市政工程設計數字化轉型綜述與展望

吳軍偉

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

“1980 年～2000 年處于傳統時期，管理效率低下，生產靠人工。

2000 年～2020 年處于建筑信息化時期，企業注重管理信息化，實施流程在線審批、OA 協同辦公、各種ERP 管理軟件出現；生產工具方面，通過CAD 工具、工程造價軟件提升效率。

2020 年～2030 年處于建筑數字化時期，建筑企業開始轉型EPC 模式并推行數字協同平臺；生產端上應用BIM 平臺、建筑機器人、云計算、大數據、物聯網、人工智能、移動互聯網等先進技術。

2030 年～2040 年處于建筑數智化時期，數據生態多方協同、數據驅動管理；通過實時數據與物聯網為核心生產力，以數據驅動生產決策。”

——摘自《2022 年中國建筑行業數字化轉型研究報告》[1]。

建筑行業的數字化轉型經歷了不同階段，從傳統時期到信息化、數字化再到數智化。這一進程是逐步推進的，每個階段都帶來了管理效率和生產效益的提升。在建筑行業數字化轉型的過程中，市政工程在數字化轉型中具有復雜性和規模化、多方協同和整合、長周期和維護性、實時監測和響應以及公眾參與和透明度等特點。數字化轉型通過建立信息化系統和平臺，運用先進技術如物聯網、大數據和人工智能，提升市政工程的管理效率、優化資源配置、增強服務水平，并實現城市的可持續發展和智能化治理。未來，建筑行業將繼續朝著數智化方向發展。企業將借助數字協同平臺實現多方協同，實時數據與物聯網成為核心生產力。

1 國內外數字化轉型背景

1.1 數字化轉型描述

數字化轉型[2]（digital transformation）的概念最早由IBM 在2012 年提出，強調了應用新一代數字技術，如云計算、大數據和人工智能等，來改變組織的業務模式、流程和價值觀，以提升客戶體驗、增強協作能力，并實現可持續發展。

1.2 國外數字化轉型狀況

國外數字化轉型的狀況呈現出快速發展的趨勢。各個國家紛紛制定相關政策和戰略，投資于數字技術的研發和應用，以提升經濟競爭力和社會發展水平。

2017 年，思科（Cisco）[3]在《數字化轉型成就制造業升級》也提出全數字化轉型戰略應著重于全新的客戶體驗、創新的業務模式、提高員工的創新能力三大主要領域。

2017 年，埃森哲在發布的《展望》[4]期刊報告中提出數字化轉型三部曲：制定數字化轉型目標、采取數字化轉型行動、達成數字化轉型成果。全球第三大企業級應用軟件及服務商Infor[5]則提出數字化轉型主要包括兩個方面，一是實現自動化管理，二是差異化競爭。麥肯錫咨詢公司（簡稱麥肯錫）在其相關報告[6]中提出成功轉型領軍企業六部曲，重點提出構建人員轉型思維和數字化能力，強化數字技術建設注重信息安全建設。

從各大公司給對企業數字化轉型的方案中可以看出，數字化轉型已經不僅僅限于數字技術的應用，同時也是組織文化與管理的變革。

1.3 國內數字化轉型狀況

當前我國經濟進入新常態的大背景下，經濟增長的速度、結構和動力都發生了深刻的變化。為了適應新的發展形勢，國家在“十四五”規劃中明確提出了“加快數字化發展”的具體目標，工程行業也在這個背景下紛紛轉型，朝著智能化方向邁進。數字化轉型將為工程設計智能化帶來全新的發展理念[7-9]，是瞄準未來科技發展趨勢的重要舉措。因此，工程行業需要不斷優化自身的技術，全面推進數字化轉型，為工程設計智能化的發展注入新的活力和動力。

在市政工程設計企業普遍經歷高速化、規模化、同質化的發展階段之后，如何由規模化增長向高質量發展過渡，成為不得不面臨的重要命題。與此同時，隨著數字化、信息化技術的快速迭代及其與各行業的深度融合，如何適應數字時代的挑戰并實現業務模式的數字化轉型，也成為了設計企業的核心戰略問題。

隨著高質量發展時代的到來，數字化轉型已成為設計企業立足之本。為推進高質量發展，設計企業需盡快實現數字化轉型，提升設計業務水平，將數字化作為“十四五”期間發展戰略之一。本文圍繞筆者所在企業在技術應用與研發、管理制度和人才培養戰略方面分析數字化進展，提出設計業務數字化轉型存在的瓶頸以及可能的發展方向[10，11]。

