参数君导读：建筑行业下行期面临诸多挑战，面临市场萎缩、产能过剩、竞争加剧、利润压缩等困境，数字孪生技术带来重大机遇。数字孪生起源于美国航天局，在建筑领域可多方面应用，在城市更新、建筑加固改造方面潜力巨大。国家发改委提到地方管网建设改造未来5年预计达到总量60万公里，总投资需求4万亿。各国经验表明其在建筑改造加固中有重要作用，如优化设计、加强施工管理等。未来发展前景广阔，但面临数据安全、成本高、缺乏标准等挑战，也充满创新变革机遇。
01.
建筑行业下行期的挑战与数字孪生的机遇
（一）建筑行业下行的困境
建筑行业目前面临着诸多严峻挑战。市场萎缩使得新开工建筑面积大幅下降，产能过剩问题愈发突出。企业之间的竞争加剧，利润空间被严重压缩。以中国建筑行业为例，2023 年建筑业总产值增速明显放缓，尽管国家统计局数据显示 2022 年建筑业总产值同比增长了 6.42%，但这种增长趋势难以持续。建筑企业数量虽有增加，从业人数却在减少。企业的年终奖发放情况黯淡，部分企业甚至开始筹划裁员计划。
（二）数字孪生技术的崛起
数字孪生技术的发展历程丰富而充满创新。其起源可追溯至美国国家航空航天局的 “阿波罗计划”，后在 2003 年由 Grieves 教授在产品全生命周期管理课程上首次提出设想。2010 年，“Digital Twin” 一词在 NASA 的技术报告中被正式提出，并逐渐应用于多个领域，包括建筑行业。数字孪生技术具有互操作性、可扩展性、实时性、保真性和闭环性等特点。
在建筑领域，数字孪生技术能够实现物理对象和数字空间的双向映射、动态交互和实时连接。通过构建建筑的数字孪生模型，可以实时监控建筑的状态，预测维护需求，优化建筑的设计、施工和运维过程。
例如，在建筑设计阶段，数字孪生技术可以实现多方案比选和结构性能评估；在施工阶段，能够进行进度监控、质量与安全管理以及资源优化配置；在运维管理阶段，可实现综合设施管理、能耗与环境监测以及故障诊断与预防维护。
（三）加固改造（城市更新）是下行期的机会
数字孪生技术为建筑改造加固带来了巨大的应用潜力，有望在建筑行业下行期为行业发展注入新的活力。随着中国城市化进程的不断推进，我国也针对城市和农村中不符合现代化社会和城市发展的建筑进行了重建和更新。
从定义上看，城市更新是对城市中的旧工业区、旧商业区、旧住宅区、城中村等已不适应现代化城市社会生活的地区进行更新，旨在完善城市功能，优化产业结构，改善人居环境，推进土地、能源、资源的节约集约利用，促进经济和社会的可持续发展。旧城改造面向旧城镇，旧厂房及旧村庄等，是指局部或整体地、有步骤地改造和更新老城市的全部物质生活环境。
国家发改委副主任刘苏社10月8日表示，据有关研究，地方管网建设改造未来5年预计达到总量60万公里，总投资需求4万亿，下一步将继续统筹用好各类资金、提前安排项目清单和投资计划，继续推进城市基础设施提升改造。提前下达的明年两个1000亿元投资项目清单中，优先支持一批城市更新重点项目，目前城市地下管网资金需求量大，项目成熟，会优先支持地下管网建设项目。
02.
