基于數字孿生的預制建筑全生命周期管理應用研究

摘要：當前，我國預制建筑信息化管理水平較低，現實空間的建造活動仍不能借助信息技術實現全面實時掌控，常導致資源浪費嚴重、建造效率過慢和質量問題。通過現實空間與虛擬空間之間的信息交互可以推進建筑產業變革，進而突破現存的重要瓶頸問題。從全生命周期管理視角出發，分析預制建筑在設計、制造、現場裝配和運維等各階段存在的問題，基于數字孿生五維結構模型，提出全生命周期管理應用體系框架。在此基礎上，詳細闡述數字孿生技術在各階段的實施途徑。數字孿生技術的應用可為提升預制建筑信息化管理效率提供一種新的工具。

關鍵詞：數字孿生；預制建筑；全生命周期管理；信息交互

0 引言

預制建筑是將部件在工廠預制，然后在工地現場裝配而成的建筑。與傳統的現澆體系建筑相比，預制建筑具有現場施工周期短、成本低、耗能少、質量高等優點［1］，因此在世界范圍內得到大力推廣和應用。自工業革命后，經歷了幾十年至上百年時間的發展，許多發達國家和地區的預制建筑已進入相對成熟和完善的階段，與此同時，各種新技術，如建筑信息模型（BIM）、全球定位系統（GPS）、射頻識別（RFID）等，已在該領域得到有效的應用。然而，在實踐過程中，預制建筑在各階段仍存在諸多問題，嚴重阻礙了預制建筑的發展，而數字孿生技術為解決預制建筑各階段出現的這些問題提供了新方法。

1 預制建筑各階段存在的問題

1.1 設計階段：與下游階段協同性差

一方面，以設計為主導是預制建筑實施方法的總體特征，但是由于預制建筑的制造和裝配的需求在設計過程中并未充分統籌考慮，預制建筑在進入實際制造、運輸、吊裝等實施環節后，經常出現的設計與施工沖突碰撞就會導致設計變更的發生，從而造成制造廠商和安裝現場待工待料甚至返工的情況發生，進而嚴重影響工程項目的進度、安全和質量［2］。另一方面，傳統建筑的整個建設生產過程都是以直接形成實物建筑產品這一目的來開展的，設計單位提供二維平面設計圖樣，施工單位按圖進行施工，得到建筑實物產品。但由于三維建筑產品具有較高的復雜性和不確定性，僅依據二維圖樣去指導，不可避免地會在設計、采購和施工過程中存在錯漏碰缺，進而引發建筑實物產品的質量缺陷和資源浪費問題［3］。

1.2 制造階段：精益生產能力低

在預制構件生產車間，由于缺乏信息的感知和集成能力，導致制造商與其他參與方信息反饋延遲及制造商內部產生過多浪費。傳統的制造車間對預制構件制作的工藝過程依賴人力驅動機械完成，難免會出現工序錯亂、材料性能參數混肴等情況，導致質量問題引起返工。此外，對車間的資源及庫存等管理過于依賴人工紙質化，缺少科學的管理仿真驗證，具有多變性，經常出現浪費等問題。

1.3 現場裝配階段：現場裝配協作溝通效率低

現場裝配的本質是面向物質和信息的協作過程。缺乏現場裝配活動等信息的支撐，管理人員不能及時掌控現場情況，各參與方協作溝通效率低，導致現場資源占用或緊缺、材料供應不足等問題不能及時解決。

1.4 運維階段：質量追溯性差

建筑產品投產后，各設備運行狀態信息缺乏跟蹤，建筑產品沒有數字化存檔，當出現質量問題時，無法精確排查問題所在位置，難以追溯質量原因。此外，缺乏對建筑設備資產的行為模擬，無法對設備運行預測，往往會發生突發性事故。

從預制建筑實踐中的問題進行分析可知，建筑業一直缺少在建筑全生命周期能夠整合各類資源的數字化功能系統，如實景再現、信息創建、管理和共享等。由于參與方眾多，各利益相關方之間缺乏有效的協調溝通，出現只關注涉及本部門、本階段的優化和降低成本的現象，最后造成局部提高卻無法形成全局最優的結果。

