文 本刊記者 張波 楊心壤

“超級工程”樂西高速（BIM施工設(shè)計圖）

2018年6月，四川省重點高速公路建設(shè)項目——樂西高速公路（樂山-西昌）馬邊至昭覺段施工圖設(shè)計審查會結(jié)束，項目施工圖設(shè)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(shè)計與匯報給予了高度評價：用數(shù)字化的手段，充分展示了樂西高速沿線的地質(zhì)信息、環(huán)保信息和設(shè)計方案，特別是40公里無人區(qū)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(guī)劃勘察設(shè)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(zhì)復(fù)雜，不僅穿越40公里無人區(qū)，還要經(jīng)過1個國家級自然保護區(qū)、1個省級自然保護區(qū)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(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(shù)字技術(shù)，通過數(shù)字孿生、BIM等技術(shù)，將測繪數(shù)據(jù)、地物信息、地災(zāi)信息、地勘信息、規(guī)劃信息、設(shè)計成果及其他相關(guān)信息（自然保護區(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，可以用清晰透徹來形容。喬科說：“數(shù)字技術(shù)帶給公路工程建設(shè)的一個典型提升，就是可視化。它提高了設(shè)計的深度和準(zhǔn)確性，以及展示和溝通的效率?！辈粌H在設(shè)計方面，數(shù)字技術(shù)在施工、養(yǎng)護和運營階段，都具有突出優(yōu)點。

我們還處于數(shù)字孿生的初級階段

交通運輸部于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，我國交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施和運載裝備全要素、全周期的數(shù)字化升級將邁出新步伐，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)計與施工階段就建立起基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實現(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，就是因為它能夠在虛擬空間中構(gòu)建項目工程模型體系，實現(xiàn)對工程的虛擬數(shù)字映射。美國Bentley軟件公司行業(yè)高級銷售總監(jiān)陳愷煜介紹，“孿生就是雙胞胎的意思。數(shù)字化的工程項目，就是現(xiàn)實工程在數(shù)字虛擬空間的拷貝?！蓖ㄟ^構(gòu)建的數(shù)字模型體系，可以實現(xiàn)工程項目的設(shè)計優(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、運營打好基礎(chǔ)……看得出，這契合了數(shù)字交通的發(fā)展要求。

“數(shù)字孿生是一個非常理想的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，也可以說是我們的一個發(fā)展目標(biāo)?！眴炭普J(rèn)為，無論是技術(shù)的發(fā)展還是技術(shù)的成熟度，都需要經(jīng)過很長時間的探索和積累。就當(dāng)前我國公路建設(shè)項目的數(shù)字化發(fā)展?fàn)顩r來看，單項新建和改建項目工程的數(shù)字化正處于推廣發(fā)展階段，后期我們還面臨整個路網(wǎng)的數(shù)字化。同時，路網(wǎng)的監(jiān)測、檢測、養(yǎng)護與運營也面臨數(shù)字化，可以說，我們當(dāng)前還處在數(shù)字化比較初級的探索階段。

數(shù)字孿生已經(jīng)呈現(xiàn)出諸多優(yōu)勢

數(shù)字交通代表了未來的發(fā)展方向，數(shù)字孿生提供了數(shù)字化發(fā)展的路徑。我們只有通過不斷探索，才有可能實現(xiàn)數(shù)字交通的未來。到目前為止，我國公路交通數(shù)字化發(fā)展進展如何？從四川樂西高速、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)字化光輝大獎賽的幾個中國入圍項目著眼，來看一看數(shù)字孿生已經(jīng)為我們解決了什么問題，為我們展示了哪些優(yōu)勢。

提高設(shè)計準(zhǔn)確性

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

喬科說：“如果不采用實景建模等技術(shù)，我們的設(shè)計團隊無法直觀地了解無人區(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)計合理的路線，在規(guī)避珙桐、水青樹等國家一、二級珍稀保護植物分布區(qū)域的同時，做好構(gòu)造物和環(huán)境的契合?！?/p>

設(shè)計團隊借助BIM技術(shù)，優(yōu)化了設(shè)計方案，提高了設(shè)計質(zhì)量，在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)圖紙錯誤1000余處，大幅減少后期設(shè)計變更，將產(chǎn)生最直接的經(jīng)濟效益。設(shè)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(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)護提供了極大的便利。從行業(yè)的價值來說，也形成并驗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)研究提供了項目參考。

提高設(shè)計效率

在陜西省，連接西安和咸陽的西咸新區(qū)世紀(jì)大道提升改造工程，是這個國家級新區(qū)首個全專業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)進行設(shè)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(shè)計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：“我們實現(xiàn)了全過程的數(shù)字化設(shè)計，并進行了全專業(yè)的數(shù)字成果交付，推進了設(shè)計數(shù)字化、施工信息化、運維智能化的全周期管理。整體設(shè)計效率提升15%～20%，減少設(shè)計變更60%以上，節(jié)省項目設(shè)計周期約45天，帶來綜合經(jīng)濟效益1000余萬元?！?/p>

