基于數字孿生技術的建筑裝修可持續設計與評估研究

陳孟鴻 周靈次 謝 剛 田 覓 譚 超

數字孿生技術是一項新興技術，能夠創建構件、系統或過程的虛擬副本，并在現實世界中進行實時交互。該技術在很多領域已經發揮了重要作用，如航空工業、汽車制造和建筑設計等領域。首先，數字孿生技術可以將建筑模型與實際施工過程進行對比，通過模擬裝修過程中的各種情況，能及時發現和解決質量問題，提高裝修質量。其次，數字孿生技術可幫助設計師模擬不同材料的使用效果和可持續性，包括材料的耐久性、可再生性和環境影響等，以便在裝修過程中選擇對環境影響較小的材料。最后，通過數字孿生技術能夠模擬不同裝修方案對建筑物能耗的影響，包括采光、通風、供暖、空調等系統，從而在裝修階段選擇最具節能效果的方案。

本文研究的目的是探尋如何將數字孿生技術應用于建筑裝修的可持續設計與評估，分析該技術在設計過程中的具體應用，闡述利用該技術進行可持續性評估的方法，提升設計效益和建筑質量，實現可持續發展。

1 數字孿生技術概述

1.1 數字孿生技術的起源和發展

數字孿生技術起源于2002 年，由美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于載人遠征任務時首次提出，用于創建復雜系統的高度詳細和動態的虛擬模型，以便在飛船遠離地球無法進行物理干預的情況下預測和解決潛在問題[1]。

近年來，數字孿生技術在工業制造中發展迅速，以數字方式創建物理實體的虛擬模型，不僅可以借助數據模擬實體在真實環境中的行為，還可以通過命令操作實體，使生產過程在計劃指導下運行。例如，制造行業借助數字孿生技術，實現從設計到制造全過程的數字化產品管理。隨著信息技術的發展，以數字地圖、數字查詢系統和空間分析技術為代表的信息技術工具越來越多地與城市規劃相結合，廣泛用于城市交通規劃、防災規劃、夜間智能照明系統以及分析城市的地形、氣候條件和環境因素[2]。

1.2 數字孿生技術的主要功能和應用現狀

數字孿生技術以其強大的模擬、預測、優化、實時監控以及故障檢測與預防功能，已廣泛應用于航空航天、制造業、健康醫療、能源及建筑設計等多個領域。該技術能夠在虛擬環境中創建并測試實際物體或系統的高精度模型，實時收集和處理數據，預測和分析可能出現的問題，以便在實際投產或實施前，精細地優化產品或系統[3]。無論是在創新產品設計、提升系統效率方面，還是在預防故障、管理生命周期方面，數字孿生技術都發揮著不可或缺的作用。

但是，數字孿生技術在建筑裝修的可持續設計上應用較少。為解決我國建筑裝修的可持續設計能力不足的問題，本文提出了基于數字孿生技術的建筑裝修可持續設計系統，開發了系統原型，并以實際案例驗證了該系統框架的可行性。

2 數字孿生技術在建筑裝修設計中的關鍵技術

2.1 深度集成臨建模型與數字模型

深度集成臨建模型與數字模型是應用數字孿生技術進行建筑裝修設計的關鍵步驟。該過程通常是先捕捉建筑的當前狀態并進行數字化，然后創建準確且詳細的數字孿生模型。模型不僅能夠反映出建筑的結構細節，還能夠表現出建筑的熱性能、照明條件和空氣質量等方面的信息[4]。

深度集成臨建模型與數字模型意味著2 個模型能夠實時同步更新，當物理環境發生變化時，如裝修過程中更改設計或施工條件變化等，數字模型也會立即更新。該特性使設計師能夠及時追蹤施工過程，實時預測和評估裝修效果，及時調整方案，避免設計和施工中的潛在問題。

2.2 實時數據采集與模型更新

實時數據采集和模型更新要先從建筑中收集實時數據，再利用這些數據更新數字模型，使其與實際狀態保持一致。

首先，需要在建筑中安裝傳感器和監控設備，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器以及施工設備傳感器等。傳感器將會不斷收集建筑中各種參數和指標數據，如施工進度和材料使用情況等。其次，將網絡傳輸收集到的數據進行處理和分析。最后，基于處理后的數據實時更新數字模型，通過實時數據采集和模型更新，可以實現與建筑裝修過程的互動和監控。設計師和工程師可以通過實時的數字模型來預測裝修過程中的問題和風險，及時進行調整和優化。

