數(shù)字孿生在中國(guó)

文 本刊記者 張波 楊心壤

“超級(jí)工程”樂(lè)西高速（BIM施工設(shè)計(jì)圖）

2018年6月，四川省重點(diǎn)高速公路建設(shè)項(xiàng)目——樂(lè)西高速公路（樂(lè)山-西昌）馬邊至昭覺(jué)段施工圖設(shè)計(jì)審查會(huì)結(jié)束，項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)順利通過(guò)四川省交通運(yùn)輸廳組織的專(zhuān)家評(píng)審。會(huì)后，專(zhuān)家們對(duì)樂(lè)西高速的設(shè)計(jì)與匯報(bào)給予了高度評(píng)價(jià)：用數(shù)字化的手段，充分展示了樂(lè)西高速沿線(xiàn)的地質(zhì)信息、環(huán)保信息和設(shè)計(jì)方案，特別是40公里無(wú)人區(qū)的情況一覽無(wú)余，使人身臨其境，非常直觀，值得推廣。

四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司BIM中心主任喬科也深有感觸，樂(lè)西高速沿線(xiàn)地質(zhì)復(fù)雜，不僅穿越40公里無(wú)人區(qū)，還要經(jīng)過(guò)1個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、1個(gè)省級(jí)自然保護(hù)區(qū)和3個(gè)林場(chǎng)，沿線(xiàn)國(guó)家一級(jí)、二級(jí)珍稀保護(hù)植物密布，工程建設(shè)面臨極高的環(huán)保要求和施工難度。如果使用常規(guī)手段，只能通過(guò)照片和口述來(lái)講解，專(zhuān)家們不能很好地了解具體情況。而采用數(shù)字技術(shù)，通過(guò)數(shù)字孿生、BIM等技術(shù)，將測(cè)繪數(shù)據(jù)、地物信息、地災(zāi)信息、地勘信息、規(guī)劃信息、設(shè)計(jì)成果及其他相關(guān)信息（自然保護(hù)區(qū)、土地性質(zhì)、最大洪水位）一并在BIM模型上整合展現(xiàn)，情況一目了然，可以用清晰透徹來(lái)形容。喬科說(shuō)：“數(shù)字技術(shù)帶給公路工程建設(shè)的一個(gè)典型提升，就是可視化。它提高了設(shè)計(jì)的深度和準(zhǔn)確性，以及展示和溝通的效率?！辈粌H在設(shè)計(jì)方面，數(shù)字技術(shù)在施工、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營(yíng)階段，都具有突出優(yōu)點(diǎn)。

我們還處于數(shù)字孿生的初級(jí)階段

交通運(yùn)輸部于2019年7月發(fā)布的《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》中提到，到2025年，我國(guó)交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)載裝備全要素、全周期的數(shù)字化升級(jí)將邁出新步伐，數(shù)字化采集體系和網(wǎng)絡(luò)化傳輸體系基本形成。

數(shù)字交通是一項(xiàng)巨大的系統(tǒng)工程，全要素、全周期的數(shù)字化，需要在工程設(shè)計(jì)與施工階段就建立起基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。目前，數(shù)字孿生在工程建設(shè)領(lǐng)域的熱度非常高，就是因?yàn)樗軌蛟谔摂M空間中構(gòu)建項(xiàng)目工程模型體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的虛擬數(shù)字映射。美國(guó)Bentley軟件公司行業(yè)高級(jí)銷(xiāo)售總監(jiān)陳愷煜介紹，“孿生就是雙胞胎的意思。數(shù)字化的工程項(xiàng)目，就是現(xiàn)實(shí)工程在數(shù)字虛擬空間的拷貝?！蓖ㄟ^(guò)構(gòu)建的數(shù)字模型體系，可以實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)優(yōu)化、提升建設(shè)管理效率、降低建設(shè)成本，為后期的養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)打好基礎(chǔ)……看得出，這契合了數(shù)字交通的發(fā)展要求。

“數(shù)字孿生是一個(gè)非常理想的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，也可以說(shuō)是我們的一個(gè)發(fā)展目標(biāo)?！眴炭普J(rèn)為，無(wú)論是技術(shù)的發(fā)展還是技術(shù)的成熟度，都需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的探索和積累。就當(dāng)前我國(guó)公路建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)字化發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，單項(xiàng)新建和改建項(xiàng)目工程的數(shù)字化正處于推廣發(fā)展階段，后期我們還面臨整個(gè)路網(wǎng)的數(shù)字化。同時(shí)，路網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營(yíng)也面臨數(shù)字化，可以說(shuō)，我們當(dāng)前還處在數(shù)字化比較初級(jí)的探索階段。

