鄔 櫻 李愛群

(1.北京建筑大學(xué)理學(xué)院, 北京 100044; 2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044;3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

0 引 言

數(shù)字孿生(Digital Twin)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型,借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為,通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段,為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù),數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程,發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用,提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)[1]。

數(shù)字孿生理念最早由美國(guó)密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯(Michael Grieves)教授提出,后用鏡像空間模型和信息鏡像模型進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡釋,并經(jīng)邁克爾·格里夫斯多次修正后終在其著作中正式確立了“數(shù)字孿生”的表述;與此同時(shí),美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和美國(guó)空軍聯(lián)合提出了面向未來飛行器的數(shù)字孿生范例,即飛行器數(shù)字孿生概念;美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)引入數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于預(yù)測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的概念模型,而后在NASA發(fā)布的信息技術(shù)和處理路線圖中正式使用了“數(shù)字孿生”一詞[2-5]。隨即數(shù)字孿生演變?yōu)橐环N新的釋義,已逐漸成為全球數(shù)字化發(fā)展關(guān)注研究的熱點(diǎn)技術(shù),近些年來持續(xù)向智能制造、智慧城市與智能建筑等城市高質(zhì)量發(fā)展方向提級(jí)拓展。城市為數(shù)字孿生提供了豐富的潛能挖掘與技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景,而數(shù)字孿生為認(rèn)識(shí)宏觀城市物質(zhì)空間更新和微觀社會(huì)時(shí)空脆性環(huán)境的多向度柔性化重構(gòu)提供了全新視角。

我國(guó)城市發(fā)展已進(jìn)入城市更新的重要時(shí)期,由過去大規(guī)模增量建設(shè)向存量的提質(zhì)改造和增量的結(jié)構(gòu)調(diào)整并重轉(zhuǎn)變。2019、2020年《中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議》[6-7],2021、2022年《政府工作報(bào)告》[8-9]和《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》[10]都明確提出實(shí)施、有序推進(jìn)城市更新行動(dòng)內(nèi)容。值得注意的是,上述文件在重申城市更新的同時(shí)均重點(diǎn)提及了加快數(shù)字化改造,加強(qiáng)數(shù)字中國(guó)建設(shè)整體布局等要點(diǎn)。城市更新與數(shù)字化發(fā)展重要性都提到了前所未有的高度。因此基于當(dāng)前加快數(shù)字化改造背景下,有必要圍繞城市更新開展數(shù)字孿生理論架構(gòu)、技術(shù)應(yīng)用、場(chǎng)景構(gòu)建等研究工作,力求盡快形成覆蓋城市更新時(shí)空延性、基礎(chǔ)共性和機(jī)制柔性的城市更新數(shù)字化轉(zhuǎn)型與城市現(xiàn)代化治理生態(tài)體系。讓城市更聰明一些、更智慧一些,以數(shù)字孿生技術(shù)為數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵核心要素,分圈層差異化創(chuàng)新引領(lǐng)城市更新的有序推進(jìn)。

1 數(shù)字孿生城市(DTC)在城市更新場(chǎng)景構(gòu)建中的應(yīng)用

1.1 數(shù)字孿生城市與城市更新

國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要與《“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃》[11]明確提出探索建設(shè)數(shù)字孿生城市,《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》[12]提到要因地制宜構(gòu)建數(shù)字孿生城市?！逗颖毙郯残聟^(qū)規(guī)劃綱要》[13]提出堅(jiān)持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè),適度超前布局智能基礎(chǔ)設(shè)施,推動(dòng)全域智能化應(yīng)用服務(wù)實(shí)時(shí)可控,建立健全大數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系,打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市,并在隨后的官方解讀中,提出了“數(shù)字孿生城市”的表述[14]。近年來,作為國(guó)內(nèi)城市更新發(fā)展起步較早地區(qū),北京市“十四五”規(guī)劃明確提出建設(shè)數(shù)字孿生城市,上海、江蘇省、廣東省也都相繼發(fā)布了建設(shè)數(shù)字孿生城市(Digital Twin Cities,DTC)的規(guī)劃方案,數(shù)字孿生城市已然成為賦能城市更新轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要演進(jìn)方向,助推城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化的新引擎。

數(shù)字孿生城市是指通過構(gòu)建城市物理世界與網(wǎng)絡(luò)空間一一對(duì)應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜系統(tǒng),在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)與物理世界中的城市匹配、對(duì)應(yīng)的孿生城市。數(shù)字孿生城市是基于3S空間信息技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),人工智能技術(shù),三維模型,建筑信息模型以及城市智能模型等多種技術(shù)構(gòu)建起來的新型智慧城市。數(shù)字孿生城市需要通過這些技術(shù)來創(chuàng)建一個(gè)虛擬的智慧城市[15-16]。構(gòu)建數(shù)字孿生城市,將極大改變城市面貌,重塑城市基礎(chǔ)設(shè)施,實(shí)現(xiàn)城市管理決策協(xié)同化和智能化,確保城市安全、有序運(yùn)行;數(shù)字化轉(zhuǎn)型為城市更新提供了全新思路與方案,是全方位、立體化的城市更新[17-18]。數(shù)字孿生城市可廣泛應(yīng)用于市政交通、管網(wǎng)管線、智慧社區(qū)、智慧停車、綠色建筑、智能建筑、城市環(huán)境管理與城市體檢等城市更新場(chǎng)景,在映射城市物理空間建設(shè)的數(shù)字孿生城市建設(shè)中鏈接城市更新信息,催生城市更新新業(yè)態(tài)、新模式,是以數(shù)智化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)已有城市功能重組、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和發(fā)展邏輯的變革,也是從物質(zhì)空間功能性領(lǐng)域不斷向?qū)\生城市數(shù)字領(lǐng)域的縱深化拓展。