通過對國內外關于數字化轉型的相關研究可以看出，加快工程設計企業數字化發展進程，培育和發展核心優勢，加速數字化設計研究、加強信息化基礎設施建設、積極引入新技術、建立新的管理體系，提升企業在工程建設領域的核心競爭力已成為工程設計企業數字化轉型升級的重要戰略抉擇。

1.4 數字化轉型發展方向

數字化轉型在土木工程領域的發展方向包括建立數字化設計平臺，引入建筑信息模型（BIM）技術，應用無人機和遙感技術，推動工地信息化，以及引入智能化監測與維護技術等。數字化設計平臺解決了市政設計中數據整合和協同工作等復雜問題。同時，信息化基礎設施建設是數字化轉型的基礎，包括網絡建設和數據中心建設。這些設施實現了市政設計數據的集中管理和共享，提高了數據的可靠性和安全性。數字化轉型還積極引入新技術，如物聯網和人工智能，應用于市政設計的各個環節，例如遠程監測、城市規劃和設計的優化等，實現了數據驅動和智能化的發展。數字化市政設計行業的特點包括復雜性和多功能性、數據驅動和智能化發展以及高效和可持續發展。這些特點將指導行業在數字化轉型中的實踐和發展。

2 數字化轉型實現技術路線

2.1 信息化基礎設施建設

數字化設計的研究和應用依賴于信息化基礎設施的建設，其中包括數據中心、網絡架構、云資源等。這些基礎設施的建設可以為數字化協同設計的應用提供優質的技術支持和良好的運行環境。目前，筆者所在企業已完成內外網融合，云共享設計平臺建設，正在籌劃建設數據中心以支撐數字化轉型的基礎設施需求，在軟件研發方面也積極從數字專業smedigital 微服務[12]研發框架向smedigital 統一開發平臺進行建設。

（1）數據中心建設

數據中心是企業數字化轉型過程中的核心基礎設施，主要用于存儲和管理設計數據，建設自己的數據中心，可以將各種數據整合，方便統一管理和使用，為后續的數據價值提供基礎保障。

（2）網絡架構建設

采用多層次網絡架構來保障網絡的性能和安全性，并推進內外網融合。為數字化協同設計的穩定、快速、安全地運行提供了保障，建立了穩定、可靠的網絡環境。網絡架構設計考慮可靠性、靈活性和擴展性等方面，滿足設計工具的需求。

（3）云共享平臺建設

進行設計云資源建設，使用云計算平臺來實現資源共享和彈性擴展，以提高企業的效率和靈活性，用戶在外差情況下都可以使用云平臺提供的軟件和算力資源。提供多人協作的設計環境，使得多個團隊或人員可以在同一個平臺上進行協作設計，共享數據，加速設計進度，提高協作效率。在云平臺上搭建設計資源庫，方便工程師使用標準化的設計模板、素材和工具，提高設計效率和質量。

（4）Smedigital 統一開發平臺建設

Smedigital 為SMEDI 與digital 兩個單詞組合而成，以此作為框架的名字，為SMEDI 數字化轉型助力。Smedigital 開發框架基于Spring Cloud 微服務系列技術搭建，以領域驅動設計、六邊形架構、數據驅動測試等理論為支撐，形成面向開發人員的Smedigital 開發框架與面向業務專家的Smedigital平臺。Smedigital 開發框架致力于提供更好的開發體驗，讓開發人員關注業務本身，而不是相關技術細節；Smedigital 平臺提供的靈活配制功能，可以讓非編程人員也可以在經過簡單的培訓后，在系統中配制想要實現的功能。

2.2 數字化協同設計

協同設計是必然的趨勢，CAD 發展至今二維設計模式的提效趨勢已進入瓶頸期，規劃設計中存在的大量重復性工作，反復修改所產生的多版本冗余圖紙極大地消耗著有限的人力資源。非模型化的方案往往與實際方案存在出入，產生業主方的心理落差，同時，無法提供可行性與安全性校驗的支撐數據。在協同設計方面，筆者所在企業以及多個專業院所共同進行了協同設計相關研究，基于交通、水務常用三維設計工具進行了相關探索。

（1）協同設計數據環境[13，14]

