随着数字孪生的概念不断被人们所认识，各行业都在积极响应这一概念，但到底何为“孪生”，并没有统一定义。这个疑惑也同样一直缠绕着我。今天看一篇由王院士分享的文章，题目为“数字孪生——起源的故事”，读后有些想法，也对建筑数字孪生于其意义有了更加清晰的认知。
文章中详细的介绍了“孪生”概念的由来，从概念的提出到实践，文章中深入的探讨了Michael Grieves、王飞跃或是NASA谁应该是“孪生”概念第一人。其中详细描述了一个NASA的案例：Apollo 13登月飞行中发生的一段历史。无论谁是“孪生”第一人，NASA的案例给我们很好的诠释了何为“数字孪生”。
50年前的4月14日，Apollo 13号宇宙飞船已经远离了地球210,000英里。Apollo 13生活舱中的一个氧气罐发生了爆炸，爆炸严重地损坏了主推进器，同时氧气被泄露到了太空之中。时间每经过一分钟，受损的太空飞船就会飞离地球400英里。这种状况是人类历史上的首次。如何让三名宇航员安全回家，成为了数千名NASA地面支持人员在之后3天半时间里夜以继日工作的唯一目标！他们如何回家呢？这是一个巨大的挑战。
NASA做到了，成功地将宇航史上，很可能的发生的最大灾难，转化为一个巨大的令人兴奋的成功。
做到这一切的一个关键是，在NASA的身后，有一套完整的、高水准的地面仿真系统，用于培训宇航员和任务控制人员所用到的全部任务操作，包括了多种故障场景的处理。其中一些故障场景处理，在Apollo 11与 Apollo 13的任务完成过程中，证明了其价值所在。
是NASA成功了？当然是！但更应该归功于模拟器。这些模拟器或者叫做仿真器，才是真正的英雄。这些模拟器难道不是现在火热的数字孪生一个实实在在的案例？准确地说，应该是数字孪生和物理孪生的结合体。所以，西门子工程师Stephen Ferguson说：“Apollo 13: The FirstDigital Twin”。
从这个例子中可以看出，数字孪生的内核还是模拟与仿真。而模拟与仿真的前提则是有一套完整的、高水准的仿真系统。
1、BIM与“建筑数字孪生”
BIM作为建筑行业的数字化技术，其终极目的也应是“数字孪生”，实现模拟仿真。但是对此，我们的认知并不相同。如文中所描述，“现在大多数的应用场景都是使用现有数字技术，似乎没有数字孪生，也不影响其实用效果”。放在建筑行业，这句话同样适用，我们在处理建筑的各类模拟仿真时依然使用传统的数字技术，比如力学计算、日照分析、能耗分析、流线分析、风力计算、节能分析、照明计算、甚至是我们最常见的效果图。
当我们使用传统的数字技术完成这些工作时看起来似乎也没有什么大问题，一样可以得到令人满意的结果，通过专家的审查以及得到业主的认可。但是这些结果与其效用看起来并不像NASA的模拟器一样那么有价值。由于传统数字技术的数据基础不完善，导致其模拟的结果是片面的，不能实际去指导和预测生产。我们在“黄果树游客中心”项目中有这样一个关于照明模拟的案例。照明专项设计在设计过程中会对其设计利用传统的技术做照明计算，并提供了准确的灯具选型以及位置，整个设计，模拟过程看起来并没有什么问题。但当我们在BIM的基础上再次做照明模拟时发现其忽略了场地中的树木，场地中的植物大量遮挡了灯光，导致其设计并不成立。这是一个非常典型的传统数字技术与“孪生数字”技术的差别，也就是片面性，类似的问题几乎会发生在建筑设计全流程的每一个环节。NASA之所以可以利用其强大的模拟器实现成功的营救，前提是他们在地面环境有一套“完整的”数字化系统，在虚拟环境中模拟的内容，可以准确的被宇航员实施。
我认为NASA的例子可以很好的回答我们对BIM质疑，传统的技术手段中，有三维电子模型，有二维电子图纸，各类分析工具，为什么我们还需要BIM呢？因为传统的数字技术均是片面的，不具备“数字孪生”虚拟与现实一一对应的特点。反过来说，即使我们使用了BIM技术，但是其数据是割裂的，同样不具备“数字孪生”的特点，那和传统的数字技术也不会有本质上的差别。这也很好解释为什么现阶段出现了很多“假”BIM
