“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空动态数据交聚及驱动引领。数字孪生城市建设以城市信息模型(CIM)为核心,而 CIM 基础平台可以为城市更新提供孪生城市数据与重要设施网络。CIM 提供了很大的可能性来组织涉及数字孪生城市建设的关于城市更新空间结构、布局功能和区域环境的弹性扩展协作,实现了规划、现状和历史三种 CIM 时态的一张数据底图到城市更新全生命周期管理一张数字蓝图的统一调度、有效衔接,开启了城市更新存量提质改造与增量结构调整的“泛智能”时代。CIM 平台整合了城市人口、房屋、单位等多项专题数据,并与空间实体数据实现了有效挂接,可为城市级的更新建设提供有效支撑。例如,在城市更新项目中,基于 CIM 平台可实现城市拆迁量、受影响人口、经济投入量的定量估算,可快速为决策部门提供方案支撑21。雄安新区规划建设管理平台项目中,提出了 CIM 作为数字孪生城市的操作系统建设22-23。青岛中央商务区 CIM 城市综合治理平台构建24,明珠湾智慧城市信息平台建设25,北京城市副中心 CIM 平台建设,广州、南京、厦门 CIM 平台试点建设26-27,以及新加坡政府启动的“虚拟新加坡”项目,法国城市雷恩建立的城市数字模型28。CIM 基础平台已成为迭代更新的城市新城建、旧存量资源全生命周期管控引导的数字能力底座。在统筹城市规划、城市建设、城市管理等诸多方面已呈现出后城市化阶段城市再发展的更新动力与潜能。以数字孪生城市为依托,以 CIM 为平台,以更新现状评估为基础,数字孪生城市、城市更新与 CIM 三者时空转换的核心在于以城市物理空间数字化建设为导向的、从孪生链动更新线索出发的 CIM 基础平台应用,也是当前支撑城市体检评估工作持续推进的城市更新场景构建新趋向。数字孪生城市-城市更新背景下重点省市政策梳理见表 1。表 1数字孪生城市-城市更新背景下重点省市政策梳理Table 1DTC-Policies of key provinces and cities underthe background of urban renewal地区政策/文件内容雄安新区 河 北 雄 安 新 区 规 划纲要13打造汇聚城市数据和统筹管理运营的智能城市信息管理中枢,打 造 具 有 深 度 学 习 能力、全球领先的数字城市北京北京市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二 三 五 年 远 景 目 标 纲要29建设数字孪生城市,高标准构建城 市 大 脑 和 网 格 化 管 理体系国务院关于支持北京城市副中心高质量发展的意见30加强城市信息模型平台和运行管理服务平台建设,打造数字孪生城市上海关于进一步加快智慧城市建设的若干意见31以大网络大系统大平台建设为导向,探 索 建 设 数 字 孪 生城市江苏江苏省“十四五”数字政府建设规划32基于城市信息模型(CIM)基础平台技术,推行城市数据大脑建设,探索建设数字孪生城市广东推进新型基础设施建设三 年 实 施 方 案(20202022 年)33探索构建数字孪生城市实时模型,形成全要素“数字孪生城市”一网通管系统1.3基于 CIM 的城市体检场景构建实施城市更新行动的路径是开展城市体检,城市体检评估要与城市更新相结合,推进城市更新行动的精准化和科学化34。城市体检以促进推动城市高质量发展为主题,以及时发现城市空间品质与城市发展存在的问题短板风险为目的。通过城市体检建立起与城市更新任务目标相适宜的城市建设管理运行政策机制、技术路线、标准规范,提升城市更新对于城市规划建设成效的包裹性,是带动存量资源提质增效,解决“城市病”问题的重要抓手。当前,城市体检主要分为自然资源部“国土空间规划城市体检评估”与住房和城乡建设部“城市体检”双体检评估体系。城市体检评估指标体系包含安全、创新、协调、绿色、开放、共享 6 个一级指标;城市体检指标体系包括生态宜居、健康舒适、安全韧性、交通便捷、风貌特色、整洁有序、多元包容、创新活力 8个方面指标。