數字孿生概念的出現和發展為解決以上問題提供了新的途徑。該技術不僅能夠滿足各利益相關方建造活動的優化，而且能夠實現其相互之間的信息交互與協同，為預制建筑全生命周期各階段服務。

2 數字孿生技術概述

2.1 數字孿生技術的概念

數字孿生的概念是于2003年由美國密歇根大學Grieves教授在產品全生命周期管理課程中提出的，即“物理產品映射在虛擬空間中的數字化所形成的三維模型”［4］。由于當時技術條件所限，這一概念并未引起工業界和學術界的過多關注。直到2011年，數字孿生的概念被引入航空航天領域，并被定義為一個集成的多物理量、多尺度、多概率模擬的過程或系統［5］，即利用物理模型、歷史數據及傳感器的實時數據等刻畫和反映物理對象的功能、狀態及演變趨勢的全生命周期過程［6］。此后，在“工業4.0”和“中國制造2025”的戰略背景下，物聯網、機器學習、無線通信、傳感器、云計算等數字技術的發展推動了數字孿生的研究活動。這期間，數字孿生也出現了多種定義，如數字孿生是物理產品的數字對應物［7］，是模擬物理對象本身以預測系統的未來狀態［8］，是實現物理世界與虛擬世界的交互與互融的方法［9］。如今，數字孿生已發展為一個更廣泛的概念，作為先進理念和賦能技術與手段，已被學術界和工業界研究并應用于制造、空間通信、航空、醫療、智慧城市等十大領域［10］。而在建筑領域中，借助數字孿生技術，將現實建造活動映射到虛擬空間，利用虛擬空間的數據信息仿真結果控制現實建造活動，能夠改善傳統建筑的經驗化管理模式。

2.2 數字孿生技術的特點

用于預制建筑的數字孿生技術可以開發面向預制構件制造、裝配和運維階段三維數字化建筑產品模型（3D Digital Building Products Model，3D-BPM），在全生命周期創建各階段實體活動對應的虛擬模型，通過3D-BPM指引現實世界各階段施工對象實體活動，將現實世界實體活動映射至虛擬模型進行仿真模擬，再反饋至現實世界驅動實體活動。數字孿生技術具有虛擬、包容和聯動三個特點。

（1）虛擬。映射在信息空間數字化的物理實體及其相關活動會呈現一個虛擬模型，屬于虛擬空間（信息空間）。有了這種屬性，預制建筑各個階段均會在虛擬空間中生成與之相對應的數字孿生設計、數字孿生制造、數字孿生裝配、數字孿生運維模型，模擬仿真各階段的運行及相互間的協作。

（2）包容。開放性集成多學科是數字孿生的內涵。預制建筑虛擬空間大到各個階段，小到每個虛擬個體，均能通過集成多種技術、模型實現自我優化，如施工對象增強傳感、處理和通信能力變得臨時性或永久性智能，從而使其具有自治權和意識，并可以與周圍環境進行交互［11］；施工過程與智能算法的集成，為各參與方資源配置優化、生產計劃優化等服務。

（3）聯動。即虛實相映，以虛控實。是通過包容特性所增強的個體之間獲得信息能力，且實體的狀態等信息能夠實時被虛體感知，在虛擬空間優化后的虛體所要做出的下一刻狀態信息傳給實體呈現，再反饋到虛體的不斷循環的過程。基于數字孿生的預制建筑任一階段均依賴信息交互推動建筑活動開展，施工期間管理人員通過所呈現的虛體信息了解實時的施工活動，各參與方通過人機交互在虛擬空間控制虛體活動保證虛體之間的協作性，虛體所附加的控制信息會傳輸到對應的現實空間，實體按照控制命令執行施工任務。

2.3 模型結構

本文采用陶飛等［10］提出的五維數字孿生模型驅動預制建筑全生命周期的歷程，如式（1）所示

MDT=（PE，VE，Ss，DD，CN）（1）

式中，PE表示物理實體；VE表示虛擬實體；Ss表示服務；DD表示孿生數據；CN表示各組成部分間的連接。根據式（1），構建預制建筑數字孿生五維結構模型，如圖1所示。

