基于數(shù)字孿生技術(shù)的業(yè)主方道路橋梁項目管理研究

【摘要】道路橋梁是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，建成交通動脈網(wǎng)、實現(xiàn)多快好省是業(yè)主方項目管理的目標(biāo)。傳統(tǒng)業(yè)主方道路橋梁項目管理環(huán)節(jié)眾多，容易出現(xiàn)疏漏。文章對數(shù)字孿生技術(shù)在城市建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在城市建設(shè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對數(shù)字孿生技術(shù)在業(yè)主方道路橋梁項目管理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了數(shù)字孿生技術(shù)在業(yè)主方道路橋梁項目管理的新模式。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字孿生；業(yè)主方；道路橋梁；項目管理

【中圖分類號】TU17 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）10-0175-03

0 引言

當(dāng)前工業(yè)4.0時代發(fā)展迅速，以低碳化、智能化、無線化為標(biāo)志的各類科技創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、人工智能、5G通信等新技術(shù)層出不窮。建筑產(chǎn)業(yè)在傳統(tǒng)運作方式下節(jié)能增效、降低成本方面已接近極限。在新的時代背景下，建筑產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。

“十四五”規(guī)劃明確提出要堅定不移地建設(shè)制造強國、數(shù)字中國。各地陸續(xù)發(fā)布相關(guān)規(guī)劃，強調(diào)“打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市”“推動城市發(fā)展向智能化高級形態(tài)邁進(jìn)，建設(shè)全國優(yōu)秀的數(shù)字孿生城市”。建設(shè)數(shù)字孿生城市離不開城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。本文將就智慧城市建設(shè)管理的創(chuàng)新與實踐展開論述，指出業(yè)主方在道路橋梁建設(shè)中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)與傳統(tǒng)建設(shè)項目管理的區(qū)別。通過應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，記錄、提取、呈現(xiàn)、分析道路橋梁項目管理過程中的關(guān)鍵要素，以實現(xiàn)新技術(shù)推動管理方式的進(jìn)步。

1 數(shù)字孿生與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域。如北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院數(shù)字孿生研究組提出發(fā)展未來智能裝備，即數(shù)字孿生裝備[1]。隨著國內(nèi)信息、計算機等領(lǐng)域飛速發(fā)展，澎湃的數(shù)字動能從個人消費領(lǐng)域轉(zhuǎn)向包括工業(yè)制造、交通物流、建設(shè)工程、教育醫(yī)療等在內(nèi)的各個垂直行業(yè)。在產(chǎn)業(yè)界將數(shù)字孿生技術(shù)視為技術(shù)創(chuàng)新的風(fēng)向標(biāo)、未來發(fā)展的新機遇的同時，各大研究機構(gòu)和有關(guān)部門也將智慧城市建設(shè)與管理列為重大課題，并視為全新的發(fā)展模式。

1.2 數(shù)字孿生與BIM的聯(lián)系

2018年，中國信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所表示，智慧城市是數(shù)字城市發(fā)展的高級階段，數(shù)字孿生城市作為數(shù)字城市的目標(biāo)，卻是智慧城市建設(shè)的新起點。它是城市實現(xiàn)智慧化的重要設(shè)施和基礎(chǔ)能力，標(biāo)志著技術(shù)驅(qū)動下城市信息化從量變走向質(zhì)變的里程碑[2]。城市建設(shè)是新型智慧城市的一個重要應(yīng)用場景。在修建道路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施前，應(yīng)用ICT技術(shù)建立目標(biāo)工程的數(shù)字化模型，輸入采集地質(zhì)勘察、交通流量、黃海高程數(shù)據(jù)、各項規(guī)范等必要數(shù)據(jù)。在虛擬的數(shù)字空間對工程進(jìn)行仿真和模擬，評估工程的可行性。經(jīng)建設(shè)工程行政主管部門立項后，建設(shè)單位可以以此前構(gòu)建的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，推進(jìn)工程初步設(shè)計、施工圖設(shè)計和主體工程施工。