可以說,數(shù)字孿生城市是數(shù)字城市的高級(jí)階段,數(shù)字孿生城市既是數(shù)字城市的目標(biāo),也是智慧城市建設(shè)的新高度,賦予城市實(shí)現(xiàn)智慧化的重要設(shè)施和基礎(chǔ)能力[19]。我國(guó)城市發(fā)展已進(jìn)入城市更新的重要時(shí)期,建構(gòu)數(shù)字孿生技術(shù)與實(shí)體城市深度融合的孿生城市數(shù)字更新空間,在不斷推進(jìn)城市更新戰(zhàn)略過程中以數(shù)字孿生城市為介質(zhì)基礎(chǔ)適度結(jié)合超前布局,可精準(zhǔn)高效、平穩(wěn)有序地釋放城市空間資源。基于現(xiàn)實(shí)城市運(yùn)行、城市更新多源數(shù)據(jù)聚類的數(shù)字應(yīng)用形式承載的物理城市時(shí)空軸線和大尺度空間孿生城市更新單元,將在源頭上打造從數(shù)字孿生城市到城市數(shù)智更新的高精尖系統(tǒng)性架構(gòu)。促進(jìn)從城市更新走向城市復(fù)興全過程、全要素的數(shù)字化更新提級(jí),推動(dòng)傳統(tǒng)城市更新的數(shù)字化、時(shí)空一體化賦能改造,縫合日愈割裂的城市發(fā)展空間。

1.2 數(shù)字孿生城市的CIM應(yīng)用

城市信息模型(City Information Modeling,CIM)以建筑信息模型(BIM)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等技術(shù)為基礎(chǔ),整合城市地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來多維多尺度空間數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù),構(gòu)建起三維數(shù)字空間的城市信息有機(jī)綜合體。城市信息模型基礎(chǔ)平臺(tái)(Basic Platform of City Information Modeling,CIM基礎(chǔ)平臺(tái))是管理和表達(dá)城市立體空間、建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施等三維數(shù)字模型,支撐城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)行工作的基礎(chǔ)性操作平臺(tái)。CIM基礎(chǔ)平臺(tái)是CIM數(shù)據(jù)匯聚、應(yīng)用的載體[20]。

城市是一個(gè)有機(jī)體,城市更新是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程。數(shù)字孿生城市的運(yùn)行仿真、態(tài)勢(shì)推演和量化評(píng)估優(yōu)勢(shì)賦予了城市更新關(guān)于統(tǒng)籌謀劃?rùn)C(jī)制、可持續(xù)模式與配套制度政策智慧化探索的底層支撐能力。城市更新全生命周期的管理、監(jiān)測(cè)和評(píng)估需基于涵蓋城市更新全域的時(shí)空動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交聚及驅(qū)動(dòng)引領(lǐng)。數(shù)字孿生城市建設(shè)以城市信息模型(CIM)為核心,而CIM基礎(chǔ)平臺(tái)可以為城市更新提供孿生城市數(shù)據(jù)與重要設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。CIM提供了很大的可能性來組織涉及數(shù)字孿生城市建設(shè)的關(guān)于城市更新空間結(jié)構(gòu)、布局功能和區(qū)域環(huán)境的彈性擴(kuò)展協(xié)作,實(shí)現(xiàn)了規(guī)劃、現(xiàn)狀和歷史三種CIM時(shí)態(tài)的一張數(shù)據(jù)底圖到城市更新全生命周期管理一張數(shù)字藍(lán)圖的統(tǒng)一調(diào)度、有效銜接,開啟了城市更新存量提質(zhì)改造與增量結(jié)構(gòu)調(diào)整的“泛智能”時(shí)代。

CIM平臺(tái)整合了城市人口、房屋、單位等多項(xiàng)專題數(shù)據(jù),并與空間實(shí)體數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了有效掛接,可為城市級(jí)的更新建設(shè)提供有效支撐。例如,在城市更新項(xiàng)目中,基于CIM平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)城市拆遷量、受影響人口、經(jīng)濟(jì)投入量的定量估算,可快速為決策部門提供方案支撐[21]。雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)管理平臺(tái)項(xiàng)目中,提出了CIM作為數(shù)字孿生城市的操作系統(tǒng)建設(shè)[22-23]。青島中央商務(wù)區(qū)CIM城市綜合治理平臺(tái)構(gòu)建[24],明珠灣智慧城市信息平臺(tái)建設(shè)[25],北京城市副中心CIM平臺(tái)建設(shè),廣州、南京、廈門CIM平臺(tái)試點(diǎn)建設(shè)[26-27],以及新加坡政府啟動(dòng)的“虛擬新加坡”項(xiàng)目,法國(guó)城市雷恩建立的城市數(shù)字模型[28]。CIM基礎(chǔ)平臺(tái)已成為迭代更新的城市新城建、舊存量資源全生命周期管控引導(dǎo)的數(shù)字能力底座。在統(tǒng)籌城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市管理等諸多方面已呈現(xiàn)出后城市化階段城市再發(fā)展的更新動(dòng)力與潛能。以數(shù)字孿生城市為依托,以CIM為平臺(tái),以更新現(xiàn)狀評(píng)估為基礎(chǔ),數(shù)字孿生城市、城市更新與CIM三者時(shí)空轉(zhuǎn)換的核心在于以城市物理空間數(shù)字化建設(shè)為導(dǎo)向的、從孿生鏈動(dòng)更新線索出發(fā)的CIM基礎(chǔ)平臺(tái)應(yīng)用,也是當(dāng)前支撐城市體檢評(píng)估工作持續(xù)推進(jìn)的城市更新場(chǎng)景構(gòu)建新趨向。數(shù)字孿生城市-城市更新背景下重點(diǎn)省市政策梳理見表1。

表1 數(shù)字孿生城市-城市更新背景下重點(diǎn)省市政策梳理Table 1 DTC-Policies of key provinces and cities underthe background of urban renewal

