BIM技術在數字孿生建設中的運用分析

摘" 要：近年來，我國大力推廣數字孿生建設模式，有助于提升工程品質和增強實用價值。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM[A3]"[4]"）技術作為數字孿生建設體系的核心部分，技術應用水準決定著整體建設形勢。鑒于此，[5]"以BIM技術運用體系作為研究對象，分析了數字孿生和BIM技術關系，多角度研討BIM技術運用價值，重點闡述了BIM技術在數字孿生建設項目中的運用方法。旨在為實現模擬仿真及綜合決策提供基礎，推動數字孿生建設的高質量發展。

關鍵詞：BIM技術 "數字孿生建設 "三維建模 "數據融合

中圖分類號：TU17

Analysis of the Application of BIM Technology in Digital Twin Construction

YE Jiuling

Yuance Information Technology Co.， Ltd.， Suzhou，[A6]"[7]" Jiangsu Province， 215000 China

Abstract： In recent years， China has vigorously promoted the digital twin construction model， which helps to improve engineering quality and enhance practical value. As the core part of the digital twin construction system， Building Information Modeling （BIM） technology determines the overall construction situation based on the level of technological application. In view of this， it takes the BIM technology application system as the research object， analyzes the relationship between digital twins and BIM technology， discusses the value of BIM technology application from multiple perspectives， and focuses on the application methods of BIM technology in digital twin construction projects， aiming to provide a foundation for simulation and comprehensive decision-making， and promote the high-quality development of digital twin construction.

Key Words： BIM technology; Digital twin construction; 3D modeling; Data fusion

數字孿生建設作為水利高質量發展的顯著標志和構建現代化水利治理體系的重要驅動和支撐，探索研究傳統水利業務與現代信息技術的深度融合，構建實時同步、虛實交互的模擬仿真平臺，高保真、高精度地還原工程實體，實現對工程的全生命周期運行管控，為決策管理提供前瞻性、科學性、精準性、安全性支持。

1 "數字孿生與BIM技術的關系

數字孿生建設是在數字化技術支撐下，提前在數字空間環境內，精準推演工程項目建設過程和運營階段交付使用情況，以問題防治處理作為功能定位，識別出潛在問題，制訂專項解決方案。同時，也可以通過數字孿生建設手段，客觀論證工程項目建設方案、運營計劃是否具備可行性。在數字孿生建設體系，BIM技術以創建物理工程數字鏡像作為功能定位，構建多專業模型與工程場景模型，再把各專業模型和場景模型整合為工程模型，依托建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）[8]"開展仿真試驗，精準預測工程項目現場施工過程與后期運營情況^[1]。同時，BIM技術還承擔數據集成任務，向前集成設計信息，向后集成施工信息和運維信息，為工程項目全生命周期數字化管理目標的實現提供技術助力，真正意義上實現“同步仿真、虛實交互、迭代優化”目標。

2 "BIM技術在數字孿生建設項目中的運用價值

2.1" 提升運維效率

工程項目運維活動有著內容煩瑣[A9]"、時間跨度大的特征。BIM技術依托BIM模型，建立數字化運維管理平臺，輔助人工高效開展各項工作，可視化呈現工程項目投運使用情況，迅速辨別異常問題與發送報警信號，并通過開展仿真試驗，預測未來一段運營情況，充分論證運維管理計劃可行性，起到提高運維效率、降低總體運營成本和延長工程使用壽命的顯著作用。

2.2" 助力頂層規劃

在早期工程項目規劃設計階段，高度依賴規劃人員自身經驗及主觀判斷，難以提前考慮到全部問題，規劃設計方案缺乏合理性，工程建設階段與運營階段，頻頻出現預料之外的突發情況，由此引發工程造價失控、工期延誤、實際利用效率低于預期在內的一系列問題。通過運用BIM技術，直接在數字空間環境內，精準推演暫定規劃設計方案的實施過程，提前找出、統計未來可能出現的問題，評價工程項目綜合效益水平是否達到預期，針對性調整規劃設計方案，協助規劃人員完成關鍵性決策。

2.3" 沉淀數字資產

工程項目信息屬于一類無形的數字資產，本身并不創造實際價值，但通過高效集成利用數據信息，有助于改善工程建設形勢和運營情況，如通過提高運營效率、延長工程使用壽命來創造額外經濟效益，通過提高工程設施服務品質來創造額外社會效益。在數字孿生建設體系，BIM技術以沉淀數字資產作為核心功能，把BIM模型視為一種特殊的數據庫，負責持續采集、存儲工程項目全部信息，對海量信息進行統一管理，搭建工程數字資產管理平臺，提供數字交付、數據管理、數據分析在內的多元化服務^[2]。

3 "BIM技術在數字孿生建設項目中的運用方法

3.1" 三維建模

三維建模即為構建BIM模型，以BIM模型作為物理工程的數據載體，也是數字孿生平臺的基礎信息模型，負責匯集工程項目全生命周期內的全部信息，包括基本信息、過程信息以及圖紙資源，通過BIM模型可視化表達工程實體結構與功能特性。三維建模環節，工作人員選用Revit軟件或其他建模軟件，以主體結構、各專業系統、單體設備、單體構件作為建模內容，重點掌握建模精度、添加屬性信息、圖屬分離、質量控制這4個方面的技術運用方法。

3.1.1" 建模精度

建模對象劃分為諸多等級。正常情況下，對于土建結構和普通設備，構建功能級模型單元；對于重要設備，構建精度更高的構件級模型單元，模型包含數量、位置、姿態等相關信息。也可以按照工程類型來確定模型精度要求。以水利工程為例，嚴格遵循水利部印發的《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》，功能級模型單元精度等級為LOD2.0（多細節層次，Level of Detail，LOD），構件級模型單元精度等級為LOD3.0^[3]。

