數字孿生在中國

文 本刊記者 張波 楊心壤

“超級工程”樂西高速（BIM施工設計圖）

2018年6月，四川省重點高速公路建設項目——樂西高速公路（樂山-西昌）馬邊至昭覺段施工圖設計審查會結束，項目施工圖設計順利通過四川省交通運輸廳組織的專家評審。會后，專家們對樂西高速的設計與匯報給予了高度評價：用數字化的手段，充分展示了樂西高速沿線的地質信息、環保信息和設計方案，特別是40公里無人區的情況一覽無余，使人身臨其境，非常直觀，值得推廣。

四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司BIM中心主任喬科也深有感觸，樂西高速沿線地質復雜，不僅穿越40公里無人區，還要經過1個國家級自然保護區、1個省級自然保護區和3個林場，沿線國家一級、二級珍稀保護植物密布，工程建設面臨極高的環保要求和施工難度。如果使用常規手段，只能通過照片和口述來講解，專家們不能很好地了解具體情況。而采用數字技術，通過數字孿生、BIM等技術，將測繪數據、地物信息、地災信息、地勘信息、規劃信息、設計成果及其他相關信息（自然保護區、土地性質、最大洪水位）一并在BIM模型上整合展現，情況一目了然，可以用清晰透徹來形容。喬科說：“數字技術帶給公路工程建設的一個典型提升，就是可視化。它提高了設計的深度和準確性，以及展示和溝通的效率。”不僅在設計方面，數字技術在施工、養護和運營階段，都具有突出優點。

我們還處于數字孿生的初級階段

交通運輸部于2019年7月發布的《數字交通發展規劃綱要》中提到，到2025年，我國交通運輸基礎設施和運載裝備全要素、全周期的數字化升級將邁出新步伐，數字化采集體系和網絡化傳輸體系基本形成。

數字交通是一項巨大的系統工程，全要素、全周期的數字化，需要在工程設計與施工階段就建立起基礎數據庫，實現數字化。目前，數字孿生在工程建設領域的熱度非常高，就是因為它能夠在虛擬空間中構建項目工程模型體系，實現對工程的虛擬數字映射。美國Bentley軟件公司行業高級銷售總監陳愷煜介紹，“孿生就是雙胞胎的意思。數字化的工程項目，就是現實工程在數字虛擬空間的拷貝。”通過構建的數字模型體系，可以實現工程項目的設計優化、提升建設管理效率、降低建設成本，為后期的養護、運營打好基礎……看得出，這契合了數字交通的發展要求。

“數字孿生是一個非常理想的發展狀態，也可以說是我們的一個發展目標。”喬科認為，無論是技術的發展還是技術的成熟度，都需要經過很長時間的探索和積累。就當前我國公路建設項目的數字化發展狀況來看，單項新建和改建項目工程的數字化正處于推廣發展階段，后期我們還面臨整個路網的數字化。同時，路網的監測、檢測、養護與運營也面臨數字化，可以說，我們當前還處在數字化比較初級的探索階段。

數字孿生已經呈現出諸多優勢

數字交通代表了未來的發展方向，數字孿生提供了數字化發展的路徑。我們只有通過不斷探索，才有可能實現數字交通的未來。到目前為止，我國公路交通數字化發展進展如何？從四川樂西高速、陜西西咸新區世紀大道提升改造工程、江蘇常熟南沿江城際鐵路站前工程（包括路橋工程）、黑龍江七臺河桃山湖生態水利治理工程（包括路橋工程）等2021基礎設施數字化光輝大獎賽的幾個中國入圍項目著眼，來看一看數字孿生已經為我們解決了什么問題，為我們展示了哪些優勢。

提高設計準確性

以樂西高速為例，該項目全長151.8公里，穿越四川山區，橋隧比高達81.5%，其間有幾十公里的無人區、國家級和省級自然保護區。面對這些工程挑戰，項目設計單位的喬科介紹，他們決定采取全程、全專業數字化設計來優化設計，并選擇了數字孿生、實景建模、協同管理、OpenRoads Designer等Bentley技術平臺和專業軟件。

喬科說：“如果不采用實景建模等技術，我們的設計團隊無法直觀地了解無人區的情況。有了這種身臨其境的感受，掌握了精準的數據并集成到一套數字孿生模型的成果里，就能更科學地設計合理的路線，在規避珙桐、水青樹等國家一、二級珍稀保護植物分布區域的同時，做好構造物和環境的契合。”

設計團隊借助BIM技術，優化了設計方案，提高了設計質量，在設計過程中發現圖紙錯誤1000余處，大幅減少后期設計變更，將產生最直接的經濟效益。設計團隊還針對大涼山1號隧道這樣的重點及難點工程進行了施工創新，并為業主提供了一套數字化資產，為施工和養護提供了極大的便利。從行業的價值來說，也形成并驗證了公路工程信息模型標準，為交通數字化的后續研究提供了項目參考。

提高設計效率

在陜西省，連接西安和咸陽的西咸新區世紀大道提升改造工程，是這個國家級新區首個全專業應用BIM技術進行設計、施工、運維的大型綜合市政示范項目。項目總長度約為4.3公里，道路紅線80米，總投資約32億元。

中國市政工程西北設計研究院有限公司陜西分公司數字化創新中心主任張澤林說：“我們實現了全過程的數字化設計，并進行了全專業的數字成果交付，推進了設計數字化、施工信息化、運維智能化的全周期管理。整體設計效率提升15%～20%，減少設計變更60%以上，節省項目設計周期約45天，帶來綜合經濟效益1000余萬元。”