1.3 基于CIM的城市體檢場(chǎng)景構(gòu)建

實(shí)施城市更新行動(dòng)的路徑是開展城市體檢,城市體檢評(píng)估要與城市更新相結(jié)合,推進(jìn)城市更新行動(dòng)的精準(zhǔn)化和科學(xué)化[34]。城市體檢以促進(jìn)推動(dòng)城市高質(zhì)量發(fā)展為主題,以及時(shí)發(fā)現(xiàn)城市空間品質(zhì)與城市發(fā)展存在的問題短板風(fēng)險(xiǎn)為目的。通過城市體檢建立起與城市更新任務(wù)目標(biāo)相適宜的城市建設(shè)管理運(yùn)行政策機(jī)制、技術(shù)路線、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,提升城市更新對(duì)于城市規(guī)劃建設(shè)成效的包裹性,是帶動(dòng)存量資源提質(zhì)增效,解決“城市病”問題的重要抓手。當(dāng)前,城市體檢主要分為自然資源部“國(guó)土空間規(guī)劃城市體檢評(píng)估”與住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“城市體檢”雙體檢評(píng)估體系。城市體檢評(píng)估指標(biāo)體系包含安全、創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享6個(gè)一級(jí)指標(biāo);城市體檢指標(biāo)體系包括生態(tài)宜居、健康舒適、安全韌性、交通便捷、風(fēng)貌特色、整潔有序、多元包容、創(chuàng)新活力8個(gè)方面指標(biāo)。同時(shí),可緊密結(jié)合體檢城市的實(shí)際適當(dāng)增設(shè)反映城市更新進(jìn)程中需要關(guān)注的人居環(huán)境質(zhì)量及存在的實(shí)施時(shí)序、動(dòng)態(tài)保障和多元共治等方面的內(nèi)容與指標(biāo)。如在2022年指標(biāo)調(diào)整中在生態(tài)宜居指標(biāo)項(xiàng)中增加了新建建筑中裝配式建筑比例內(nèi)容;在安全韌性指標(biāo)項(xiàng)中新增了城市信息模型(CIM)基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)三維數(shù)據(jù)覆蓋率內(nèi)容,以推動(dòng)城市體檢與城市更新有序銜接,確保城市有序運(yùn)行,最終實(shí)現(xiàn)有序更新。

城市體檢核心思路是基于物聯(lián)網(wǎng)、街景掃描、三維傾斜攝影測(cè)量、紅外監(jiān)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)獲取與感知多元城市現(xiàn)狀數(shù)據(jù),基于行業(yè)業(yè)務(wù)模型進(jìn)行智能化計(jì)算,評(píng)估城市現(xiàn)狀狀態(tài);由于獲取的原始數(shù)據(jù)多源、異構(gòu),往往需要空間化、數(shù)據(jù)清洗、空間融合之后,才能作為輸入數(shù)據(jù),參與城市體檢計(jì)算過程[35]。城市體檢評(píng)估與城市體檢分別以國(guó)土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)與城市體檢評(píng)估管理信息平臺(tái)作為實(shí)施保障,貫穿城市發(fā)展全生命更新周期,具有承上啟下的設(shè)計(jì)功能和運(yùn)行特點(diǎn),是城市體檢的核心內(nèi)容與評(píng)估基礎(chǔ)。CIM基礎(chǔ)平臺(tái)可利用現(xiàn)有城市體檢基礎(chǔ)資源設(shè)施,在通視分析、疊加分析、空間拓?fù)浞治龅裙δ茌o助下,支撐城市、區(qū)、街區(qū)、社區(qū)四級(jí)城市體檢的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、綜合評(píng)價(jià)與數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域的更新應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)與國(guó)土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)、城市體檢評(píng)估管理信息平臺(tái)對(duì)接或集成整合,滿足多規(guī)合一、多檢合一、多數(shù)合一的平臺(tái)業(yè)務(wù)協(xié)同要求,構(gòu)建國(guó)家、省、市三級(jí)CIM基礎(chǔ)平臺(tái)的總體更新—專項(xiàng)體檢—詳細(xì)規(guī)劃—管控計(jì)劃全生命周期城市體檢閉環(huán)的綜合指引體系。

具體來看,自然資源部城市體檢評(píng)估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、城市建設(shè)數(shù)據(jù)、國(guó)土空間基礎(chǔ)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)、規(guī)劃實(shí)施監(jiān)督數(shù)據(jù)、城市運(yùn)行大數(shù)據(jù)、生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)等。住建部采取城市自體檢、第三方體檢和社會(huì)滿意度調(diào)查相結(jié)合的工作實(shí)踐方式開展城市體檢,城市體檢數(shù)據(jù)主要包括統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、各部門各行業(yè)數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、專項(xiàng)調(diào)查數(shù)據(jù)等。同時(shí),CIM+應(yīng)用的城市體檢主客觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的沉淀和回流將為科學(xué)指導(dǎo)各地制定和實(shí)施城市更新規(guī)劃提供數(shù)據(jù)底板?；诮y(tǒng)一數(shù)據(jù)底板集成的時(shí)空基礎(chǔ)、資源調(diào)查、規(guī)劃管控、工程建設(shè)項(xiàng)目、公共專題和物聯(lián)感知等信息資源清單,提升針對(duì)城市病、新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的前瞻性城市更新節(jié)奏調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)功能。前置交換或在線共享方式的平臺(tái)數(shù)據(jù)交換將從源頭上促進(jìn)服務(wù)于城市體檢數(shù)據(jù)的高位調(diào)用。更加公平均衡地統(tǒng)籌數(shù)據(jù)采集、分析論證、問題診斷以及體檢報(bào)告形成的城市體檢全過程數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理。

CIM是服務(wù)于城市的時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施,支撐數(shù)字孿生城市的時(shí)空操作系統(tǒng)[36]。以城市地址、實(shí)有單位和實(shí)有人口的CIM基礎(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)疊加城市體檢數(shù)字空間信息數(shù)據(jù)資產(chǎn)作深入的城市更新嵌套研究,從成果、進(jìn)程、資源、屬性和應(yīng)用5大維度分類及編碼到城市發(fā)展運(yùn)行在合理區(qū)間、國(guó)土開發(fā)有序的城市更新均衡發(fā)展定位的CIM場(chǎng)景構(gòu)建,CIM基礎(chǔ)平臺(tái)不僅是厘清城市體檢雙評(píng)估體系各功能單元內(nèi)在聯(lián)系的實(shí)體性、關(guān)鍵技術(shù)手段,也是提升城市更新可達(dá)性、連通性的基礎(chǔ)性操作平臺(tái)。同時(shí)對(duì)零散的城市土地合并、土地拆分、土地重置、土地配置等城市土地空間疊合性信息進(jìn)行系統(tǒng)縫合。

