专家解读 | 哈尔滨工业大学(深圳)滕军、胡卫华教授为您解读基于数字孪生技术的高层建筑工程设计验证与服役性能评价模型构建

我国高层建筑结构存量及建设数量居于世界前列，高层建筑结构的性能监测与评价是城市安全的重要保障。近年来，随着物联网、云计算、人工智能等科技的发展，数字孪生成为高层建筑结构安全性能监测与评价的重要手段。尽管数字孪生技术在工程领域展现了巨大潜力，但在高层建筑设计、施工和运维等环节的应用仍面临诸多挑战，主要体现在三方面：

1) 基于结构监测的工程设计验证。高层结构多为超限结构，设计阶段需要建立数值模型计算动力特性和工程设计参数（层间位移角、扭转位移比、周期比等）。但由于设计数值模型简化、施工精度误差、边界条件和非结构构件影响等，设计阶段的数值模型与竣工阶段真实结构存在较大偏差。

2) 基于修正模型的服役性能评价。传统模型修正方法难以同时保证整体和局部尺度精度，需要联合修正整体动力特性和局部应变，以更全面地逼近结构的真实行为。

3) 基于BIM模型的结构服役性能可视化平台。现有BIM模型多侧重于几何与静态信息表达，未能充分融入反映结构真实服役状态的监测信息与修正后的力学性能参数，限制了其在结构安全评估中的深度应用。

针对上述问题，提出基于数字孪生技术的高层建筑工程设计验证与服役性能评价方法，给出数字孪生模型融合构建方法流程；以大百汇广场高层建筑实例为依托，应用所提方法对数字孪生模型验证、修正和性能评估展开分析，论证方法适用性与可行性；将BIM模型融合结构力学模型，基于WebGL建立大百汇广场的数字孪生模型，实现结构力学信息和工程参数的可视化。

融合结构健康监测、有限元模型修正和BIM技术，围绕规范给出的工程设计参数，提出高层结构的工程设计验证与服役性能评价方法（图1）。具体流程如下：

1）“态”——结构监测物联网。搭建基于“北斗”精准授时的分布式同步采集系统，获取结构竣工后运营阶段的整体动力特性和局部节点应变响应，反映结构的真实服役状态。

2）“性”——多尺度模型修正。基于静动力响应的多尺度模型修正技术，获取逼近结构真实状态的更新有限元模型，反映结构真实的力学特性。

3）“形”——BIM可视化。基于WebGL框架构建BIM模型，实现结构工程设计参数的三维可视化表达。

3.1 工程概况及监测物联网设置

大百汇广场坐落于广东省深圳市福田区，建筑总高度375.55 m，地下4层，地上71层（311.15 m），场地类别为II类，抗震设防烈度为7度。主体结构由钢筋混凝土核心筒和钢结构外筒组成（图2）。该建筑结构体系较为复杂：56层及以上楼板大开洞，采用钢桁架包围；外框架从56层开始设置侧立式壳曲中庭钢结构；从69层开始外框竖向结构取消设置8根钢管混凝土柱，由69层至结构最高处全部设置为格构式钢结构；核心筒内从71层起为纯钢结构，钢柱落在69层形成8个悬挑桁架，故69层转换结构由悬挑桁架与节点组成，受力复杂。

全楼沿高度方向布置了7个独立的采集子站（图3），通过北斗卫星导航系统授时信息实现动态信号的相位同步，采样频率20 Hz，每10 min产生一组数据。为获取运营状态下复杂转换结构的力学信息，选取第69层悬挑桁架H1、H2和节点J1、J2布置应变传感器（图4）。基于随机子空间并结合聚类算法对采集数据进行处理，识别得到结构前8阶模态频率及振型（图5）。

3.2 初始模型构建及验证

采用Midas Gen软件建立大百汇广场的整体宏观尺度有限元模型（图6），结构中的梁、柱以及顶部钢结构用梁单元模拟，剪力墙和楼板用板单元模拟。基于Midas FEA NX软件，建立第69层节点和悬挑桁架的实体单元模型，采用4节点四面体单元进行网格划分（图7）。为实现不同尺度单元的变形协调，将梁单元端点与对应实体单元面上的节点分别设为主节点和从节点，通过刚域形成刚性连接（图8）。

通过Midas软件分析得到的结构自振频率与实测频率对比显示，初始模型频率与实测值误差较大，最大相对误差达到15.88%。同时，初始模型的应力值与实测值也存在较大误差，最大误差超过20%，因此有必要进行有限元模型修正。

