基于數字孿生的被動式超低能耗建筑施工質量控制研究

摘要：被動式超低能耗建筑涉及眾多新型綠色節能技術，施工工藝復雜且施工經驗相對匱乏，傳統施工質量控制手段難以實現其節能環保目標。為解決該難題，構建包含施工質量全要素信息的數字孿生模型，融合運用經典施工質量控制理論，提出一種基于數字孿生的施工質量控制方法，并詳細闡述施工質量控制數字孿生模型的工作流程。在實際項目中驗證基于數字孿生的施工質量控制方法的可行性及有效性，為數字孿生在工程項目施工質量控制領域的應用提供借鑒和參考。

關鍵詞：數字孿生；被動式超低能耗建筑；施工質量控制

0 引言

隨著資源浪費、污染問題加劇，人類生存環境面臨嚴峻挑戰。為積極應對全球氣候變化，我國正式做出實現碳達峰碳中和的“雙碳”目標承諾。建筑業能源消耗高、碳排放總量大的特性，決定了其在實現“雙碳”目標過程中占據重要地位[1]。為解決城鎮化快速發展與降低建筑能耗及碳排放的矛盾，近年來國家一直大力提倡發展綠色低碳建筑，積極建設被動式超低能耗建筑（以下簡稱“被動房”）[2]。被動房工藝復雜且施工經驗相對匱乏[3]，若繼續沿用普通建筑的建設管理理念難免會造成資源浪費、環境污染等一系列負面影響，這與其節能環保和生態宜居的原則是背道而馳的[4]。

通過梳理現有文獻發現，目前學者們更多關注被動房的發展情況，針對其建設過程的管理研究比較缺乏。在人工智能、物聯網、大數據等科技創新技術的推動下，數字孿生可深度融合數字世界和物理世界，極大提升管理決策效率，在建筑工程現場管理領域展現出巨大應用潛力[5]。基于此，本研究提出將數字孿生引入被動房項目施工質量控制中，以數字化方式創建與建筑實體具有相同屬性、行為、規則的高保真虛擬模型，通過模擬仿真、虛實雙向映射及方案迭代優化等功能實現被動房建設全過程精細化質量控制，以期為被動房高質量發展提供理論和技術參考。

1 數字孿生概述

1.1 數字孿生的內涵

數字孿生的內涵極為豐富，不同行業、不同應用場景、不同層次的學者對數字孿生的理解不盡相同，目前尚未形成統一定義。國內學者陶飛等[6-8]認為，數字孿生是通過建立高保真虛擬模型，在孿生數據的驅動下仿真模擬物理實體在真實環境中的屬性、行為、規則等，實現對物理實體的優化服務。為進一步推動數字孿生在更多領域的應用實踐，陶飛等[9]創新性地提出數字孿生五維模型通用參考框架，包括物理實體、虛擬模型、服務、孿生數據、連接。

1.2 數字孿生研究現狀

數字孿生被認為是物理世界與數字空間互聯互通的橋梁，最早應用于航空航天、飛機制造、復雜產品裝配等制造業，通過物理實體與數字模型的交互映射，優化產品的生產過程，在質量控制中發揮了巨大作用。例如，Liu等[10]通過應用數字孿生質量知識模型，對航空舵的加工過程進行質量監控，提升了產品運行的可靠性。黃俊波等[11]提出了利用數字孿生進行直升機裝備質量控制的管理方案。在建筑業數字化轉型的背景下，國內外專家學者正在不斷加快探索數字孿生應用場景，以促進建筑業管理模式的改進升級。例如，Tran等[12]提出了一種基于數字孿生的裝配式建筑立面幾何質量評價框架，對竣工墻面的幾何質量進行評估并提出可視化解決方案；Greif等[13]設計并應用了筒艙調度和補給活動的數字孿生決策支持系統，實現了對施工現場筒倉消耗情況的有效監測。

2 數字孿生在工程質量控制中的應用需求分析

2.1 建筑業智能建造發展的需要

當前，建筑業生產效率低、質量隱患多等問題突出，嚴重阻礙了我國由建造大國向建造強國的轉變。在此背景下，國家陸續出臺了一系列政策，大力推動智能建造技術的應用。智能建造是指利用數字技術對工程建設全過程進行技術和管理模式創新，主要技術體系包括數字孿生、人工智能、物聯網等[14]。其中，數字孿生被認為是實現智能建造的關鍵技術[15]，其利用數字化手段建立高保真虛擬模型，在數據的驅動下對物理實體進行實時模擬仿真，可實現對施工過程的質量感知、實時分析和智能控制。

2.2 建筑業數字化轉型的需要

面對著力推進數字經濟與實體經濟深度融合發展的新機遇，建筑業開始探索以數字孿生為代表的新一代信息技術在工程建設領域的研究與應用，以有效推動建筑業創新業務模式，提高生產力、生產效率。數字孿生是數字科技發展到一定階段的必然產物，可實現對工程項目的全過程、全要素、全生命周期的精細化管理，被認為是推動建筑業數字化轉型升級的重大動力引擎。