但也應(yīng)該看到,城市體檢指標(biāo)體系仍主要依賴于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與普查數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。同時(shí)在采用先進(jìn)技術(shù)自動(dòng)獲取與感知方面仍存在技術(shù)瓶頸,數(shù)字孿生技術(shù)的城市體檢場(chǎng)景構(gòu)建仍處于滲透期。一方面,城市體檢需要以人為本,更強(qiáng)調(diào)個(gè)體—城市存量空間的使用體驗(yàn)與增量空間的主觀感知,形成互為支撐、協(xié)同反饋、互為校驗(yàn)的國(guó)土空間規(guī)劃城市體檢評(píng)估報(bào)告與城市體檢報(bào)告。另一方面,城市信息模型(CIM)宜采用基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程思維,在數(shù)字孿生建筑互聯(lián)互通基礎(chǔ)上建立,這也是當(dāng)前快速構(gòu)建CIM和數(shù)字孿生城市的一條可行路徑[37]。數(shù)字孿生城市-CIM的城市更新場(chǎng)景構(gòu)建層析關(guān)系見圖1。

2 數(shù)字孿生建筑(DTB)在城市更新場(chǎng)景構(gòu)建中的應(yīng)用

2.1 數(shù)字孿生建筑與城市更新

數(shù)字孿生建筑(Digital Twin Building,DTB)是指綜合運(yùn)用BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、智能控制、系統(tǒng)建模與仿真、工程管理等技術(shù),以建筑物為載體的信息物理系統(tǒng)。它可以看作是數(shù)字孿生系統(tǒng)在建筑物載體上的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。基于實(shí)體建筑,通過在建筑實(shí)體關(guān)鍵位置布設(shè)大量不同類型的傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù),利用數(shù)字在線仿真、多源數(shù)據(jù)融合、多尺度建模和三維可視化等技術(shù),在虛擬空間構(gòu)建該孿生體完成實(shí)時(shí)映射,建筑數(shù)字孿生體能充分感知、監(jiān)測(cè)實(shí)體建筑以便于優(yōu)化和決策,這種映射覆蓋實(shí)體建筑的全生命周期[37-38]。

圖1 數(shù)字孿生城市-CIM的城市更新場(chǎng)景構(gòu)建層析Fig.1 DTC-Hierarchical analysis of urban renewal scenario construction of CIM

數(shù)字孿生城市適當(dāng)超前設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于數(shù)字孿生建筑建設(shè),也是衡量當(dāng)下以及未來數(shù)字化改革水平的重要標(biāo)志。城市建筑是最為復(fù)雜而龐大的更新系統(tǒng),包括老舊小區(qū)、老舊廠房、平房院落、老舊樓宇等各類存量建筑資源,須推進(jìn)數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)快速迭代信息化部署,支持城市更新的建筑功能轉(zhuǎn)變復(fù)合、建筑共生與建筑空間形態(tài)指引。以數(shù)字孿生技術(shù)帶動(dòng)城市既有建筑綜合性能提升與存量建筑的更新改造,針對(duì)建筑物理實(shí)體孿生與數(shù)字虛體孿生建構(gòu)對(duì)應(yīng)的建筑物理空間和建筑信息空間數(shù)字化定義,實(shí)現(xiàn)建筑數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人、事、物動(dòng)靜態(tài)場(chǎng)景時(shí)空語(yǔ)義化漸進(jìn)式有機(jī)更新,引領(lǐng)城市更新進(jìn)入到豐富的數(shù)字孿生建筑場(chǎng)景構(gòu)建的工業(yè)化新發(fā)展階段。

新型建筑工業(yè)化是與新型城鎮(zhèn)化內(nèi)外聯(lián)動(dòng)、城市同步更新的工業(yè)化。走新型建筑工業(yè)化道路,更易實(shí)現(xiàn)以規(guī)劃保留建筑為主的存量建筑資源數(shù)字化和智能化更新。通過整合建筑空間資源使用效率的建筑+國(guó)土空間、建筑+基礎(chǔ)設(shè)施、建筑+公共空間、建筑+個(gè)體行為等數(shù)字孿生模式與存量建筑個(gè)性化使用需求,形成建筑存量資源個(gè)性化與新型建筑工業(yè)化下的標(biāo)準(zhǔn)化接駁,在重構(gòu)建筑與周邊城市空間生態(tài)關(guān)系過程中實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字孿生建筑。但如何在釋放存量建筑資源實(shí)現(xiàn)空間調(diào)配紅利的同時(shí)形成城市公共資源高效供給,是當(dāng)下發(fā)展數(shù)字孿生建筑帶動(dòng)城市開放空間一體化規(guī)劃設(shè)計(jì)、實(shí)施建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理面臨的一個(gè)重要的城市更新問題。

數(shù)字孿生可以更好地應(yīng)對(duì)未來建筑事件并完成更新保護(hù),在優(yōu)化建筑數(shù)字時(shí)空界面的同時(shí)革新傳統(tǒng)發(fā)展模式路徑。通過三維虛擬建筑空間場(chǎng)景模擬、信息物理系統(tǒng)全生命周期交互、多目標(biāo)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)與智能干預(yù)決策等數(shù)字孿生功能,挖掘重現(xiàn)城市與建筑歷史空間場(chǎng)景,是為進(jìn)一步提升文物建筑、歷史建筑保護(hù)利用的能效水平。這也是從巴黎圣母院重生看數(shù)字孿生建筑面向未來城市更新多領(lǐng)域融合的創(chuàng)新研究思考。AGP(圖形藝術(shù)與遺產(chǎn)公司)曾于2010年利用150次毫米級(jí)數(shù)字掃描,建立了超過30億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),完整記錄了被大火全部焚毀的木制框架細(xì)節(jié),為巴黎圣母院的精準(zhǔn)再現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。同時(shí),重建團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用三維、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的建筑信息模型,將教堂的幾何、空間、地理、各種建筑組件的性質(zhì)及工料等各方面信息涵蓋其中,通過模型和數(shù)字化技術(shù)手段進(jìn)行復(fù)雜的信息管理[39]。

