Advancing digital twins for sustainable and smart construction practices: a systematic review
T. O. Okimi, M. S. Ramabodu, A. M. Gento, Y. P. Espinosa
aConstruction Management and Quantity Surveying Department, Durban University of Technology, South Africa;
b Organizacion de Empresas y CIM, University of Valladolid, Spain
本文系统综述了数字孪生在不同全球背景下重塑可持续与智能建造的实践。分析表明，数字孪生研究集中于四大领域：
同时，区域差异显著。数字孪生正在成为可持续、韧性、情境响应的建筑环境转型战略推动。
数字孪生作为物理资产的虚拟副本，已从制造业扩展到建筑业，助力资产全生命周期管理。建筑业占全球能耗与排放约40%，数字孪生结合AI、物联网和BIM，可实现实时模拟、监测与优化，改善碳足迹、室内环境质量、资源使用和能效。
然而现有研究高度碎片化且区域孤岛化：北美聚焦AI驱动的建筑能效优化（节能15-22%）；欧洲侧重室内环境质量、遗产保护与 occupant 舒适度；亚洲以城市级数字孪生为核心（如虚拟新加坡）；澳大利亚关注基础设施韧性与气候风险缓解；非洲（尤其尼日利亚）开始探索循环经济导向的数字孪生，用于物料跟踪与减废。
本文旨在系统综述全球研究，识别主题集群、区域模式、绩效结果及促进与制约因素，并构建整合性框架以支持情境敏感的数字孪生实施。
遵循PRISMA指南进行系统文献综述。检索四大数据库（Scopus, Web of Science, IEEE Xplore, ASCE Library），时间2017年1月至2024年12月，仅限英文期刊或同行评审会议论文。布尔检索词包括“digital twin”与construction、sustainable、smart construction、energy efficiency、circular economy、resilience、IEQ等。经去重、标题/摘要筛选、全文评估，最终纳入77篇。使用VOSviewer进行文献计量分析与关键词共现聚类，采用MMAT进行方法学质量评估。
3.1 数字孪生应用综合：
数字孪生超越传统BIM，集成实时数据支持全生命周期决策。①模拟、建模与决策支持；②智能系统与技术集成（BIM、IoT、AI/ML、大数据）；③生命周期与循环性（从设计到报废）；④可持续性与能源成果（欧洲节能10-15%，北美18-22%，非洲资源效率提升）；⑤城市尺度与韧性应用（城市数字孪生用于监测、规划、灾害管理）。澳大利亚基础设施数字孪生投资回报比约3:1。
3.2 技术基础：
传感器、BIM与AI集成：区域差异明显。北美：AI增强的BIM-IoT平台优化HVAC，节能15-22%；欧洲：密集传感器阵列+6D BIM改善室内环境质量，节能5-10%但注重 occupant 舒适；亚洲：城市级智慧城市数字孪生，集成性能提升20-30%；非洲：初步BIM与低阶传感器设置，聚焦循环性建模（尼日利亚减废25-30%，回收增加30%，成本节约≥15%）；大洋洲：韧性与基础设施风险数字孪生。
3.3 数字孪生采纳的挑战与推动因素：
欧洲拥有成熟标准（欧盟绿色协议、ISO 19650）和政策协同，但中小企业采纳复杂；北美私企创新驱动但监管碎片化、隐私不确定；亚洲中央平台（如虚拟新加坡）和资金支持有力，但存在数据垄断风险；大洋洲韧性资助和试点良好，但缺乏国家协调和技能短缺；非洲基础设施薄弱、政策支持有限、能力差距大，但循环数字孪生试点显现潜力。
3.4 框架开发：
提出全球数字孪生实施框架，包含五个互锁组件：①治理与标准（ISO 19650, ISO 23247，数字产品护照）；②模块化孪生架构（按生命周期阶段分解为可互操作模块）；③面向生命周期的绩效指标（能耗、室内环境质量、物料流、碳排放）；④资金与能力生态系统（公私合作、SDG关联资助、本地化培训）；⑤伦理治理与包容性（数据隐私、利益相关者共创）。
数字孪生正迅速从静态BIM扩展演变为动态决策支持系统。区域优先级塑造了部署路径：发达国家偏向能源管理与室内环境质量（增益5-15%），非洲试点项目则突出生命周期循环性（物料跟踪、减废、采购效率）。治理、标准和机构能力不仅是外部障碍，更是主动塑造数字孪生配置、功能和可持续成果的结构性决定因素。所提全球框架弥补了从用例编目到整合架构的空白，并通过瑞典大学校园商业建筑数字孪生案例展示了五支柱的实证应用。
本综述追踪了数字孪生在全球不同背景下的发展，显示地方需求（能效、城市韧性、遗产保护、循环经济）对技术创新产生重大影响。
欧洲历史建筑数字孪生实现高达15%节能而不牺牲文化价值；北美通过AI和物联网实现15-22%运营能耗降低；亚洲城市尺度数字孪生在能源和交通等系统取得20-30%增益；澳大利亚基础设施孪生通过主动缓解气候影响实现3:1投资回报比；尼日利亚施工场地循环孪生实现高达30%减废、30%再生材料增加和15%成本降低。数字孪生需要情境敏感，推动环境（标准、资金、技能、治理）与技术同等重要。