数字孪生在各国建筑改造加固中的经验
（一）韩国的成功实践
韩国汉南大桥于 年投入使用，经过 40 多年的运行已老化，达到设计时的使用寿命。
为确保建立严格的监控和检查体系，并进行有效的修缮，韩国政府开发了新的桥梁维护系统（BMS）。桥梁维护团队创建了与物理实体对应的数字孪生模型，借助其进行监控和数据分析。
首先使用 OpenBridge Modeler 根据现有桥梁的竣工文档生成三维几何模型，接着使用 ContextCapture 和三维扫描程序创建 “反向” 三维表面模型，包括无人机扫描获取的侧面和顶面模型照片以及激光扫描获取的底面模型云数据。最后利用 RM Bridge 从数字孪生模型中推导出分析模型，以评估桥梁的未来表现。利用数字孪生模型，同时借助相机和应用了图像处理和图像跟踪方法的损坏检查机制，可以自动完成检查工作。
（示例）
一旦检查到有损坏，就会评估裂缝、材料降解、钢构件腐蚀或其他问题，以确定结构参数缩减。韩国中央大学教授 ChangSu Shim 表示：“建模，特别是格网模型划分，是与分析过程相关的最耗时的任务。但是，Bentley 的桥梁应用程序可帮助工程师直接生成和优化三维格网模型，大大缩短项目的建模时间。” 通过数字孪生技术，韩国在建筑改造加固中提高了检查效率，降低了成本，为桥梁的维护和修缮提供了有力支持。
（二）英国的创新应用
英国沃灵顿议会利用科技进行改变，建立了沃灵顿虚拟数字孪生模型。该模型是由英国创新署资助的 REWIRE 项目的一部分。沃灵顿市议会委员会利用这个虚拟数字孪生模型，了解为了实现净零排放的未来，该地区的建筑和能源系统需要采取的能源、碳和成本效益措施。IES 的顾问与沃灵顿市议会合作开发了该地区的数字孪生模型，利用来自市议会、能源性能证书（EPC）数据库和当地分配网络运营商的数据进行单独建模。
数字孪生技术帮助确定了两个不同街区的最佳脱碳解决方案，实现的潜在能源节约高达 56%。数字孪生技术建议的措施包括安装家用和商用空气源热泵和区域供暖。通过数字孪生技术，英国在建筑改造加固中实现了施工管理和安全监测的创新，为实现净零排放提供了有效途径。
（三）美国的先进探索
美国在建筑改造加固中利用数字孪生技术推进低碳城市建设。例如，明尼苏达州交通部对罗伯特街大桥进行重大翻修，Collins Engineers 与明尼苏达州交通部签订合同，负责在 Michael Baker International, Inc. 项目团队对罗伯特街大桥进行重大整修之前对其进行检查。
Collins Engineers 首先使用无人机拍摄了 57000 多张大桥的图片，选择 Bentley 的 iTwin Capture 来处理无人机拍摄的图片，并与 iTwin Experience 结合使用，创建了桥梁的高精度数字孪生模型。这一功能让项目的高级工程师可在亲自前往现场之前就对桥梁进行预检查、研究其状况并记录缺陷。到达现场后，工程师就可以在联网的平板电脑上参考三维数字副本，以验证预先检查的数据，并在模型上标注其他新发现。通过数字孪生技术，美国在建筑改造加固中提高了检查效率，Collins Engineers能够对桥梁进行预先检查并实施了数字化交付方法，从而将现场作业时间至少缩短了20%，同时，降低了成本，为推进低碳城市建设做出了贡献。
（四）日本的特色之路
为实现城市发展的数字化转型，日本国土交通省联合多家单位和企业，在东京等 50 多个城市发起了基于 3D 城市模型应用的 PLATEAU 项目，以国土交通省建立的地理空间情报标准为依托，整合了建筑、交通、地理、经济、医疗、防灾等一系列数据，目前在城市活动监测、灾害管理、智慧规划等应用场景方面开展了先行示范建设。
例如，借助平台和信息技术手段开展高精度、实时的人流量全要素监测，为解决道路交通、城市内迁徙、疫情防控、灾时快速疏散引导、城市功能更新、公共设施规划布局等方面的问题提供辅助决策；
在东京 23 个区完成洪水淹没区 3D 城市模型建构，以此为基础优化防灾减灾方案，更加合理地规划布局可用于垂直疏散的建筑物，并通过时间序列的洪水模拟数据和三维可视化技术，对洪水来袭时道路及其它设施状况进行模拟和分析，以达到防灾规划和宣传的效果；
利用 3D 城市模型将行人的移动和开发政策可视化，以此规划实施中央新干线交通网络、站点及其周边地区的综合改造工程，推动实现城市公共空间的科学管理。通过打造城市级数字孪生开放平台，日本在建筑改造加固中实现了城市的智慧化管理和可持续发展。
03.