同时,可紧密结合体检城市的实际适当增设反映城市更新进程中需要关注的人居环境质量及存在的实施时序、动态保障和多元共治等方面的内容与指标。如在 2022 年指标调整中在生态宜居指标项中增加了新建建筑中装配式建筑比例内“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183 容;在 安 全 韧 性 指 标 项 中 新 增 了 城 市 信 息 模 型(CIM)基础平台建设三维数据覆盖率内容,以推动城市体检与城市更新有序衔接,确保城市有序运行,最终实现有序更新。城市体检核心思路是基于物联网、街景扫描、三维倾斜摄影测量、红外监测等先进技术获取与感知多元城市现状数据,基于行业业务模型进行智能化计算,评估城市现状状态;由于获取的原始数据多源、异构,往往需要空间化、数据清洗、空间融合之后,才能作为输入数据,参与城市体检计算过程35。城市体检评估与城市体检分别以国土空间基础信息平台与城市体检评估管理信息平台作为实施保障,贯穿城市发展全生命更新周期,具有承上启下的设计功能和运行特点,是城市体检的核心内容与评估基础。CIM 基础平台可利用现有城市体检基础资源设施,在通视分析、叠加分析、空间拓扑分析等功能辅助下,支撑城市、区、街区、社区四级城市体检的动态监测、综合评价与数据管理等领域的更新应用,实现与国土空间基础信息平台、城市体检评估管理信息平台对接或集成整合,满足多规合一、多检合一、多数合一的平台业务协同要求,构建国家、省、市三级 CIM 基础平台的总体更新专项体检详细规划管控计划全生命周期城市体检闭环的综合指引体系。具体来看,自然资源部城市体检评估基础数据主要包括社会发展统计数据、城市建设数据、国土空间基础现状数据、规划成果数据、规划实施监督数据、城市运行大数据、生态环境大数据等。住建部采取城市自体检、第三方体检和社会满意度调查相结合的工作实践方式开展城市体检,城市体检数据主要包括统计数据、各部门各行业数据、互联网大数据、遥感数据、专项调查数据等。同时,CIM+应用的城市体检主客观基础数据的沉淀和回流将为科学指导各地制定和实施城市更新规划提供数据底板。基于统一数据底板集成的时空基础、资源调查、规划管控、工程建设项目、公共专题和物联感知等信息资源清单,提升针对城市病、新型城市基础设施建设的前瞻性城市更新节奏调节的数据共享交换平台功能。前置交换或在线共享方式的平台数据交换将从源头上促进服务于城市体检数据的高位调用。更加公平均衡地统筹数据采集、分析论证、问题诊断以及体检报告形成的城市体检全过程数据资产管理。CIM 是服务于城市的时空信息基础设施,支撑数字孪生城市的时空操作系统36。以城市地址、实有单位和实有人口的 CIM 基础平台数据叠加城市体检数字空间信息数据资产作深入的城市更新嵌套研究,从成果、进程、资源、属性和应用 5 大维度分类及编码到城市发展运行在合理区间、国土开发有序的城市更新均衡发展定位的 CIM 场景构建,CIM 基础平台不仅是厘清城市体检双评估体系各功能单元内在联系的实体性、关键技术手段,也是提升城市更新可达性、连通性的基础性操作平台。同时对零散的城市土地合并、土地拆分、土地重置、土地配置等城市土地空间叠合性信息进行系统缝合。但也应该看到,城市体检指标体系仍主要依赖于业务数据、统计数据与普查数据等基础性数据。同时在采用先进技术自动获取与感知方面仍存在技术瓶颈,数字孪生技术的城市体检场景构建仍处于渗透期。一方面,城市体检需要以人为本,更强调个体城市存量空间的使用体验与增量空间的主观感知,形成互为支撑、协同反馈、互为校验的国土空间规划城市体检评估报告与城市体检报告。另一方面,城市信息模型(CIM)宜采用基于模型的复杂系统工程思维,在数字孪生建筑互联互通基础上建立,这也是当前快速构建 CIM 和数字孪生城市的一条可行路径37。数字孪生城市-CIM 的城市更新场景构建层析关系见图 1。