2.2 數(shù)字孿生建筑的BIM應(yīng)用

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)是在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi),對(duì)其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá),并依此設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的過程和結(jié)果的總稱。又可細(xì)分為建設(shè)工程規(guī)劃階段服務(wù)于規(guī)劃設(shè)計(jì)方案報(bào)建與審查的規(guī)劃設(shè)計(jì)模型;施工圖設(shè)計(jì)與審查應(yīng)用的施工圖模型;竣工驗(yàn)收、備案應(yīng)用的竣工驗(yàn)收模型。因其參數(shù)化、可視化、統(tǒng)計(jì)自動(dòng)化、工作協(xié)同化等特點(diǎn),作為信息管理平臺(tái)可涵蓋策劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等建筑項(xiàng)目全過程,逐漸在現(xiàn)代建筑建造工程的系列環(huán)節(jié)中推廣[20,40]。

許多國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)混淆“BIM+”與數(shù)字孿生建筑理論,將建筑數(shù)字孿生體視作BIM模型加入其他信息的另一表達(dá)方式[41]。從信息屬性角度來看,BIM在建筑建設(shè)全生命周期各目標(biāo)間數(shù)據(jù)的交互、共享和協(xié)同無法完全包裹數(shù)字孿生建筑宜涵蓋的數(shù)據(jù)線程和模型的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)體系。盡管不同途徑獲取與不同方式表達(dá)的BIM數(shù)據(jù)具有唯一性、一致性的信息屬性,也很難實(shí)現(xiàn)虛擬模型向?qū)嶓w建筑全生命周期虛擬空間映射的全域轉(zhuǎn)化。從信息決策角度來看,數(shù)字孿生建筑具有精準(zhǔn)感知映射、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別管理、虛實(shí)交互融合、智能干預(yù)決策等特點(diǎn)。BIM結(jié)構(gòu)雖具有可擴(kuò)展的開放性,但以BIM為介質(zhì)基礎(chǔ)的平臺(tái)信息決策能力仍需在增加元素種類的實(shí)體擴(kuò)展方式、元素?cái)?shù)據(jù)的屬性集擴(kuò)展方式等方面進(jìn)行提升。

BIM技術(shù)應(yīng)用已進(jìn)入到了快速發(fā)展階段,即便數(shù)字孿生建筑及其衍生概念尚未形成普遍性、統(tǒng)一釋義,關(guān)于數(shù)字孿生建筑的理論體系和技術(shù)融合仍處于初步探索時(shí)期,但這并不妨礙BIM作為數(shù)字孿生建筑的底層技術(shù)支撐在城市更新領(lǐng)域發(fā)揮其潛在應(yīng)有價(jià)值。如BIM在管理、協(xié)同、決策等舊建筑改造實(shí)踐的應(yīng)用[42];基于BIM的存量建筑質(zhì)量和整體性能提升研究[43];BIM技術(shù)在既有建筑改造中的應(yīng)用[44];BIM與數(shù)字孿生模型之間的轉(zhuǎn)換及基于BIM的數(shù)字孿生建筑的應(yīng)用場(chǎng)景研究[45]。BIM可視既有建筑綜合性能提升與存量建筑的更新改造具體情形在某個(gè)環(huán)節(jié)或時(shí)段內(nèi)應(yīng)用,亦可覆蓋其全生命周期,更側(cè)重更新的過程和接連性,對(duì)建筑物理孿生體精準(zhǔn)賦能,建構(gòu)滿足多層次數(shù)字孿生建筑應(yīng)用需求、城市多層級(jí)更新目標(biāo)的數(shù)字能力底座。但基于BIM的數(shù)字孿生建筑應(yīng)用特別是與城市更新數(shù)字化轉(zhuǎn)型的共性技術(shù)應(yīng)用三者間的銜接關(guān)系仍需以數(shù)字孿生為底層思維構(gòu)建起來的場(chǎng)景為基礎(chǔ),這樣可以利用相互間的優(yōu)勢(shì),特別是對(duì)場(chǎng)景的BIM應(yīng)用及場(chǎng)景構(gòu)建的數(shù)字孿生路徑也會(huì)有積極的創(chuàng)新與思考,同時(shí)順應(yīng)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的新趨勢(shì)。

2.3 BIM的裝配式建筑場(chǎng)景構(gòu)建

裝配式建筑是國(guó)家正在大力推行的綠色建筑,它具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修和信息化管理等特征,既有“四節(jié)一環(huán)?！钡膬?yōu)點(diǎn),又能保障質(zhì)量安全,加快施工進(jìn)度,是當(dāng)前國(guó)家綠色建筑的主要推手;大力發(fā)展裝配式建筑是提高傳統(tǒng)建造方式工業(yè)化程度的必經(jīng)之路,數(shù)字孿生可作為實(shí)現(xiàn)智能建造理念目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)而將數(shù)字孿生運(yùn)用到建筑施工階段是提高裝配式建筑施工過程信息化和智能化的關(guān)鍵之策;研究裝配式在舊改中的適用性,其目的是為改進(jìn)現(xiàn)有舊房改造中的建造方式,以期為目前的存量規(guī)劃落地實(shí)施提供更多選擇,為未來的存量規(guī)劃實(shí)施做好理論與實(shí)踐準(zhǔn)備[46-48]。