在數字化協同設計中，協同設計數據環境是關鍵的基礎設施。基于達索3DEXPERIENCE 體驗平臺、AutoDesk360 等協同環境，形成了統一的設計語言與設計標準（圖層線性、設計標準等），進而在統一的數字環境下進行實時在線的設計成果共享，為各專業之間的協同奠定基礎。

在這個過程中產出載體發生了變化，從非結構化的二維圖紙信息轉向結構化的三維數據，使得設計成果在工程全生命周期內實現流轉，在設計時對于施工運維需求進行充分考慮，提供管理決策依據。

（2）BIM 技術深入應用

近年來，BIM 技術的應用發展速度迅猛，已成為市政工程設計的必備工具。筆者所在企業作為BIM標準制定和技術路線探索的先行者，早在2012 年就基于達索系統的3D 體驗平臺，與達索系統共同建立研發中心為土木工程專業人員提供行業解決方案體驗，專注于橋梁、給水、污水處理設施、道路、軌道交通、開放式建筑物和地下建筑物等領域，最終形成了極具特色的專業模塊（Civil Designer），在各類工程領域發揮重要作用。在BIM 標準制定、技術路線探索、應用示范等方面積累了豐富的經驗，并推動了行業的數字化轉型進程，數字化業務已拓展到長三角、雄安、粵港澳大灣區、安徽、新疆等區域。

（3）專用設計工具研發

筆者所在企業在數字化業務持續投入，筆者所在單位陸續推出了SMEDI-RDBIM（2015）、SMEDI-BDBIM（Para3D）（2015）、橋梁BIM 正向設計系統（鋼結構）（2017）、SMEDI-BIM 構件庫管理系統（2018）、基于構件庫的橋梁正向設計軟件（2019）等設計工具類軟件。由于專業特性的不同、設計協同的需求以及不同階段對設計深度的差異，設計行業設計項目還使用EICAD、CATIA 3DE、Autodesk Revit、管立得、路易等市場化軟件[15]，見圖1。

圖1 協同設計軟件應用情況

（4）協同設計流程建設

建立通用數據空間，以標準化的流程完成生產任務，有利于提高各專業設計人員的工作協同性和設計成果的標準化程度，提高設計成果交付的質量和效率，為設計業務賦能。在實現協同設計數據打通的基礎上建立完整的多專業協同設計流程，以道路交通工程設計為例，見圖2。

圖2 BIM 正向協同設計流程

2.3 新技術研發及應用

新技術的研發和應用是數字化設計轉型的重要方向，可以大幅提高設計效率和質量。例如：自動化校審和出圖、MBD（Model-based definition）和智能建造技術，這些技術的應用可以提供更高效、更準確、更智能的設計解決方案，推動數字化設計轉型和高質量發展。

（1）自動化校審及出圖

自動化校審及出圖的主要內容有確定標準校審流程和規范、選擇自動化校審和出圖的軟件工具、建立數字化設計文件管理系統、建立三維模型自動化校核系統、建立智能化校核審查系統。通過制定標準校審流程和標準校審規范，將校審流程數字化，并通過計算機軟件實現自動化校驗，提高校審效率和準確性，提高設計質量和效率。研發設計工具實現設計圖紙的自動生成，減少手工繪圖和出圖的時間和精力，提高出圖的準確性和一致性。

（2）AI 輔助設計內容生成

利用AI 技術輔助設計師完成一些重復性、低效率的設計繪圖工作，例如自動化繪制平面布置圖、快速生成方案、修改設計等。其次，可以快速處理大量設計文檔和技術資料，并生成高質量技術文檔，例如自動生成技術說明書、設計方案報告等，見圖3。此外還對以市政設計領域的大量數據進行分析和挖掘，輔助設計師進行設計優化，輔助決策者進行決策，例如根據城市交通數據預測未來交通狀況，優化交通設計方案等。

圖3 Cha tGP T 界面以及對AIGC 的自解釋

（3）MBD 與智能建造

MBD 和智能建造是兩種數字化技術，它們的結合可以實現數字化設計與數字化制造的無縫連接。MBD 將設計信息集成到三維模型中，為智能建造提供基礎數據模型，為機器學習和人工智能等技術的應用提供數據支持。智能建造利用數字化技術實現施工全過程的可視化和優化，可以將產生的數據反饋到MBD 中，為設計提供優化反饋。通過這種有機結合，可以優化設計流程、提高生產效率，進一步推動工程設計行業數字化轉型，見圖4～圖6。

