▲图 数字孪生，就像屏幕上显示的现实生活中的对应物，是实物的动态复制品，其中包括设计、施工和运营等方面的数据。
一座建筑物是如何在城市的天际线中占据一席之地的？在好莱坞版本的故事中，业主委托建造一座建筑物，在规定好建筑物的基本要求之后，他们就靠边站了，而建筑设计师则开始用铅笔和绘图工具来大展宏图。
我们回顾一下 1949 年的电影《源泉》（The Fountainhead），它讲述了一位名叫霍华德×洛克（Howard Roark）的建筑师故事（据说是以弗兰克×劳埃德×赖特（Frank Lloyd Wright）为原型），他富有创新见地但又固执己见，因坚持自己的理想而拒绝妥协。尽管这部影片颇有争议，但它（及其之前的小说）激励了几代人立志成为建筑师。
自那以来的 70 多年中发生了许多变化。大约 40 年前，建筑、工程和施工行业开始加快数字化转型。这一转型始于数字化，即从图纸绘制和模拟过程到数字工具和计算机辅助设计的转变。
除了数字化，建筑师还遇到了越来越复杂的设计问题，例如全球人口增长、城市化和气候变化。考虑到地球上的资源有限，设计师们被要求以更少的资源做更多的事情，建造更高效、更可持续的建筑。
数字化转换（Digitization）与数字化（ Digitalization）
随着时间的流逝，数字化转换已更进一步，形成了更强大的数字化（Digitalization，又称数字化升级）。数字化是什么？它是一个增强技术和数据数字化转换能力的过程，从而影响完成工作的方式，改变客户与企业的互动方式以及创造新的收入来源。
大约 19 年前，BIM（建筑信息模型）的引入是第二次数字转型的基础和催化剂。BIM 通过将所有项目数据整合到一个集成式的平台，涵盖了从设计到建造再到运营的整个项目寿命周期，并帮助团队以更确定的方式交付项目。
但是在过去的十年中，由于大型项目需要更多的公司和利益相关者跨越世界各地不同的时区一起合作，新的工作方式需要更无缝的连接以及对实时信息和见解的更快访问。这就迎来了下一个重大的转变：云中的 BIM。
▲图 当信息和见解集中起来并自由流动后，全球各地的利益相关者就可以进行实时协作。
新冠疫情（COVID-19）加快了这一转型，因为人们别无选择，只能在虚拟世界中进行合作。首席信息官们已经明确表示了迁移到云端的必要性，这通常需要四到五年来完成，但目前疫情的大流行使他们的计划提前了几年。
接下来的第四次变革性转型将再次改变人们的工作方式——在这个时代，数据将更加集中，数据在项目利益相关者之间的流动将更加流畅。
人们将从这些数据中获得见解，并实现分析构造规范或跟踪维护计划等任务的自动化。节省下来的时间将帮助工程建设行业的从业人员更好、更快地设计、加工、建造和运营建筑物，并同时减少材料和成本的浪费。
数字孪生的到来
第四次浪潮的最终推动力是 BIM 加上富化的数据，以数字孪生为代表：它是实物的动态复制品，其中包括设计、施工和运营等方面的数据。
业主希望对自己的项目有更多的掌控权，因为他们厌倦了成为行业价值链的受害者，当项目超出预算时，遭受最大财务损失的往往是他们。根据麦肯锡公司 2016 年的调研数据，一般而言，多至 80% 的大型项目都会超预算。但是业主缺乏控制设计和建造过程的工具。
与此同时，不同的利益相关者都有自己的模型。建筑师设计的是人们看得到的东西而不是墙壁内部的东西。工程师的模型要确保结构的完整性是健全的，并且具备可以抵抗自然力的韧性。承包商用 BIM 来了解诸如冲突检测和物资数量之类的信息。但归根结底，那都不是业主们所需要的。
他们需要的是一种能够映射实体建筑的数字化资产（即数字孪生），以帮助控制基于传感器行为数据的操作，根据实际情况进行模拟、预测并为决策提供信息，从而帮助控制运营。他们需要在数字资产中定义项目目标，并将其推向价值链。数字孪生技术（如欧特克的 Tandem）将使建筑师、工程师和建筑商能极为轻松地满足这些业主的需求。对于医院、学校和办公楼等复杂建筑物的业主而言，这尤其重要，因为通常的经验法则是，这些建筑总拥有成本的 80% 发生在其 30 至 50 年的维护和运营期间。
传统上，建筑师将一系列文件从通用数据环境（CDE）上移交给业主，而 BIM 一直是该 CDE 的主干。但很快，建筑师将能以数字孪生的形式向业主提供无文件数据，而数字孪生的主干将是一个通用数据平台（CDP），它能够聚合来自 BIM 流程的文件和数据，并以数据驱动的洞察力实现项目目标。
数字化在维护和可持续性方面的应用
