基于BIM技术的数字化孪生体系的详情分析

伴随着信息时代的来临，各类层出不穷的新技术定义也不断问世，其中在工程建筑行业中，数字孪生便是在BIM技术广泛运用下的其中一个十分关键的物联网新技术。下边让我们详尽了解一下数字孪生是一个怎样的定义，及其它与BIM技术都有怎样的关联。
一、从BIM迈进数字孪生
在探讨软件技术之前，大家先探讨一个难题：CATIA是否算一个BIM软件？假如在十年前提出这个问题，回答应该是“否”，由于那时候的CATIAV5版本并不带有工程建筑有关的信息内容标准。而在今天，全新的CATIA软件是根据达索系统的3D感受服务平台之上，适用建筑业的IFC国际标准，详细的包括工程建筑信息内容，这理应称之为一个BIM软件了。然而，如果把今日的CATIA作为一个BIM软件，确实是有屈才之嫌，由于CATIA（严格意义上来说，理应是根据3D感受服务平台的总体解决方法，包含CATIA、DELMIA、SIMULIA、ENOVIA、3DEXCITE等好几个知名品牌，但大家暂且应用CATIA做为代表）的核心理念并不是BIM，而是“数字孪生（DigitalTwin）”。那么，这两个定义有什么差别呢？掌握这个问题，有利于大家思索软件的技术实质，因此本系列产品文章内容就从这儿正式开始。
BIM（BuildingInformationModeling，工程建筑信息内容实体模型）这一专有名词明确提出于2002年。在这以前，3D数字化技术在加工制造业早已发展了约二十年，并被加工制造业采纳变成广泛的工作方式，但它对建筑业还是新鲜事物。出自于向高端装备制造学习的目的，一些软件技术工程师开发设计了专门用以建筑行业的3D设计方案软件（如ArchiCAD、Revit），并从而造成了BIM这一定义，并慢慢在建筑业广为流传。殊不知，历经近二十年的发展，建筑行业对3D数字化技术的运用依然远称不上取得成功，不但无法变成广泛的工作方式，离加工制造业的差距甚至越来越大。造成这类状况的原因是各个方面的，但大家务必了解到BIM这一核心理念（及其传统式BIM软件）存有相当的局限性，不能满足客观性的制造行业要求。
如同其名字所表明的，BIM是由建筑设计师明确提出的，代表了建筑设计师眼里的数字化工程建筑。殊不知，因为当代建筑行业日渐繁杂和系统化，建筑设计师眼里的工程建筑实际上是不详细的。举例来讲，建筑师会规定在大厦中置放一套电梯轿厢系统，但他并不会设计电梯轿厢系统的内部构造——它是电梯轿厢技术工程师的岗位职责。相近的，建筑师会明确提出建筑立面建筑幕墙的造型设计和外型实际效果规定，但他并不会设计建筑幕墙的生产制造方法和安装关键点，它是建筑幕墙技术工程师的岗位职责。更不要说房屋智能控制系统、安全保卫系统等，这些都远远地超过了建筑设计师的工作能力范畴。现代主义建筑事实上是由好几个子系统构成的繁杂整体，建筑设计师承担创建由这些子系统组成的整体感受，但绝大多数子系统对建筑设计师仅仅只是一个黑盒子，并不了解其內部关键点。每个技术专业工作人员也只清楚自己承担的內容，没人彻底清晰全部房屋建筑的所有关键点。它是今天建筑行业的现况，和古建筑匠人一手掌握全局性的状况早已彻底不一样了。那么接下来的难题是：在我们要建立数字化工程建筑时，必须做到哪种水平？
假如BIM只是为建筑设计师服务，它描述的是建筑设计师眼里的工程建筑，其目标是进行建筑设计师的岗位职责，比如计划方案数据可视化、生成工程图纸、及其处理不同预制构件/子系统之间的碰撞矛盾。这对建筑设计师是有使用价值的，但对其它技术专业工作人员则是不足的。比如在我们必须对电梯轿厢系统展开检修时，传统式BIM实体模型并不包含电梯轿厢系统的关键点结构及其操纵逻辑性，因而这类实体模型对电梯轿厢维护保养人员基本上没有使用价值。类似的，传统式BIM软件也无法解决细致的建筑幕墙结构和各类繁杂的智能控制系统。因而，技术专业工程师经常觉得BIM软件的功能不够，而运维管理人员也常常发觉BIM实体模型并不包含他们需要的所有信息内容。

