数字孪生技术：颠覆建筑工程的资产生命周期

美国迫切需要推进新一轮基础设施建设，美国土木工程师协会对现有基建水平给出的C-评级已经凸显出升级设施的紧迫需求。近期，美国出台的基础设施投资与就业法案（IIJA）计划以数额惊人的1.2万亿美元修复国内各道路、桥梁、管道、水道与电网，建设项目也将在全美各州遍地开花。但考虑到基建行业向来以系统性延误、频繁返工与增项预算不断膨胀等问题著称，不知道这笔资金到底能不能让整个美国脱胎换骨。为了顺利推进基础设施改造，数据将成为决定项目成败的关键。结合这一需求，数字孪生必将在设施现代化转型、改善通信质量、提升生产力与实现建筑数据完整性当中贡献力量。

数字孪生能够利用信息为建筑建模，并随建筑变动持续实现模型更新。为了将现场与办公室连通而打造的数字孪生，则能够把资产生命周期的范围从建筑工程转化为持续运维。而要想让美国的高速公路与电网得以持久稳定运行，业主、工程师和总承包商之间也需要建立起新的交接通道。为此，价值链上的各利益相关方必须能够在数字孪生平台上开展协作，以协调统一的方式为子孙后代设计、构建并维护起这样一套能够长久使用的基础设施体系。

数字孪生技术是什么？

Bentley软件公司CEO Greg Bentley在解读这项技术时，强调了数字孪生中的一大关键特征：“在此之前，我们的工作内容主要是保证软件能够产生有用的可交付成果，但这是一种静态思维方式、而且当前工作总是落后于即时需求。而我们希望借数字孪生之力让可交付成果在资产生命周期内持续贡献价值，让「暗工程」数据始终可见、随时间推移而变化，并将暗数据转化为沉浸式的可视化体验。更重要的是，我们希望实现分析可见性，让数字孪生随时间推移持续接受分析、由此开启时间这个第四维度。”

换句话说，数字孪生将在从设计到施工、再到持续运维的整个周期内提供无与伦比的洞见支持。如此一来各个交接环节间将没有任何信息损失，数据则能够持续为决策提供有力支持。

结合长久以来的实践经验，我们发现繁杂的文书、质量低下的应用程序、孤立隔绝的遗留系统或电子表格往往给价值链中的利益相关方带来沉重负担，导致他们无法访问可操作数据或建立起丰富的记录系统。

下面我们就以建筑项目为例，具体了解现有方案的弊端。

建筑行业对于模拟技术的过度依赖已经引发了生产力危机，而其中的关键就在于施工延误与成本膨胀之间往往存在连锁反应，而这一切都将最终影响到资产的健康度与寿命。数字孪生技术不仅有望克服施工中的诸多数据与沟通挑战，更有望让整个资产生命周期迎来全新面貌。

3引发建筑行业生产力危机的三大因素

建设工作的时间框架往往非常紧张，所以任何低效因素都有可能影响项目的命运。面对现实难题，建筑业在数据和通信方面的年均开销往往高达数十亿美元。

大数据与高成本

在某些重大基础设施建设项目当中，团队平均收发1.3亿封电子邮件、编写5500万份文档并创建1200万个工作流。但建筑行业也是当前数字化程度最低的行业之一，阻碍其现代化进程的主要是现场模拟流程与办公室遗留系统这两大元首。

在FMI与PlanGrid发布的2018年行业调查报告中，可以看到如下结论：

• 建筑工人每周需要浪费两个工作日来搜索项目数据（包括图纸修改项、建材切割表等）及解决本可避免的问题（例如工作面冲突和返工要求等）。
• 这些非最优操作在典型的中型建筑企业内额外造成20亿美元浪费，全行业总浪费额度高达1775亿美元。
• 近半数返工源自沟通不畅及项目信息流通障碍，对应年成本为313亿美元。

返工，没完没了的返工

FMI与Autodesk发布的2021年调查报告表明，目前建筑数据在数量和质量上都有很大问题：

• 项目的可用数据在短短三年内就翻了一番。
• 但25%的受访者表示项目数据无法正常使用。
• 三分之一的错误决策源自数据错误。
• 根据估算，由错误数据造成的决策失误在2020年共造成约1.84万亿美元损失。
• 通过追溯，887亿美元的返工成本与不良数据有关。

简而言之，随着建设行业的快速增长与建设项目的大型化、复杂化，良好的数据与沟通渠道已经变得比以往任何时候都更加重要。

导致生产力下降的种种可能性

建筑业的生产力下降与数据处理难题可以算是老传统了。世界经济论坛在2016年的一份报告中就指出，虽然美国其他行业的劳动生产率在过去五十年中增长了153%，但建筑业反而下降了19%。

世界经济论坛认为，数字化是推动建筑行业转型的核心，有望在全球工程与建设方面节约0.7至1.2万亿美元，并在运营层面节约0.3至0.5万亿美元。换言之，数字化的收益将延伸至整个价值链。

如何建立有竞争力的建筑企业

麦肯锡认为建筑企业可以从以下五个领域实现创新并获取竞争优势：

• 更高分辨率的测量与地理定位能力
• 下一代5-D建筑信息模型
• 数字协作与移动性
• 物联网与高级分析
• 面向未来的设计与建造思路

在这五点当中，有四点直接涉及信息的收集、可视化与处理。结合前文中提到的统计数据，信息的核心作用已经毋庸置疑。为此，建筑企业必须拥有一套丰富、准确且实时的信息记录系统。