數(shù)字孿生已經(jīng)呈現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)

數(shù)字交通代表了未來(lái)的發(fā)展方向，數(shù)字孿生提供了數(shù)字化發(fā)展的路徑。我們只有通過(guò)不斷探索，才有可能實(shí)現(xiàn)數(shù)字交通的未來(lái)。到目前為止，我國(guó)公路交通數(shù)字化發(fā)展進(jìn)展如何？從四川樂(lè)西高速、陜西西咸新區(qū)世紀(jì)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(tái)河桃山湖生態(tài)水利治理工程（包括路橋工程）等2021基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化光輝大獎(jiǎng)賽的幾個(gè)中國(guó)入圍項(xiàng)目著眼，來(lái)看一看數(shù)字孿生已經(jīng)為我們解決了什么問(wèn)題，為我們展示了哪些優(yōu)勢(shì)。

提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性

以樂(lè)西高速為例，該項(xiàng)目全長(zhǎng)151.8公里，穿越四川山區(qū)，橋隧比高達(dá)81.5%，其間有幾十公里的無(wú)人區(qū)、國(guó)家級(jí)和省級(jí)自然保護(hù)區(qū)。面對(duì)這些工程挑戰(zhàn)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)單位的喬科介紹，他們決定采取全程、全專(zhuān)業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并選擇了數(shù)字孿生、實(shí)景建模、協(xié)同管理、OpenRoads Designer等Bentley技術(shù)平臺(tái)和專(zhuān)業(yè)軟件。

喬科說(shuō)：“如果不采用實(shí)景建模等技術(shù)，我們的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)無(wú)法直觀地了解無(wú)人區(qū)的情況。有了這種身臨其境的感受，掌握了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)并集成到一套數(shù)字孿生模型的成果里，就能更科學(xué)地設(shè)計(jì)合理的路線(xiàn)，在規(guī)避珙桐、水青樹(shù)等國(guó)家一、二級(jí)珍稀保護(hù)植物分布區(qū)域的同時(shí)，做好構(gòu)造物和環(huán)境的契合?！?/p>

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)借助BIM技術(shù)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)圖紙錯(cuò)誤1000余處，大幅減少后期設(shè)計(jì)變更，將產(chǎn)生最直接的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還針對(duì)大涼山1號(hào)隧道這樣的重點(diǎn)及難點(diǎn)工程進(jìn)行了施工創(chuàng)新，并為業(yè)主提供了一套數(shù)字化資產(chǎn)，為施工和養(yǎng)護(hù)提供了極大的便利。從行業(yè)的價(jià)值來(lái)說(shuō)，也形成并驗(yàn)證了公路工程信息模型標(biāo)準(zhǔn)，為交通數(shù)字化的后續(xù)研究提供了項(xiàng)目參考。

提高設(shè)計(jì)效率

在陜西省，連接西安和咸陽(yáng)的西咸新區(qū)世紀(jì)大道提升改造工程，是這個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)首個(gè)全專(zhuān)業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的大型綜合市政示范項(xiàng)目。項(xiàng)目總長(zhǎng)度約為4.3公里，道路紅線(xiàn)80米，總投資約32億元。

中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西分公司數(shù)字化創(chuàng)新中心主任張澤林說(shuō)：“我們實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程的數(shù)字化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了全專(zhuān)業(yè)的數(shù)字成果交付，推進(jìn)了設(shè)計(jì)數(shù)字化、施工信息化、運(yùn)維智能化的全周期管理。整體設(shè)計(jì)效率提升15%～20%，減少設(shè)計(jì)變更60%以上，節(jié)省項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期約45天，帶來(lái)綜合經(jīng)濟(jì)效益1000余萬(wàn)元?！?/p>