BIM的另一个局限性是它针对建造过程（包含加工厂预制构件和现场安装两个阶段）的关注不足。BIM叙述的是建造的最后成效，但建造自身是一个动态性过程。建筑设计师眼里的一个预制构件（比如一块建筑幕墙控制面板）可能是由好几个零件构成，他们需要各自展开设计、生产、运送，再依照一定的生产流程展开预装配或现场安装。建造的方法不但在极大水平上影响了工程施工成本费，也会影响到最后的客户体验。传统式的建筑设计师并不太关注建造过程，而做为对比，加工制造业的室内设计师不但要设计一个商品的功能和造型，还要设计产品的生产工艺流程和安装步骤。伴随着建筑行业自身从传统式的现场人力资源劳动者迈进预制构件化、安装化和机械化施工，制造行业也必须把这种预制构件/子系统的生产工艺流程和安装步骤列入到数字化实体模型中，产生动态性的全过程数字模拟仿真。这类整个过程数字模拟仿真不但包括工程建筑产品自身，更应把生产线设备、施工技术、工作人员、施工期、品质记录等各类信息内容包括进去，形成建造全过程的详细记录。

BIM的定义也欠缺扩展性。说白了，BIM是工程建筑（building）的信息内容模型，但什么叫做工程建筑？船只的数字实体模型一般 不被认为是BIM，虽然船只一样出示人居空间。那么公路桥梁、隧道施工、铁路线、水坝、矿山开采、工业生产线……这种算作BIM吗？假如觉得这种也是BIM，那么BIM软件就理应具有这种专业领域的信息资源管理工作能力。可是，传统式BIM软件通常是专门针对建筑物而开发设计的，对其他行业的信息资源管理工作能力是不具备或不健全的。——举例来讲，许多BIM软件不可以建立道路中心线这样的技术专业对象，也无法定义房子预制构件以外的目标种类（如路轨或水坝）。

与BIM对比，数字孪生（DigitalTwin）核心理念在实质上具备更优秀的普适性实际意义，因而达索系统（还有其他软件公司）应用这一专有名词来叙述我们的企业愿景。“DigitalTwin”是由美国NASA最先明确提出的，虽然它没有教科书式的界定，但大体来讲，一般认为数字孪生包括下列多层含意：
1）在数字空间内，应用高度精准的数字实体模型来叙述和仿真模拟现实世界中的事物
2）将现实世界中收集的真正信息内容体现到数字实体模型，使之随现实展开升级
3）在数字室内空间内，应用实体模型和信息内容展开预测性的模拟仿真剖析和数据可视化
从工作流程来看，数字孪生不但是建模，还包含全生命周期的模拟仿真；而从应用领域来看，数字孪生的核心理念并不是朝向工程建筑那样的特殊行业，仅仅只是朝向整个客观世界，大到宇宙星球，小到分子原子，一切都能够用3D数字化方法展开建模和模拟仿真。根据数字孪生技术，我们可以在虚幻世界中对现实世界展开剖析和提升，进而作出更为明智的管理决策，改进大家所生活的现实世界。正如同建筑行业自身是现实世界中的一个阶段，建筑行业所涉及到的数字实体模型——不论是城市建设、基础设施建设还是工业产品——也都是这一虚幻世界中的一环。大家务必以统一的数字化技术和服务平台来解决现实世界中各个方面的数据信息和步骤，才可以真正清除信息的破裂和隔阂。

因为历史缘故，BIM一词在建筑业已经被普遍应用，这一情况或许无法更改，甚至文中也依然应用BIM做为主关键字。但大家务必了解到，必须用数字孪生的观念来对待建筑行业的3D数字化技术转型发展。不可局限于传统式的建筑设计师视野，仅仅只是把大城市、工程建筑、产品和工作人员融合起来，完成整个环境卫生开发设计的全步骤数字化，才可以给建筑行业带来全方位的数字转型。因而，根据数字孪生核心理念的达索系统“3D体验”解决方法在建筑行业也终将有着更大的发展前景。在本系列的后边几段文章内容，我们会探讨一些更实际的技术难题，并展现这种核心理念怎样在软件中体现出来。
二、3D建模的关键技术
2.1 3D软件的建模体制
即然BIM是以3D数字实体模型为信息内容媒介，那么从理论上说，出色的BIM设计软件就理应具有精确的3D建模工作能力，这好像是一项合理的规定。然而让人诧异的是，客观事实并不是这样，几乎所有的传统式BIM软件也不具有这样的工作能力。为何这么说呢？我们必须先详细介绍一点电子计算机图形学的基础知识：
在电子计算机软件里，叙述3D几何图形的优化算法能够分成两类：网格建模和曲面建模。前面一种是用网格模块（包含三角形、四边形、不规则图形等）去线性拟合几何形体，后面一种是用数学语言去精准叙述各类曲面形体。（能够类比于3D的光栅图和矢量图片，这两个定义不清楚的请自主百度搜索，无需多言了。）两大类优化算法在实质上迥然不同，在实战演练中各有好坏。