2数字孪生建筑(DTB)在城市更新场景构建中的应用2.1数字孪生建筑与城市更新数字孪生建筑(Digital Twin Building,DTB)是指综合运用 BIM、GIS、物联网、人工智能、大数据、区块链、智能控制、系统建模与仿真、工程管理等技术,以建筑物为载体的信息物理系统。它可以看作是数字孪生系统在建筑物载体上的一个具体实现。基于实体建筑,通过在建筑实体关键位置布设大量不同类型的传感器实现实时获取数据,利用数字在线仿真、多源数据融合、多尺度建模和三维可视化等技术,在虚拟空间构建该孪生体完成实时映射,建筑数字孪生体能充分感知、监测实体建筑以便于优化和决策,这种映射覆盖实体建筑的全生命周期37-38。数字孪生城市适当超前设计的关键环节在于数字孪生建筑建设,也是衡量当下以及未来数字化改革水平的重要标志。城市建筑是最为复杂而庞大的更新系统,包括老旧小区、老旧厂房、平房院落、老旧楼宇等各类存量建筑资源,须推进数字孪生建筑系统快速迭代信息化部署,支持城市更新的建筑功能转变复合、建筑共生与建筑空间形态指引。以数字孪生技术带动城市既有建筑综合性能提升与存量建184 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期图 1数字孪生城市-CIM 的城市更新场景构建层析Fig.1DTC-Hierarchical analysis of urban renewal scenario construction of CIM筑的更新改造,针对建筑物理实体孪生与数字虚体孪生建构对应的建筑物理空间和建筑信息空间数字化定义,实现建筑数据驱动人、事、物动静态场景时空语义化渐进式有机更新,引领城市更新进入到丰富的数字孪生建筑场景构建的工业化新发展阶段。新型建筑工业化是与新型城镇化内外联动、城市同步更新的工业化。走新型建筑工业化道路,更易实现以规划保留建筑为主的存量建筑资源数字化和智能化更新。通过整合建筑空间资源使用效率的建筑+国土空间、建筑+基础设施、建筑+公共空间、建筑+个体行为等数字孪生模式与存量建筑个性化使用需求,形成建筑存量资源个性化与新型建筑工业化下的标准化接驳,在重构建筑与周边城市空间生态关系过程中实现真正意义上的数字孪生建筑。但如何在释放存量建筑资源实现空间调配红利的同时形成城市公共资源高效供给,是当下发展数字孪生建筑带动城市开放空间一体化规划设计、实施建设与运营管理面临的一个重要的城市更新问题。数字孪生可以更好地应对未来建筑事件并完成更新保护,在优化建筑数字时空界面的同时革新传统发展模式路径。通过三维虚拟建筑空间场景模拟、信息物理系统全生命周期交互、多目标统筹协调与智能干预决策等数字孪生功能,挖掘重现城市与建筑历史空间场景,是为进一步提升文物建筑、历史建筑保护利用的能效水平。这也是从巴黎圣母院重生看数字孪生建筑面向未来城市更新多领域融合的创新研究思考。AGP(图形艺术与遗产公司)曾于2010 年利用 150 次毫米级数字扫描,建立了超过 30亿个数据点,完整记录了被大火全部焚毁的木制框架细节,为巴黎圣母院的精准再现提供了基础。同时,重建团队应用三维、实时、动态的建筑信息模型,将教堂的几何、空间、地理、各种建筑组件的性质及工料等各方面信息涵盖其中,通过模型和数字化技术手段进行复杂的信息管理39。2.2数字孪生建筑的 BIM 应用建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)是在建设工程及设施全生命期内,对其物理和功能特性进行数字化表达,并依此设计、施工和运营的过程和结果的总称。又可细分为建设工程规划阶段服务于规划设计方案报建与审查的规划设计模型;施工图设计与审查应用的施工图模型;竣工验收、备案应用的竣工验收模型。因其参数化、可视化、统计自动化、工作协同化等特点,作为信息管理平台可涵盖策划、设计、施工、运营等建筑项目全过程,逐渐在现代建筑建造工程的系列环节中推广20,40。许多国内外文献混淆“BIM+”与数字孪生建筑理论,将建筑数字孪生体视作 BIM 模型加入其他信息的另一表达方式41。从信息属性角度来看,BIM在建筑建设全生命周期各目标间数据的交互、共享和协同无法完全包裹数字孪生建筑宜涵盖的数据线程和模型的多源异构数据体系。