裝配式建筑的發(fā)展與城市更新同屬一個(gè)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和必經(jīng)階段,其在城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)型發(fā)展中必然發(fā)揮極大的促進(jìn)作用,對(duì)城市更新的舊改項(xiàng)目實(shí)施及歷史建筑活化利用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義[49]。裝配式建筑同樣是2022年城市體檢指標(biāo)體系調(diào)整后新增加的內(nèi)容之一。林徽因先生在梁思成先生所著《圖像中國(guó)建筑史》的提序中就提到,中國(guó)古建筑的木結(jié)構(gòu)體系最大的特征就是裝配式,首次定義了中國(guó)傳統(tǒng)建筑的木結(jié)構(gòu)體系潛在語(yǔ)義邏輯。因此,裝配式建筑與城市更新有機(jī)結(jié)合的本質(zhì)是中國(guó)傳統(tǒng)建筑的建筑傳統(tǒng)本源回歸,而非真正意義上的“西學(xué)東漸”。當(dāng)前國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展裝配式建筑促進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),存量建筑更新保護(hù)集約化特征與裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化屬性將以數(shù)字孿生工業(yè)化、信息化核心要素為紐帶建設(shè)互為支撐、互為校核的智能建造體系。建筑傳統(tǒng)語(yǔ)義與數(shù)字現(xiàn)代科學(xué)邁向了互容性、創(chuàng)造表現(xiàn)的共同體研究。但同時(shí)我們也應(yīng)意識(shí)到,這種數(shù)字化的轉(zhuǎn)型升級(jí)要求需最終通過介質(zhì)基礎(chǔ)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。

BIM是促進(jìn)裝配式建筑現(xiàn)場(chǎng)裝配服務(wù)的一種有效工具,因?yàn)樗哂袕?qiáng)大的物理和數(shù)字演示管理功能;在裝配式建筑場(chǎng)景中,BIM技術(shù)可以打通設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工裝配整條產(chǎn)業(yè)鏈[50-51]。BIM不僅為三舊改造、既有建筑綜合性能提升與存量建筑更新提供了舊改標(biāo)準(zhǔn)部品部件活化利用的數(shù)字化體系,形成可實(shí)時(shí)渲染的、以提質(zhì)增效為核心的自由組合式改造框架制度。還通過優(yōu)化建造改造評(píng)估反饋機(jī)制,科學(xué)配置存量建筑資源功能要素,實(shí)現(xiàn)新型建筑工業(yè)化與城市更新的協(xié)同、可持續(xù)發(fā)展。以數(shù)字化方式創(chuàng)建建筑物理實(shí)體的建筑數(shù)字孿生體,建構(gòu)虛實(shí)共存、交融孿生的裝配式建筑城市更新場(chǎng)景構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化接口。如基于BIM數(shù)字孿生的新型裝配式鋼節(jié)點(diǎn)混凝土框架結(jié)構(gòu)的智能建造框架研究[52];基于BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的裝配式建筑項(xiàng)目調(diào)度智能化管理平臺(tái)構(gòu)建[53];BIM模式下裝配式施工工序優(yōu)化分析[54];以及為抗擊新冠疫情發(fā)揮了重要作用的裝配式建筑在雷神山數(shù)字孿生醫(yī)院的BIM一體化應(yīng)用研究[55]。已初步形成較為完善的基于數(shù)字孿生的裝配式建筑應(yīng)用理論與技術(shù)體系。

此外,在歷史建筑修繕、保護(hù)等工程技術(shù)領(lǐng)域,基于歷史建筑BIM模型,能夠進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算、施工圖紙深化、施工模擬、材料管理等應(yīng)用,有效指導(dǎo)施工。如基于異構(gòu)模型融合與處理技術(shù)的上海音樂廳平臺(tái)化應(yīng)用研究[56],利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)興隆山握橋伸臂梁結(jié)構(gòu)的復(fù)原研究[57],以及通過建立BIM模型對(duì)昭馀古城進(jìn)行的數(shù)字信息化保存記錄[58]。形成了與裝配式建筑、歷史建筑保護(hù)利用有機(jī)結(jié)合的同道共進(jìn)的城市更新未來新發(fā)展格局。以數(shù)字創(chuàng)新為引擎促進(jìn)裝配式語(yǔ)義分割的守正更新,實(shí)現(xiàn)基于各類建筑資源更新的城市人居環(huán)境時(shí)空結(jié)構(gòu)層次上的高度互聯(lián)。數(shù)字孿生建筑-BIM的裝配式建筑城市更新場(chǎng)景構(gòu)建層遞關(guān)系見圖2。

圖2 數(shù)字孿生建筑-BIM的裝配式建筑城市更新場(chǎng)景構(gòu)建層遞Fig.2 DTB-Layer analysis of urban renewal scenario construction of BIM-based prefabricated building

3 數(shù)字孿生個(gè)體(HDT)在城市更新場(chǎng)景構(gòu)建中的應(yīng)用

3.1 數(shù)字孿生人與城市更新

未來,每個(gè)人都將擁有自己的數(shù)字孿生[17]。每個(gè)人都將擁有一個(gè)與人的身體狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡、行為特征等信息完全一致,從出生到死亡全生命周期的數(shù)字人生[59]。目前個(gè)人與數(shù)字孿生技術(shù)的結(jié)合主要是基于以人為本和兩化融合理念:人—信息—物理系統(tǒng)(HCPS)[60],社會(huì)化的信息物理系統(tǒng)(CPS)[61],數(shù)字孿生醫(yī)療[62],人因工程[63]等。同時(shí),進(jìn)入城市化進(jìn)程中后期的城市發(fā)展趨緩,以人為本、兩化融合也是基于信息化、工業(yè)化、城市化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活聯(lián)系緊密的城市更新的驅(qū)動(dòng)力和目標(biāo)導(dǎo)向,已成為面向未來城市進(jìn)化與生長(zhǎng)的重大需求,指導(dǎo)城市發(fā)展愿景的重要原則,對(duì)于增強(qiáng)城市更新的平衡性與協(xié)調(diào)性發(fā)展都具有十分重要的作用。