3.1.2" 添加屬性信息

空白模型構建完畢后，根據物理實體對象情況，向模型內添加各項屬性信息，具體包含項目信息、定位信息、建造信息、維護信息、結構信息等內容，明確規定數據格式、類型、編碼規則以及計量單位。

3.1.3" 圖屬分離

BIM模型在輕量化處理、格式轉換以及場景渲染期間，極易出現信息丟失問題。需要在建模流程內增設圖屬分離步驟，把ID（唯一編碼，Identity document，ID）對應屬性信息臨時存儲在數據庫，輕量化模型加載期間，再基于ID調取對應屬性信息。

3.1.4" 質量控制

BIM模型構建完畢后，不得直接交付使用，全面檢驗模型質量是否達標，以屬性信息內容完整程度、幾何信息是否滿足精度要求、剔除模型無效體、模型紋理配色是否高度貼合現實場景、模型命名、模型編碼格式、相關鏈接有效性作為質量檢驗內容。

3.2" 數據融合

從數字孿生建設總體視角來看，數據類型眾多，除了BIM數據外，還存在二維矢量數據、多源地形數據、三維矢量數據等諸多類型，數據格式未能保持一致，這就導致數字孿生建設期間出現數據錯亂、平臺運行崩潰情況。對此，需要把數據融合作為BIM技術的全新功能定位，把BIM模型本體數據連同其他全部類型數據，集中存儲在BIM數據庫內，把原始數據轉換為特定格式或統一格式，上傳至BIM模型，組合采取遙感影像勻色拼接、單體化精修、輕量化處理、LOD金字塔在內的多項措施，在三維場景內高效融合多源異構數據^[4]。

3.3" 輔助仿真場景

輔助仿真場景即為仿真試驗，以BIM模型為載體，結合工程類型、用途、現場環境條件等信息，BIM模型向數字孿生建設平臺提供數據，依托模擬仿真引擎，精準推演各項業務活動的開展情況，提前辨別處理潛在問題。輔助仿真場景具體分為輕量化仿真、高性能仿真兩種類型。其中，輕量化仿真場景側重于仿真效率，強調在規定時間內迅速出具仿真分析報告，用于執行場景三維展示、可視化呈現業務流程等任務，改善管理條件，減輕工作負擔。高性能仿真場景側重于提高仿真分析結果準確性，用于執行復雜決策任務，如機電設備狀態預測、精準調度、會商決策，把物理工程和數字孿生平臺進行虛實交互。

3.4" 設備管理與運維決策

在BIM技術落地運用期間，必須在數字孿生平臺內開發設備管理、運維決策兩項功能，確保工程項目運營過程得到有效控制。其中，設備管理功能是把設備運行信息持續導入BIM模型，二者保持關聯狀態，通過模型可視化呈現設備運行過程和使用狀況，建立配套異常報警機制和狀態預測機制。異常報警是BIM模型判定設備運行數據超出正常范圍后，自動發送報警信號，回溯設備故障出現過程，顯示故障設備編號位置；狀態預測是通過歷史數據來總結設備運行特征與故障規律，結合實時數據，預測未來一段時間內設備運行情況。運維決策功能負責執行復雜決策任務，工程投運使用期間，工作人員依托BIM模型開展仿真試驗，用于推演調度計劃、總體管理計劃、設備維護保養計劃、故障設備維修計劃的實施過程，比對分析實施效果和預期目標，總結現有計劃的不合理問題，采取專項改進措施，確保工程運營過程不會偏離預期方向。

3.5" 全生命周期數字化管理

數字孿生建設活動跨越工程項目全生命周期，所有階段都具備數字孿生建設條件和BIM技術運用條件，這也是消除數字孿生建設盲區的關鍵。因此，BIM技術運用期間，應同步施行全生命周期數字化管理模式，積極拓展BIM技術在工程規劃設計階段、現場施工階段、竣工驗收階段和運維階段的運用場景。例如：在工程規劃設計階段，以輔助規劃、三維可視化設計、數字化交付作為技術運用場景^[5]。在輔助規劃場景，基于BIM技術將各套規劃方案轉變為數字實體，規劃人員可以直接了解不同規劃方案的預期建設成果，選擇符合工程愿景的規劃方案，再根據二者偏差情況，完善方案內容。在三維可視化設計場景，把BIM模型作為設計平臺，設計人員通過構建、修改BIM模型來表達設計意圖、完善設計內容，BIM軟件本身具備碰撞檢查、專業模型整合在內的多項功能，有效化解專業沖突與發現更多設計問題。在數字化交付場景，以BIM模型作為設計成果，取代常規二維平面圖紙，無[A10]"須額外繪圖，大幅縮短了設計周期，幫助施工單位與一線施工人員更為直觀地了解設計意圖，有助于改善設計、施工活動銜接效果，避免因理解誤差而形成施工問題。

3 "結語

綜上所述，BIM技術已成為數字孿生建設體系推廣實施的技術保障，也是推動工程項目建設體系轉型升級的核心支撐。工程各方參建單位理應加強對BIM技術的運用力度，引導BIM技術融入數字孿生建設體系，積極采取三維建模、數據融合、輔助仿真場景、設備管理與運維決策、全生命周期數字化管理在內的多項運用方法，豐富技術運用手段，深入挖掘技術價值，順利打造新一代數字孿生建設項目。

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