尽管不同途径获取与不同方式表达的 BIM 数据具有唯一性、一致性的信息属性,也很难实现虚拟模型向实体建筑全生命周期虚拟空间映射的全域转化。从信息决策角度来看,数字孪生建筑具有精准感知映射、风险识别管理、虚实交互融合、智能干预决策等特点。BIM 结构“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185 虽具有可扩展的开放性,但以 BIM 为介质基础的平台信息决策能力仍需在增加元素种类的实体扩展方式、元素数据的属性集扩展方式等方面进行提升。BIM 技术应用已进入到了快速发展阶段,即便数字孪生建筑及其衍生概念尚未形成普遍性、统一释义,关于数字孪生建筑的理论体系和技术融合仍处于初步探索时期,但这并不妨碍 BIM 作为数字孪生建筑的底层技术支撑在城市更新领域发挥其潜在应有价值。如 BIM 在管理、协同、决策等旧建筑改造实践的应用42;基于 BIM 的存量建筑质量和整体性能提升研究43;BIM 技术在既有建筑改造中的应用44;BIM 与数字孪生模型之间的转换及基于BIM 的数字孪生建筑的应用场景研究45。BIM 可视既有建筑综合性能提升与存量建筑的更新改造具体情形在某个环节或时段内应用,亦可覆盖其全生命周期,更侧重更新的过程和接连性,对建筑物理孪生体精准赋能,建构满足多层次数字孪生建筑应用需求、城市多层级更新目标的数字能力底座。但基于 BIM 的数字孪生建筑应用特别是与城市更新数字化转型的共性技术应用三者间的衔接关系仍需以数字孪生为底层思维构建起来的场景为基础,这样可以利用相互间的优势,特别是对场景的 BIM 应用及场景构建的数字孪生路径也会有积极的创新与思考,同时顺应建筑产业现代化发展的新趋势。2.3BIM 的装配式建筑场景构建装配式建筑是国家正在大力推行的绿色建筑,它具有标准化设计、工业化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理等特征,既有“四节一环保”的优点,又能保障质量安全,加快施工进度,是当前国家绿色建筑的主要推手;大力发展装配式建筑是提高传统建造方式工业化程度的必经之路,数字孪生可作为实现智能建造理念目标的关键技术,进而将数字孪生运用到建筑施工阶段是提高装配式建筑施工过程信息化和智能化的关键之策;研究装配式在旧改中的适用性,其目的是为改进现有旧房改造中的建造方式,以期为目前的存量规划落地实施提供更多选择,为未来的存量规划实施做好理论与实践准备46-48。装配式建筑的发展与城市更新同属一个行业的发展趋势和必经阶段,其在城镇化转型发展中必然发挥极大的促进作用,对城市更新的旧改项目实施及历史建筑活化利用产生深远的意义49。装配式建筑同样是 2022 年城市体检指标体系调整后新增加的内容之一。林徽因先生在梁思成先生所著图像中国建筑史 的提序中就提到,中国古建筑的木结构体系最大的特征就是装配式,首次定义了中国传统建筑的木结构体系潜在语义逻辑。因此,装配式建筑与城市更新有机结合的本质是中国传统建筑的建筑传统本源回归,而非真正意义上的“西学东渐”。当前国家重点发展装配式建筑促进建筑业转型升级,存量建筑更新保护集约化特征与装配式建筑产业化属性将以数字孪生工业化、信息化核心要素为纽带建设互为支撑、互为校核的智能建造体系。建筑传统语义与数字现代科学迈向了互容性、创造表现的共同体研究。但同时我们也应意识到,这种数字化的转型升级要求需最终通过介质基础平台来实现。BIM 是促进装配式建筑现场装配服务的一种有效工具,因为它具有强大的物理和数字演示管理功能;在装配式建筑场景中,BIM 技术可以打通设计、生产、施工装配整条产业链50-51。BIM 不仅为三旧改造、既有建筑综合性能提升与存量建筑更新提供了旧改标准部品部件活化利用的数字化体系,形成可实时渲染的、以提质增效为核心的自由组合式改造框架制度。还通过优化建造改造评估反馈机制,科学配置存量建筑资源功能要素,实现新型建筑工业化与城市更新的协同、可持续发展。