基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台构建.pdf

建筑经济CONSTRUCTION ECONOMY第 44 卷第 8 期2023 年 8 月Vol.44 No.8Aug.2023摘要：基于建筑全生命周期数字化应用需求，搭建以协同管理、智慧工地、智慧运维为核心的建筑全生命周期管理平台，就平台搭建的相关机理、目标要求，以及平台架构设计、平台包含的内容、平台核心功能等进行阐释。最后，通过将平台应用于具体工程，分析验证其实用 价值。关键词：管理平台；全生命周期；数字孪生；BIM中图分类号：F426；TU17文献标识码：A文章编号：1002-851X（2023）08-0073-07DOI：10.14181/ki.1002-851x.202308073引用本文 丁超，苏政，许城瑜.基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台构建J.建筑经济，2023，44（8）：73-79.作者简介：丁超，高级工程师，一级建筑师，主要研究方向：建筑学、BIM信息化技术。许城瑜（通讯作者），工程师，主要研究方向：BIM信息化与施工现场管理。随着经济社会发展，信息技术在建筑业智慧化应用呈现日益增多的态势。但就整体来看，我国不少地区的建筑智慧化应用还处于初级阶段，表现为BIM技术应用不足、静态信息管理模式下的业务协同和数据管理差强人意；而在具体项目的应用上，信息化应用有不少还局限于单业务场景流程的电子化，缺少各业务场景之间的交互以及业务数据与行为数据的交互。在此背景下，搭建建筑全生命周期数字化管理应用平台，实现建设项目智慧化管理成为业界具有共识性的需求。数字孪生是以数字化形式将某一物理实体结构、状态、行为、功能或性能等映射到数字化的虚拟世界，通过实时传感、连接映射、精确分析和沉浸交互来刻画、预测和控制物理系统，实现复杂系统虚实融合的信息技术。就建设项目尤其是大型公共项目全生命周期管理而言，存在不同阶段功能需求多元化、区域建筑分期建设交付多，以及不同阶段规范标准杂、管理过度依赖人员经验等痛点，而数字孪生技术可以为建筑数智化在广度和深度的拓展方面提供丰富的手段。以数字孪生技术进行全生命周期数字化平台构建，有助于充分发挥BIM的功能优势，实现从决策策划、建设实施到后期运维的全寿命期的精细化管理。本文基于数字孪生构建建筑全生命周期管理平台，通过建设项目各子系统数据的交互集成与管理协同，实现各子系统间的数据共享和跨系统联动控制，并通过协同管理、智慧工地、智慧运维等多功能场景模拟，探索建设项目智基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台构建丁超，苏政，许城瑜（青岛城市建筑设计院有限公司，山东 青岛 266000）建 筑 经 济2023年74慧化管理的实践方法。1建筑全生命周期中的数字化应用需求1.1信息贯通和共享需求工程项目普遍具有参与主体多、涉及多专业、业态各异、以及专业设施逻辑结构复杂、工作面协同交叉作业等特点，由此也使得管理工作量大且管理难度高。就管理而言，设计、施工、安装、运行维护等信息数据分属不同单位或部门，资料查阅不便，信息可视化程度低、集成度不高，信息共享不充分，信息应用、管理效率低；此外，在传统管理模式下，设施设备的运维管理也因不同系统之间彼此联动性不强，以致设施设备的管理信息化在实施方面存在较多的障碍与不便。因此，从全生命周期管理角度，有必要从满足信息贯通和共享要求的角度，通过信息维的有效扩展与整合，形成信息技术采集、应用、生成，通过智慧化手段，减少对“人”的依赖，提升项目建设与管理的效率和质量。1.2精细化节能管理需求随着经济社会的快速发展，能源问题逐渐成为影响可持续发展的主要问题。当前，建筑行业也正在大力践行节能减排。由于建筑设施设备运行合理程度、经济能耗技术水平、设施设备管理操作水准都会对建筑能耗水平产生直接影响，因此，通过数字化手段统筹相关能源消耗需求，协调相关行为与行动，通过信息管理与信息生成结果制定科学合理的节能降耗技术措施，对于具体建设项目的节能管理具有很强的现实意义。