3.3 修正模型及对比分析

考虑到结构材料的弹性模量E、密度ρ和线膨胀系数α对结构响应影响较为显著，选取共计33个材料属性作为模型备选修正参数。采用F检验法进行参数显著性分析，筛选得到24个显著性参数。在24维参数空间内抽取400组参数点，建立响应面模型（图9），各响应面模型的误差检验指标均低于10%，相关系数接近于1.0，拟合精度较高。

采用NSGA-II算法求解多目标优化问题，求得Pareto最优前沿曲面（图10），选取最优解作为参数修正值。修正后模型的频率与实测值对比显示：修正后模型频率最大相对误差从15.88%降至5.90%，相对误差平均值从8.56%降至2.51%。同时，修正后模型的局部应力相对误差均小于10%，实现了模型整体和局部尺度的全面修正。

3.4 基于修正模型的服役性能评价

基于修正后的数值模型，重新计算层间位移角等工程设计参数，与规范给定的限值进行对比。地震和风荷载相关计算参数依据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》和GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》。对于抗震设防烈度为7度的带转换层高层建筑，需基于多遇地震下弹性时程分析法进行补充计算。此外，台风“泰利”于2023年7月17日在广东省湛江市沿海登陆（风速38m/s），研究中模拟了该台风以及50年一遇风荷载作用。计算结果表明：风荷载作用下层间位移角均小于1/500（图11、12）；规范谱地震作用下层间位移角均小于1/500（图13）；楼层扭转位移比均小于1.2（图14）；周期比为0.399，小于规范限值0.85；剪重比符合规范要求（图15）；在1.2倍恒载与1.4倍风载荷载组合作用下，悬挑桁架与节点的最大应力均低于所用钢材Q345B屈服强度的80%，判定其在50年一遇风荷载作用下具备安全性。

4.1 BIM模型的搭建

为实现结构力学信息与几何信息的深度融合，并将修正后的工程设计参数以直观形式服务于结构安全评估，本研究构建了基于WebGL的轻量化BIM可视化平台。将监测数据的关键信息和工程设计参数映射到BIM模型，实现力学性能（“性”）和可视化模型（“形”）的互通性。

基于设计图纸建立超高层结构的RVT格式BIM模型。为实现模型在B/S架构平台上的轻量化展示，将其转换为glTF格式（图16）。glTF格式采用键值对存储，便于浏览器加载和传输，且受Three.js框架原生支持。通过该转换，模型几何信息得以完整保留，同时大幅降低渲染负载，为后续三维交互奠定基础。

4.2 基于WebGL的孪生模型及工程参数可视化

利用Three.js框架实现数字孪生模型的可视化及三维动态交互。平台不仅支持模型平移、旋转、缩放等基本操作，还开发了分楼层选择展示、模型剖切、构件点击检测及高亮显示、测距等功能（图17、18）。这些交互功能使运维人员能够快速定位任意构件，获取其几何尺寸与空间关系，提升了模型的可操作性。

在力学信息融合方面，将修正后有限元模型计算得到的转换结构悬挑桁架和节点实体单元坐标及应力导出并存储至数据库。通过Three.js的LUT模块，根据单元应力数值进行渐变配色，实现应力云图的可视化渲染（图19）。用户点击任一构件即可查看其应力状态，直观识别高风险区域。

为进一步支撑楼层级别的性能评价，平台开发了楼层信息查询功能（图20）。用户选择楼层后，可展示该层的标高、面积等几何信息，以及层间位移角、扭转位移比等关键工程设计参数。这些参数直接来源于修正后模型的重新计算，具有真实的力学依据。

此外，平台集成了基于ECharts开发的工程参数可视化展板（图21），支持参数查询、图表导出、超限预警等功能。当某一工程参数超出规范限值时，展板自动触发预警提示，为结构安全评估提供即时、量化的决策支持。

1）基于分布式同步采集技术搭建高层监测物联网，能够获取结构服役状态下加速度和应变响应，识别结构真实整体动力特性和局部关键节点应力信息。

2）提出联合动静力响应的多尺度有限元模型修正方法。以实际超高层结构为例，修正后模型频率最大相对误差由15.88%降为5.9%，修正后模型的局部应力相对误差均小于10%，逼近结构服役状态下的真实性态。

3）建立高层建筑结构服役阶段性能评价方法，采用修正后的模型能够重新计算层间位移角、扭转位移比及关键构件应力等工程设计参数，并通过规范限值对结构服役状态进行评估，初步实现了结构的工程设计验证。

4）基于WebGL技术建立轻量化BIM模型，采用B/S架构，支持模型三维交互与多维数据可视化，实现“态-性-形”的互通。

5）高层结构是一个复杂的结构体系，该研究仅围绕工程设计参数对数字孪生技术进行初步探讨。未来将在该研究框架内建立更为细致的高层建筑数字孪生模型，为高层结构工程设计验证、性能跟踪及安全评估提供系统的理论和方法。