孿生人(Human Digital Twin,HDT)是人的“真身代理人(Agent)”或“代具”,代表人在具身的時(shí)空中的具身在場(chǎng)狀態(tài),同時(shí)也代表人在離身的或壓縮的時(shí)空中的分身在場(chǎng)狀態(tài)[64]。廣義的HDT是個(gè)體復(fù)雜行為系統(tǒng)的時(shí)空間使能方式,并可與其行為空間環(huán)境及其他數(shù)字孿生個(gè)體互動(dòng)。這其中既包括數(shù)字孿生個(gè)體及其虛擬行為空間環(huán)境與其他數(shù)字孿生個(gè)體間的關(guān)系,與物理實(shí)體同生共長(zhǎng);也包括真實(shí)本體及其物理行為空間環(huán)境與其他真實(shí)本體間的關(guān)系。將個(gè)體復(fù)雜行為系統(tǒng)的時(shí)空間使能方式及需求特征投影到數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生建筑的虛擬空間環(huán)境中,以虛實(shí)交互、聯(lián)結(jié)互構(gòu)的主體空間互動(dòng)形式的復(fù)雜關(guān)系需求定位劃分城市更新單元。對(duì)研究個(gè)人時(shí)空間行為與建成區(qū)城市、建筑空間形態(tài)以及城市、建筑功能之間的互動(dòng)機(jī)理,最大限度地發(fā)揮個(gè)體參與和城市更新雙向流動(dòng)要素配置的存量空間發(fā)展優(yōu)勢(shì),突破空間形態(tài)與功能約束堵點(diǎn)具有重要意義。

3.2 城市更新中的個(gè)人數(shù)字孿生應(yīng)用

新型城鎮(zhèn)化建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展正在深刻影響著城市空間形態(tài)的演變與重塑。新型城鎮(zhèn)化的本質(zhì)是人的城鎮(zhèn)化,物的城鎮(zhèn)化是由人的城鎮(zhèn)化引發(fā)的。深入推進(jìn)以人為核心的新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略同時(shí)包含實(shí)施城市更新行動(dòng),城市更新以滿足人民宜業(yè)宜居需要為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn),以功能性改造為重點(diǎn)。數(shù)字孿生城市下的城市體檢需要以人為本,更強(qiáng)調(diào)個(gè)體—城市存量空間的使用體驗(yàn)與增量空間的主觀感知;數(shù)字孿生建筑可實(shí)現(xiàn)基于各類建筑資源更新的城市人居環(huán)境時(shí)空結(jié)構(gòu)層次上的高度互聯(lián)。將數(shù)字孿生個(gè)人置于城市建筑虛擬時(shí)空間結(jié)構(gòu)中情境化,突破現(xiàn)有空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化、完善及調(diào)整模式,形成虛實(shí)相映、孿生互動(dòng)、更具復(fù)原力的城市肌理活化平臺(tái),更加強(qiáng)調(diào)物理空間與虛擬空間內(nèi)個(gè)體和時(shí)空間環(huán)境之間的協(xié)同交互,推動(dòng)城市空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化和建筑品質(zhì)提升,是以數(shù)字孿生技術(shù)催生城市更新新發(fā)展動(dòng)能的關(guān)鍵路徑。其中,物理空間是主體,個(gè)體數(shù)字孿生是主角,虛擬空間是主干。

從利用信息化和工業(yè)化的高層次技術(shù)與圖形學(xué)技術(shù)將人的肢體周身動(dòng)作進(jìn)行全要素可視化、數(shù)字化的融合復(fù)現(xiàn),到城市更新虛擬空間、物理空間以及雙向流動(dòng)的空間共享、資源共享與協(xié)作共享等信息要素的交互。原本靜態(tài)物理空間的更新瓶頸問題得以通過個(gè)人數(shù)字孿生與虛擬空間環(huán)境間自上而下地雙向交互中創(chuàng)新性探索,形成個(gè)人數(shù)字孿生的區(qū)域時(shí)空間延性關(guān)系畫像,更加精準(zhǔn)高效地挖掘出各圈層人口、設(shè)施資源、空間功能引導(dǎo)與城市更新的內(nèi)外聯(lián)動(dòng)關(guān)系。如實(shí)施更新項(xiàng)目與區(qū)域空間人口結(jié)構(gòu)變化的關(guān)聯(lián)性;城市更新職能結(jié)構(gòu)與職住平衡的調(diào)整性;人口規(guī)模與區(qū)域更新單元基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的匹配性;城市更新政策的有效性測(cè)度等。為城市更新搭建出可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的個(gè)人時(shí)空索引云場(chǎng)景,揭示出城市更新復(fù)雜系統(tǒng)背后的驅(qū)動(dòng)演化規(guī)律與個(gè)體響應(yīng)特征。

3.3 數(shù)字孿生個(gè)體的時(shí)空索引場(chǎng)景構(gòu)建

城市更新應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)字孿生個(gè)體狀態(tài)感知數(shù)據(jù)體系構(gòu)成了個(gè)體時(shí)空間使能信息主體。蘊(yùn)含豐富個(gè)體時(shí)空間使能信息的大數(shù)據(jù)為數(shù)字孿生個(gè)體提供了時(shí)空索引場(chǎng)景構(gòu)建的重要契機(jī)與數(shù)據(jù)基礎(chǔ),主要包括SCD數(shù)據(jù)[65]、手機(jī)信令數(shù)據(jù)[66]、GPS數(shù)據(jù)[67]、社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)[68]、交通OD流量[35]與可穿戴傳感器識(shí)別等[69]。個(gè)體時(shí)空間使能信息基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)底板,通過IOT整合數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生建筑等多尺度空間及物聯(lián)感知數(shù)據(jù)。類似于人機(jī)協(xié)作(HRC)中機(jī)器人傳感器、情境傳感器和生物識(shí)別傳感器的作用,可穿戴傳感器在很大程度上促進(jìn)了這種時(shí)空軸向、事件發(fā)生與空間轉(zhuǎn)換的孿生串聯(lián)。智能手環(huán)、智能手表等常見可穿戴設(shè)備已經(jīng)可以通過人機(jī)交互記錄佩戴者的身體狀態(tài)和使用情況;使用智能設(shè)備全方位、全時(shí)段地記錄個(gè)體生命特征,形成大量個(gè)體信息數(shù)據(jù)庫(kù),以數(shù)字化的形式記錄個(gè)體自我活動(dòng),從而促進(jìn)人們對(duì)人與環(huán)境互動(dòng)關(guān)系的了解——這正是可穿戴設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域[70]。使其在城市更新發(fā)展過程中構(gòu)成一個(gè)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境全面動(dòng)態(tài)提升的數(shù)字鏈條閉環(huán),從碎片化的城市更新場(chǎng)景中厘清城市系統(tǒng)要素、城市時(shí)空間結(jié)構(gòu)以及與個(gè)體的時(shí)空延性關(guān)系。