1.3安全生产管理需求人的不安全行为、物的不安全状态、以及自然灾害与管理缺陷等，都是引发建设项目事故的因素。要想确保建设项目在全生命周期的安全，需要基于项目全过程、全方位安全管理视角，运用信息技术手段，打通设计、建设、运维等各阶段、各专业、各标段间的管理壁垒，构建全过程风险管控体系，通过在线管控平台、集成交互空间、可视化展示、管控作业任务清单等一系列系统化、数字化平台，形成基于组织-标准-平台的安全风险管控体系，从而最大限度地保障项目安全，防范事故 风险。2基于数字孪生平台的系统架构2.1建设目标按照“统一规范体系、统一安全标准、统一集成平台”的原则，构建基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台总体架构。平台以项目全生命周期综合管理为纵轴，以包含建设单位、勘察单位、设计单位、施工单位、监理单位、运营单位等项目各参建方为横轴，以项目数据资产为核心，搭建工程项目管理框架，梳理业务逻辑与工作流程。2.2总体架构设计2.2.1一套数据标准任何底层通用技术向具体应用转化时都需要在中间建立一个业务抽象层。由于建设项目从设计、建造到运维整个过程业务面较广，业务管理模块多，不同业务间的交叉复杂度也很高，且顶层业务需求有时还会发生变化，很难形成统一适用的业务逻辑。对此，需要构建一个具有较强独立性、兼容性和扩展性的业务抽象层。第 44 卷第 8 期75丁超，等基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台构建根据本项目数据标准化的需求，进行标准设计和数据表达定义，形成满足本项目的统一数据标准。此举一方面打通了工程建设过程中的数据壁垒，提高了信息收集、处理和分析效率，确保结果更准确、决策更科学，有效实现要素数字化、手段数字化、流程数字化以及决策数字化；另一方面，通过数据积累为项目的智慧管控和决策打下坚实的基础。2.2.2平台架构基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台需要满足协同管理、智慧工地、智慧运维等阶段的信息传递要求，在交付实体建筑的同时交付集成设计、施工大数据的竣工模型，解决“信息断流”问题。平台以人工智能为核心，借助物联网和大数据技术，利用信息纽带将建筑中服务的“人”与“物”有机连接起来，构建更加完善的智慧运维管理体系，推动管理智慧化。平台采用B/S模式进行实现，兼容主流浏览器及跨平台部署、混合部署、集群部署、分布式部署等。基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台总体架构如图1所示。（1）用户层数字建造平台的服务对象主要是项目建设单位、设计单位、施工单位、咨询单位、监理单位以及建筑交付使用之后的物业管理单位等相关用户。用户可使用浏览器、移动设备终端等，依据预设的用户权限访问相关业务系统进行管理，将数据同步至数据中台。（2）展示层数字建造管理平台主要提供Web服务、App服务等应用服务功能。用户可使用浏览器、移动设备终端设备依据其权限访问相关业务系统。基于BIM+GIS搭建一体化的指挥展示中心，集成了BIM模型及安全、质量、投资等管理数据，可以提供智能分析为管理决策提供支撑，同时还可以将指挥展示中心接入工程中心大屏端进行信息汇聚综合展示及远程调度指挥。（3）应用层应用层是管理平台建设的主要内容，提供所有的应用系统服务与功能。围绕服务对象的需求，选择优先支持的业务，统筹规划应用系统建设，提高工程建设的综合管理能力和运图1基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台总体架构建 筑 经 济2023年76行服务水平。功能应用模块由模型管理、设计管理、安全管理、风险管理、应急管理、质量管理、进度管理、计量管理、档案管理、运维管理等构成。在BIM模型管理模块中，设计人员可以对模型进行设计和修改，并将所做的更改或更新传递给施工人员；同时，安全管理模块可以借助BIM模型发现安全隐患并提出整改建议；风险管理模块则可根据模型来识别风险点并制定相应措施；进度管理和计量管理模块通过与模型管理模块联动，实现对工程进度和工程量的监控和管控。