張澤林特別提到了像可視化管遷管改這樣的BIM應(yīng)用點(diǎn)創(chuàng)新。作為一個(gè)綜合市政項(xiàng)目，涉及的專(zhuān)業(yè)繁多，地下空間涉及地鐵、過(guò)街通道、綜合管廊及8類(lèi)市政管線(xiàn)，縱橫交錯(cuò)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用OpenRoads SUE建立現(xiàn)狀地下管網(wǎng)，基于此管網(wǎng)模型進(jìn)行管線(xiàn)遷改方案的三維設(shè)計(jì)，將管網(wǎng)模型與設(shè)計(jì)道路、管廊模型進(jìn)行整合，幫助設(shè)計(jì)師直觀篩選需要保護(hù)和遷改的管線(xiàn)，解決管線(xiàn)碰撞分析、凈距分析難等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)管遷方案最優(yōu)，提高設(shè)計(jì)效率30%。

陜西西咸新區(qū)世紀(jì)大道提升改造工程（BIM施工設(shè)計(jì)圖）

黑龍江七臺(tái)河桃山湖生態(tài)水利治理工程（BIM施工設(shè)計(jì)圖）

節(jié)約施工成本

以水利和市政公路橋梁建設(shè)為重點(diǎn)的桃山湖生態(tài)環(huán)保水利綜合治理PPP項(xiàng)目是黑龍江省百大項(xiàng)目之一。由黑龍江建投集團(tuán)投資建設(shè)，項(xiàng)目縱深長(zhǎng)8.6公里，總投資10.95億元。

黑龍江省建設(shè)技術(shù)發(fā)展中心總經(jīng)理梁旭源介紹說(shuō)：“項(xiàng)目實(shí)施了BIM整體協(xié)同設(shè)計(jì)，在數(shù)字化施工方面進(jìn)行了成功的探索，使得項(xiàng)目整體施工工期大幅縮減，提前240天完成主體工程項(xiàng)目交付，為投資方節(jié)約資金達(dá)6000余萬(wàn)元；同時(shí)借助SYNCHRO統(tǒng)籌施工進(jìn)度，使主體項(xiàng)目工期縮減40%，為施工方總體節(jié)約資金達(dá)2000余萬(wàn)元?！?/p>

該項(xiàng)目涉及的專(zhuān)業(yè)多，僅施工隊(duì)伍就有幾十家。哪個(gè)施工隊(duì)伍先進(jìn)哪個(gè)后進(jìn)，如何提高設(shè)備的利用率，材料在現(xiàn)場(chǎng)如何堆放，都是制約施工效率和質(zhì)量的大問(wèn)題。項(xiàng)目在數(shù)字化BIM技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，以SYNCHRO數(shù)字化工作流為核心，通過(guò)項(xiàng)目智慧駕駛艙全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，能夠?yàn)楣芾碚咛峁┛梢暬?xiàng)目實(shí)時(shí)進(jìn)度跟蹤，同時(shí)借助三維BIM模型及其掛接的材料信息屬性，輔助項(xiàng)目采購(gòu)方及時(shí)、按需采購(gòu)項(xiàng)目所需物料；利用BIM翻樣數(shù)據(jù)按需、按時(shí)智能拆分為不同批次的零構(gòu)件加工任務(wù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)原材料及半成品數(shù)量，實(shí)現(xiàn)最低庫(kù)存；創(chuàng)新應(yīng)用ContextCapture+SYNCHRO高效對(duì)項(xiàng)目周邊征地拆遷進(jìn)行資金規(guī)劃及拆遷進(jìn)度把控，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(shù)字化施工方面取得的成效，也同樣值得研究。

該數(shù)字化施工項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一——中交第三航務(wù)工程局有限公司副總工程師時(shí)蓓玲介紹說(shuō)：“采用包括數(shù)字孿生技術(shù)和BIM技術(shù)來(lái)做數(shù)字化施工，使得整個(gè)施工過(guò)程更有序、更高效、更安全，實(shí)現(xiàn)了工期的合理優(yōu)化和成本的大幅節(jié)約。例如，整個(gè)架梁的工期縮短了130天。同時(shí)減少了管理費(fèi)用、設(shè)備租賃費(fèi)用，材料損耗率也降低到正常損耗率的80%左右?！?/p>