圖4 自動化滾籠機

圖5 鋼梁生產廠

圖6 MBD 生產管理系統

在數字化轉型中，需要不斷探索新的數字化技術，推進自動化生產流程，提高生產效率，進一步推動工程設計行業數字化轉型。

3 數字化轉型現狀與改進建議

《設計行業專業升級與數字化智慧化轉型融合發展的策略—數字化應用場景研究》報告中基于國家及行業發展的數字化政策對設計行業的業務數字化典型場景以及發展瓶頸都做出了詳細的研判。

在此結合近年設計行業在設計手段提升工作實施過程中對于研究與應用提出以下幾點建議：

（1）注重需求端驅動技術發展，集中力量推動頂層規劃。

設計行業在十四五局之年開展“設計手段提升”工作，進行統一規劃對于水務、路橋板塊分別制定研發計劃，由信息部作為主管部門統籌各設計院開展相關工作，取得了一定的研發成果。但在成果推廣階段存在問題，因為工程項目類型以及設計習慣流程不匹配，經分析原因在于各個需求端并沒有達成需求的一致性以及優先級反饋。后續應積極收集分析需求端的反饋，充分認識到設計師關心和急迫需要解決的問題，提供貼合實際情況的技術解決方案。

（2）加強技術監測與預測，維持技術引領的目標。

設計端一直是市政工程領域的技術引領者，在發展的過程中一直是國家隊、排頭兵的角色，但是土木建筑行業的數字化發展程度毫無疑問是排倒數位置的。所以，在工程設計數字化領域的發展需要對標的除了同處于同行業的鐵四院、華東院、市政華北院等業務相似的企業，也應該同步對標IT、互聯網等頭部企業，加強相關技術的監測。

（3）考慮實際發展水平，結合新技術與數字化設計。

結合設計行業《數字化融合發的展略》一文以及設計行業在數字化專業的科研課題立項，對于先進技術“云、大、物、移、智”是有共識的，但是專業發展的不平衡也造成數字化設計及交付存在“三維數字化正向設計”“二維設計+三維數字化建模”“二維設計+三維意向表達”同時并存的局面，需要根據發展情況考慮發展路徑，尋求復現次數多價值高的應用場景，不能盲目的追求上“新技術”。

（4）追求研發動態平衡，樹立標桿找準業務切入點。

由于設計業務本身標準化程度較低，對標準化資源的積累和自動化工具的開發形成制約。在標準化程度不足，需求呈現多樣性的前提下靠一家企業甚至一個部門的投入，很難在工具開發質量和速度方面，與市場上如廣聯達這樣的專業化公司規模化開發團隊的研發成果相比擬。設計行業的設計數字化應體現“專業化+數字化”綜合新優勢，找準業務切入點與傳統優勢專業結合，從異形程度高、空間關系復雜度高、工業化程度高的設計項目入手，提供品質保障、實現數字化價值。

（5）構建數字化轉型的管理體系與人才培養。

數字化轉型的成功需要建立適應的管理體系和培養具備數字化設計能力的高素質人才。通過改變傳統管理方式、引入先進管理方法和工具，提高市政設計項目的管理效率和質量。同時，通過教育機構和企業的合作，培養學生和員工的數字化設計能力和創新思維。這樣才能推動數字化市政設計行業朝著高效、智能和可持續的方向發展。

4 數字化轉型管理體系建設

隨著數字化技術的不斷進步，市政設計行業正經歷數字化轉型的深化期。在外部市場的需求促進下，數字化技術不斷發展、新技術新工具日新月異，但是目前設計行業的數字化管理手段相對遲滯，沒有實現數據的生產、采集、流通、使用流程的標準化，同時，數據定價規則的缺失一定程度制約了參與的積極性。

數字化轉型過程中，數據驅動生產決策也已成為重要趨勢。工程設計企業需要將數據應用貫穿于整個轉型過程中，以實現更高效、精準和可靠的生產決策。該過程的目標是優化生產決策，并配高效的管理體系，從而提高企業的整體效率和競爭力。