网格图建模的优点是优化算法简单、处理速度快，而缺陷是不够精准，因而常用于对处理速度规定较高、而准确性规定不太高的场所，尤其是各类视觉效果3D渲染、影视特效制作、网络游戏等。在这种场所中，网格建模的一大优点是能够根据合并三角形来降低其总数，进而提升测算特性（三角形越少则精密度越低、速率越快）。玩家们通常对这一点深有感触——初期3D网络游戏中的人物模型常常能够看出明显的三角面块，而伴随着电脑性能的改进，新游戏中这类状况已经基本消失。在BIM行业，许多所谓的“实体模型轻量化”软件本质上全是把实体模型变为三角网，随后根据降低三角形总数来缩小实体模型。这类作法对提升显示信息速率是合理的，但成本是实体模型精密度的减少，因而轻量化以后的实体模型只能用以数据可视化，而不可以用以工程项目修建。另外，在建筑专业中，网格建模的另一个关键运用场所是数字地形模型，由于地形模型的特性刚好是信息量极大而准确性规定较低，因而几乎所有的数字地貌解决软件都是应用网格优化算法来表述地形模型。
因为网格建模的准确性差，追求完美精准的工程项目软件（尤其是在加工制造业）不会用它来描述设计方案目标，而是应用曲面建模。然而，如果只是是用数学语言描述正方体、圆柱那样的标准形体那还好说，如果要用数学语言描述轿车、飞机场的外观设计，就不是一般人能够轻轻松松做到的了。在工程项目行业，描述这类随意曲面的公认最好方法是NURBS优化算法（NURBS=非匀称有理化样条曲面），它应用严苛的数学函数来描述曲面，因而不管怎样变大都能维持精准和连续，它是网格建模没法完成的。自然，除开NURBS以外也是有其他的数学算法（比如Hermite），但都比不上NURBS出色，因而在国际标准化组织（ISO）施行的工业品数据传输规范（STEP）中把NURBS做为界定工业品几何图形样子的唯一数学方法。NURBS曲面有很多优势，但对它的解决需要非常精湛的数学基本功，并不是所有软件企业都能保证这一点。一些擅长数学的软件企业能够自己开发设计建模模块，而那些数学不好的软件企业就只有根据他人的建模模块来构建自身的设计方案软件。这就造成了“内核”这一定义，由于3D软件的建模模块就如同电脑里的CPU，是其最重要的核心。在BIM江湖中，紧紧围绕核心技术的血雨腥风明争暗斗能够单独写一篇文章，文中也不详细介绍这些历史掌故，只是从技术视角剖析一下几个常用软件。
2.2 工程建筑软件的建模技术
首先看两款常用的中小型建模软件。SketchUp是一款典型性的网格建模软件，它虽说便捷实用，但并不精准，尤其是涉及到曲面造型设计的情况下就很不给力。因而，SketchUp只能用以工程建筑概念方案，而不适合于建筑工程设计。与之相比，Rhino以十分精巧的独立核心完成了灵便、精准的NURBS曲面建模。虽然Rhino在实体建模等层面存在的问题，也不是一个真实的BIM软件（因为它不具有工程建筑信息化管理作用），但它不但能够用以工程建筑的曲面造型设计，甚至在一定水平上能够担负一些建筑工程设计的任务。当然，更强的方式是把Rhino转化成的NURBS曲面精准导到CATIA等高级软件展开施工图设计。
再看一下建筑业的软件巨人Autodesk。大家都知道，Autodesk企业的产品系列很广，但它的几款软件数据类型不尽相同，造成在Autodesk的不同软件之间互换数据信息的情况下都经常损失信息内容。为什么会有这类状况呢？原因是Autodesk的许多软件（包含3dsMax、Revit、Navisworks等）全是收购来的，并不是Autodesk原生态开发设计的，因而从一开始就各自选用不同的3D核心。
就Revit来讲，它是Autodesk在2003年收购的，其3D核心也不是Autodesk原生态开发设计的。虽说Autodesk的产品文档中并没有表露多少有关Revit核心的技术关键点，但在维基百科中提及，Revit并不是一个NURBS建模专用工具。在RevitAPI官方文档中也有表明，Revit适用的FaceType不包括NURBSFace，而只包含一些简易曲面（如圆上，但不包括球面）和HermiteFace。因而，它在曲面解决层面产生一些难题。比如，我们在Revit中建立一个半经为1的圆球，能够很明显见到这一圆球并不是光洁的，只是好像由几个面块拼凑起来。而一样半经为1的圆柱就没有出现这样的难题，这是由于Revit核心支持圆柱面而不支持球面。