而这正是数字孪生技术改变建筑行业的切入点。

使用数字孪生打通办公室与现场间的隔阂

现场工作人员往往会将情况记录在纸上，把数据保存为电子表格、放进U盘，再花时间把更新后的信息带回办公室。这样的方式缓慢、容易出错、成本高昂而且很难向各第三方扩展。因此，数字孪生强调对实物资产数据进行即时更新/访问的特性天然为建筑行业指明了创新方向。

建筑企业需要将传统的手动流程和模拟技术更替为移动、云端及数据普适的新形式。这些也是实现数字孪生的前提条件。建筑业目前在移动技术的应用方面已经有所进展，但仍存在一个重大问题：手动操作数据收集与传输、现场应用程序采用率低、系统集成度有限。

关于移动技术采用的三个问题

手动操作数据收集与传输

在TrackVi发布的2018年调查报告中，47%的施工经理仍在以手动方式获取关键项目信息。值得关注的是，大多数经理已经意识到这类手动操作会影响到工作质量信息的完整性。

在2018年的另一项研究中，近50%的建筑企业报告称移动技术增加了他们的数据质量，绝大多数人也认为有必要改进数据访问及现场到办公室间的通信渠道。

现场软件采用率不高

单纯为现场工作人员配备移动技术方案并不足以解决建筑行业的数据挑战。例如，PlanGrid与FMI都观察到，虽然75%的受访者承认项目经理和现场主管手上已经拿到了移动设备，但移动应用程序的使用率还不足五成。相反，大量信息仍然分散在电子邮件、文本和电话呼叫当中。

缺乏整合

即使用上了现场管理应用，低下的整合水平也导致团队难以发挥移动软件的所有潜力。在JB Knowledge公布的2021年研究报告中，超过50%的受访者因为整合度太差而选择手动传输应用数据。尽管部署有现场软件，但不少建筑公司仍在手动传输数据、导入电子表格，或者使用电子邮件等耗时且容易出错的传统流程。

数字孪生与云数据：次世代方案的优势

为了纸盒办公室与现场间的沟通鸿沟，管理人员需要为工作人员配备高集成度移动软件，从而轻松实现数据捕捉、共享正确数据并开展集中协作。

强调数据普适性的SaaS解决方案厂商已经在通过简化工作流程、保障数字孪生与实际情况准确匹配等方式满足这方面需求。例如，如果总包商需要访问实时数据以创建准确的竣工数据集，就必须保证能够随时获得来自现场的高质量动态数据。

归根结底，只有将现场工作人员、后台系统与价值链上的各利益相关方全面整合并实现高效协作，数字化目标才有可能转化为实际价值。除此之外，数字孪生还有望带来另外两项巨大助益。

转化项目交接

移动软件的集成当然是建筑工作中的关键一步，但单靠孤立的移动应用还远无法解决问题。陈旧的后台系统（EAM、GIS等）乃至数字孪生都有可能成为拖慢转型的障碍，因为不少利益相关方在项目启动之初就没有在数字孪生上达成共识。

考虑到众多孤岛的存在，建筑与工程里程中收集到的数据中，约有95%得不到实际使用，其中30%的数据甚至在项目移交过程中而永远遗失。

相比之下，在项目规划阶段就引入数字孪生设计，能够为所有相关人员提供全面的实时可见性支持。例如，资产所有者与总包商间的顺畅协作能够保证项目顺利交接，也将支持总包商轻松建设出高质量的可交付成果。

让竣工实时化、高质量化

在总包商与资产所有者在数字孪生层面开展合作时，双方可以随施工推进撰写动态文档并映射现场变更，从而保证整个项目始终具有良好的可见性与准确的交付信息。这种准确高效，与传统项目完结时急于拼凑竣工图纸、或者在各孤立数字孪生间传输数据形成了鲜明的对比。

数字孪生技术在消除返工与验收纠纷方面当然表现出色，但这还只是开端——高质量的竣工验收也将直接决定资产在整个生命周期内的表现，而且从长远来看能够帮助资产所有者节约大量资金。

借助数字孪生技术，数据不会被遗失在遗留系统或者模拟技术当中，因此竣工数据将更为全面。模型、时间线、图纸、表格、现场图、照片、视频等素材将提供丰富的项目上下文。此外，如果数字孪生采取云端加移动设备的技术组合，那么后续运维人员也能随时随地访问完整记录，节约下花在前往办公室、整理陈旧文档上的宝贵时间。

而能够交出这样一份完美项目记录的总包商，不仅能够清晰有效地记录工作内容、提升商业声誉，还能更有信心地保证自己建设的资产在未来长期保持良好运行。

总结：提高现场采用率，充分发挥数字孪生优势

正是因为潜力巨大，我们在全面部署数字孪生时往往会对整个价值链因此受到的影响产生担忧。

但不要怕：数字孪生不止是要积极改造关键基础设施，更要让现场工作人员获得更轻松愉快的体验。只要匹配直观且适合的移动设备，并与拥有几乎无限资源的云端服务保持连接，那么无论我们身处何地、都能快速捕捉并轻松交换实时信息。建筑行业的未来面貌，也正蕴含于其中。