数字孪生在建筑改造加固中的关键作用
（一）优化设计方案
数字孪生技术在建筑改造加固的设计阶段发挥着至关重要的作用。通过构建精确的数字孪生模型，可以捕捉结构构件的真实物理行为，包括材料属性、几何形状和荷载条件等。
设计师能够在虚拟环境中改变数字孪生模型中的构件参数，如截面尺寸、材料类型和连接方式，从而探索和评估不同的设计方案。例如，利用进化算法或模拟退火算法等优化算法，可以确定同时满足性能和成本要求的最佳构件参数组合。
此外，数字孪生引导加固方案仿真，基于数字孪生模型模拟不同加固方案对结构性能的影响，包括承载力、刚度和抗震性等。通过仿真结果，能够识别最有效的加固方案并优化加固参数，如加固材料、加固厚度和加固位置等。
使用数字孪生模型对加固方案进行虚拟验证，在实际实施前评估潜在风险和优化设计，从而提高设计质量和效率。据统计，采用数字孪生技术进行建筑改造加固设计，可使设计周期缩短约 30%，同时降低设计成本约 20%。
（二）加强施工管理
在建筑改造加固施工过程中，数字孪生技术的实时监测和虚拟仿真功能发挥着重要作用。数字孪生通过传感器和物联网设备实时监测加固工程的结构健康状况、变形和应力变化，提供全面的工程状态信息。实时监测数据可用于早期发现潜在风险和缺陷，及时采取预防措施，避免事故发生，保障施工安全和工程质量。
例如，当监测到结构变形超过一定阈值时，系统会自动发出警报，提醒施工人员采取相应措施。数字孪生模型结合数据分析和机器学习技术，可快速识别异常情况并预测结构性能，助力施工管理人员做出科学合理的决策。同时，数字孪生构建三维虚拟环境，模拟加固工程的施工过程，可进行方案预演、可行性分析和优化。虚拟仿真技术减少实地试验成本，缩短施工工期，提高施工效率和质量。施工人员可在虚拟环境中提前体验和掌握施工工艺，增强操作熟练度，避免现场施工错误和事故。据研究表明，数字孪生技术在施工管理中的应用可使施工工期缩短约 25%，降低施工成本约 15%。
（三）提升安全监测水平
数字孪生技术能够实时监测工程状况，为保障建筑改造加固工程的安全提供有力支持。通过在建筑结构中布置传感器，数字孪生系统可以实时采集工程的变形、应变、振动和其他参数。这些数据能够帮助工程人员及时识别潜在故障，如结构裂缝、材料老化等。一旦发现异常情况，系统会立即发出警报，以便工程人员及时采取措施。
例如，当传感器监测到某一区域的应力超过设计值时，数字孪生系统会自动分析可能的原因，并提供相应的解决方案建议。数字孪生还可以模拟加固措施对工程性能的影响，预测工程的长期表现，并评估加固措施的有效性。通过对工程的实时监测和模拟预测，数字孪生技术能够有效提升安全监测水平，保障工程安全。
（四）促进运营维护
在建筑改造加固后的运营维护阶段，数字孪生技术同样具有重要应用价值。数字孪生技术可以集成传感器数据和大数据分析，预测设备故障，并制定最佳维护计划，从而降低维护成本和减少停机时间。
例如，通过对建筑结构的实时监测和数据分析，数字孪生系统可以预测结构部件的寿命，提前安排维护和更换计划。同时，数字孪生技术可以更好地了解建筑内部环境的情况，包括空气质量、照明等方面，以优化用户体验，提高租户满意度。
此外，数字孪生技术还可以对建筑的能耗进行实时监控和优化，提高能源利用效率，降低运营成本。据实际案例统计，采用数字孪生技术进行建筑运营维护，可使维护成本降低约 25%，能源消耗降低约 15%。
04.