更隐蔽的难题是，如果你把Rhino软件建立的NURBS曲面导到Revit，表面上好像能够导入，事实上会出现误差，这是由于两款软件核心采用的数学算法不一样。如下图所示：

从上边的剖析中我们可以看得出，Revit的3D核心只合适叙述平面形体和圆柱等简易几何图形，而不适合球面和NURBS曲面。值得一提的是，因为Revit核心优化算法的局限，造成它对曲面目标的实际操作存有诸多限定，比如你难以在曲面上展开精准的几何图形精确测量，也不可以在一些曲面实体之间展开布尔运算。因此 许多客户都有觉得，如果是对于四四方方的一般工程建筑、绘制传统的工程图纸，Revit的建模精密度尚可接纳；但如果涉及到繁杂曲面，Revit就心有余而力不足了。另外，Revit的预制构件实体模型也不适合预制构件生产加工，由于生产制造环节模型拟合精密度有更高的规定。
2.3 土木工程软件的建模技术
土木工程软件对数学算法的规定远比工程建筑软件更高。一方面是由于土木工程（比如铁路线、水坝、隧道施工）中存有大量的曲线/曲面，更关键的是，土木工程师常常要跟地貌相处，因而就必须解决模型设计和地形模型之间的互动。不论是平整场地、水坝基坑开挖、路面护坡、隧道施工洞口，都牵涉到护坡测算难题，其实质是要在人力设计方案的几何图形实体与自然地貌之间展开布尔运算。从土木工程师的视角来看，这一要求是比较简单清楚的，但对软件技术工程师而言，这却是一个超级难点，由于模型设计（几何曲面）和地形模型（大型网格面）分别是用两大类不同的建模体制描述的。
在大型3D软件中，为了能融入不同的需求情景，通常具备不止一种建模体制，只是以一套体制主导，融合其他体制做为辅助。比如Autodesk企业的Civil3D软件是依托于AutoCAD服务平台独立开发设计的，它具有曲面（实体）建模工作能力，也同时具有网格建模优化算法。然而，一旦需要在二者之间展开布尔计算，难题就出现了。Civil3D没法很好的处理这个混合运算难点。因而，在Civil3D软件中，并不是用NURBS曲面转化成路面和坡度，只是用网格面来转化成这种模型设计，进而把坡面测算难题统一简化成网格面之间的计算。这类作法的益处是逃避了混合运算的难点，缺陷则是放弃了设计的准确性和可信性。如果是使用过这款软件的人，都能够很直观见到它修建的路面和坡面实体模型并不是连续曲面，只是按特定间隔建立离散变量的横断面，随后像皮皮虾般一节节相互连接，与真实的世界相差甚远。那样的实体模型在微小繁杂的地方就非常容易形成问题，脚手架计算也不够精确。同时，应用Civil3D的网格面也难以进行公路桥梁、隧道施工等构造物的建模，因而Autodesk又在Revit上面出示了公路桥梁建模专用工具，但依然不能摆脱其曲面能力不足的技术局限性，反倒又产生了不同软件之间的数据集成难题。
接下来看一下Bentley公司以MicroStation为服务平台的一系列设计软件。从表层上看，MicroStation具备一定的高级曲面造型设计能力，而且曾经在一些繁杂工程建筑中获得运用。可是，MicroStation的高级3D建模核心并不是自主研发的，而是应用西门子的Parasolid技术。这并不是什么秘密，而是清晰地写在Bentley公司网站上：