此外，质量管理模块可以通过BIM模型进行质量验收和质量评估，应急管理模块可以借助BIM模型实现灾难或突发事件预警和应急响应。这些应用模块为工程建设全生命周期的管理提供了最核心的功能支持，且这些模块所产生的数据也按照所属类别存储到业务流程、财务管理和档案管理等相应版块，以实现业财档闭环、全生命周期信息无缝传递和共享。（4）核心层核心层包括业务中台和数据中台两部分，位于应用系统和信息资源层之间。中台支持多个前台业务且具备业务属性共性能力，更好服务前台，响应客户需求，在总体架构中处于通达上下的关键作用。业务中台是工程建设数字化转型的技术保障，通过为各业务模块提供通用服务，优化前端需求、集中调配、进行模块化处理、实施标准化流程、简化开发工作量，提升面向用户交付效率与质量；数据中台从多个数据源加载数据，通过统一的数据存储、交互标准，使需求的多源数据关联汇集至数据模型。（5）基础层基础层主要包括网络系统、主机、存储系统、安全系统、配套的软件等。基础设施层主要由系统软件、硬件支撑平台两部分构成。其中，操作系统、资源管理软件、文件服务器软件、负载均衡服务器软件等构成了系统软件；硬件支撑平台又可细分为主机、存储、备份、安全等硬件，以及管理平台工作需要搭建的网络环境。2.3核心功能2.3.1协同管理在很多情况下，单一的静态信息管理难以满足信息化发展要求，因此，需要从强化协同管理智慧化角度，推动信息管理从单向静态向交互动态集成方向发展。协同管理包括进度管理、质量管理、计量管理、履约评价、材料管理、电子档案、模型管理、设计管理、风险与安全管理、应急管理、科研课题等功能模块的集成。平台通过物联网、电子签章、施工数据与模型关联等技术与手段的应用，解决现场多源数据采集与可信化流转、项目参建各方协同联动等传统难题，实现远程掌握工程实时形象进度的监管要求，实现现场数据不合格或混凝土等材料不合格不能通过验收的强控要求，实现未验收不计量、计量及支付数据全过程溯源的动态管控要求，实现全面风险可视化的管理要求，同时具备基于BIM模型的电子档案交付能力，具备向运维平台移交数据可信、过程可溯、可用的数字孪生工程的能力，推动建设运维一体化发展。2.3.2智慧工地随着信息技术的进步和发展，物联网、云计算、大数据等新兴信息技术在建筑业中也得第 44 卷第 8 期77到了 一定应用。智慧工地系统正是基于这些信息技术的一种智慧化应用，旨在提高施工效率和质量，降低施工成本和风险，推动工地管理向精细化、智能化和可持续方向发展。此外，智慧工地系统还能为城市规划和管理提供宝贵的数据资源和参考依据。智慧工地系统包含多个功能模块，其中较为重要的是安全监测、环保监测、施工协同、智能调度和数据分析等。在安全监测方面，智慧工地系统可以通过安装摄像头、传感器等设备，实时监测工地内的人员、车辆和物资情况，及时发现危险和异常情况并进行预警，防止事故的发生。在环保监测方面，系统可以监测工地周边环境污染情况，以及工地施工产生的噪音、尘土等对周边居民的影响，并采取相应的措施进行治理，达到环保的目标。在施工协同方面，智慧工地系统支持各个施工单位之间的协同作业，提高施工效率和质量。而在智能调度方面，系统可以根据实时数据和历史数据分析，自动优化资源配置和施工计划，避免资源浪费和施工延误，提高施工效率。在数据分析方面，系统可以对各类数据进行采集、存储和分析，为工地管理者提供决策支持和业务洞察。2.3.3智慧运维建筑数字孪生平台是以数字化方式将建筑相关的空间、系统、设备、模型、运行情况等“客观事实”在计算机世界中建立一个投影，保持与现实建筑的时空统一。管理平台可以发挥BIM的数据传递与数据沉淀的优势，实现从决策策划、建设实施到运行维护的全寿命期的精细化管理，并在建筑运维阶段提供数据动态决策支持。基于物联网的数据特性和场景，以并行计算、分布式数据库系统、节点式计算模型等云计算技术为基础，通过各智能化子系统通讯接口集成，共同构建一个集全资产效用管理、资产智能服务、空间运营管理、工程信息化监控中心于一体的建筑数字孪生运维平台。