BIM大咖说：从BIM到数字孪生

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BIM大咖说：从BIM到数字孪生

前言

BIM这个概念兴起于十几年前，几乎伴随于本人整个职业生涯。本人自离开校园和设计院以来，先后就职于几家不同的软件企业，眼看着BIM这一概念从无到有，到今天变成建筑行业几乎人所皆知的一个名词。BIM作为一个新生事物有很多优点自不待言，但这十几年前仆后继的摸索下来，在建筑行业今日仍然难言成功。在这个过程中，业界的态度从起初的怀疑，到投入，再到今日的进一步怀疑：BIM是不是真的能给我们带来价值？为什么制造业已经很成熟的3D技术在建筑业变得困难重重？到底是软件的问题、人的问题，还是其他的问题？

鉴于本人一直是在软件企业打拼，这一系列文章就是想站在软件技术的角度，讨论一下为什么至今BIM软件在建筑业的应用仍不成熟，以及什么样的软件才能在未来取得成功。当然，BIM软件又分为设计、仿真、管理等多种类型，但因为设计是龙头，本文中所说的“BIM软件”如无特别说明都是专指BIM设计软件。

从BIM到数字孪生

在讨论软件技术之前，我们先讨论一个问题：CATIA到底算不算一个BIM软件？如果在十年前提出这个问题，答案应该是“否”。因为当时的CATIA V5版本并不含有建筑相关的信息标准。而在今天，最新的CATIA软件是建立于达索系统的3DEXPERIENCE之上，支持建筑行业的IFC国际标准，完整的包含建筑信息，这应当称得上一个BIM软件了。

然而，如果把今天的CATIA当做一个BIM软件，实在是有大材小用之嫌，因为CATIA （严格来说，应当是基于3DEXPERIENCE的整体解决方案，包括CATIA、DELMIA、SIMULIA、ENOVIA、3DEXCITE等多个品牌，但我们姑且使用CATIA作为代表）的理念不是BIM，而是“数字孪生（Digital Twin）”。那么，这两个概念有何区别呢？了解这个问题，有助于我们思考软件的技术本质，所以本系列文章就从这里正式开始。

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）这一理念提出于2004年。在此之前，3D数字化技术在制造业已经发展了约20年，并被制造业采纳成为普遍的工作方式，但它对建筑行业还是新生事物。出于向先进制造业学习的目的，一些软件工程师开发了专门用于建筑业的3D设计软件（例如ArchiCAD、Revit），并由此产生了BIM这一概念，并逐渐在建筑行业广为人知。然而，经过近二十年的发展，建筑业对3D数字化技术的应用仍然远称不上成功，不仅未能成为普遍的工作方式，离制造业的差距甚至越来越大。造成这种情况的原因是多方面的，但我们必须认识到BIM这一理念（以及传统BIM软件）存在相当的局限性，无法满足普遍性的行业需求。

正如其名称所表示的，BIM是由建筑师提出的，代表了建筑师眼中的数字化建筑。然而，由于现代建筑业日益复杂和专业化，建筑师眼中的建筑其实是不详尽的。举例而言，建筑师会要求在大楼中放置一套电梯系统，但他并不会设计电梯系统的内部结构——这是电梯工程师的职责。类似的，建筑师会提出外立面幕墙的造型和外观效果要求，但他并不会设计幕墙的制造方式和安装细节，这是幕墙工程师的职责。更不要说楼宇智能系统、安保系统等，这些都远远超出了建筑师的能力范围。现代建筑实际上是由多种子系统组成的复杂整体，建筑师负责创建由这些子系统构成的整体体验，但大部分子系统对建筑师只是一个黑盒子，并不掌握其内部细节。各个专业人员也只掌握自己负责的内容，没有人完全清楚整个建筑物的所有细节。这是今日建筑业的现状，和古代建筑工匠一手掌握全局的情况已经完全不同了。那么接下来的问题是：当我们要创建数字化建筑时，需要做到何种程度？

如果BIM只是为建筑师服务，它描述的是建筑师眼中的建筑，其目标是完成建筑师的职责，例如方案可视化、生成图纸、以及解决不同构件/子系统之间的碰撞冲突。这对建筑师是有价值的，但对其他专业人员则是不够的。例如当我们需要对电梯系统进行维修时，传统BIM模型并不包含电梯系统的细节构造以及控制逻辑，因此这种模型对电梯维护人员几乎没有价值。类似的，传统BIM软件也难以处理精细的幕墙构造和各种复杂的智能系统。因此，专业工程师常常感到BIM软件的功能不足，而运维管理人员也经常发现BIM模型并不包含他们所需的全部信息。

