基于BIM的数字孪生是智慧园区建设的必由之路

贝正其，贝思伽，王帅

（1.宁波方太厨具有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310007）

近几年，智慧城市的概念频频出现在大众视野中，许多地方政府提出了打造智慧城市的目标，虽然我国的城市化和城镇化建设成绩斐然，然而智慧城市的成功案例并不多，老百姓关心的交通拥堵、停车难、看病难、上学难、就业难等老大难问题似乎并没有得到明显改观。特别是在新冠病毒肺炎疫情出现之后，不少城市在溯源排查、疫情管控过程中仍然采取了简单粗暴的一切刀做法，不仅投入巨大、收效甚微，还导致老百姓怨声载道，主要原因还在于城市建设和管理的智慧化程度不高。可见，打造智慧城市并不是一朝一夕的事，应当从大处着眼做好规划，从小处着手抓好落地。智慧园区是智慧城市的缩影，打造智慧城市必须以建设智慧园区为落脚点。

文章结合方太集团总部园区建设的项目实践，对智慧园区的功能要求、总体框架和技术实现路线做了概括阐述，供业内同行参考。

传统的智能建筑和园区信息化系统普遍存在以下问题：一是各个部门、各个应用系统独立建设，条块分割、结构杂乱、缺乏统一规划和标准，带来的结果是信息孤岛化、碎片化严重，各个部门、系统的数据只能在本系统和有限的范围内使用，很难实现数据融合和共享；二是由于信息系统未实现集约化管理，通常有多个运行管理平台，如自动化办公系统、消防监控系统、楼宇控制系统等往往各成体系，互不相通；三是系统提供的数据展示方式相对单一、枯燥，缺乏立体感、动态感和场景化，数据的运用效果在很大程度上受到个人的专业水平、经验、理解、判断能力和精神状态的影响；四是在数据的采集、传递和处理方面，虽然依靠设备或系统本身的应用软件，能够在一定程度上实现楼宇设备、消防、监控系统的自动调节、能耗分析和自动办公管理等功能，但不具有自我学习、数据融合和转化优化的能力。

园区是由许多不同功能的建筑群所组成的整体，其管理范围不仅包括土木建构筑物，也包括园区内的各种基础设施、管理设施、网络系统和人流、物流、信息流等各种有形、无形的资源。智慧园区的概念，本来并无统一的定义，随着科技的进步，人们对智慧园区的理解也在不断发生变化。笔者认为，智慧园区不同于传统的智能建筑群，也不是智能建筑群的简单复制和叠加，智慧园区的实质是一个综合性的平台，结合当下的技术发展现状，智慧园区应当至少具有以下功能和特点。

智慧园区的所有信息，包括地理信息、建筑物信息、空间信息、环境信息、设备状态信息、能源信息、能耗信息、物流信息、人流信息、交通信息、监控信息、安防信息、故障信息、异常信息等等都需要进行集约化管理，由各个系统将检测、感知、采集到的数据，按照统一的数据标准和协议上传至智慧园区综合管理平台（IOC），实行统一分析、管理、监控、预警和调度。

随着大数据、云计算、虚拟化技术的发展，智慧园区建设必须向着大平台的集中建设部署方式转变，企业的数据化转型和统一数据平台建设也是必然趋势，以往的多平台并行模式将逐渐退出历史舞台。统一的云计算、云存储和综合管理平台的建设和应用，一方面可以加快园区整体信息化建设的步伐；另一方面，可以有效提高信息系统的使用效率；同时，能够将众多应用系统实现数据汇聚、融合、共享，为园区智能分析与决策提供更多的信息保证。

智慧园区应当能够将建构筑物、地下管网、水泵系统、供配电系统、水电气管线、空调机组、暖通风管、电梯设备等的物理位置、空间关系、运行工况和室内外环境温湿度、各种传感器信号、物联网信息等这些本来十分复杂、抽象和枯燥乏味的海量数据进行融合、转化和处理，并利用数字孪生、虚拟现实和CNN卷积神经网络等技术，实现数据的可视化和场景化展现，并以三维、动态、实时方式直观展示。

随着机器人、人工智能、机器学习和DNN深度卷积神经网络技术的发展，智慧园区应当突出其“智慧”能力，智慧园区综合管理平台（IOC）应当不仅具有对各类数据进行融合、分析和协同处理的能力，还要有对数据进行深度发掘和学习的能力，能够利用数据进行跨部门、跨系统的协同联动、快速响应，以及为园区管理者提供决策辅助等。

