本文是一篇项目管理论文，本研究以建筑业产值利润率呈下降趋势这一问题为切入点，分析了工程项目施工过程中成本管理难点。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
近年来，随着我国建筑企业迅速发展，生产和经营规模不断扩大，建筑业总产值稳步上升(见图1-1)[1]，由此可见建筑业在我国经济支柱产业中依旧占据显著地位。但从建筑业企业实现利润分析，其增速连续五年放缓，建筑业产值利润率自2014年总体呈下降趋势（见图1-2、图1-3）[1]。其主要原因是传统建筑业粗放生产方式消耗着社会的大量资源，信息化程度低、生产效率低、资源消耗高、成本控制效果不理想等[2]，导致资源浪费、成本控制目标难以实现。因此，进行工程项目施工成本管理研究对破解建筑业发展难题意义重大。
1.2研究现状
1.2.1数字孪生研究现状
数字孪生技术的发展主要经历了数字孪生概念、航空航天领域应用及多行业拓展应用三个阶段[3]。自诞生之日起，数字孪生就围绕着数字化、智能化、虚实共生、以虚控实等关键问题展开研究[4]，最初用于美国空军航天器剩余寿命预测和健康维护[5]，后来用于实际产生物理系统之前的设计、测试、制造及使用[6][7]，分析制造的可行性并确定使用时的故障模式。在我国，相关研究多在工业制造领域，但随着研究日渐深入，应用场景不断扩展到智能制造、智能建造、智能家居、智慧医疗、智慧城市和智慧交通等领域[8]。当前学者对数字孪生内涵未形成共识，陶飞等学者强调其实时性、忠实性及虚实互动的重要性[9]；工业4.0术语编写组强调数字孪生服务物理实体的全生命周期过程，侧重于“面向过程”[9]。本文对数字孪生的研究现状将从以下几个方面整理分析：
1.2.1.1数字孪生理论概念及关键技术研究现状
杨林瑶[10]分析数字孪生与平行系统的区别，阐述数字孪生与平行系统，利用虚拟模型研究复杂的物理系统，以实现系统更好地控制。陈川[11]阐述了数字孪生的关键技术，并总结了数字孪生在智能制造领域中的应用及发展趋势。杨刚[12]对数字孪生在应用过程中面临的异构模型精确构建与融合、虚拟模型自主更新与可靠评估、多维数据一致感知和基于语义的互理解保证等技术挑战进行分析。陶飞[13]从数字孪生概念出发建立了一套数字孪生标准体系架构。
1.2.1.2实际场景应用研究现状
葛世荣[14]从数字孪生智采工作面系统相关理论研究出发，融合5G通信技术、物联网技术和仿生智能技术，实现无人化开采；YERATAPALLY S R[15]构建了基于数字孪生技术的框架模型，提出基于诊断树的健康管理方法。郝博[16]提出基于数字孪生的飞机机翼装配过程质量控制优化模型。李胜前[17]运用数字孪生技术，实现对生产线生产过程中的故障及时预警，提高生产线智能化水平。数字孪生的应用除了在工业、医疗领域取得一定成功外，也在智能建造领域发挥重要作用。例如，杜明芳[18]提出利用BIM，GIS，AR/VR等数字孪生支持技术实现建筑一体化管控；刘占省[19]提出了一种数字孪生驱动的消防疏散动态引导方法，实现了疏散路径的实时动态规划；Liu Z et al.[20]提出了一种基于数字孪生和人工智能相结合的预应力索智能张拉方法。Greif T et al.[21]利用数字孪生技术及新信息技术对建筑工地进行了物流设计，实现了决策支持系统的筒仓调度和补充。Kunath M,Winkler H[22]集成数字孪生制造系统到一个决策支持系统，实现订单管理过程决策支持。Tchana Y et al.[23]使用数字孪生满足了建筑领域线性基础设施的要求。
第2章理论概述
2.1数字孪生相关理论
2.1.1数字孪生的概念
数字孪生的概念可以追溯到2003年，Grieves教授首次提出“与物理空间中物体相同的虚拟数字化表达”，是数字孪生的雏形。其描述已经包括了数字孪生三要素，真实空间、虚拟空间、数据连接，即数字孪生三维模型[43]。直至2012年，美国航空局将其运用至飞行器模型的构建中，数字孪生又重新回到了人们的视野，但目前对于数字孪生仍没有统一的定义。随着数字孪生相关研究的增多，学者从不同角度出发，对数字孪生进行了定义，主要从模型、数据、连接、服务/功能、物理五个维度进行分析定义。
虽然目前对数字孪生的定义还没有标准规定，但以物理实体、虚拟模型、数据、连接、服务作为数字孪生相关研究的核心要素得到一致认可[47]。对数字孪生技术的定义角度不同，但有一个共同的特点，即认为数字孪生是物理世界与虚拟世界的结合，虚拟模型能够通过技术手段实时反映物理世界的信息并进行数据传递，孪生体会根据物理实体的变化而改变，这一过程是虚实交互的过程[52]。
2.2数字孪生的支持技术相关理论
2.2.1 BIM技术
