论文：Digital twin approach for enhancing urban resilience: A cycle between virtual space and the real world.
链接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S2772741624000231
00
太长不看版
数字孪生是近年兴起的研究热点，将数字孪生观点引入建筑与城市防灾研究，通过虚拟天下的仿照来预测或者重实际际天下中磨难对建筑与城市的影响，可以为建筑和城市的防灾韧性与提升供应量化辅导。
本研究针对将数字孪生理念引入建筑与城市的防灾韧性研究的三个紧张问题：即
(1)由实到虚的数据获取;
(2)虚拟空间的磨难推演;
(3)由虚到实的防灾处置。
总结了干系的研究事情，并通过范例案例展示了其在灾前防灾方案、灾时应急评估、灾后接济与事件溯源等方面的运用效果和发展潜力，对未来研究提出展望。
01
研究背景与现状
由于地震、失火、风灾这类磨难每每对城市功能造成巨大影响，带来巨大的直接和间接经济丢失。因此，提高城市防灾韧性是非常主要的问题。由于试验园地和本钱的限定，物理试验方法在城市尺度上运用时面临很大困难。因此，急迫须要一种更可行、更高效、更准确的方法来研究建筑与城市的防灾韧性。
数字孪生是近年兴起的研究热点，近10年来研究职员将数字孪生运用在产品设计、生产制造、运行状态监测等各个领域上。在土木工程中，数字孪生技能常日用于单体根本举动步伐或城市的三维重修与可视化，与磨难风险评估等领域，而对付通过数字孪生提高城市韧性的研究仍处于起步阶段。
如果将数字孪生运用在城市的防灾研究中，进行以数字孪生驱动的建筑物和城市磨难韧性剖析须要办理三个主要问题，如图1所示：
（1）如何高效地从现实天下获取建筑物和城市信息并将其从现实映射到虚拟？
（2）如何在虚拟空间中为建筑物和城市建立磨难仿照模型，以准确预测或仿照磨难过程？
（3）如何利用虚拟空间的仿真结果辅导现实天下的防灾减灾策略，实现从虚拟到现实的反馈循环？
针对这三个问题，本研究基于团队最近的研究成果，从（ 1）虚拟天下中建筑与城市磨难推演模型；（2）由实到虚：基于AI的建筑与城市数据获取；（3）由虚到实：基于数字孪生的防灾减灾决策 三个方面进行先容，以期为基于数字孪生的建筑与城市防灾韧性研究供应参考。
图1 基于数字孪生的建筑与城市防灾韧性研究基本理念
02
虚拟天下中建筑与城市磨难推演模型
由于我国新建筑和新城区缺少磨难履历，传统的基于履历的磨难推演模型运用受到限定。为了担保磨难推演的合理性和可靠性，本研究从灾变机理出发，建立了地震、失火和风灾下的单体建筑和城市尺度的磨难推演物理模型，以真实揭示灾变物理规律。
本研究在单体建筑尺度上提出了几项关键方法：
基于纤维梁-分层壳-单元死活算法的地震灾变全过程仿照方法；
高真实感失火场景构建方法，包括失火和烟场蔓延及烟气可视化方法；
结合建筑信息模型与打算流体力学仿照，建立了高效的风场仿照和数据映射方法。
这些磨难推演物理模型已成功运用于多座标志性建筑项目（图2）。
图2 单体建筑多难祸推演模型
本研究在城市尺度上提出了几项关键方法（图3）：
基于多自由度模型和GPU/CPU协同打算的城市抗震弹塑性剖析方法；
基于热辐射和热羽流的失火蔓延仿照方法和基于流体力学的烟气扩散仿照方法，并与城市抗震弹塑性剖析方法结合进行地震次生失火仿照；
通过构建打算流体力学仿照情景库，建立了基于外围护构件力学模型的建筑群风灾毁坏仿照方法。
（a） 旧金山市区在地震浸染下建筑动力相应仿照