4.1 推行設計數字化管理

企業內部相關部門和組織需要制定設計數字化轉型的指導方針和管理政策，推廣數字化技術和工具，支持和鼓勵加強數字化轉型和創新投入如，從而全面提升設計數字化水平和競爭力。為設計行業數字化轉型營造良好管理環境、奠定堅實基礎，提高數字化轉型參與者的主動性和積極性。目前，iMIS 設計門戶、工程總承包項目EPC 管理系統、CBIM 協同管理系統的應用，也提供了良好的示范作用。

4.2 優化數據管理流程和制度

（1）數據生產、采集、流通、使用的基礎性規則

明確數據生產、采集、流通、使用的基礎性規則是數字化轉型的關鍵步驟之一。在實現數字化轉型的過程中，需要制定統一規范的數據管理制度，避免不同數字化平臺出現不兼容問題，增強數字化轉型的開放性，并優化數據資源全生命周期管理。

（2）數據資源的定價（取費）機制

數據資源的定價（取費）機制也需要研究和制定，以鼓勵各主體院參與數據積累和共享，提高企業整體數字化水平。這樣可以最大程度地利用數據資源，推動數字化轉型的深入發展，提高企業競爭力和市場占有率。通過完善數據管理制度，規范數據的采集、使用和共享等流程，可以有效促進數字化轉型的實現，提高數字化水平和質量。

4.3 提升數據資源價值

數據驅動決策（DDDM）是一種重要的決策方式，它通過將業務流程和數據緊密配合，并利用可視化產品呈現數據，得出企業運營決策。通過數據感知，數據導向以及數據驅動的三步走策略，最終實現由大數據分析與算法自動計算，得出企業運營決策。

現在很多企業，尤其是在一些相對比較自動化高頻的場景，比如京東自動化的物流倉儲，或者一些互聯網的公司需要做實時決策，如網頁顯示的內容推薦等，都可以做到數據驅動的效果，完全由算法大數據來幫助企業運營，人工干預非常小。

5 數字化人才培養

目前，設計行業數字化人才需求缺口巨大，傳統的人才培養體系無法滿足數字化需求，需要進行有效的數字化事業平臺搭建，完善人才激勵機制、有效的匹配人才職業成長。進一步增強領導干部和設計師數字思維、數字認知、數字技能，培養創新型、應用型、復合型人才。

（1）培養數字化復合型人才。在青年職工中廣泛開展BIM 技術應用大賽，“我為設計行業獻一計”征集、創新創效系列活動等，鼓勵大家圍繞數字化開展創新、孵化產品；在評優表彰中，設置數字化先鋒等數字化項目專項獎勵，營造崇尚創新、尊重人才的氛圍。對數字化人才的激勵，則以市場化為導向，參照同行業、同規模、同業績和同職位進行對標，結合項目數量、項目類別、工作成效等進行綜合評判。

（2）完善數字化職業發展序列。設置系統規劃師、系統開發師、數據管理師、解決方案經理、產品經理、項目經理、研發工程師、運維工程師等不同的數字化崗位，明確相應的崗位要求、發展方向和職級。與此同時，建立數字化崗與工程管理崗、工程技術崗之間的橫向轉換機制，滿足不同類型數字化人才發展的需要。

（3）引入外部校企合作。設計行業可以加強與高校和科技公司的合作，以實現數字化轉型人才培養和技術創新發展。這種合作可以從多個方面入手，例如共同研發數字化協同設計、建設智能化設計流程、開發數字化協同設計平臺等。同時，也可以通過合作，借助其豐富的技術和人才資源，推進數字化轉型發展。

6 小結與展望

數字化轉型是不可避免的趨勢，市政設計行業需要積極應對內外因素的影響，加快數字化轉型步伐。內在動因直接關系到企業的運營和發展是數字化轉型的基礎推動力，它主要包括內部管理的需求，如提高效率、降低成本、促進數據集成和智慧決策等。外力驅動是數字化轉型的重要推動力量，促使企業在數字化轉型中保持敏銳的競爭意識和持續創新的動力，包括客戶的個性需求、競爭對手帶來的壓力等。

“十四五”時期將是設計行業工程數字化發展的重要戰略機遇期，為推動“專業化+數字化”的高質量發展，有必要通過不斷加強基礎設施和技術研發，不斷完善數據資源管理制度、人才培養機制，持續提升數字化設計的業務成熟度。建立和完善數字化設計的組織體系，規范數字化設計的流程，提高設計師的數字化素養和能力，真正實現數字化設計的業務價值最大化，助力設計行業的數字化轉型。