数字孪生在建筑改造加固中的未来展望
（一）技术发展趋势
数字孪生技术在建筑改造加固领域的未来发展前景广阔。随着传感器技术的不断进步，未来的传感器将更加小型化、智能化和高精度，能够实时采集更多种类的建筑数据，为数字孪生模型提供更丰富的信息来源。同时，大数据分析和人工智能技术的应用将不断深化，数字孪生系统将能够更加准确地预测建筑结构的性能变化和故障发生，为维护和加固提供更科学的决策依据。
例如，通过机器学习算法对大量的建筑数据进行分析，可以建立更加精准的结构性能预测模型，提前发现潜在的问题并采取相应的措施。此外，虚拟现实和增强现实技术也将与数字孪生技术深度融合，为建筑改造加固提供更加直观和沉浸式的体验。施工人员可以通过虚拟现实设备在虚拟环境中进行施工模拟和培训，提高施工效率和质量。
（二）应用范围拓展
数字孪生技术在建筑改造加固中的应用范围将不断拓展。除了在设计、施工和运营维护阶段的应用，数字孪生技术还将在建筑全生命周期的其他环节发挥重要作用。
例如，在建筑规划阶段，数字孪生技术可以通过对周边环境和城市规划的模拟分析，为建筑的选址和布局提供科学依据。在建筑拆除阶段，数字孪生技术可以对拆除过程进行模拟和优化，减少拆除过程中的安全风险和环境污染。此外，数字孪生技术还可以与智慧城市建设相结合，为城市的可持续发展提供支持。通过与城市交通、能源、环境等系统的互联互通，数字孪生建筑可以实现更加高效的资源利用和管理，提高城市的整体运行效率。
（三）面临的挑战
尽管数字孪生技术在建筑改造加固领域具有广阔的前景，但也面临着一些挑战。首先，数据安全和隐私保护是数字孪生技术面临的重要问题。由于数字孪生系统需要采集和存储大量的建筑数据，这些数据涉及到建筑的结构、性能、使用情况等敏感信息，如果数据泄露或被滥用，将给建筑所有者和使用者带来严重的安全风险。
因此，需要建立完善的数据安全和隐私保护机制，确保数字孪生系统的数据安全。其次，数字孪生技术的成本较高也是一个制约因素。数字孪生系统的建设需要投入大量的资金和技术资源，包括传感器的安装、数据采集和处理、模型构建和维护等方面的费用。对于一些小型建筑项目或资金有限的企业来说，数字孪生技术的应用可能存在一定的困难。此外，数字孪生技术的标准化和规范化也是一个亟待解决的问题。目前，数字孪生技术在建筑领域的应用还处于起步阶段，缺乏统一的标准和规范，不同的数字孪生系统之间的兼容性和互操作性较差，这给数字孪生技术的推广和应用带来了一定的困难。
（四）未来的创新与变革
尽管面临着一些挑战，但数字孪生技术在建筑改造加固领域的未来发展充满了创新和变革的机遇。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，数字孪生技术将为建筑行业带来更多的创新和变革。例如，数字孪生技术可以与绿色建筑理念相结合，通过对建筑能耗和环境影响的实时监测和优化，实现建筑的可持续发展。
同时，数字孪生技术还可以与装配式建筑技术相结合，通过对预制构件的数字化管理和施工过程的模拟优化，提高装配式建筑的施工效率和质量。此外，数字孪生技术还可以与建筑工业化和智能化生产相结合，实现建筑的个性化定制和高效生产。总之，数字孪生技术将为建筑行业的未来发展带来更多的创新和变革，推动建筑行业向更加高效、智能和可持续的方向发展。（图片源自网络）