以数字化方式创建建筑物理实体的建筑数字孪生体,建构虚实共存、交融孪生的装配式建筑城市更新场景构建的标准化接口。如基于 BIM 数字孪生的新型装配式钢节点混凝土框架结构的智能建造框架研究52;基于 BIM+数字孪生技术的装配式建筑项目调度智能化管理平台构建53;BIM 模式下装配式施工工序优化分析54;以及为抗击新冠疫情发挥了重要作用的装配式建筑在雷神山数字孪生医院的 BIM 一体化应用研究55。已初步形成较为完善的基于数字孪生的装配式建筑应用理论与技术体系。此外,在历史建筑修缮、保护等工程技术领域,基于历史建筑 BIM 模型,能够进行建筑设计优化、结构安全验算、施工图纸深化、施工模拟、材料管理等应用,有效指导施工。如基于异构模型融合与处理技术的上海音乐厅平台化应用研究56,利用 BIM技术实现兴隆山握桥伸臂梁结构的复原研究57,以及通过建立 BIM 模型对昭馀古城进行的数字信息化保存记录58。形成了与装配式建筑、历史建筑保护利用有机结合的同道共进的城市更新未来新发展格局。以数字创新为引擎促进装配式语义分割的守正更新,实现基于各类建筑资源更新的城市人居环境时空结构层次上的高度互联。数字孪生建筑-BIM 的装配式建筑城市更新场景构建层递关系见图 2。186 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期图 2数字孪生建筑-BIM 的装配式建筑城市更新场景构建层递Fig.2DTB-Layer analysis of urban renewal scenario construction of BIM-based prefabricated building3数字孪生个体(HDT)在城市更新场景构建中的应用3.1数字孪生人与城市更新未来,每个人都将拥有自己的数字孪生17。每个人都将拥有一个与人的身体状态、运动轨迹、行为特征等信息完全一致,从出生到死亡全生命周期的数字人生59。目前个人与数字孪生技术的结合主要是基于以人为本和两化融合理念:人信息物理 系 统(HCPS)60,社 会 化 的 信 息 物 理 系 统(CPS)61,数字孪生医疗62,人因工程63等。同时,进入城市化进程中后期的城市发展趋缓,以人为本、两化融合也是基于信息化、工业化、城市化与社会经济生活联系紧密的城市更新的驱动力和目标导向,已成为面向未来城市进化与生长的重大需求,指导城市发展愿景的重要原则,对于增强城市更新的平衡性与协调性发展都具有十分重要的作用。孪生人(Human Digital Twin,HDT)是人的“真身代理人(Agent)”或“代具”,代表人在具身的时空中的具身在场状态,同时也代表人在离身的或压缩的时空中的分身在场状态64。广义的 HDT 是个体复杂行为系统的时空间使能方式,并可与其行为空间环境及其他数字孪生个体互动。这其中既包括数字孪生个体及其虚拟行为空间环境与其他数字孪生个体间的关系,与物理实体同生共长;也包括真实本体及其物理行为空间环境与其他真实本体间的关系。将个体复杂行为系统的时空间使能方式及需求特征投影到数字孪生城市、数字孪生建筑的虚拟空间环境中,以虚实交互、联结互构的主体空间互动形式的复杂关系需求定位划分城市更新单元。对研究个人时空间行为与建成区城市、建筑空间形态以及城市、建筑功能之间的互动机理,最大限度地发挥个体参与和城市更新双向流动要素配置的存量空间发展优势,突破空间形态与功能约束堵点具有重要意义。3.2城市更新中的个人数字孪生应用新型城镇化建设高质量发展正在深刻影响着城市空间形态的演变与重塑。新型城镇化的本质是人的城镇化,物的城镇化是由人的城镇化引发的。深入推进以人为核心的新型城镇化战略同时包含实施城市更新行动,城市更新以满足人民宜业宜居需要为出发点和落脚点,以功能性改造为重点。数字孪生城市下的城市体检需要以人为本,更强调个体城市存量空间的使用体验与增量空间的主观感知;数字孪生建筑可实现基于各类建筑资源更新的城市人居环境时空结构层次上的高度互联。