由上可見，建模是創(chuàng)建數(shù)字孿生體的核心技術(shù)，也是數(shù)字孿生體進(jìn)行上層操作的基礎(chǔ)。目前不同領(lǐng)域的數(shù)字孿生建模主要借助CAD、Matlab、Revit、CATIA等軟件實現(xiàn)，前兩者主要面向基礎(chǔ)建模，Revit主要面向建筑信息模型建模，CATIA則是面向更高層次的產(chǎn)品生命周期管理。BIM技術(shù)由此應(yīng)運而生，BIM可以被視為一個應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的虛擬流程，它將設(shè)施的所有方面、學(xué)科和系統(tǒng)都包含在一個單一的虛擬模型中，所有項目管理團(tuán)隊成員（業(yè)主、設(shè)計師、工程師、承包商、分包商和供應(yīng)商）可以更準(zhǔn)確、更高效地進(jìn)行協(xié)作。此時的BIM不僅意味著使用三維智能模型，還意味著可以在工作流程和項目交付過程中進(jìn)行重大更改。過程中發(fā)現(xiàn)的問題，經(jīng)系統(tǒng)分析后由項目參與方提出意見并最終由業(yè)主決策落實在模型里和工程實踐中。

2 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于城市建設(shè)的優(yōu)勢與特點

2.1 時空合一

傳統(tǒng)二維藍(lán)圖無法全面且連續(xù)地展現(xiàn)某個區(qū)域在多個時期的開發(fā)建設(shè)面貌，無法充分存儲設(shè)計信息，也不方便及時變更設(shè)計。而在采用數(shù)字孿生技術(shù)的情況下，可以根據(jù)業(yè)主需求，分批次建立覆蓋多個時間段的建筑信息模型，在模型中輸入并填充時間、地形地貌、黃海高程、開發(fā)成果、綜合管線、園林景觀等諸多信息。時間信息與空間信息得以充分融合，以便信息讀取方一目了然地獲取目標(biāo)區(qū)域的過往開發(fā)節(jié)奏和現(xiàn)狀開發(fā)面貌。

2.2 專業(yè)融合

道路橋梁建設(shè)項目的施工圖設(shè)計可能涉及建筑、道路、橋梁、隧道、綜合管線、交安設(shè)施、景觀、工程造價等多個專業(yè)。在傳統(tǒng)方式下，各專業(yè)協(xié)調(diào)起來較為困難，協(xié)調(diào)效率也很難達(dá)到預(yù)期，施工現(xiàn)場監(jiān)管通常只能依靠人力現(xiàn)場巡視，常有遺漏現(xiàn)象發(fā)生。而在采用數(shù)字孿生技術(shù)的情況下，一個BIM能整合多個專業(yè)不同方面，能夠及時調(diào)整、變更原有設(shè)計。項目各參與方可以通過聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生技術(shù)平臺充分交換意見，輔以攝像頭、機器狗和無人機攝影，施工現(xiàn)場監(jiān)管可以實現(xiàn)人工智能化。

2.3 管網(wǎng)合理

由于業(yè)主方不同，規(guī)劃圖、施工圖只能大概呈現(xiàn)管網(wǎng)的示意位置，高程信息難以標(biāo)識，管網(wǎng)施工也各自為戰(zhàn)，致使協(xié)調(diào)效率低下，使管網(wǎng)施工過程中易發(fā)生“管網(wǎng)打架”現(xiàn)象。在采用數(shù)字孿生技術(shù)的情況下，利用設(shè)計工具建立地下管網(wǎng)模型，精確地標(biāo)識地面現(xiàn)狀高程及管頂、管底高程，解決管網(wǎng)沖突，滿足規(guī)劃條件并優(yōu)化區(qū)域管網(wǎng)布局。施工時偶見沖突也能立即調(diào)整，工作協(xié)調(diào)難度大幅度下降。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在道路橋梁項目各階段的應(yīng)用

3.1 可行性研究階段

道路橋梁項目可行性研究主要從項目背景、研究過程及建設(shè)必要性、現(xiàn)狀評價及發(fā)展、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程方案、交通分析與預(yù)測、環(huán)境影響分析與節(jié)能評價、工程投資估算與資金籌措、經(jīng)濟效益評價、實施方案及項目管理機構(gòu)組成、招標(biāo)方案等方面入手，繼而形成研究結(jié)論與建議。在此期間收集、獲取項目所在區(qū)域的規(guī)劃與土地、黃海高程、地形地貌、地質(zhì)勘察等方面的數(shù)據(jù)信息，建立初步的數(shù)據(jù)模型，供業(yè)主方討論決策。工程方案及投資估算經(jīng)業(yè)主方審核通過后，建立擬立項的道路橋梁項目模型，將可行性研究報告報送立項審批部門審批。