物理實體簡稱實體，是客觀存在的物質、活動及系統，實體之間具有獨立、從屬和關聯屬性，主要包括施工過程中的資源、各資源對象為完成某項任務組成的活動及各活動所構成的系統。例如，現場構件裝配系統-預制樓梯裝配活動-人員、部件、塔吊等，這是一組具有從屬關系的物理實體。

虛擬實體簡稱虛體，是實體忠實的數字化鏡像［12］，主要包括幾何模型、物理模型、行為模型和規則模型，這些模型能夠對實體進行描述與刻畫［10］。

服務集成了評估、控制、優化等系統，為實體和虛體提供協同協作、精益建造和可靠運維等服務。

孿生數據包括實體、虛體和服務系統的相關數據，能夠實時更新并不斷優化［12］。

連接是將以上4部分進行兩兩連接，支撐各部分信息數據的實時傳輸，從而實現實時交互，以保證各部分的一致性和迭代優化［12］。

3 基于數字孿生的預制建筑全生命周期管理體系架構

預制建筑促進傳統建造方式向現代工業化建造方式轉變，其全生命周期建造階段具有多維作業空間的異地域、非同步，以及建造資源性質各異、相互牽制等特點［13］，實現整個建造過程的場景虛擬再現和信息實時交互對復雜建造過程的高效溝通、有效協作和資源管理極為重要。因此，本文基于數字孿生五維模型構建預制建筑全生命周期管理體系架構，如圖2所示。

該架構首先是對預制建筑全過程階段建立數字孿生五維模型并劃分作用區域，基于設計階段開發面向部件制造的三維數字模型、面向施工的三維數字模型，基于制造階段構建數字孿生車間，基于現場施工階段構建數字孿生工地，經現實活動所反饋到虛擬空間中設計、制造和施工的數字所集成的數字建筑產品最終附著于建筑實物產品用于運營管理階段。其次，基于設計階段的數字模型是利用數字化手段對復雜建筑產品的理想設計信息與實際制造、裝配等真實信息進行一致性表達，其目的是實現設計-制造-施工一體化。數字孿生車間和數字孿生工地將現實世界的實體活動實時鏡像至虛擬空間，通過對虛擬空間進行模擬仿真，一方面能夠滿足制造方和施工方內部資源精益管理以追求利潤最大化的需求，另一方面能夠為參與方協作溝通提供信息支撐。最后，所交付的數字建筑產品將集成制造和施工實體歷史數據，采用仿真模擬模型刻畫與實物產品相一致的虛擬產品，用于協作建筑實體產品運營維護。4 數字孿生在預制建筑全生命周期管理各階段的實施途徑

4.1 規劃設計

基于數字孿生的規劃設計能夠在建筑設計與執行之間形成緊密的閉環［14］，向業主交付的工程產品不僅是實物工程產品，還附著一種與實物產品對應的數字化產品。這種實物工程產品在虛擬空間中的超寫實動態數字化工程產品，能夠驅動包括下游各個環節在內的整個建造過程，并行協同設計理念和單一數據源思想在建筑產品中得以充分體現［15］。首先，基于數字孿生建筑設計過程借助MBD技術［16］將建筑產品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都集成到三維數字模型中；其次，在建筑樣機［17］中進行生產制造過程模擬、施工裝配碰撞檢測；最后，將信息反饋回設計階段，實現“先試后建”。基于數字孿生的預制建筑設計施工一體化開發流程如圖3所示。

在構件制造過程中，為避免人工原因引發設計變更，首先摒棄傳統的二維平面識圖，采用基于MBD技術面向制造過程中的構件三維標注圖，實現生產裝配環節無紙化識圖；其次對構件的尺寸檢測（3D激光掃描技術等）、制造工藝過程參數化等數據實時采集傳輸至設計三維數字化模型中進行虛實比對，進行構件的質量控制。

4.2 預制生產

數字化建筑產品是在與建筑實體的交互基礎上進行演化和完善的。基于設計階段面向制造的三維數字模型中，對虛擬模型中已設計的構件性能、尺寸、材料、工藝、屬性等信息參數與現實制造過程中的實際參數進行實時上傳對比，并在關鍵信息設定響應報警，以預防構件生產出現質量問題。此外，基于預制生產數字孿生車間［6］為預制廠商實現精益生產提供了一種新的思路，即通過在虛擬空間建立數字孿生車間，同樣將現實世界生產信息傳輸到虛擬車間中并實時展示，實現基于數字孿生車間的生產資源要素管理、生產活動計劃管理、生產過程控制。

