论文标题：Digital Twin Technology in Built Environment: A Review of Applications, Capabilities and Challenges

论文链接：https://www.mdpi.com/2624-6511/7/5/101

期刊名：Smart Cities

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/smartcities

数字孪生作为推动建筑、工程与施工 (AEC) 行业数字化转型的关键性创新技术，正受到学术界与工业界的广泛关注。它通过集成物联网、人工智能、地理信息系统等多源数据与先进分析技术，为物理实体创建动态的虚拟映射，为实现智慧建筑与智慧城市的管理提供了新的范式。来自南昆士兰大学的 Zahra Gharineiat博士及其团队，以及来自意大利坎帕尼亚路易吉·万维泰利大学的Adriana Rossi教授和Sara Gonizzi Barsanti博士在 Smart Cities 期刊合作发表了综述文章，系统回顾了数字孪生在建筑环境中的定义、应用、功能、挑战，为该领域的研究者与从业者提供了全面的技术视野。

图 1. 数字孪生数据流概念模型

研究过程与结果

作者在文中首先厘清了数字孪生的核心概念，并将其与建筑信息模型 (BIM)、计算机辅助设计 (CAD) 和传统仿真等技术进行了明确区分。文章指出，数字孪生的关键在于其实时性、交互性与自我演化能力，能够与物理实体保持同步并双向互动。文章提出了一个清晰的数字孪生成熟度谱系，将其发展划分为五个层级：数字模型；数字阴影：数字孪生：自主数字孪生；联邦数字孪生。目前，大多数行业应用仍处于数字模型与数字阴影的初级阶段。

本文通过十个案例研究，展示了数字孪生技术在建筑全生命周期中的广泛应用，从悉尼歌剧院的设施管理到剑桥大学建筑的异常检测，再到巴黎圣母院灾后重建的遗产保护，涵盖了运营维护、能效优化与历史建筑修复等多个场景。研究表明，数字孪生技术能够为AEC行业带来五大核心能力：数据存储与分析；决策支持与监控；资产管理与维护；效率与性能提升；协同与沟通。

案例研究

研究团队通过对十个数字孪生案例进行研究，展示了该技术在建筑、工程和施工(AEC)行业中的多样化应用，主要集中在设施管理运营维护阶段。案例涵盖了从简单的数字模型到复杂的数字孪生原型，成熟度从1级到3级不等。技术应用主要基于BIM平台，结合IoT传感器、激光扫描等技术，实现物理资产与虚拟模型的数据交互，从而提高运营效率、实现预测性维护、优化资源管理和增强决策支持能力。

其中，悉尼歌剧院使用基于BIM的数字平台，使用ArchiCAD和GIS，通过创建统一中央数据存储库和集成建筑模型支持设施管理，成熟度2级；剑桥大学制造研究所大楼，是基于Autodesk Forge和AI技术的数字孪生原型，集成振动传感器和BMS数据，实现资产异常检测，成熟度3级；瑞尔森大学Kerr Hall东楼，是基于Dynamo BIM的数字孪生原型，使用简化几何形状和主要设备数据，自动化BIM模型与设施管理系统间的信息传输，成熟度2级；米兰理工大学Leonardo校区，采用GeoBIM方法结合GIS和BIM，使用现有2D几何模型和地理空间数据，支持数字建筑环境的运营维护决策，成熟度2级；曼彻斯特市政厅，BIM支持地图用于设施管理流程，基于档案文件，研究从传统设施管理向BIM-FM过渡的挑战和推动因素，成熟度2级；香港科技大学，机电设备数据驱动预测性维护框架，使用IoT传感器网络（温度、压力、流量），集成BIM和IoT技术，成熟度2级；诺桑比亚大学城市校区，将BIM平台用于设施管理，基于DWG平面图和JPEG扫描件，探索BIM在新旧资产设施管理中的价值，成熟度2级；巴黎圣母院，采用灾后遗产建筑数字孪生技术，使用激光扫描仪和现有照片，监控分析坍塌拱顶并提出重建假设，成熟度1级；帕索斯雷伊斯引擎楼，使用scan-to-BIM方法和HBIM工作流程，基于数字摄影测量和地面激光扫描，为遗产资产修复制作文档，成熟度1级；德国赫伦贝格镇，为城市数字孪生原型，使用Faro激光扫描仪和环境传感器，支持参与式城市规划设计和复杂城市数据可视化，成熟度3级。

图 2. 研究案例摘要

研究总结及未来展望

本文系统回顾了数字孪生技术在建筑环境领域的应用、能力与挑战，重点探讨了其在建筑全生命周期中的关键作用，包括设计优化、施工管理、设施运维以及能源效率提升等方面。文章指出，数字孪生通过整合物联网传感器实时数据与先进分析技术，能够实现动态决策支持、预测性维护和资源优化，显著提升建筑运营效率与可持续性。然而，其广泛应用仍面临技术集成、数据一致性、组织适应性和网络安全等多重挑战。

未来，数字孪生技术的发展需加强跨学科合作，推动数据格式标准化与通用平台开发，并通过更多真实场景下的案例研究验证其实际效益。此外，借鉴航空航天等先进行业的经验，推动数字孪生在智慧城市、遗产保护等新兴领域的应用，将为实现更智能、高效与可持续的建筑环境管理提供重要支持。