3.2 設(shè)計招標(biāo)階段

建設(shè)單位獲得項目立項批復(fù)后即可開展設(shè)計單位招標(biāo)工作，招標(biāo)前應(yīng)構(gòu)想好后續(xù)的建設(shè)管理模式，招標(biāo)文件內(nèi)容可按照管理模式?jīng)Q定是否列入有關(guān)數(shù)字孿生的要求。

設(shè)計單位依據(jù)招標(biāo)文件簽署設(shè)計服務(wù)合同，隨即進(jìn)入工作狀態(tài)。設(shè)計單位在可行性研究階段建立的模型基礎(chǔ)上完善初步設(shè)計，編制初設(shè)概算，完成施工圖設(shè)計，以指導(dǎo)后續(xù)施工。在初步設(shè)計及概算報批、規(guī)劃報批、施工圖審查前，如果地方政府電子政務(wù)有提供數(shù)字孿生模型的要求，設(shè)計單位應(yīng)將該項目的數(shù)字孿生模型報予規(guī)劃、建設(shè)行政主管部門。

3.3 施工階段

3.3.1 施工前準(zhǔn)備

施工圖設(shè)計通過審查后，業(yè)主方依法招標(biāo)施工單位，在施工單位正式進(jìn)場前，由設(shè)計方組織業(yè)主和施工方參與三方圖紙和模型的會審，在圖紙會審時可對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行動態(tài)的可視化展示，相比基于二維圖紙的會審，業(yè)主和施工方能更直觀地理解設(shè)計方案。進(jìn)而檢驗設(shè)計的可施工性，并在施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)并解決存在的問題[3]。

3.3.2 進(jìn)度管理

在數(shù)字孿生技術(shù)綜合應(yīng)用平臺上，通常將已制定的主體工程網(wǎng)絡(luò)計劃、附屬工程任務(wù)加入項目模型中的進(jìn)度管理，使道路橋梁建設(shè)項目管理人員能更全面和精細(xì)地管控項目，利用數(shù)字孿生技術(shù)平臺擁有的工作包維護(hù)功能，對施工工作、施工工序及資源配置進(jìn)行優(yōu)化，這將在很大程度上提高計劃編制和跟蹤的工作效率。項目建設(shè)各參與方可以通過BIM技術(shù)實時檢查資源配置情況、現(xiàn)場施工進(jìn)度計劃執(zhí)行情況、進(jìn)度滯后原因以及相關(guān)責(zé)任人等全面準(zhǔn)確的項目現(xiàn)場信息[4]。

3.3.3 質(zhì)量安全管理

在道路橋梁項目實施過程中，為保證道路橋梁工程質(zhì)量，檢測結(jié)果應(yīng)實時上傳至數(shù)字孿生技術(shù)平臺。施工前在已建立的BIM里模擬關(guān)鍵節(jié)點施工方案和復(fù)雜節(jié)點的施工工藝，施工時應(yīng)用攝像頭、機器狗和無人機在工程的關(guān)鍵節(jié)點部位進(jìn)行重點巡視抽查。道路方面應(yīng)關(guān)注路床、路面、路緣石、景觀等。橋梁方面應(yīng)關(guān)注鋼筋加工安裝、混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)生等。

在項目實施過程中可以利用BIM檢索功能，檢查施工單位對危險性較大分部分項工程的辨識情況，根據(jù)專項施工方案進(jìn)行模型預(yù)演，檢查方案的合規(guī)性與合理性[5]。

3.3.4 投資管理

道路橋梁項目業(yè)主方可在數(shù)字孿生技術(shù)條件下對項目進(jìn)行虛擬施工。發(fā)現(xiàn)設(shè)計、施工中可能存在的問題，提前做好預(yù)防和應(yīng)對措施，最大可能實現(xiàn)零變更、零碰撞、零沖突、零返工，從而大幅度減少返工成本[6]。項目在可研階段充分考慮所有情況，在初步設(shè)計概算階段緊貼可研投資估算，在招標(biāo)階段仔細(xì)核對模型已生成的工程量清單，在施工階段嚴(yán)格控制設(shè)計變更、工程簽證，在結(jié)算決算階段第三方審計單位嚴(yán)格審查變更、簽證手續(xù)的合法性。