這一過程中,CJJ/T 157—2010《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》、T/CSPSTC 21—2019《建筑信息模型(BIM)與物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術(shù)應(yīng)用規(guī)程》等國(guó)家和行業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范將成為場(chǎng)景銜接的固化劑,以太網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee、Wi-fi等通信網(wǎng)絡(luò)將成為物理與虛擬系統(tǒng)實(shí)時(shí)映射、信息交換所需場(chǎng)景構(gòu)建的膠黏劑,推進(jìn)城市更新創(chuàng)新動(dòng)力機(jī)制完善,暢通多場(chǎng)景應(yīng)用黏結(jié)路徑。同時(shí),就城市更新中的個(gè)人數(shù)字孿生應(yīng)用來說,個(gè)人也可以看作是一種數(shù)字化具身在場(chǎng)狀態(tài)的感官傳感器,一種在基本感知功能與時(shí)空高度互聯(lián)的算法模型層面上實(shí)現(xiàn)的個(gè)人數(shù)字永生。數(shù)字孿生個(gè)體-時(shí)空索引的城市更新場(chǎng)景構(gòu)建層次關(guān)系見圖3。

圖3 數(shù)字孿生個(gè)體-時(shí)空索引的城市更新場(chǎng)景構(gòu)建層次Fig.3 HDT-Hierarchical analysis of urban renewal scenario construction of spatio-temporal index

數(shù)字孿生個(gè)體城市更新中的演進(jìn),最為關(guān)鍵的問題就是在城市更新周期中塑造宏觀的城市立體空間、中觀的建筑功能特性以及微觀的個(gè)體時(shí)空行為等高級(jí)數(shù)字孿生形態(tài),并基于數(shù)字孿生個(gè)體行為或時(shí)空棱柱體模式窺探城市空間資源與結(jié)構(gòu)、空間質(zhì)量與容量。通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)協(xié)同并消除數(shù)字孿生城市+數(shù)字孿生建筑+數(shù)字孿生個(gè)體全時(shí)空、全周期數(shù)字信息的差異性,從時(shí)空間維度索引構(gòu)建城市、建筑與家庭個(gè)體的數(shù)字孿生命運(yùn)共同體。在其全生命周期發(fā)揮協(xié)調(diào)決策作用,將城市更新中的城市、建筑、個(gè)體信息數(shù)據(jù)反饋在同一時(shí)空資源體系和數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行賦能更新,形成約束有效的區(qū)域內(nèi)部具有更大發(fā)展空間的更新結(jié)構(gòu)形態(tài)。數(shù)字孿生城市-數(shù)字孿生建筑-數(shù)字孿生個(gè)體-城市更新場(chǎng)景迭代耦合關(guān)系見圖4。

圖4 數(shù)字孿生城市-數(shù)字孿生建筑-數(shù)字孿生個(gè)體-城市更新場(chǎng)景迭代耦合Fig.4 DTC-DTB-HDT-Iterative couplinganalysis of urban renewal scenario

4 結(jié)束語(yǔ)

城市更新不僅是城市總體規(guī)劃、國(guó)土空間規(guī)劃與街區(qū)控規(guī)的物質(zhì)機(jī)制類更新,更是創(chuàng)新思路推動(dòng)城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化、社會(huì)時(shí)空脆性環(huán)境的尺度重塑。作為城市更新創(chuàng)新發(fā)展的重要使能技術(shù),數(shù)字孿生以萬(wàn)物生數(shù)、數(shù)生萬(wàn)物為基礎(chǔ),將城市、建筑、個(gè)人多層次時(shí)空發(fā)展孿結(jié)成一個(gè)虛實(shí)疊境的城市更新場(chǎng)景迭代耦合體,成為打通城市更新政策機(jī)制、技術(shù)路線、時(shí)空阻隔、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范斷點(diǎn)的柔性化線性尺度與暢通城市更新數(shù)智化路徑堵點(diǎn)的重要抓手。數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)際上已被視為牽引城市更新轉(zhuǎn)型向數(shù)字化高階演進(jìn)的新基建。

一方面城市更新為數(shù)字孿生提供了集中釋放技術(shù)紅利的深度應(yīng)用場(chǎng)景,另一方面促進(jìn)了數(shù)字孿生科技創(chuàng)新要素合理流向城市韌性空間賦予更新動(dòng)力?，F(xiàn)階段數(shù)字孿生與城市更新的行業(yè)融合應(yīng)用還主要停留在與其特定交叉的城市建設(shè)管理治理等垂直領(lǐng)域。CIM基礎(chǔ)平臺(tái)偏向城市立體空間的管理和表達(dá),BIM偏向建筑、建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá),而IOT偏向縱向空間互通、橫向時(shí)間互聯(lián)的物聯(lián)體系。隨著城市更新上升為國(guó)家戰(zhàn)略,未來還需培育用于城市更新場(chǎng)景孵化的數(shù)字化轉(zhuǎn)型共性技術(shù)全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈,向城市更新細(xì)分場(chǎng)景應(yīng)用擴(kuò)展,推動(dòng)城市更新流程再造和模式創(chuàng)新,使其發(fā)展成為展示數(shù)字化發(fā)展最新應(yīng)用成果、實(shí)施數(shù)字化改革和數(shù)字化治理轉(zhuǎn)型發(fā)展實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、建設(shè)數(shù)字中國(guó)不可或缺的組成部分和重要窗口。