平台内部署了智能商业管理、物联网集成、建筑大数据分析、服务自定义逻辑、设备自动诊断算法等多种先进技术和算法，可以实现建设项目特别是大型公共建设项目各子系统数据监控与应用管理。同时，建筑全生命周期数据经异构解析后存储到统一的“数据字典”中，通过系统集成和BIM交互，实现运维场景全映射、态势全感知、系统可连控、数据全融合、业务全可管、能力可扩展。通过多功能模块协作，可快速洞悉管理问题，提升安防报警处理的可靠性、设备运行监控的智慧化，使环境品质服务更舒适、建筑能耗运行更经济和绿色。3应用案例3.1应用对象青岛市某超高层综合体项目总建筑面积49万平方米，总投资额137亿元。项目由三栋超高层塔楼、裙房及5层地下室组成。项目集七大功能业态于一体，为国内综合体项目中的超完整业态配置。3.2应用及分析针对案例项目体量大、业态多、造型复杂等特点，以基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台为基础，编制案例项目管理平台实施标准规范，实现模型数据从决策-设计-施工-运维的有效传递。丁超，等基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台构建建 筑 经 济2023年78（1）通过建立统一的标准体系实现建设项目全生命周期数据的有效传递基于保证项目数字化工作统一性、协调性和兼容性的需要，开展项目标准体系的制定。包括编制项目数字化总体规划和实施方案，确立数字化应用目标、工作要求和相关策略；通过制定编制项目级数字化标准，明确建模交付、分类编码、数据接口和技术应用等标准；通过制定各参建方数字化工作实施方案，指导其BIM技术应用和数字化工作开展。在此基础上，通过统一BIM建模平台与建模标准，将设计BIM模型的信息充分传递到施工，以避免施工模型大量重新翻模。进入施工阶段，通过建立BIM模型与工程编码的映射关系，实现工程进度、质量检验等关键资料及结构化数据关联，并传递至运维阶段，从而改变传统点对点的交流方式，切实发挥BIM协同管理价值。（2）通过设计协同等实现项目全流程管理在设计阶段，平台为设计人员提供统一工作平台，解决项目管理、协同工作、资源共享、产值统计等问题，提升各专业之间的协同性。平台内置有标准图框、图纸目录、图纸拆分、一键出图、版本对比、审图意见自动提取等功能插件，便于设计和审核人员使用。平台可实现设计质量数据化、问题沟通形式多样化、资料存档标准化。在平台内还可实现BIM模型、BIM优化报告等相关成果文件的流转、交互和校审，BIM团队和施工图设计团队可以便利地在平台上进行项目协同与资料共享；分级管控方面可以精准到人。由此真正实现了信息管理从单一的成果交付管理，扩展至建设项目生产过程协同、产值绩效复盘、经营决策分析等全流程管理。（3）通过实现业-财-档协同管理有效管控成本在施工阶段，平台用户在施工现场基于分部分项进行工序报验，采集实际进度，在线上即可填报完成相关质检资料，并在计量支付系统查看工序报验和质检完成情况。相关过程文件资料通过数字签名后可自动归档至电子档案管理系统，实现“模型-工序-进度-质检-计量-档案”的系统化管理。平台通过置入督促参建单位完成工序验收、工程质量检验、隐患排查闭环等核心工作流程，以及引入电子签章技术等，开展电子文件归档与电子档案管理，实现电子档案同步产生、同步归档，彻底解决信息管理中的“两张皮”问题。此外，通过确定项目建设期数据向项目运营期的交付标准，不仅可实现数据在两个不同阶段的有效传递，而且也可实现工程信息全寿命期的准确溯源。（4）可实现设备能源的智慧监控平台在运维阶段集成了设备、安全、品质、能源、运营管理等五大功能模块，涵盖冷源、空调末端、给排水、中水、消防、电梯、门禁、入侵防控、视频监控、照明、停车、客流监测等数十个智能化子系统的总监总控，是整个项目运维管理的“智慧大脑”。例如在空调末端管理模块中，可以看到项目空调机组、新风机组、风机盘管等设备的实时运行情况，双击任何一个设备画面可进入到此设备所处的三维空间；选中设备后，系统图中还能展示设备之间的连接关系、冷源管网及冷源设备的重要运行参数。