上边的贴子来源于Bentley中国社区论坛。它和另一个贴子“MicroStation中应用的三维技术”明确告知大家，MicroStation同时具有几类不同的建模技术：
1）网格面（Mesh元素）：关键用以地形模型
2）简易3D实体（Solid元素）：Bentley独立技术
3）高级3D实体（ParametricSolid等元素）：应用西门子的Parasolid技术
尽管大家不了解MicroStation内部的完成方法，但从软件制造行业的开发设计经验来看，因为Bentley并不掌握Parasolid关键技术，这很可能会对MicroStation平台上的技术专业软件开发设计造成影响。尤其是牵涉到高级3D实体的一部分，就在于Parasolid是否出示需要的API。此外，与AutoCADCivil3D类似，Bentley很可能也没有处理这一至关重要的问题：怎样在网格面和Parasolid这两大类不同实体之间展开布尔计算。因而，在BentleyOpenRoad软件中采用了与Civil3D同样的做法，用网格面来生成路面和坡面。它的路面实体模型和Civil3D同样，都是用网格面联接而成，并不是真实的曲面，这一点也大幅度降低了Bentley商品在建筑专业中的使用价值。与Autodesk不一样的是，Bentley的公路桥梁软件OpenBridge与路面软件OpenRoad都依托于MicroStation平台，因而二者之间的集成化要好于Autodesk。但与CATIA对比，Bentley商品的高级曲面建模工作能力、高级参数化设计建模工作能力都有一定的不足。下图左边是BentleyOpenRoad创建的路面实体模型，右边是CATIACivilEngineering创建的路面实体模型。能够 清楚的看得出两种软件的建模方法不同，实际效果也是有极大差别。

2.4 CATIA软件的建模技术
达索系统的CATIA软件具有业内顶尖的3D建模模块，而且是完全独立开发设计的。与传统式BIM软件对比，CATIA在3D技术上的优点体现在下列好多个层面：
（1）CATIA适用精准的NURBS曲线和曲面，因而不管规格占比怎样，都能够得到 精准、连续的几何图形信息内容。
（2）拥有精准的空间曲线，就可以将其做为框架线展开参数化设计建模。比如下图中，每一个预制构件模块都应用同一条框架线展开精准定位；一旦调节框架线，所有有关的预制构件都随着自动更新。

（3）参数化设计预制构件不但可以用框架线操纵，还能够依据公式计算和关联主要参数展开测算。比如依据A预制构件的某一特性测算出的值，做为B预制构件的某一规格输入。这给客户提供了强大的参数化设计操纵和协调能力。
（4）在面向土木工程行业的CATIACivilEngineering最新版中，既能以NURBS曲面转化成模型设计，也能以不规则图形网格面转化成数字地形模型。更关键的是，CATIA依托于强劲的数学基本功完成了曲面建模和网格建模之间的混合运算，从源头上解决了坡面测算难题。在CATIACivilEngineering中，大家不但能够 转化成连续光滑的3D道路中心线，还能够转化成同样连续光滑的曲面做为道路的地面和坡面，随后依托于布尔计算求出坡面与地貌之间的交界处，及其土方挖填容积。这样一来，设计方案的品质更高，工程量清单也更为精确。混和建模技术给土木工程的3D数字化设计方案出示了更为宽阔的空间。
三、结语
为何文中花了这么多篇幅探讨3D核心难题？因为核心从实质上决策了一款软件的几何建模工作能力。假如一款软件自身不具有精准描述3D几何图形的工作能力，这是做为使用人的客户不管怎样努力都无法弥补的。传统式BIM软件主要是面向常规工程建筑、处理工程图而不是生产制造难题，因而通常应用相对简易的优化算法，建立简单化的3D实体模型——这针对传统式BIM运用也许就足够了。但针对面向数字孪生的软件而言，其总体目标是为现实世界中的事物建立精确靠谱的数字孪生，因而务必具有更为强大的3D核心。工程建筑与土木工程行业的客户也许也有必要思索：自身的总体目标是用软件进行传统式的工作目标，还是为了能迎来建筑产业化、数字化转型发展？随后再依据自身的总体目标挑选具备适合核心工作能力的3D软件。