張澤林特別提到了像可視化管遷管改這樣的BIM應用點創新。作為一個綜合市政項目，涉及的專業繁多，地下空間涉及地鐵、過街通道、綜合管廊及8類市政管線，縱橫交錯。設計團隊采用OpenRoads SUE建立現狀地下管網，基于此管網模型進行管線遷改方案的三維設計，將管網模型與設計道路、管廊模型進行整合，幫助設計師直觀篩選需要保護和遷改的管線，解決管線碰撞分析、凈距分析難等問題，實現管遷方案最優，提高設計效率30%。

陜西西咸新區世紀大道提升改造工程（BIM施工設計圖）

黑龍江七臺河桃山湖生態水利治理工程（BIM施工設計圖）

節約施工成本

以水利和市政公路橋梁建設為重點的桃山湖生態環保水利綜合治理PPP項目是黑龍江省百大項目之一。由黑龍江建投集團投資建設，項目縱深長8.6公里，總投資10.95億元。

黑龍江省建設技術發展中心總經理梁旭源介紹說：“項目實施了BIM整體協同設計，在數字化施工方面進行了成功的探索，使得項目整體施工工期大幅縮減，提前240天完成主體工程項目交付，為投資方節約資金達6000余萬元；同時借助SYNCHRO統籌施工進度，使主體項目工期縮減40%，為施工方總體節約資金達2000余萬元。”

該項目涉及的專業多，僅施工隊伍就有幾十家。哪個施工隊伍先進哪個后進，如何提高設備的利用率，材料在現場如何堆放，都是制約施工效率和質量的大問題。項目在數字化BIM技術實施過程中，以SYNCHRO數字化工作流為核心，通過項目智慧駕駛艙全天候實時監測，能夠為管理者提供可視化項目實時進度跟蹤，同時借助三維BIM模型及其掛接的材料信息屬性，輔助項目采購方及時、按需采購項目所需物料；利用BIM翻樣數據按需、按時智能拆分為不同批次的零構件加工任務，動態調節原材料及半成品數量，實現最低庫存；創新應用ContextCapture+SYNCHRO高效對項目周邊征地拆遷進行資金規劃及拆遷進度把控，實現精準資金利用。

縮短施工周期

位于江蘇常熟的南沿江城際鐵路站前工程，在數字化施工方面取得的成效，也同樣值得研究。

該數字化施工項目負責人之一——中交第三航務工程局有限公司副總工程師時蓓玲介紹說：“采用包括數字孿生技術和BIM技術來做數字化施工，使得整個施工過程更有序、更高效、更安全，實現了工期的合理優化和成本的大幅節約。例如，整個架梁的工期縮短了130天。同時減少了管理費用、設備租賃費用，材料損耗率也降低到正常損耗率的80%左右。”

時蓓玲對于采用數字孿生這樣的技術來推進交通數字化有著很深的感受。她說，數字孿生技術功能很強大，僅憑它的可視化功能就已經深受施工管理人員的歡迎，在施工階段的應用還不斷有驚喜出現。在工程建設管理過程中，通過布置工程監測點形成不斷更新的數字孿生模型，保證了整個施工階段結構物的安全及質量可控。比如說做基坑開挖，就要對開挖之后的結構變形受力進行實時監測和全過程監測；對橋梁施工，結構的受力體系不斷在改變，也需要非常嚴密的實施監測。然后通過“GIS+BIM”的方式把物聯網形成的監測數據融合在一起，不斷傳遞和映射到數字孿生模型，使得參建各方在同一個模型上對施工現場的實際情況做到實時掌握，方便采取對應的措施。

展望數字孿生的發展之路

從工程實踐中可以看到，數字孿生帶給設計、施工方面的便利性和經濟性非常明顯，它的優勢在不同的行業、不同的工程項目中也越來越多地凸顯出來。

從數字交通的理想狀態來看，要建立數字孿生交通系統，現實世界中所有的交通設施信息必須全部映射到數字交通系統中。這個映射的過程，必將是多學科、跨行業的合作與融合，比如要利用物聯網、大數據、BIM/CIM、人工智能、增強現實AR等綜合性數字孿生技術，現有的智能交通平臺也將拓展成數字孿生平臺。這樣一來，就可以利用交通模型和人工智能驅動虛擬交通世界，在虛擬交通世界中對現實交通進行事前的分析、研判，最終為現實交通的養護、運營甚至是后期的廢棄、拆除提供決策參考建議。

針對目前我國仍處于數字孿生初級階段的情況，一方面，要繼續推廣項目實踐，讓更多的新建工程運用數字技術，另一方面，要進一步拓寬應用場景。例如中交三航局就拓展了很多的實景建模，從無人機的傾斜攝影到激光三維掃描，甚至進入到了水下。時蓓玲介紹，以前中交三航局開展海底的地形掃測主要是通過單波速、多波速等水下地形掃測手段，現在他們把這種地形掃測手段整合成了數字化模型，用“GIS+BIM”的方式再把物聯網形成的監測數據融合在一起，形成了一個更廣泛范圍的信息數據的呈現，大大拓寬了應用場景。

江蘇常熟南沿江城際鐵路站前工程

同時，既有交通設施的數字化也迫在眉睫。我國400多萬公里公路中，已經開展數字化應用的比例還比較低，未來行業在交通設施基礎數據的數字化，以及運行監測數字化采集、分析、研判等方面，都需要做大量的工作。喬科認為，公路交通的數字孿生是一個非常龐大的系統工程，不僅涉及到工程建設領域的BIM應用，涉及到數據采集傳輸設備的進一步研發生產，涉及到交通出行需求的挖掘，還涉及到行業管理的指導方針，“數字孿生，既是發展目標，也是未來數字交通發展的起點。我們只有腳踏實地地不斷探索，才能摸索出一條數字化發展之路。”