2、“真”BIM的几个必要条件
“真”BIM我认为至少要满足的三个条件1、实体数字化2、虚体数字化3、编码系统
先来说“实体”。我在这里指的一一对应并非指形态上的“一模一样”，这样做会导致灾难性的几何图形庞大。这里强调的是每一个现实中的建筑构件都应有与之对应的“数字孪生”，而该“数字孪生”即可以是具象的，同样也可以是抽象的。BIM中的每一个构件在某些方面可以不完善，但其必须包含一些必不可少的关键要素。对不同建筑构件的“数字孪生”化，即是我们对真实世界认知的抽象描述，又是我们对数字世界的具象构成。所以，在BIM中我们可以对构件有区分的抽象描述，但必须保持其完整性。对每一个实物的缺失，都会让BIM的价值打折扣。
在此，我突然想起了最近常在讨论的一个话题，关于BIM轻量化的问题。其中有一种观点是，BIM轻量化即是对BIM模型简化，而简化的标准是建筑表观的完整度。我认为这种方式是不可取的。BIM的轻量化应该建立在其还是BIM的基础上，当我们从视觉角度去判断轻量化那些内容的时候，我们已经失去了“数字孪生”的基本理念。“孪生”并非单纯表观的一致性，而是应该在数字环境中能找到其一一对应的数字表达。
我们再来讨论一下“虚体”，“虚体”是一些看不到，非实体物体，多为抽象概念，如空间、分区、路径、系统、结构模型、能耗模型等。这些“物体”均为建筑中不可或缺的部分，对其数字化抽象描述是BIM中必不可少的一部分。这也从另一个角度说明从表观角度判断BIM的完整性是片面的。如结构关系的正确，结构BIM模型的正确并非仅仅是几何图形的正确，更重要的是结构力学线的关系的正确，这样的BIM模型才具备力学分析的基础。类似逻辑关系的缺失或不正确，意味着整个BIM模型会沦为花架子。当然除此之外还有空间关系、机电系统、系统拓扑关系等。这些看不见的东西在更大程度上决定了BIM模型是否可以像NASA的模型一样用来做模拟与预判。
最后我们再来说一下BIM中的编码系统。一个字典如果没有目录，对于使用者将是灾难性的。没有编码系统的BIM的同样是灾难性的。编码系统是对BIM信息的“专业化”分类。我在这里强调专业化的原因是，绝大多数的BIM工具对模型和信息有自己的分类与管理方式，但是这些分类方法均不够纯粹，与工程实践不一致，难以与工程实践相结合。所以需要一套以工程实践为基础的信息分类编码对建筑信息模型进行统一管理。
3、BIM的模型深度
BIM是建筑“数字孪生”的具体实现。但是BIM到底应该做到什么深度，体现哪些数据，一直是一个很模糊的概念。站在行业不同的角度，对其有不同的解答。NASA的案例从某种角度讲很好的回答了我们这个问题。真实与虚拟的一一对应我认识为基础。有人可能会质疑，关于模型的大小，计算机的承载力，包括成本等等问题。在这里强调的一一对应并不是一模一样，而是有对应关系。数字物体可以是抽象的表达或者概括表达，比如结构柱，我们需要表达其混凝土与钢筋的部分，但是不一定需要表达其中的每一根钢筋，而可根据需求对钢筋整体做抽象表达。在特定的需求的情况下，可以再基于该抽象深化或分析等。但是在BIM中不应该缺少对钢筋的表达。每一个实物要素都应该能找到其在数字环境中的表达。
4、总结：
NASA在多年以前就给我们展示了“数字孪生”的价值与意义，BIM在建筑工程领域的应用也将像NASA的案例一样，在工程建设，使用安全，社会管理等方面带来巨大的价值。但前提是要有一套像NASA一样的“数字孪生”系统，而其中的数据基础BIM，必须是“真”BIM，而一个真BIM应该包含以下几个基本因素。1、BIM构件与现实实物的一一对应。2、对于非实体概念的准确表达。3、建筑信息的编码系统。缺少或不能准确表达其中任何一个部分，BIM将不具备“数字孪生”的价值。
