同济大学/第5章 数字建筑学的生产流程/5.1.2 数字孪生

梳理了数字孪生（Digital Twins）的起源、核心概念、技术发展层级，以及在建筑智能建造与全生命周期管理中的虚实融合应用与前沿实践。

一、 数字孪生的概念起源与核心定义

• 概念起源：数字孪生（Digital Twins）的概念最早由美国密歇根大学（University of Michigan）的 Michael Grieves 教授于 2003 年在其 PLM（产品生命周期管理）课程中引入。2014 年，他在白皮书《Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication》中对其进行了详细阐述，如今该概念已成为智能制造领域的热点。
• 核心定义：数字孪生表达了虚拟空间中的数字虚拟事物与物理空间中的实体事物之间精准的映射关系，体现了虚实之间更高水平的共生关系。它主要包括三个核心内容：
  1. 真实空间中的物理实体。
  2. 虚拟空间中的虚拟模型（在计算机中利用数字、统计、图形等逻辑规则进行仿真得到的模型）。
  3. 连接两者的数据与信息通道，使虚拟模型与物理模型通过通信耦合在一起。

二、 数字孪生发展的四个层级

数字孪生的演进过程体现了数字模型在不同阶段所扮演的角色：

1. 模型的映射：建立物理对象的虚拟映射。
2. 监控与操纵：在虚拟模型中实时反映物理对象的动态变化。
3. 诊断：当发生异常情况时，通过虚实关联寻找根本原因。
4. 预测：基于模型预测潜在风险，合理规划产品和设备的维护。

三、 计算机仿真（CAx）与信息学的并行演进

数字孪生的发展与计算机辅助 CAx 软件及仿真技术的发展休戚相关，本质上是用软件来模仿和增强人类行为：

• CAx 软件的分支演进：
  • 绘图软件：最早模仿人类在纸面画图的过程。
  • CAD：用于描述建筑的形式、外观及结构。
  • CAE：模拟产品在各种物理环境下的力学性能。
  • CAM：模拟零部件、夹具在加工过程中的路径和轨迹。
  • CAPP：模拟工艺过程。
  • CAT：模拟产品的测量与测试过程。
• 信息界对人脑思维的模拟：最早的模拟是模仿人脑思维方式。冯·诺依曼体系结构将运算、存储、控制分立进行，而人脑是运算、存储和控制一体化的。为了克服硬件限制，学者们致力于开发更优的算法与更快的芯片（如神经突触芯片），这种对人脑思维的模拟也催生了人工智能学科的分化与诞生。

四、 建筑全生命周期中的数字孪生

• 媒介与反馈回路：在建筑学中，数字孪生将虚拟空间和物理实体相关联，不仅能通过三维渲染图等中间媒介指导数字化建造，还能在建筑全生命周期中将物理世界发生的一切实时反馈到虚拟信息空间中，保持双向的反馈回路与一致性。
• 技术支撑体系：数字孪生的完全实现，需要信息采集、数据挖掘、信息可视化、智能建造技术以及人工智能等庞大虚实技术体系的支持。例如 2012 年好奇号火星探测器在研发中便使用 PLM 软件，在虚拟世界中仿真火星重力场和太阳辐射等环境。
• 混合现实（MR）的赋能：AR、VR、MR 与物联网技术的融合重塑了空间认知。在工程实践中，混合现实是最受期待的媒介：
  • 工程投标与方案比选：业主与投标人共同佩戴全息眼镜浏览预存的建筑模型。
  • 管线综合与施工模拟：施工单位在管线施工前将多套方案集成在眼镜中，业主可迅速确定最终方案，并能通过全息影像按次序显示构件来模拟施工过程。

五、 智能建造中的数字孪生前沿实践

1. “云庭”空间 3D 打印项目

• 设计与建造的重新定义：由同济大学 DDRC 团队与意创科技合作完成。
• 技术路径：该项目采用机器人空间打印工艺，利用三维虚拟网络化模拟方法，用类网络的空间网架系统代替了物理实体打印，极大减轻了自重并优化了结构性能。
• 离散化组装：通过离散化手段处理预制构件的组装，在计算机中将展亭表面划分为 8000 多个三维曲面 UV 单元格，通过结构受力分析将这些单元格映射在五种基本路径单元上，生成反映受力特征的离散化构件进行实际建造。

2. 11 米跨度金属 3D 打印拱桥（2018 年）

• 力学与拓扑优化：同济大学 DDRC 团队以受压拱形作为整体形式。首先利用力学模拟软件 C group 完成数字模型的拱形，随后采用拓扑优化（突优化）技术和算法对体量进行模拟迭代优化，以确定最终的打印形式。
• 实时视觉反馈控制：预先由代码组成的数字模型在赛博空间中进行构建仿真，并将参数传递给实际的机器人运动控制系统。在打印过程中，通过金属 3D 打印机器人的视觉功能，实时反馈并调整机器姿态，优化焊接参数组合，最终实现了金属实体框架的连续焊接。

3. 结构性能化金属 3D 打印椅（2019 年）

• DDRC 团队继续深入金属三维打印在结构领域的应用，采用信息技术对打印椅子的结构性能与舒适度等进行了数字化定义和建模，并基于数字孪生对物理实体进行了仿真分析与优化，实现了用尽可能少的材料来完成技术支撑结构的打印工作。

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