将数字孪生个人置于城市建筑虚拟时空间结构中情境化,突破现有空间形态和结构功能的优化、完善及调整模式,形成虚实相映、孪生互动、更具复原力的城市肌理活化平台,更加强调物理空间与虚拟空间内个体和时空间环境之间的协同交互,推动城市空间结构优化和建筑品质提升,是以数字孪生技术催生城市更新新发展动能的关键路径。其中,物理空间是主体,个体数字孪生是主角,虚拟空间是主干。从利用信息化和工业化的高层次技术与图形学技术将人的肢体周身动作进行全要素可视化、数字化的融合复现,到城市更新虚拟空间、物理空间以及双向流动的空间共享、资源共享与协作共享等信息要素的交互。原本静态物理空间的更新瓶颈问题得以通过个人数字孪生与虚拟空间环境间自上而下地双向交互中创新性探索,形成个人数字孪生的区域时空间延性关系画像,更加精准高效地挖掘出各圈层人口、设施资源、空间功能引导与城市更新的内外“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187 联动关系。如实施更新项目与区域空间人口结构变化的关联性;城市更新职能结构与职住平衡的调整性;人口规模与区域更新单元基础设施网络的匹配性;城市更新政策的有效性测度等。为城市更新搭建出可持续高质量发展的个人时空索引云场景,揭示出城市更新复杂系统背后的驱动演化规律与个体响应特征。3.3数字孪生个体的时空索引场景构建城市更新应用场景的数字孪生个体状态感知数据体系构成了个体时空间使能信息主体。蕴含丰富个体时空间使能信息的大数据为数字孪生个体提供了时空索引场景构建的重要契机与数据基础,主要包括 SCD 数据65、手机信令数据66、GPS 数据67、社交网络数据68、交通 OD 流量35与可穿戴传感器识别等69。个体时空间使能信息基于统一的数据底板,通过 IOT 整合数字孪生城市、数字孪生建筑等多尺度空 间 及 物 联 感 知 数 据。类 似 于 人 机 协 作(HRC)中机器人传感器、情境传感器和生物识别传感器的作用,可穿戴传感器在很大程度上促进了这种时空轴向、事件发生与空间转换的孪生串联。智能手环、智能手表等常见可穿戴设备已经可以通过人机交互记录佩戴者的身体状态和使用情况;使用智能设备全方位、全时段地记录个体生命特征,形成大量个体信息数据库,以数字化的形式记录个体自我活动,从而促进人们对人与环境互动关系的了解 这正是可穿戴设备的应用领域70。使其在城市更新发展过程中构成一个经济、社会、环境全面动态提升的数字链条闭环,从碎片化的城市更新场景中厘清城市系统要素、城市时空间结构以及与个体的时空延性关系。这一过程中,CJJ/T 1572010城市三维建模技术规范、T/CSPSTC 212019建筑信息模型(BIM)与物联网(IOT)技术应用规程等国家和行业数据标准与技术规范将成为场景衔接的固化剂,以太网、蓝牙、ZigBee、Wi-fi 等通信网络将成为物理与虚拟系统实时映射、信息交换所需场景构建的胶黏剂,推进城市更新创新动力机制完善,畅通多场景应用黏结路径。同时,就城市更新中的个人数字孪生应用来说,个人也可以看作是一种数字化具身在场状态的感官传感器,一种在基本感知功能与时空高度互联的算法模型层面上实现的个人数字永生。数字孪生个体-时空索引的城市更新场景构建层次关系见图 3。图 3数字孪生个体-时空索引的城市更新场景构建层次Fig.3HDT-Hierarchical analysis of urban renewal scenario construction of spatio-temporal index数字孪生个体城市更新中的演进,最为关键的问题就是在城市更新周期中塑造宏观的城市立体空间、中观的建筑功能特性以及微观的个体时空行为等高级数字孪生形态,并基于数字孪生个体行为或时空棱柱体模式窥探城市空间资源与结构、空间质量与容量。通过引入区块链技术协同并消除数字孪生城市+数字孪生建筑+数字孪生个体全时空、全周期数字信息的差异性,从时空间维度索引构建城市、建筑与家庭个体的数字孪生命运共同体。在其全生命周期发挥协调决策作用,将城市更新中的城市、建筑、个体信息数据反馈在同一时空资源体系和数字孪生