数字孪生在建筑业全生命周期的应用综述.pdf
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1、建筑业粗放的管理模式及信息化、智能化程度低等问题成为制约其向智能建造转变的关键因素。在新兴信息技术的推动下,数字孪生技术在解决以上问题方面发挥了重要作用。鉴于此,基于现有文献,对数字孪生技术进行介绍,通过文献计量方法对其在建筑业研究现状进行分析,并对数字孪生技术在建筑业全生命周期的应用进行综述,最后进行总结,提出现有研究不足并对未来的发展进行展望。关键词:数字孪生;建筑业;全生命周期中图分类号:TU17文献标识码:A文章编号:1002-851X(2023)S1-0479-05DOI:10.14181/ki.1002-851x.2023S1479Review of the Application
2、 of Digital Twin in the Whole Life Cycle of the Construction IndustryZHANG Yongfeng(School of Urban Economics and Management,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 102616,China)Abstract:The rough management mode and the low level of informationization and intelligence in th
3、e construction industry have become key factors limiting its transformation to intelligent construction.Driven by the emerging information technology,digital twin technology plays an important role in solving the above problems.In view of this,based on the existing literature,this paper introduces d
4、igital twin technology,analyzes the current status of its research in the construction industry through bibliometric methods,and review the application of digital twin technology in the whole life cycle of the construction industry,and finally conclude with a summary,presenting the shortcomings of e
5、xisting research and providing an outlook on future development.Keywords:digital twin;construction industry;whole life cycle1引言近年来,建筑业作为国民经济支柱产业持续快速发展。然而,建筑业的工业化、信息化、智能化程度低,生产创新能力不足等原因导致其面临着生产方式粗放、劳动效率低、能源资源消耗大等问题。充分应用新型数字技术,促进建筑业转型升级是其可持续发展的必由之路。数字孪生的出现以及在工业制造等领域取得的成就为解决上述建筑业存在的问题提供了新的思路。数字孪生的概念最早由
6、美国密歇根大学Grieves教授在2003年产品全生命周期管理课程上提出。它通过创建物理实体的虚拟模型,借助数据模拟物理实体行为,通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段,为物理实体增加或扩展新的能力。数字孪生技术最初被应用于航空航天领域,后进一步在制造业发挥了重要作用。目前,将数字孪生技术与传统建筑业结合成为新的研究热点,而现有研究大多针对数字孪生技术在建筑行业某一阶段的具体应用,但从全生命周期视角下对数字孪生应用于建筑业的系统性综述研究较少。因此,本文对现有文献进行系统性综述分析,进一步梳理建筑业数字孪生研究现状,重点分析数字孪生在建筑业全生命周期的应用,以推动建筑业数字化转型升
7、级。2建筑业数字孪生研究现状为进一步了解数字孪生技术在建筑领域的研究现状,按照系统文献综述的程序指南,本文进行了三阶段*基金项目:北京建筑大学研究生创新项目(PG2023099)作者简介:张勇峰,硕士研究生,主要研究方向:工程项目管理。数字孪生在建筑业全生命周期的应用综述*张勇峰(北京建筑大学城市经济与管理学院,北京 102616)建 筑 经 济2023年480的文献处理,并利用CiteSpace软件对所收集文献的发表时间分布、期刊来源分布、研究热点分布进行分析研究,具体步骤如图1所示。2.1发表时间分布根据文献分析步骤中的检索条件,共收集国内外文献410篇。统计所选取文献的发布时间,如图2所