在制造過程中，利用物聯網、RFID、射頻識別等技術將制造資源（人員、設備、物料等）信息標識，參數化設計制造過程的關鍵信息采集點，并在生產車間中構建一個制造物聯網環境，以實現實時感知制造資源動態變化。將所采集的資源數據、生產數據、物流數據等借助智能算法實現制造資源配置優化、生產計劃優化、生產和運輸調度優化等服務。

因此，基于數字孿生的預制建筑構件生產階段作為從設計到施工的過渡階段，不僅能夠實現有效銜接，而且制造商有足夠的空間優化制造服務，通過數字孿生車間收集的數據進行建立管理仿真模型驅動實體車間制造活動，實現精益制造。

基于數字孿生的生產過程如圖4所示。

4.3 建造施工

預制建筑現場施工是一個復雜的實體系統，系統內部的實體資源往往涉及多重屬性，虛、實體的聯動不是單方面或某個參與方所決定的，需重點考慮各參與方的協作管理。傳統的預制建筑施工協作之所以困難，是因為缺乏實時數據支撐的反饋。雖然施工現場的施工活動是多樣、差異和非標準的，但涉及施工現場活動的參與方是繁多和固定的，主要是設計方、制造方、運輸方、供貨方、施工方、監理方及業主方，開發面向參與方服務的數字孿生工地成為可能。將現場的實體在虛擬空間建立聯動的虛體，數據信息采取各參與方所負責的活動進行分類處理后反饋到相應的參與方。

施工方作為施工現場的主導單位，在該過程中既要對其他參與方進行信息反饋，共同協作推進工程進展，又要精確管控建筑施工的各個環節。基于設計階段面向施工的三維數字模型與制造三維數字模型類似，三維標注減少了人工識圖的錯誤，與實體聯動的虛擬空間施工過程采集點的數據與工藝過程的參數對比避免的施工質量問題。

4.4 運營管理

在建筑產品的運維階段，仍需要對產品狀態進行實時跟蹤和監控。借用物聯網、傳感技術等將實物產品的實測數據、產品使用數據和維護數據等關聯映射至虛擬空間的數字化產品。與此同時，在虛擬空間中，利用數字化產品采集的歷史使用、維度及同類建筑產品歷史數據等，采用數據挖掘方法和智能算法對數字化產品模擬仿真，使其更符合實際情況。利用數字化產品對已經發生故障和質量問題的實物產品進行追溯和仿真，以實現對質量問題的精確定位、原因分析及解決方案的生成等，最后將生成的結果在物理空間中進行反饋，并指導實物產品的質量排查和追溯等。

5 結語

數字孿生技術的出現為預制建筑全生命周期信息化管理提供了新的思路和途徑。通過創建與現實世界并行的虛擬世界，在虛擬世界中實現虛擬精益建造，利用計算機仿真技術、智能算法技術使虛擬施工系統具有檢測、分析和決策能力。

本文針對預制建筑全生命周期的實際問題，從分析數字孿生概念及應用入手，總結出用于預制建筑的數字孿生具有虛擬、包容和聯動三個特點。基于數字孿生技術五維結構模型，提出了預制建筑全生命周期管理體系架構。在此基礎上，分別探討了規劃設計階段的設計-制造-施工一體化、制造階段的精益生產、施工階段與各參與方高效協作及運維階段數字建筑產品管理的實施途徑，使各階段、各參與方及時共享和交流信息，提高預制建筑信息化管理水平。

另外，本文研究也存在一些不足，由于數字孿生技術處于萌芽階段，只提出了一個系統的框架和實施途徑，沒有具體分析在各個階段的運行機制，未來可針對本文中提出的基于MBD技術集成的三維數字模型研發、數字孿生工地運行機制及建筑產品模式等方向開展進一步的研究。

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PMT

收稿日期：2022-10-31

作者簡介：

王水玲（1996—），男，研究方向：工程管理。

張冠喬（1994—），男，研究方向：可持續建設、工程安全治理。

張帥（1996—），男，研究方向：施工技術。

田少衛（1994—），男，研究方向：工程項目管理、建筑法律法規。