（b） 区域失火仿照实际运用
图3 城市尺度多难祸推演模型实际运用
此外，引入AI可以显著提高打算效率与精度。例如，在区域震害预测中，将机器学习与物理模型结合，提出了基于多元地震动强度指标的震害实时速报方法（图4）。可见，AI在磨难仿照方面具有巨大潜力。
图4 基于AI的区域建筑震损评估方法
03
由实到虚：基于AI的建筑与城市数据获取
为了准确进行磨难推演，高效数据获取至关主要。传统方法有数据更新慢、本钱高与效率低等局限性。因此，本研究针对不同阶段的数据需求，提出了高效智能获取方法。
对付灾前，本研究提出一种无人机与深度学习驱动的建筑与城市信息获取方法，以实现获取建成环境信息用于灾前城市磨难毁坏风险预测，见图5（a）；
对付灾时，提出了一种基于天生对抗网络的超分辨率方法，从而提升灾时建筑构造的位移丈量精度，见图5（b）；
对付灾后，提出了一种无人机与深度学习驱动的区域建筑震害评估方法，以及时、准确地获取建筑震害信息以支撑应急接济决策，见图5（c）。
(a) 基于无人机与深度学习驱动的城市建筑信息获取
(b) 基于天生 对抗 网络的超分辨率方法提升位移丈量精度
(c) 基于对 无人机与深度学习驱动的建筑震害信息获取
图5 基于AI的建筑与城市数据获取方法
04
由虚到实：基于数字孪生的防灾减灾决策
合理的灾前防灾减灾方案和职员避难演习训练可以显著减少城市磨难丢失。基于数字孪生的磨难推演能够供应详细的灾损预测和逼真的磨难场景仿照，帮助决策者科学、量化地提升城市防灾能力（图6）。
此外，结合虚拟现实平台的职员接济虚拟演习训练，进一步提升灾后疏散和接济的实际操作能力（图7）。
图6 唐山市建筑震害可视化结果
图7 地震失火次生磨难情境下的职员接济VR仿照
灾后震损实时评估和事件溯源为震后应急接济供应主要决策信息。
基于城市抗震弹塑性剖析方法和我国强震台网，开拓的城市震损实时评估系统RED-ACT，为多次地震供应了应急评估结果，支持震后接济决策（图8）。
基于数字孪生磨难推演模型，成功仿照了多次事件中建筑构造倒塌的全过程，为详细的事件剖析和制订办理方案供应了主要参考（图9）。
图8 RED-ACT的运用
图9 倒塌事件现场与仿照结果比拟
05
案例研究
本研究基于数字孪生开展了两项工程运用：（1）支撑了南方某超高层非常振动事宜调查；（2）搭建了某大学校园多难祸推演数字孪平生台助力校园防灾。
通过搭建数字孪生体系框架，为南方某超高层建筑发生非常振动的终极处置供应参考（图10）；
通过搭建某大学校园多难祸推演数字孪平生台，高真实感展示校园区域在地震、风灾、失火等多种磨难下的推演结果，为校园灾前方案、灾时评估等决策行为供应技能支撑（图11），并对2021年4月15日强风下的校园树木毁坏进行预测，后调查风损情形和预测情形吻合良好（图11）。可见，数字孪生技能做事于实际防灾减灾运器具有良好前景。
图10 某超高层建筑非常振动剖析与办理方案
图11 数字孪平生台与树木毁坏预测结果比拟
06
数字孪生在防灾韧性运用的展望
数字孪生的运用紧张依赖于全面的城市数据，后续研究可以考虑优先探索城市信息数据的高效获取方法。 此外，在仿照密集建筑群的磨难情景时，磨难与磨难之间、建筑与建筑之间繁芜的相互浸染给数字孪生推演带来了相称大的寻衅。 快速发展的城市也可能面临前所未有的新型磨难风险。 因此，急迫须要在防灾减灾研究中利用数字孪生这一新型工具识别和创造潜在新型磨难风险，以更好地应对“黑天鹅”事宜。
---End---
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