時(shí)蓓玲對(duì)于采用數(shù)字孿生這樣的技術(shù)來(lái)推進(jìn)交通數(shù)字化有著很深的感受。她說(shuō)，數(shù)字孿生技術(shù)功能很強(qiáng)大，僅憑它的可視化功能就已經(jīng)深受施工管理人員的歡迎，在施工階段的應(yīng)用還不斷有驚喜出現(xiàn)。在工程建設(shè)管理過(guò)程中，通過(guò)布置工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成不斷更新的數(shù)字孿生模型，保證了整個(gè)施工階段結(jié)構(gòu)物的安全及質(zhì)量可控。比如說(shuō)做基坑開(kāi)挖，就要對(duì)開(kāi)挖之后的結(jié)構(gòu)變形受力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和全過(guò)程監(jiān)測(cè)；對(duì)橋梁施工，結(jié)構(gòu)的受力體系不斷在改變，也需要非常嚴(yán)密的實(shí)施監(jiān)測(cè)。然后通過(guò)“GIS+BIM”的方式把物聯(lián)網(wǎng)形成的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合在一起，不斷傳遞和映射到數(shù)字孿生模型，使得參建各方在同一個(gè)模型上對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況做到實(shí)時(shí)掌握，方便采取對(duì)應(yīng)的措施。

展望數(shù)字孿生的發(fā)展之路

從工程實(shí)踐中可以看到，數(shù)字孿生帶給設(shè)計(jì)、施工方面的便利性和經(jīng)濟(jì)性非常明顯，它的優(yōu)勢(shì)在不同的行業(yè)、不同的工程項(xiàng)目中也越來(lái)越多地凸顯出來(lái)。

從數(shù)字交通的理想狀態(tài)來(lái)看，要建立數(shù)字孿生交通系統(tǒng)，現(xiàn)實(shí)世界中所有的交通設(shè)施信息必須全部映射到數(shù)字交通系統(tǒng)中。這個(gè)映射的過(guò)程，必將是多學(xué)科、跨行業(yè)的合作與融合，比如要利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、BIM/CIM、人工智能、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR等綜合性數(shù)字孿生技術(shù)，現(xiàn)有的智能交通平臺(tái)也將拓展成數(shù)字孿生平臺(tái)。這樣一來(lái)，就可以利用交通模型和人工智能驅(qū)動(dòng)虛擬交通世界，在虛擬交通世界中對(duì)現(xiàn)實(shí)交通進(jìn)行事前的分析、研判，最終為現(xiàn)實(shí)交通的養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)甚至是后期的廢棄、拆除提供決策參考建議。

針對(duì)目前我國(guó)仍處于數(shù)字孿生初級(jí)階段的情況，一方面，要繼續(xù)推廣項(xiàng)目實(shí)踐，讓更多的新建工程運(yùn)用數(shù)字技術(shù)，另一方面，要進(jìn)一步拓寬應(yīng)用場(chǎng)景。例如中交三航局就拓展了很多的實(shí)景建模，從無(wú)人機(jī)的傾斜攝影到激光三維掃描，甚至進(jìn)入到了水下。時(shí)蓓玲介紹，以前中交三航局開(kāi)展海底的地形掃測(cè)主要是通過(guò)單波速、多波速等水下地形掃測(cè)手段，現(xiàn)在他們把這種地形掃測(cè)手段整合成了數(shù)字化模型，用“GIS+BIM”的方式再把物聯(lián)網(wǎng)形成的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合在一起，形成了一個(gè)更廣泛范圍的信息數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，大大拓寬了應(yīng)用場(chǎng)景。

江蘇常熟南沿江城際鐵路站前工程

同時(shí)，既有交通設(shè)施的數(shù)字化也迫在眉睫。我國(guó)400多萬(wàn)公里公路中，已經(jīng)開(kāi)展數(shù)字化應(yīng)用的比例還比較低，未來(lái)行業(yè)在交通設(shè)施基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)字化，以及運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)字化采集、分析、研判等方面，都需要做大量的工作。喬科認(rèn)為，公路交通的數(shù)字孿生是一個(gè)非常龐大的系統(tǒng)工程，不僅涉及到工程建設(shè)領(lǐng)域的BIM應(yīng)用，涉及到數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備的進(jìn)一步研發(fā)生產(chǎn)，涉及到交通出行需求的挖掘，還涉及到行業(yè)管理的指導(dǎo)方針，“數(shù)字孿生，既是發(fā)展目標(biāo)，也是未來(lái)數(shù)字交通發(fā)展的起點(diǎn)。我們只有腳踏實(shí)地地不斷探索，才能摸索出一條數(shù)字化發(fā)展之路?！?/p>