2.3 建筑業高質量發展的需要

建筑工程施工周期較長、數據繁雜，極易形成“信息孤島”等專業間壁壘[16]，這種碎片化發展模式嚴重阻礙建筑業高質量發展。通過數字孿生承載建筑全生命周期業務流程信息，實現數據集成、協同運轉，最終達到建筑設計、施工、運維的一體化管控，有效推動建筑業高質量發展[17]。

3 被動房施工質量控制模型構建

目前，國內被動房項目示范工程案例相對缺乏，加之建筑企業質量管理意識不足，作業人員缺乏教育培訓，難以保證施工質量，嚴重降低了被動房節能效果。因此，本文提出將數字孿生運用于被動房項目施工質量控制領域，通過構建被動房施工質量控制數字孿生模型（圖1），充分發揮數字孿生優勢，保障被動房項目施工質量的全面控制，實現被動房節能目標與舒適性目標。

3.1 物理世界的實體建筑

物理世界的實體建筑由施工質量五大要素（人、機、料、法、環）、泛在物聯感知的感知模塊及信息交換與通信等組成，是數字孿生的實體基礎，也是構建數字孿生質量模型的首要前提。實體建筑通過傳感器、RFID、GPS、機器視覺等智能感知技術實時采集施工人員、機械設備運行、材料消耗、工藝流程等質量數據，為質量控制數字孿生模型提供數據支撐。

所有數字模型。在要素層面，主要包括記錄質量要素的屬性模型和刻畫尺寸、外觀、位置等信息的幾何模型。在行為層面，主要包括進行施工質量統計、質量預測、質量評估等分析的行為模型。在規則層面，主要包括記錄法律法規、質量標準、技術規范等的規則模型。

3.3 孿生數據中心

孿生數據是實現基于數字孿生進行施工質量控制的核心驅動力，來源于實體建筑、虛擬建筑、應用服務系統，是施工質量五大要素數據、施工目標數據及知識庫數據的融合集成。孿生數據中心為數據集成與應用提供了平臺，可以真正解決建筑業“信息孤島”問題，推動數字孿生其余系統的運轉。

3.4 應用服務系統

應用服務系統是施工質量控制數字孿生模型的功能實現層，可為管理者提供可視化、智能化、可操作化的應用服務。在孿生數據的驅動下，應用服務系統可實現全要素、全過程、全員參與的施工質量控制，并通過動態的持續改進，從整體上提高被動房質量。

3.5 系統間的連接

系統間的連接通過數據的實時傳遞與反饋實現實體建筑、虛擬建筑、孿生數據中心、應用服務系統的互聯互通，是孿生數據傳遞的橋梁。其中，實體建筑與應用服務系統的數據傳遞、迭代優化實現對初始施工資源配置（人員、機械、材料）的修正與優化；虛擬車間與應用服務系統的交互過程實現對施工方案的仿真與優化；實體建筑與虛擬建筑的交互過程實現對施工過程的實時監測。

4 基于數字孿生的施工質量控制流程

為充分發揮數字孿生質量控制優勢，本文提出融合運用經典施工質量控制理論（三階段控制原理），將施工過程劃分為三個階段進行質量管控。事前：施工方案迭代優化；事中：施工過程動態管控；事后：質量知識挖掘。基于數字孿生的施工質量控制流程如圖2所示。

4.1 事前：施工方案迭代優化

事前階段是虛擬建筑與應用服務系統的交互過程，該過程中虛擬建筑起主導作用，實現對施工方案的迭代優化。將初始的施工計劃，主要包括人機料法環五大要素，質量、安全、進度等目標計劃輸入虛擬建筑，在孿生數據、歷史數據及施工實時數據的驅動下，基于要素、行為、規則模型對施工計劃進行仿真、分析及優化，保證施工計劃與施工過程相關聯。虛擬建筑將以上過程產生的分析結果反饋至應用服務系統，應用服務系統基于數據對施工計劃做出修正及優化，并再次反饋至虛擬建筑。如此反復，直至輸出最優的施工方案。將本階段產生的數據全部存入孿生數據中心，與現存數據融合，作為后續階段的驅動。