智慧园区的规划和设计必须从建设、运营直至报废整个生命周期来考虑，不再局限于某个阶段和某个专业领域的建造成本，特别要重视园区整体的运行成本和消耗，运用各种感测和控制技术，通过数据化、平台化、智慧化设计、计算、控制和管理，实现园区各个系统的协同、高效、最优化运行和低碳或零碳排放，这是对智慧园区建设和管理的必然要求。

智慧园区通常是由多领域、多类别、多功能、多级系统构成的庞大信息化系统。它需要处理不同领域、不同类型、不同属性的海量数据，具有内部结构复杂、外部链接多样、开发建设周期长和需要为其他系统提供广泛信息支持和服务等特点，并且后期还需要不断进行优化。因此，做好智慧园区体系构架的顶层设计非常重要，体系构架应达到以下要求：

2.1.1 兼容性

信息化技术发展是一个渐进的过程，当前已经存在很多信息系统，智慧园区需要利用或通过这些信息系统进行数据采集、传输，以实现数据共享、交互。同时，智慧园区建成后并非一成不变、一劳永逸，仍需要持续进行拓展和优化，通常也无法将原有系统推倒重来。因此，智慧园区必须具有对不同系统和不同格式数据的兼容性。

2.1.2 安全性

智慧园区平台存储着各种海量的信息数据，可能涉及国家机密、商业机密以及个人隐私，平台数据的完整性和准确性会对园区的运营、管理和相关方的利益产生直接影响。如果平台受到病毒或者黑客的攻击，导致数据被篡改、破坏或盗取，其后果是不堪设想的。因此，智慧园区平台必须有足够的安全措施来保障平台运行及其数据在传送、存储等所有环节的安全性，保证其不会被不法分子破坏或窃取。

2.1.3 可靠性

智慧园区本身是一个复杂的分布式系统，一旦出现宕机或者数据丢失就有可能造成难以挽回的重大损失和负面影响，因此智慧园区平台（含软件、硬件和网络）必须具备很高的可靠性和稳定性。平台应具有数据自动备份、系统性能监视、故障检测和报警等基本功能，使系统在发生故障时能尽快地得以诊断和修复。

2.1.4 可扩展性

各类园区的开发建设通常需要一段很长的时间，故智慧园区通常是一次性规划并搭建构架，分步进行建设、实施和投运；同时，园区建成后更需要长期稳定运行，而信息技术一直在不断地更新和迭代。在智慧园区的整个生命周期内，随着园区的分步建设和技术的不断进步，会有新的模块和系统需要接入到智慧园区平台中，因此智慧园区的网络结构和系统容量必须具有非常好的可扩展性。

2.1.5 可管理性

智慧园区平台是一个庞大的系统，涉及众多子系统和网络，需要满足不同的应用功能和需求，并实现业务灵活、信息共享和信息安全的统一。智慧园区投入运营后可能涉及千家万户和各行各业，服务对象、用户类型和需求也各种各样，因此，智慧园区平台系统要易于操作和管理，尽量直观、便捷，以便于降低运行维护成本。

传统的园区智能化体系构架自下而上一般分为感知层、通信层、数据层和应用层，以及相应的标准规范体系和安全保障体系。智慧园区在物理架构上与传统园区没有太大的区别，但在系统框架和功能上有很大提升。

智慧园区的感知层包括感知对象、感知单元、传感网络和接入网关这些内容。其中，感知对象一般是指有物理形体的“物”，比如需要监测的建筑、设施、设备、车辆、物品、人，也包括地球表面空间等；感知单元是指具有数据采集功能，用于识别地理位置、物理状态和采集各类数据的设备和网络，包括采集各类物理量、标识、音频、视频数据等的传感器、IC卡、RFID电子标签、摄像仪、扫描仪、手机、智能读写终端等；传感网络是指通过无线通信技术把各种感知单元节点进行组织与结合的网络系统，包括无线传感网、物联网、工业互联网以及其他的传感网，智慧园区传感网络中的每个感知设备都有其特定的通信地址，都可以通信，并可以被控制；接入网关是指使不同协议的网络实现互联通信的设备，也叫协议转换器或网络连接器，负责将感知层接入到通信层中，并进行协议转换、数据转换等工作，具体功能取决于感知层和网络层所采用的具体技术。

智慧园区的通信层是以“宽带、无线、泛在、融合”为特征的一体化智慧网络，要求更高速的通信传输、更便捷的接入方式、更深度的数据融合，还要支持人与机器（或物体）间、物体与机器间以及机器与机器间的通信。根据智慧园区的不同特点，也可以把感知层和通信层合并称为基础设施层。