張澤林特別提到了像可視化管遷管改這樣的BIM應(yīng)用點創(chuàng)新。作為一個綜合市政項目，涉及的專業(yè)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(shè)計團隊采用OpenRoads SUE建立現(xiàn)狀地下管網(wǎng)，基于此管網(wǎng)模型進行管線遷改方案的三維設(shè)計，將管網(wǎng)模型與設(shè)計道路、管廊模型進行整合，幫助設(shè)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(xiàn)管遷方案最優(yōu)，提高設(shè)計效率30%。

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

黑龍江七臺河桃山湖生態(tài)水利治理工程（BIM施工設(shè)計圖）

節(jié)約施工成本

以水利和市政公路橋梁建設(shè)為重點的桃山湖生態(tài)環(huán)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(shè)，項目縱深長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：“項目實施了BIM整體協(xié)同設(shè)計，在數(shù)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(jié)約資金達6000余萬元；同時借助SYNCHRO統(tǒng)籌施工進度，使主體項目工期縮減40%，為施工方總體節(jié)約資金達2000余萬元?！?/p>

該項目涉及的專業(yè)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(shè)備的利用率，材料在現(xiàn)場如何堆放，都是制約施工效率和質(zhì)量的大問題。項目在數(shù)字化BIM技術(shù)實施過程中，以SYNCHRO數(shù)字化工作流為核心，通過項目智慧駕駛艙全天候?qū)崟r監(jiān)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(shù)據(jù)按需、按時智能拆分為不同批次的零構(gòu)件加工任務(wù)，動態(tài)調(diào)節(jié)原材料及半成品數(shù)量，實現(xiàn)最低庫存；創(chuàng)新應(yīng)用ContextCapture+SYNCHRO高效對項目周邊征地拆遷進行資金規(guī)劃及拆遷進度把控，實現(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蓓玲介紹說：“采用包括數(shù)字孿生技術(shù)和BIM技術(shù)來做數(shù)字化施工，使得整個施工過程更有序、更高效、更安全，實現(xiàn)了工期的合理優(yōu)化和成本的大幅節(jié)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(shè)備租賃費用，材料損耗率也降低到正常損耗率的80%左右?！?/p>

時蓓玲對于采用數(shù)字孿生這樣的技術(shù)來推進交通數(shù)字化有著很深的感受。她說，數(shù)字孿生技術(shù)功能很強大，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)管理過程中，通過布置工程監(jiān)測點形成不斷更新的數(shù)字孿生模型，保證了整個施工階段結(jié)構(gòu)物的安全及質(zhì)量可控。比如說做基坑開挖，就要對開挖之后的結(jié)構(gòu)變形受力進行實時監(jiān)測和全過程監(jiān)測；對橋梁施工，結(jié)構(gòu)的受力體系不斷在改變，也需要非常嚴(yán)密的實施監(jiān)測。然后通過“GIS+BIM”的方式把物聯(lián)網(wǎng)形成的監(jiān)測數(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模型上對施工現(xiàn)場的實際情況做到實時掌握，方便采取對應(yīng)的措施。

展望數(shù)字孿生的發(fā)展之路

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

從數(shù)字交通的理想狀態(tài)來看，要建立數(shù)字孿生交通系統(tǒng)，現(xiàn)實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。這個映射的過程，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、增強現(xiàn)實AR等綜合性數(shù)字孿生技術(shù)，現(xiàn)有的智能交通平臺也將拓展成數(shù)字孿生平臺。這樣一來，就可以利用交通模型和人工智能驅(qū)動虛擬交通世界，在虛擬交通世界中對現(xiàn)實交通進行事前的分析、研判，最終為現(xiàn)實交通的養(yǎng)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(shù)字孿生初級階段的情況，一方面，要繼續(xù)推廣項目實踐，讓更多的新建工程運用數(shù)字技術(shù)，另一方面，要進一步拓寬應(yīng)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(xiàn)在他們把這種地形掃測手段整合成了數(shù)字化模型，用“GIS+BIM”的方式再把物聯(lián)網(wǎng)形成的監(jiān)測數(shù)據(jù)融合在一起，形成了一個更廣泛范圍的信息數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，大大拓寬了應(yīng)用場景。

江蘇常熟南沿江城際鐵路站前工程

同時，既有交通設(shè)施的數(shù)字化也迫在眉睫。我國400多萬公里公路中，已經(jīng)開展數(shù)字化應(yīng)用的比例還比較低，未來行業(yè)在交通設(shè)施基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)字化，以及運行監(jiān)測數(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)，也是未來數(shù)字交通發(fā)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(shù)字化發(fā)展之路?！?/p>