8、示。数字孪生最早应用于建筑业的研究文献发表于2017年,此后发文量逐年增加,到2021年,国内外建筑业数字孪生发文总量已超过100篇。从国内外发文量现状可以看出,数字孪生技术在建筑业的应用仍处于起步阶段,但从逐年增长的趋势来看,未来数字孪生技术应用于建筑领域的研究将更加丰富,数字孪生技术与建筑业的结合也将更加紧密。2.2期刊来源分布分别选取载文量位于前五的中外期刊归纳如表1所示。从期刊分布来看,中文文献多在 中国建设信息化智能建筑 等期刊发表;外文文献多在 Automation in Construction Buildings 等期刊发表。国内外关于建筑领域数字孪生的研究文献大多都发表在建筑
9、信息化相关期刊上,这与目前建筑业智能化、数字化与工业化趋势相吻合。2.3研究热点分布本文采用CiteSpace软件对上述在CNKI和WOS数据库中检索到的文献进行关键词共现分析,以确定数字孪生技术在建筑领域的研究热点,如图3、4所示。其次,本文还分别列出了出现频数位于前十的关键词列表,如表2所示。从关键词共现分析和关键词列表中可以看出,国内外关于数字孪生技术应用于建筑业的研究热点大致相图1建筑业数字孪生研究文献处理步骤图2发文量情况表1期刊分布情况期刊名称载文量 占比(%)中文期刊中国建设信息化189.63智能建筑126.42中国勘察设计105.35建筑经济42.14工业建筑31.60外文期刊
10、Automation in Construction2511.21Buildings188.07Sustainability146.28Applied Sciences Basel114.93International Journal of Advanced Manufacturing Technology114.93第 44 卷第 S1 期481同。除去自我指向性的关键词“数字孪生”“建筑业”,出现频数较高的有物联网、BIM、智慧城市、智能建造、人工智能、大数据等,这些关键词一类属于数字孪生应用于建筑业的关键技术,一类属于数字孪生应用于建筑业的具体领域。由此可以说明,目前建筑领域的数字孪生研
11、究集中于智慧城市和智能建造等场景,多采用物联网、人工智能、BIM等技术。此外,关键词出现频数普遍较低,这也反映了目前数字孪生技术在建筑领域的应用并不深入,数字孪生理论研究与实际应用相结合仍有较大进步空间,相关科研机构和人员应深入挖掘数字孪生技术在建筑领域的应用潜力,推动数字孪生应用落地。3数字孪生在建筑业全生命周期的研究现状数字孪生技术能够整合各种信息手段将物理世界与信息世界融合,并通过预测分析等功能提高建筑业生产效率。基于数字孪生技术的功能优势,国内外学者将其应用于建筑业各个阶段。对国内外的相关文献进行系统性综述,梳理数字孪生技术在建筑领域全生命周期的研究现状,有利于建筑领域专家学者对数字孪
12、生技术的研究有一个整体掌握,为进一步研究建筑业数字孪生提供参考。3.1设计阶段工程的设计过程是整个项目的孕育阶段,是对项目全面、详细的规划方案,直接关系到项目预期目标的实现。凭借物理信息融合优势,数字孪生技术对工程项目的设计规划发挥了重要作用。首先,数字孪生技术通过整合周围环境、类似建筑等海量数据并进行算法处理,形成高保真的建筑模型,基于此设计师能够确定大概的设计思路和方案,明确注意事项,从而辅助工程项目进行概念设计。对于建设场景的分析,数字孪生技术可以把GIS与BIM结合,将项目的地理位置、周边建筑、城市交通等数据进行整合与分析,形成拟建项目的虚拟建设场景,从而明确建筑实体的空间方位和外观,
13、建立与周边环境的联系。初步设计完成后,可以通过对数字孪生体进行虚拟验证,判断实际方案与预期方案的差别,不断优化设计,大幅减少设计周期和成本,实现了设计方案风险的及时预测。同时,数字孪生能够使得各专业人员通过数字孪生协同平台进行各个专业内容的方案设表2关键词列表(CNKI和WOS)序号频数中心度年份关键词序号频数中心度年份关键词11150.82018数字孪生11510.992018Digital Twin2130.122020物联网2190.142019Internet of Thing3130.12020智慧城市3130.112020BIM4110.272018建筑业4100.082020Co
14、nstruction Industry5602021智能建造5100.092018Smart City660.082020人工智能690.112020Cyber-Physical System750.042022智慧建筑790.052020Artificial Intelligence850.092018建筑行业890.202020Machine Learning940.012018大数据980.102020Deep Learning1040.042020信息模型1080.032021Industry 4.0图3关键词共现分析(CNKI)图4关键词共现分析(WOS)张勇峰数字孪生在建筑业全生命
15、周期的应用综述建 筑 经 济2023年482计,并在同一张图上进行设计审查,克服了传统设计模式中严格按照专业先后顺序而导致设计周期较长的问题,并且能在施工前严格把控设计质量。最后,可以依靠数字孪生技术实现设计的数字化和动态化表达,并结合VR、AR等技术手段实现设计成果现实表达。由于设计阶段尚未形成工程实体,因此数字孪生技术在该阶段的应用大多离不开BIM技术。BIM技术在可视化、模拟性等方面与数字孪生存在相似之处,如赵强指出,数字孪生的基础是数字模型,核心是数据,BIM技术同样依托数据基础,BIM技术为数字孪生工程提供了全方位实体基础数据的底层支撑。而数字孪生技术与BIM又存在不同,Khajav
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