4.2 事中：施工過程動態管控

事中階段是對施工全過程的動態管控，同時反映實體建筑與虛擬建筑的交互過程，其中實體建筑起主導作用。服務系統將最優的施工方案下發至實體建筑，根據指令展開施工作業。在施工過程中，借助三維激光雷達點云技術構建實體建筑的實時三維模型，虛擬建筑根據實際施工狀態對自身狀態進行更新，并將點云重建三維模型與虛擬建筑進行自動定量比較，從精確性、完整性及正確性三個方面對施工作業質量進行評估。若模型之間存在較大差異，虛擬建筑在孿生數據的驅動下，以實時調控指令的方式發送至施工現場的管理者，及時對施工作業過程進行優化。如此反復迭代，直至實現施工過程最優。基于數字孿生的施工過程質量控制，有助于改善傳統“被動事后控制”的弊端，實現施工過程中對工程質量的主動動態管控，能夠更加高效、全面地保障工程質量。

4.3 事后：質量知識挖掘

事后階段主要針對質量知識進行挖掘。施工完成后，根據數字孿生承載的質量檢驗標準開展驗收工作，質檢人員通過移動設備錄入相關質量數據，孿生模型即可對質量做出判斷。若達成相應質量目標，則將施工過程數據存入質量知識庫，方便后續階段的信息查詢。如出現質量不合格的情況，則對不合格部分進行質量溯因，同時給出相應的優化方案，并將數據反饋至質量知識庫，提高質量分析能力。

5 案例研究

5.1 項目概況

榮盛御府3#住宅樓為高層被動房，剪力墻結構，地下2層，地上17層，建筑高度54.8m，建筑面積近13 000m 2，建筑體量大。該建筑注重節能措施，采用數字化、一體化的設計，智能化水平要求極高。因此，本文選取該項目作為基于數字孿生的被動房施工質量控制研究對象。

5.2 數字孿生模型創建

該項目基于數字孿生模型進行施工質量控制，僅記錄模型幾何屬性信息，無法為質量控制工作提供數據支撐。因此，在創建和更新模型信息時對構件屬性進行了擴展，如圖3所示，著重記錄質量屬性，主要包括關鍵檢驗標準、機械性能、材料、人員及施工方法，可以更直觀、更全面地呈現質量信息，更好地指導施工。

5.3 事前質量控制

5.3.1 數字孿生應用于圖樣管理

該項目涉及專業眾多，各專業難以做到協調統一，容易出現錯、漏、碰、缺等質量問題。因此，對各專業進行三維立體建模（圖4a），利用數字孿生讓項目管理人員通過虛擬現實設備在項目開工前進行漫游式管線深化設計（圖4b），可快速解決存在的問題，提高管線優化效率，實現對工程圖樣的質量控制。

5.3.2 數字孿生應用于人員管理

該項目定期開展基于數字孿生的技術交底會，借助XR設備進入虛擬建筑，通過沉浸式仿真學習，并配合少量必要性語言描述，使技術人員和作業人員明晰施工重難點的作業流程及質量控制要點，以提高項目參與人員質量意識與技能。

5.4 事中質量控制

5.4.1 數字孿生應用于材料管理

該項目實施過程中對物料管理的主要任務是確保使用的材料符合標準及設計要求，并保證材料供應滿足施工需要。該項目應用數字孿生平臺對進場的每一批材料按照類別進行精細化管理。以鋼筋為例（圖5），檢驗人員可通過移動設備記錄進場鋼筋的數量、規格及質量證明文件等，以實現每一批材料質量的可追溯性。

5.4.2 數字孿生應用于現場管理

管理人員通過移動設備查閱數字孿生模型，嚴格按照模型所記錄的質量驗收標準進行驗收。若存在質量缺陷，管理人員可快速記錄并上傳數字孿生平臺，如圖6所示。該平臺可自動做出預警，向管理人員發出整改指令。整改完成后，將有關情況上傳至平臺，由管理人員復檢合格后，將相關數據存入數據庫，為后續工作提供借鑒參考。

5.5 事后質量控制

該項目建設周期長、體量大，竣工驗收后將產生大量的工程資料文件。按照WBS項目分解原則自上而下地對工程項目進行分解，充分挖掘質量知識，通過數字孿生質量知識庫分層級匯總所有質量文件，包括施工檔案資料、工程變更資料等，形成完整的質量知識庫，為今后的工作提供有重要參考價值的數據基礎。

6 結語

本文在回顧數字孿生發展歷程的基礎上，總結了數字孿生的概念，并對其在工程質量控制的應用需求進行了系統分析。在此基礎上，構建了施工質量控制數字孿生模型，并闡述了該模型的運行機制。基于數字孿生的被動房施工質量控制方法實現了對施工過程的全面質量控制，提高了施工質量以及施工過程的可靠性，可為施工質量控制實現智能化和實時化提供參考。

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收稿日期：2022-11-17

作者簡介：

劉月君（1982—），男，教授，碩士生導師，研究方向：工程管理數字化。

張亞東（通信作者）（1996—），男，研究方向：工程管理數字化。

季凡杰（1996—），男，研究方向：工程管理數字化。

高銀飛（1998—），男，研究方向：工程管理數字化。

申玉然（1998—），女，研究方向：工程管理數字化。