从BIM到数字孪生

心兰

从BIM说起

BIM（Building Information Modeling）技术是Autodesk公司在2002年率先提出的，虽然其作为一种应用于建筑学、工程学及土木工程的数据化工具。但是BIM正如其名字而言，建筑信息模型，其由建筑师提出，代表的是建筑师眼中的数字化建筑。
随着现代建筑业的日益复杂和专业化，由于传统BIM软件基本是针对房屋建筑而开发的，对其它领域的信息处理能力不具备或者不完善，因此其对建筑师而言是有价值的，对其他专业人员则不够了。



数字孪生

与BIM相比，数字孪生Digital Twin（数字双胞胎）理念在本质上具有更先进的普适性意义。
“Digital Twin”是由美国NASA首先提出的，尽管它没有教科书式的定义，但一般而言，数字孪生被认为包含以下几层含义：

• 在数字空间内，使用高度精确的数字模型来描述和模拟现实世界中的事物
  
• 将现实世界中采集的真实信息反映到数字模型，使之随现实进行更新
  
• 在数字空间内，使用模型和信息进行预测性的仿真分析和可视化
  

简单来说，数字孪生（也被称为数字映射、数字镜像）来说，就是针对物理世界中的实体对象，在数字世界中创建完全一致的数字模型，通过数字化的手段对实体对象进行动态仿真、监测、分析和控制。
数字孪生是现实世界的数字版“克隆体”，其关键特点是，对实体对象的动态仿真。当实体对象的数据发生变动时，数据孪生体也会跟着变动，两者的数据流动是双向的、实时的。



从业务流程来看，数字孪生不仅是建模，还包括全生命期的仿真模拟；而从适用范围来看，数字孪生的理念不是面向建筑这样的特定领域，而是面向整个客观世界，大到宇宙星球，小到分子原子，一切都可以用3D数字化方式进行建模和仿真。
通过数字孪生技术，我们可以在虚拟世界中对现实世界进行分析和优化，从而做出更加明智的决策，改善我们所生活的现实世界。正如同建筑业本身是现实世界中的一个环节，建筑业所涉及的数字模型——无论是城市建筑、基础设施还是工业产品——也都是这个虚拟世界中的一环。我们必须以统一的数字化技术和平台来处理现实世界中方方面面的数据和流程，才能真正消除信息的断裂和隔阂。

更高的建模技术

传统BIM软件主要是面向常规建筑、解决出图而不是制造问题，因此往往使用相对简单的算法，创建简化的3D模型——这对于传统BIM应用或许就足够了。但对于面向数字孪生的软件来说，其目标是为现实世界中的事物创建精准可靠的数字孪生，因此必须具备更加强大的3D内核。



达索系统的CATIA软件具备业界顶级的3D建模引擎，并且是完全自主开发的。与传统BIM软件相比，CATIA在3D技术上的优势体现在以下几个方面：
1.CATIA支持精确的NURBS曲线和曲面，因此无论尺寸比例如何，都可以获得精确、连续的几何信息。
2.有了精确的空间曲线，就可以将其作为骨架线进行参数化建模。例如下图中，每个构件单元都使用同一条骨架线进行定位；一旦调整骨架线，所有相关的构件都随之自动更新。



插图：CATIA中基于骨架线的参数化建模

3.参数化构件不仅可以用骨架线控制，还可以根据公式和关联参数进行计算。例如根据A构件的某一属性计算出的值，作为B构件的某个尺寸输入。这给用户提供了强大的参数化控制和协调能力。
4.在面向土木工程行业的CATIA Civil Engineering最新版本中，既能以NURBS曲面生成设计模型，也能以多边形网格面生成数字地形模型。更重要的是，CATIA通过强大的数学功底实现了曲面建模和网格建模之间的混合运算，从根本上解决了边坡计算问题。在CATIA Civil Engineering中，我们不仅可以生成连续光滑的3D道路中心线，还可以生成同样连续光滑的曲面作为道路的路面和边坡，然后通过布尔运算求出边坡与地形之间的交界，以及土方挖填体积。这样一来，设计的质量更高，工程量也更加准确。混合建模技术给土木工程的3D数字化设计提供了更加广阔的空间。



CATIA 的设计、工程、系统工程和建筑应用程序是达索系统 Industry Solution Experience 应对特定行业需求的核心，其在这些领域也有了更深入的应用。
1.施工
建筑和基础设施的数字连续性
复杂建筑和基础设施项目开发的设计和工程流程需要多个相关人员之间以及所有项目阶段的密切协作。此外，日渐复杂化的施工项目要求所有团队都将 CATIA 和 3DEXPERIENCE 虚拟孪生技术作为一种“通用语言”，以促进协作并减少各阶段之间的返工。
CATIA 通过提供跨整个设计、工程和交付流程的一系列 3D 建模和体验解决方案，使建筑师、工程师、所有者和政府部门能够超越传统项目交付方法的限制，进行构建和协作。这在 3DEXPERIENCE 平台上为多个项目团队实现了完全的数字连续性。



2.设计/样式
CATIA 设计/样式实现产品卓越
从产品到运输行业，产品的样式和设计在市场成功中扮演着重要角色。发展形状和材料创新、实现高水平质量和表面复杂度，并借助实体和虚拟原型获得适合的决策工具。这些是 CATIA 设计/样式推动设计创新的关键要素。
从 3D 描绘、细分曲面、A 级建模到 3D 打印、反向工程可视化和体验，CATIA 设计/样式为设计创新、曲面卓越制作和产品体验提供了全部解决方案。



3.工程
CATIA 工程卓越
随着产品和体验复杂性不断提升，对性能和质量目标的要求也日趋严苛。CATIA 直面这一挑战，实现了高品质机械产品的快速开发。
配备 CATIA 3D 建模工具的机械工程师可以在产品开发阶段早期深入分析影响质量和性能的关键因素。数字化原型和数字化分析及模拟使产品开发团队得以在其操作环境中虚拟创建和分析机械产品。
CATIA 工程针对广泛的工程流程，提供了可让工程师创建任何类型 3D 装配体的平台。



4.系统工程
掌握跨专业的系统开发流程
开发智能产品从未如此富有挑战性。开发人员需要能够让他们管理整体开发过程的集成系统工程方法。需求工程、系统体系结构定义、精密的复杂系统建模与模拟和嵌入式软件的开发，所有这些都需要在完整的产品环境下掌握。
来自达索系统的系统工程解决方案可提供开放且可扩展的独特开发平台，该平台完全集成了开发这些复杂“信息物理”产品所需的跨专业建模、模拟、验证和业务流程支持。它使组织能够快速轻松地评估更改请求或者开发新产品或系统变体，同时利用基于性能的统一系统工程方法来降低系统和产品开发总成本。



如果，您对CATIA感兴趣，有相关的采购需求，欢迎关注“艾三维技术”微信公众号，联系我们。

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