建筑信息模型（BIM）作为建筑信息化的基础，承载所有建筑信息数据，可以作为公共资源实现建筑各参与方之间的信息共享，避免因传递过程中信息失真导致资源浪费，提高反馈效率与控制速度[25]。BIM技术不单指某种建模软件，而是通过共享、整合建筑全寿命周期的数据，提供集成创新、协同共享的工作平台与数据库。BIM作为项目建设全寿命周期的共享平台与数据库，从规划设计到施工模拟，甚至到运维管理，可对整个项目全寿命周期的数据进行计算、存储与交换[30]。同时，BIM技术具有模型可视化、专业协同化、信息多元化的特点，具体如下：
①模型可视化
模型可视化是指拟建建筑完工前将其完工后的空间、外观效果及信息、数据等直观呈现。利用BIM模型可视化功能协助进行施工交底，通过建筑信息模型直观呈现拟建项目施工实况，协助一线员工对建筑施工效果进行正确且全面的理解。此外，可为各参与方提供信息支持，项目管理人员可随时随地查看相关施工信息，辅助沟通、提供决策[46]，如：进行空间管理、规划和应急方案制定等。
②协同协调化
协同协调既包括专业协同又包括各参与方的协调。专业协同是指在各专业施工的全过程运用BIM模型进行信息共享。一方面保证建筑信息的完整性与可追溯性，充分发挥建筑数据信息优势，另一方面能够进行不同专业的施工空间合理性分析，如管线冲突分析、空间合理性分析、功能协调性分析等，从而减少返工，提高资源利用效率，节约成本。参与方协调是各参与方通过平台共享信息，实现“全通道式”的两两及时沟通且信息共享，改变以往“轮式沟通”等沟通方式导致的沟通效率低下、信息不对称，利用平台信息共享为协同工作提供便利，从而实现较好的管理效益。
第3章 基于数字孪生的工程项目施工成本管理系统分析 ................ 21
3.1 DT-4M1E模型构建 ..................... 21
3.2 施工成本管理系统分析....................... 22
第4章 基于数字孪生的工程项目施工成本管理应用框架 ................ 30
4.1 基于数字孪生的工程项目施工成本管理框架构建 .................... 30
4.2 施工成本管理数字孪生模型建立 ..................... 31
第5章 实证分析 ........................... 37
5.1 工程概况 ................................... 37
5.1.1 项目简介 ............................ 37
5.1.2 项目难点 .......................... 37
第5章实证分析
5.1工程概况
5.1.1项目简介
ZZYH综合业务大楼为省重点项目，位于河南省郑东新区CBD副中心，裙房4层，地下4层，地上22层，高约100米，总建筑面积约90000平方米，结构类型为框架核心筒结构。项目投资约6亿元，计划工期1013日历天。参与者多，管理难度大。本文选取该综合大楼作为数字孪生技术施工成本管理应用的分析对象。项目整体效果图如图5-1。
5.1.2项目难点
项目四周被地铁线和管廊包围，施工现场狭小，环境状况复杂。项目周边为湖，地下水位高，施工难度大，工期要求高。因此，将该项目作为数字孪生技术施工成本管理的应用试点工程，对施工方案进行模拟优化。依据工程进度及工程量自动分析物料资源，保证工期，减少材料浪费，初步实现了工程项目施工成本的数字化管控。
第6章结论与展望
6.1结论
本研究以建筑业产值利润率呈下降趋势这一问题为切入点，分析了工程项目施工过程中成本管理难点。结合数字化、信息化背景和系统工程思想，将数字孪生理念引入到工程项目施工成本管理过程中，从而提高项目管理智能化程度，降低施工成本。进行了数字孪生环境下工程项目施工成本管理系统要素(DT-4M1E)、要素间的关系、系统环境及实现的研究，形成了工程项目施工成本管理的系统图。构建了基于数字孪生的工程项目施工成本管理框架，并设计了工程项目成本管理应用流程。在此基础上，结合某工程项目验证了理论研究的有效性与可操作性，最终得出以下结论：
(1)设计出了工程项目施工成本管理系统图。依据传统成本管理理论中的4M1E理论，分析数字孪生背景下工程项目施工成本要素，提出基于数字孪生的4M1E理论(DT-4M1E)。分析了其要素关系、系统环境及实现，并设计出了工程项目施工成本管理的系统图。
(2)提出了基于数字孪生的工程项目施工成本管理框架。以成本构成要素为管理对象，依据DT-4M1E，从施工成本要素物理实体、施工成本要素虚拟实体、数据交互平台、施工成本管理系统及连接五部分，构建了基于数字孪生的工程项目施工成本管理框架。
(3)介绍了模型的构建方法，并设计了管理流程。分别对施工成本要素物理实体、施工成本要素虚拟实体、虚实信息交互建模方法进行详细阐述。在此基础上设计了一种新的