图1：某幕墙工程的构造细节

图片来源：美国 SHoP Architects 公司

BIM的另一个局限是它对于建造过程（包括工厂预制和现场安装两个阶段）的关注不够。BIM描述的是建造的最终成果，但建造本身是一个动态过程。建筑师眼中的一个构件（例如一块幕墙面板）可能是由多个零件组成，它们需要分别进行设计、生产、运输，再按照一定的工艺流程进行预装配或者现场安装。建造的方式不仅在很大程度上影响了施工成本，也会影响到最终的用户体验。传统的建筑师并不太关心建造过程，而作为对比，制造业的设计师不仅要设计一个产品的功能和造型，也要设计产品的生产工艺和装配流程。

随着建筑业本身从传统的现场人力劳动迈向预制化、装配化和机械化施工，行业也需要把这些构件/子系统的生产工艺和装配流程纳入到数字化模型中来，形成动态的全过程数字仿真。这种全过程数字仿真不仅包含建筑产品本身，更要把生产设备、施工工艺、人员、工期、质量记录等各种信息包含进来，形成建造过程的完整记录。

图2：使用数字孪生研究施工工艺

图片来源：加拿大 CADMAKERS 公司

BIM的概念也缺乏拓展性。顾名思义，BIM是建筑（building）的信息模型，但什么叫做建筑？船舶的数字模型通常不被认为是BIM，尽管船舶同样提供人居空间。那么桥梁、隧道、铁路、大坝、矿山、工业生产线……这些算是BIM吗？如果认为这些也是BIM，那么BIM软件就应当具备这些专业领域的信息处理能力。但是，传统BIM软件往往是专门针对房屋建筑而开发的，对其它领域的信息处理能力是不具备或者不完善的。举例而言，它们不能创建道路中心线这样的专业对象，也无法定义房屋构件之外的对象类型（例如轨道或者大坝）。

图3：多专业集成的铁路工程数字孪生

图片来源：中国铁路设计集团

而与BIM相比，数字孪生（Digital Twin）理念在本质上具有更先进的普适性意义，因此达索系统（还有其它软件企业）使用这一名词来描述我们的愿景。“Digital Twin”是由美国NASA首先提出的，尽管它没有教科书式的定义，但大致而言，一般认为数字孪生包含以下几层含义：

在数字空间内，使用高度精确的数字模型来描述和模拟现实世界中的事物

将现实世界中采集的真实信息反映到数字模型，使之随现实进行更新

在数字空间内，使用模型和信息进行预测性的仿真分析和可视化

从工作流程来看，数字孪生不仅是建模，还包括全生命期的仿真模拟；而从适用范围来看，数字孪生的理念不是面向建筑这样的特定领域，而是面向整个客观世界，大到宇宙星球，小到分子原子，一切都可以用3D数字化方式进行建模和仿真。通过数字孪生技术，我们可以在虚拟世界中对现实世界进行分析和优化，从而做出更加明智的决策，改善我们所生活的现实世界。正如同建筑业本身是现实世界中的一个环节，建筑业所涉及的数字模型——无论是城市建筑、基础设施还是工业产品，也都是这个虚拟世界中的一环。我们必须以统一的数字化技术和平台来处理现实世界中方方面面的数据和流程，才能真正消除信息的断裂和隔阂。

图4：不同尺寸跨度的数字孪生

由于历史原因，BIM一词在建筑行业已经被广泛使用，这一状况或许难以改变，甚至本文也仍然使用BIM作为主关键词。但我们必须认识到，需要用数字孪生的思想来看待建筑业的3D数字化技术转型。不应局限于传统的建筑师视野，而是把城市、建筑、产品和人员结合起来，实现整个人居环境开发的全流程数字化，才能给建筑业带来全面的数字变革。因此，基于数字孪生理念的达索系统3DEXPERIENCE解决方案在建筑业也必将拥有更大的发展潜力。在本系列文章中，我们会讨论一些具体的技术问题，并展示这些理念如何在软件中体现出来。