2.3 模型分析與效能改進

數字孿生模型的分析功能為效能改進提供了重要參考。數字模型不僅能夠根據實際情況進行實時更新，還可以模擬和分析各種可能情況，從而找出最優的設計和操作參數。

首先，設計師可以利用數字模型模擬各種裝修方案，評估方案的性能和效果，預測可能出現的問題，幫助設計師找出最優設計。其次，在數字模型上模擬最優裝修方案，預測方案的性能，如能源使用效率、結構強度和環境舒適度等，以此為依據調整設計方案，優化施工工藝。最后，基于模型分析結果，設計師可以持續改進裝修效能，提高裝修質量和效果，降低能源消耗和裝修成本。

2.4 建筑裝修設計中的可持續性評價體系

一般采用環境質量的相對百分比來評估裝修設計的可持續性[5]。

環境質量指數計算公式：

式中，p為環境質量指數；q為建筑裝修的類型；x為權重指數；N為類型的數量；I為建筑裝修集合；m為環境評估評價總體指數。

環境質量指數的數值越大，可持續性越好。基于測量數據中污染參數與污染危害的關系，建立類似經驗公式的指數計算公式，獲得單因素污染指數[6]。通過煙霧系數間接測量空氣中顆粒物的含量，SO2污染指數計算公式：

式中，ρ為平均參考值；S為測量污染物的濃度。

煙霧系數計算公式：

3 數字孿生技術應用于建筑裝修可持續設計與評估的案例分析

3.1 基于數字孿生技術的建筑裝修建模過程

Revit 軟件是1 種操作簡單的自由建模和參數化設計工具，能夠精細控制對象內部和外部的尺寸。借助Revit軟件可以在項目開發初期進行設計分析，自由繪制草圖并快速建立三維模型。首先，根據建筑裝修的可持續性特點及建筑主體構件的尺寸和材質，利用Revit 軟件建立建筑模型。其次，利用Fuzor 插件模擬裝修過程，使建筑裝修過程可視化。最后，結合建筑熱環境設計模擬工具包（Designer's Simulation Toolkit，DeST）的分析，收集并設置污染物的濃度指標等參數，獲得最適合的建筑裝修可持續設計方案[7，8]。基于數字孿生技術的建模過程，如圖1 所示。

圖1 基于數字孿生技術的建模過程（來源：作者自繪）

3.2 商業大樓翻新項目

在我國北方某商業大樓翻新項目中，設計團隊使用數字孿生技術，優化了裝修設計方案并實現了建筑可持續性目標。首先，通過安裝傳感器實時收集大樓的參數，并根據數據建立全面的數字模型。其次，模擬不同的裝修方案，找到最能夠提高能源效率和環境舒適度的設計方案。再次，在裝修過程中持續更新模型，實時反映施工過程的實際變化，從而及時調整裝修方案。最后，通過監測能源消耗和二氧化碳排放等指標，確認裝修方案實現預期的可持續性目標。基于可持續評價體系，得出該案例的環境質量指數，如表1 所示。其中，A+、A、B 所代表的污染指數依次減小，指數越大說明污染物對人體傷害越大。通過表1 可知，利用數字孿生技術可以有效管理污染源，通過不斷調整施工方案降低了環境質量指數，污染指數也相應降低。

表1 可持續性環境質量指數

3.3 老舊住宅翻新項目

在我國北方某老舊住宅翻新項目中應用數字孿生技術。首先，建立詳細的數字模型，反映原始建筑的所有特性，如圖2 所示。然后，通過模擬不同的改造方案，評估每個方案在提高隔熱性、減少能源消耗和提高舒適度等方面的表現，選出最符合可持續性目標的方案[9]。

圖2 基于數字孿生技術某老舊住宅翻新項目（來源：軟件）

在裝修過程中，使用傳感器檢測數據并持續更新模型，使其與實際建筑始終保持同步，以便了解施工過程中的更改或突發情況，及時修改設計。同時，評估項目的環境影響和建筑性能，根據反饋進行方案調整[10-12]。該項目證明了數字孿生技術有助于提高裝修效率，實現建筑的可持續性目標。基于可持續評價體系，得出該案例的環境質量指數，如表2 所示。

表2 可持續性環境質量指數

4 結語

綜上所述，數字孿生技術通過實時數據采集和模型更新，能夠實時監控裝修過程，提供精確且及時的反饋。同時，該技術具有深度模擬和分析功能，幫助設計師預測建筑性能，為設計方案優化提供參考。通過模擬和監測能源消耗和二氧化碳排放等重要指標，可以評估裝修方案是否符合可持續性目標，并進行必要的效能改進。

經實際案例證明，在實際施工過程中，將數字孿生技術應用于建筑裝修設計中，可以顯著提高設計效率和建筑裝修質量，提高建筑的能源利用率和環境友好性。