3.3.5 竣工驗收及備案

目前竣工驗收基本是監(jiān)理方預(yù)驗收在先，業(yè)主方組織參建各方進(jìn)行正式竣工驗收在后，質(zhì)量安全監(jiān)督機構(gòu)履職監(jiān)督?？⒐を炇胀ㄟ^后再將相關(guān)資料報送備案機構(gòu)，存儲、查閱檔案非常不便。在采用數(shù)字孿生技術(shù)的情況下，通過工程竣工交付模型，實現(xiàn)各類文件的存儲，便于工程檔案的隨時調(diào)閱。若項目在竣工交付后突發(fā)質(zhì)量安全事故，調(diào)查亦可從已交付的模型中著手。

4 業(yè)主方道路橋梁項目管理模式

4.1 DT-EPC模式

DT-EPC是一種基于數(shù)字孿生技術(shù)、由設(shè)計方牽頭的改進(jìn)型EPC項目管理模式。采取這種項目管理模式，業(yè)主方能加快道路橋梁項目進(jìn)度，并強化設(shè)計引領(lǐng)，規(guī)避設(shè)計施工沖突。嚴(yán)格控制變更，規(guī)范投資，實時整合工程強檢和飛檢結(jié)果，高效協(xié)調(diào)多方交叉施工，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的智能化監(jiān)控。簡化竣工驗收流程，創(chuàng)新竣工驗收備案方式。業(yè)主方在確定可行性研究與設(shè)計單位時，即可在合同中加入數(shù)字孿生技術(shù)平臺服務(wù)內(nèi)容，科學(xué)管控可行性研究單位和設(shè)計方的服務(wù)質(zhì)量。

4.2 獨立第三方模式

如果DT-EPC模式導(dǎo)致設(shè)計方拿到了高額合同，進(jìn)而使工程投資過高，業(yè)主方可以考慮采取獨立第三方模式。即業(yè)主在可研方、勘察設(shè)計方、施工方、監(jiān)理方、檢測公司、質(zhì)量安全監(jiān)督機構(gòu)之外，招標(biāo)獨立的第三方全過程數(shù)字孿生技術(shù)平臺服務(wù)商。服務(wù)商自立項獲批起即提供全過程服務(wù)，根據(jù)可行性研究報告建立道路橋梁項目的BIM，及時整合其他參建方提供的具體數(shù)據(jù)和結(jié)果完善BIM，并安裝布置攝像頭、機器狗、無人機等智能裝備，監(jiān)督施工過程中安全生產(chǎn)作業(yè)行為與狀態(tài)。此模式要求獨立第三方服務(wù)商及其人員不僅具備相關(guān)資質(zhì)，還應(yīng)具有較高的建設(shè)工程、計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信等多學(xué)科素養(yǎng)。

5 結(jié)語

任何一個革命性的新技術(shù)從誕生到成熟都有一定的發(fā)展歷程，數(shù)字孿生技術(shù)在道路橋梁項目管理上的應(yīng)用也不例外，推廣這項技術(shù)的應(yīng)用還需要從以下幾個方面著手。首先，任何新技術(shù)的迭代和發(fā)展都有一個過程，從出現(xiàn)到崛起再到成熟都需要從業(yè)者與相關(guān)方充分互動、良性循環(huán)。其次，業(yè)主方希望利用新技術(shù)來串聯(lián)整個項目管理過程，簡化工作量也是現(xiàn)實的需求，但也需要自然資源、行政審批、建設(shè)行業(yè)管理、檔案管理等部門全力支持這種新理念與新實踐。此外，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在道路橋梁項目管理上比傳統(tǒng)方式更具優(yōu)勢，但由于依賴互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)，任何環(huán)節(jié)都有可能存在信息安全問題，業(yè)主方應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)在道路橋梁項目管理時應(yīng)避免信息泄露，保護(hù)相關(guān)方的利益。

展望未來，隨著科技創(chuàng)新動能的爆發(fā)和實踐的深入，數(shù)字孿生技術(shù)將應(yīng)用于建設(shè)行業(yè)越來越多的領(lǐng)域，更加先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)、信息、智能技術(shù)無疑使數(shù)字孿生技術(shù)在業(yè)主方道路橋梁項目管理中的應(yīng)用愈加成熟。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡介]胡歧濤（1981—），男，南京人，碩士，高級工程師，研究方向：交通市政工程項目管理。