智慧园区的数据层是智慧园区体系架构中的核心，应当采用云计算的架构模式，通常分为园区数据中心、基础库和云服务三层结构。

智慧园区的应用层主要实现数据的融合、转化和综合应用，包括智慧办公、智慧交通、智慧安防、智慧物管、智慧运营、智慧服务、智慧营销等等。根据智慧园区的不同特点，也可以把应用层分为智慧应用层和融合交互层。

智慧园区的总体构架大同小异，但每个园区的定位、功能和各方面的条件又不完全相同，设计师应当结合园区的需求分析、目标定位和建设理念开展规划和设计。

方太理想城是宁波方太集团于2016年开始规划建设的总部园区，占地450亩，总建筑面积约60万平米，是一个包括总部办公、技术研发、新式营销、展示展览、教育培训、会务接待和生活休憩等功能于一体的综合型智慧园区。在项目建设和园区智能化系统规划之初，就按照智慧园区的要求进行布局，从工程设计开始就应用了BIM技术，并且同步做了物联网系统的基础搭建。图1是方太集团总部园区数字化建设的总体构架示意。它由基础设施层、数据赋能层、智慧应用层和融合交互层组成，同时包括为保障园区智慧化高效运行而建立的安全、运维、建设三个方面的标准规范体系。通过建立包含感知和通信功能，以传感网和物联网为主的信息化基础设施，采集、汇聚数据并接入至数据赋能层的数据分析平台；数据分析平台按照数据的不同应用场景对数据进行归类、清洗和分析处理后，形成各种结构化和非结构化的数据并进行统一存储；智慧应用层可利用经处理、规整后的数据对园区办公、生活、交通、安防和运营等多场景应用提供高效的数据支撑，并通过数据交互平台实现数据的内外部共享与交换；园区综合管理平台（IOC，亦称“园区大脑”）和移动端可实现数据的融合交互和综合运用，如提取园区内关键核心要素做重点呈现和控制调度，系统支持数据的纵向流通，为园区管理参与者提供直观的决策支撑。

图1 某总部基地智慧园区总体技术架构

基于智慧园区的规划定位，方太集团总部园区的信息化系统按照上面的智慧园区总体框架进行了系统搭建和基础设施建设，已于2021年6月建成投入使用。方太理想城智慧园区是一个多层结构组成的系统，图2是园区的网络拓扑示意图。

图2 某集团总部园区网络拓扑示意图

除了常规的综合布线系统、语音通讯系统、计算机网络系统（有线/无线）、室内移动通信覆盖系统、综合安防系统（监控/报警/巡更/安保对讲）、停车场管理系统、一卡通系统（含门禁/考勤/消费/访客及通道管理）、有线电视系统、电子信息发布系统、背景音乐系统、电梯多方通话系统、楼宇自控系统、能耗计量系统、多功能会议系统、综合管路系统、数据机房等子系统之外，方太理想城智慧园区还采用了基于UWB超宽带无线载波通信传感技术的展馆智能语音导览系统、会议室集中管理系统、智能照明系统、远程自动定点拍照系统等一系列功能，如图4、图5、图6所示，通过基础设施层建设、数据交互平台开发和新一代信息化、数字化技术集成应用，实现了园区各类数据的汇聚、转化和融合，并专用光纤和通过互联网与方太第一工业园区、第二工业园区及全国各地分公司、办事处实现了数据共享，基本实现了智慧办公、智慧安防、智慧运维和远程调度等目标。如图3所示的方太理想城的数据机房监控系统，利用BIM数字模型和园区大数据，融入配电系统、UPS电源系统、精密空调系统、消防监测系统、门禁系统以及照明系统等运行参数，通过数字孪生建立了直观动态的监控和运维模型，大大提高了系统的安全性，降低了运维成本。

图3 某总部园区数据机房监控管理系统图

图4 某集团展馆语音导览系统管理监控图

图5 某集团研发大楼能源管理监控图

图6 某集团会议室综合管理系统图

如上所述，与传统的建筑智能化相比，智慧园区在信息集约化、数据平台化、管控可视化、响应智慧化和运行低碳化等方面有了大幅度的提升。与之相应，智慧园区必须同时运用数据采集、通信、网络、计算、存储、数字模型、安全管理等各种信息化、数字化新技术才能实现。在众多功能中，各类数据的融合、共享、智慧化运用和直观可视化展示是智慧园区的最主要特点，而数字孪生技术的应用是其核心。

数字孪生是数字模型对现实物理系统的镜像映射，是一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性，能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段。