（5）智能监测环境品质，让建筑能耗运行更经济绿色在环境品质模块中，平台将环境健康和第 44 卷第 8 期79设备设施相打通，能够实时查看各区域的温度、湿度和二氧化碳浓度等环境品质参数，可按照时间维度、分项维度以及组织层级等多维度进行总能耗、费用、单平米能耗、碳排放量等不同形式下能耗数据的查询分析，并且通过后台报警定义，实现智能判断环境异常。且所有报警信息均可通过报警数据进行快速定位，快速判断，及时发送处置工单，既减少人力及管理成本，同时获取最佳的舒适性、经 济性。4结语基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台，通过引入数字孪生技术，整合策划、设计、施工、运维等阶段的分散信息，实现信息、资源和任务的共享，不仅大大降低了工程项目的管理难度，而且也有利于提高建设项目管理效率。实践表明，利用全生命周期管理平台，还可以有效提高工程建造的安全性、经济性，提升项目总体的效益和服务水平。Construction of the Whole Life Cycle Management Platform Based on Digital TwinDING Chao，SU Zheng，XU Chengyu（Qingdao City Architectural Design Institute Co.，Ltd，Qingdao 266000，China）Abstract：Based on digital application requirements for the full life cycle of buildings，the paper builds a life cycle management platform based on digital twins with the core of collaborative management，smart construction site and smart operation and maintenance，explains the relevant mechanisms and target requirements of platform construction，as well as the platform architecture design，the content included in the platform，and the core functions of the platform.Finally，by applying the platform to specific projects，analyzes and verifies its practical value.Keywords：management platform；full life cycle；digital twin；BIM参考文献1 王丽佳.基于BIM的智慧建造策略研究D.宁波：宁波大学，2013.2 戴成元，陈链鑫，梁邦勋，等.基于BIM的工程建造信息化管理模式研究J.建筑经济，2021（9）：10-14.3 杨超.基于扎根理论能源站精细化管理BIM运维系统价值识别D.天津：天津大学，2018.4 德勤.制造业如虎添翼：工业4.0与数字孪生J.软件和集成电路，2018（9）：42-49.5 Huahui Lai，Xueyuan Deng，Tse-Yung P.Chang.BIM-Based Platform for Collaborative Building Design and Project ManagementJ.Journal of Computing in Civil Engineering，2019（3）.6 Hailiang Wu，Lin Xing，Zhong Liu，etal.Research on the full life cycle management of the substation Engineering based on Three-DimensionalJ.E3S Web of Conferences，2020，198.7 曾艳.工程项目智基建造水平评价研究D.青岛：青岛科技大学，2021.丁超，等基于数字孪生的建筑全生命周期管理平台构建