当数字孪生成为可交付给业主的成果时，维护成本将降低，这将更有利于业主实现可持续发展的目标。
我们不妨想象一下，一栋建筑物的管理人员每六个月需要更换一次空调过滤器。现在，业主可以使用微软 Excel 电子表格来管理这类任务，电子表格会列出每个基础设施资产及其计划的维护日期。它可以包括也可以不包括过滤器的位置、更换过滤器的成本以及维护人员追踪这些过滤器的时间。
有了 BIM，我们可以轻松地将每个过滤器的地理位置及其维护历史记录包括在内。管理人员可以查询模型以准确显示建筑物中的过滤器位置以及它们所连接的系统，并且该模型可以让管理人员访问每个特定组件的所有运作信息。
数字孪生还将让设计师和工程师能够进行更多的仿真，这将会对可持续性产生重大影响。
现在，再加上人工智能（AI）的力量，建筑物管理人员就可进行预测性维护，这很有优势。每个系统或组件都有其历史背景。经理不仅知道组件的位置和材料构成，还知道它周围的条件——她知道人们怎样使用建筑物的每个部分，甚至知道发生了哪种会影响组件功能的天气状况。根据经验和使用情况，利用机器学习，管理人员可以预测该系统何时可能发生故障，并在发生故障之前进行维修。这就是通过 BIM 流程富化的数字孪生创造出来的可能性。
数字孪生也是环境可持续性最大化的有用工具。建筑物约占城市碳足迹的 40%。在许多方面，我们可以对建筑物进行优化，以减少它们对气候的影响并减少电力、热量或水的消耗。如果建筑物经理仅仅查看静态图表，他们就不会知道热点在哪里，但如果他们把来自建筑物各处许多位置的传感器数据显示在 3D 模型中，就可以了解建筑物的各个部分在如何消耗电力或泄漏温暖的空气。
在法国格勒诺布尔开展的一个最新项目中，欧特克的工程师们会见了一名地方政府的高级官员，并展示了政府办公大楼的数字孪生原型，官员可以直观地看到实际发生的情况。房间的图像根据环境温度而改变颜色。这一建筑位于寒冷的山区，但星期一的早上 6 点已经很暖和了，尽管大多数人要到上午 9 点才上班。
▲图 数字孪生使用动态 3D 数据模型，通过温度波动、电力消耗和其他性能基准指标让建筑物业主能最大程度地提高可持续性。
这位官员想知道，“为什么我们要在没人的情况下仍要给大楼供暖三个小时？”然后他注意到，在建筑物中间，一个房间的颜色正从蓝色变为红色，从红色变为蓝色，从蓝色变为红色。有人解释说，在那个地方工作的人经常抱怨说太热了，并不时地打开窗户（并让窗户整夜开着），让山间凉爽的空气进来。
这只是数字化（通过基于云的 BIM 流程创建的数字孪生）可以为建筑物业主创造价值的两种方式。
下一个项目的数据
数字孪生还将让设计师和工程师能够进行更多的仿真，这可能会对可持续性产生重大影响。例如，由于需要保持社交距离，新冠疫情已经使人流建模成为特别紧迫的优先事项。
利益相关者可以通过仿真来利用他们在设计、建造和拥有建筑物时收集到的洞察。这样，把衍生式设计、人工智能和机器学习之类的技术整合到像欧特克 Spacemaker 这类工具中，即可增加价值。它们捕获的每一个洞察都可以为下一个待开发的建筑物提供信息。
Spacemaker 可以根据数百所规模、所在地区和要求相似的学校的设计，帮助建筑师和工程师优化一所学校的设计。这一系统可以整合诸如社交聆听这样的工具，从其他学校的评论以及社交媒体的排名中捕捉到人们对于这些学校的看法。当建筑师需要翻新建筑物或生成新的设计时，这些看法方面的数据可以为将来的决策提供依据。
▲图 仿真技术受到衍生式设计、人工智能和机器学习的激励，可让建筑师用从数百个类似设计中得出的数据洞察并对一个设计进行优化。
这些洞察可确保团队从行之有效的概念入手，例如，特定设计的交付速度比替代方案的快 30%，或者一个成功的项目使用了预制件。最终，这些洞察可以为 BIM 流程提供信息，并在数字孪生中得到体现。
数字孪生的影响远不止于建筑物。它们可用于改善城市的桥梁、道路、公路和公共设施的建造和维护。
自从量角器、指南针和丁字尺问世以来，工程建设行业已经走过了很长一段路。数字化和数字化转型将通过提供自动化和洞察力来帮助这一行业，使它能够更快更好地建设，并为它们所服务的业主和居住者带来更高的满意度。
它甚至可以帮助像电影《源泉》中的洛克这样的建筑师，去找到更多的时间进行创造和创新。最重要的是，在面对未来的设计挑战时，它将使城市变得更加智慧，更富有韧性。
作者：NICOLAS MANGON, AUTODESK VP
注：文章来自由欧特克支持创立的 Redshift China
