态数据质量和它为机器学习算法和控制提供动力的能力。 例如，这些算法能够根据季节优化电力使用。 国家能源集团率先实现了电厂数字孪生系统管理，通过基于BIM数据优化的算法管理，自动实现了夏、冬两季电力需求差异，每台机组每年节约成本400万元。

始于智能…或，晚做总比不做好

每一座建筑都有一个生命周期，从设计、工程、建造、使用到最终更换。 使用BIM(以及BAM和BOOM)建造的建筑更方便创建数字孪生，但它们仍然可以用于现有的建筑。 物联网安装和改造使数字孪生成为建筑升级计划的一部分。 BIM也可以使用3D扫描技术和原始蓝图为现有和历史建筑创建。 考虑到建筑的大部分使用成本来自于其运营，数字孪生仍然在建筑结构中发挥着作用。

数字孪生的应用案例

数字孪生是一项令人兴奋的技术，因为它们使动态和强大的建筑管理成为可能。 数字孪生的最终目的是通过体现对应建筑所在环境的、数据驱动的建筑模型来管理成本。 但它所满足的具体需求是什么?

运营效率稳定增长

源源不断的数据流输入到操作智能的单一信息源模型中，从而能够对业务运营进行可操作的洞察。 数字孪生连接建筑系统和过程中的操作数据，如能源使用、维护和居住者健康。 它揭示了多方面的洞见:

• 如果你不修复这个坏掉的空气净化器，它将导致若干量的能量增加，一定量的病毒传播风险)。
• 空气净化器预计在一段时间内出现严重问题，导致能源消耗增加，产生一定数量的过剩碳排放

数字孪生是所有建筑系统和过程的视觉共生，解锁了前所未有的便于决策的信息。 哪些业务领域在拖后腿? 哪些业务领域表现出色? 建筑环境可以通过数字孪生与您对话，并通过模拟和高级分析提供引人注目的新信息。

减少碳足迹

根据安永 (Ernst and Young)的说法，通过减少排放，数字孪生可以将建筑的可持续性和稳定性提高高达50%。 它可以将能源管理整合到建筑生态系统的各个层面，从资产到系统再到流程，并利用人工智能算法来优化能源使用。

提高楼宇用户的满意度

数字孪生建筑以人为中心的目标是提高楼宇用户的幸福感。 数字孪生系统中出现的数据，如环境数据(空气质量、清洁度等)、建筑空间和基础设施使用、维护和资产管理提供了可操作的智能，可以改善建筑中的居住者体验。 由数字孪生支撑的建筑是对用户舒适度和环境责任的承诺的可见的、夯实的体现。

从被动操作到主动操作和维护的转变

建筑操作员和设施经理通常使用计算机维护管理软件(CMMS)来管理和优化维护过程。 数字孪生进一步通过集成CMMS的功能，然后将资产信息和维护历史与更广泛的建筑操作结合起来。 这提供了更多关于为什么和如何的洞察，同时也提供了比仅仅一个CMMS更可操作的洞察。 通过人工智能算法运行所有数据，它还开启了预测性维护的领域。人工智能算法可以识别给定资产在未来什么时候需要定期维修，并为模拟的替代条件提供同样的维修。

提高新建设效率

在建筑生命周期的早期实施数字孪生允许在每个阶段模拟新设备和建筑变化，以优化建筑的装配。 建筑装配模型是可持续建设和运营中使用的数字孪生策略的关键组成部分。
完整的业务数字化

转变到使用为商业环境设计的现代智能操作模型，几乎等同于意味着要过渡到使用单一的信息来源的数字化模型。SSOT模型有无数的好处，但它需要一个恒定的、稳定的数据输入才能使用。 数字孪生恰恰提供了这一点。

使用数字孪生模拟优化建筑操作

模拟设备、基础设施和环境的能力是数字孪生的核心能力之一。 这个数字孪生可以使用当前的数据来预测互通性问题、能源使用、气流、客流量和建筑使用数据的许多其他方面。 它还允许用户使用仿真模型来预测由于环境、基础设施或设备变化而对操作产生的多种影响。 这些模型使相关人员能够对运营效率和预测做出准确和知情的预测，并在瓶颈出现在现实世界之前消除它们。

斗山重工业等企业已经开始这样做了。 在斗山的风电场，基于物理的模拟被用于最小化规划和建设的浪费，机器学习算法调整操作以匹配理想的性能模型。 通过数字孪生，任何建筑的生命周期性能成为了可管理和优化的资产

拓展数字孪生来管理资产组合

直到最近，房地产科技一直被认为是业主和房地产所有者管理他们的权益和释放他们的财产价值的一种方式(Airbnb等)。 现在，人们对房产科技的理解正在扩大，因为数字孪生技术从根本上来说是一种为所有者和居住者增加财产价值的方法——特别是当应用于资产组合时。

因为数字孪生代表一个平台，而不仅仅是一个单一用途的工具，它实现了可拓展性，这意味着一个环境的数字孪生平台将是用于管理另一个环境的相同的核心系统。 可拓展性的好处使得多物业管理更加高效，使智能建筑投资合理化。 由于您投资于一个平台，您的智能建筑策略更具有前瞻性。 通过这些强大的平台优化物业使用可以降低成本，避免不必要的成本，并以浅显易懂的方式将整个建筑环境与决策者联系起来。

逐渐虚拟化的建筑环境

数字孪生是现代建筑管理软件和工具向整体、全环境平台的倒数第二次转型，为未来做好了准备。 它代表了一种面向持续优化和增长的管理新方法。 建筑环境中的数字孪生技术标志着数字化新时代的到来，标志着向数据支持决策的战略转变，以提高成本、运营效率、环境影响和人类体验。