对于智慧园区而言，数字孪生的基础是BIM技术的应用。BIM技术在计算机中搭建了现实物理实体的数字模型，利用互联网技术和各类计算机辅助软件，将二维设计图纸转化为三维、直观和动态的立体模型，在园区和建筑规划、设计、施工阶段实现了三维设计与多专业3D设计协同，使得设计图纸不再显得那么抽象、枯燥和难以理解，建筑、结构、电气、给排水、暖通、智能化、装修、幕墙、市政、景观等不同专业之间也不再需要为设计图纸彼此割裂、互相碰撞而烦恼。该种设计方式所产生的设计成果简单直观，使设计、审核、建设、施工、监理、使用各方之间的交流变得方便，可消除因理解偏差而导致的沟通障碍。

在设计阶段，利用BIM技术，不仅可以大大提升设计效率，减少甚至避免设计差错，实现设计最优化，还能在设计阶段就对园区的总体建造成本进行精确测算和评估；在施工阶段，利用BIM技术，加入时间参数后能进行全过程施工模拟、生成动态的BIM模型，并借此验证和优化施工组织设计、优化施工现场布置方案、优化施工进度安排和人、材、物等资源的采购和配置计划等等，还能进行现场施工作业安全隐患查找、应急方案设计和模拟演练等；利用BIM模型，结合造价软件和价格信息，能够实现工程量的自动归集和生成工程造价计算模型，使得成本预算和控制也变得简单、直观和方便。

园区运维是园区全生命周期的一个重要环节，占了园区全生命周期90%以上的时间。据资料显示，在建筑全生命周期中，设计、建造、运维各阶段的投入比为1∶50∶2 500，各阶段的能耗比为1∶200∶9 800，可见运维阶段智慧管理十分重要。在运维阶段，以建设阶段的BIM模型作为底层数字模型支撑，叠加智慧园区的大数据应用，将各种传感器采集的环境数据、设备系统运行工况数据与BIM数字模型结合，能实时生成或导出当下的园区数字化模型及其数据，可实现智慧园区的全生命周期数字孪生，使得智慧园区的运维管理也变得简单、直观、高效。

智慧园区的功能十分强大，但不是依靠单一技术能够实现。为了实现园区智慧化，除了运用互联网、无线网、5G、大数据、云计算、云存储、VR、AR和人工智能技术外，还必须集成IOT物联网、GIS地理信息和BIM建筑模型等技术。

BIM技术解决的是数据模型化、三维可视化问题，只有在BIM的基础上集成现代传感技术、通信技术、大数据和云计算等其他信息技术，通过对实现园区的各类数据采集、汇聚并与BIM模型融合后，才能实现真实的园区数字孪生。技术集成度越高，数字孪生的精细度、真实度也越高，园区的智慧化功能也能得到更多的拓展和提升。比如，IOT物联网技术解决的是物与物、物与机器之间的数据采集、传递和交换问题，BIM + IOT可实现万物互联，这对园区建设阶段的物料管理、建成后的智慧运营和管理是必不可缺的。又如，BIM + 三维激光测量技术，可以实现远程测量、检查、验收、评审和实时化记录，大大提升管理水平和效率，节省管理成本和时间。再如，GIS地理信息技术解决的是地球表面、地理空间的数据采集、传递和交换问题，BIM + GIS可提高建筑与周边环境的融合性，可助力园区生态化、低碳化，这对智慧园区的规划设计、建设和基础设施运维是十分重要的。还有，通过BIM与传感技术、泛在网通信技术、GIS和IOT等技术集成，系统能自动综合能耗大数据，结合设备系统配置、实时能耗数据和环境参数积累，实现全天候的能源优化管理，等等。

以方太理想城的综合耗能监控为例，当园区数据交互平台将采集的气象预报、当前天气、阶梯电价、峰谷电价、当前的建筑状态、设备运行工况等数据汇聚，与园区BIM数据模型进行即时融合，并与园区各楼宇、场馆的使用计划、楼宇设备的能耗需求和生产线的运作计划等数据共享，经过园区大脑的智慧化分析、运算、处理后，不仅可以动态直观化展示的园区各系统的运营状态，并能实时对园区各功能子系统发出指令，进行优化调度。

智慧园区建设，不是建筑智能化的简单复制和叠加，必须集成泛在网、大数据、云计算、云存储、IOT物联网、GIS地理信息、BIM建筑模型和AI人工智能等多项先进技术，其中基于BIM的数字孪生技术的应用是关健。在建设“数字化中国”的浪潮下，随着数字孪生、虚拟现实、人工智能等技术的进一步发展，智慧园区建设必将驶上快车道，并将催生出真正意义上的智慧社区和智慧城市。