数字孪生 既是目标也是起点

来源中国公路

文/本刊记者  张波 杨心壤

四川省重点高速公路建设项目——乐西高速公路（乐山-西昌）马边至昭觉段施工图设计审查会结束，项目施工图设计顺利通过四川省交通运输厅组织的专家评审。会后，专家们对乐西高速的设计与汇报给予了高度评价：用数字化的手段，充分展示了乐西高速沿线的地质信息、环保信息和设计方案，特别是40公里无人区的情况一览无余，使人身临其境，非常直观，值得推广。

四川省公路规划勘察设计研究院有限公司BIM中心主任乔科也深有感触，乐西高速沿线地质复杂，不仅穿越40公里无人区，还要经过1个国家级自然保护区、1个省级自然保护区和3个林场，沿线一级、二级珍稀保护植物密布，工程建设面临极高的环保要求和施工难度。如果使用常规手段，只能通过照片和口述来讲解，专家们不能很好地了解具体情况。而采用数字技术，通过数字孪生、BIM等技术，将测绘数据、地物信息、地灾信息、地勘信息、规划信息及设计成果以及其他相关信息（自然保护区、土地性质、最大洪水位）一并在BIM模型上进行整合展现，情况一目了然，可以用清晰透彻来形容。乔科说：“这是数字技术带给公路工程建设一个典型的提升，就是可视化。它提高了设计的深度和准确性，大大提高了展示和沟通的效率。”不仅在设计方面，数字技术在施工、养护和运营阶段，都具有突出优点。

我们还处于数字孪生的初级阶段

交通运输部于2019年7月发布的《数字交通发展规划纲要》中提到，到2025年，我国交通运输基础设施和运载装备全要素、全周期的数字化升级迈出新步伐，数字化采集体系和网络化传输体系基本形成。

数字交通是一项巨大的系统工程，全要素、全周期的数字化，需要在工程设计与施工阶段就建立起基础数据库，实现数字化。目前，数字孪生在工程建设领域的热度非常高，就是因为它能在虚拟空间中构建项目工程模型体系，实现对工程的虚拟数字映射。美国Bentley软件公司行业高级销售总监陈恺煜介绍，“孪生就是双胞胎的意思。数字化的工程项目，就是现实工程在数字虚拟空间的‘双胞胎’。”通过构建的数字模型体系，可以实现工程项目的设计优化、提升建设管理效率、降低建设成本，为后期的养护、运营打好基础……看得出，这契合了数字交通的发展要求。

“数字孪生是一个非常理想的发展状态，也可以说是我们的一个发展目标。”乔科认为，无论是技术的发展还是技术的成熟度，它都需要经过很长时间的探索和积累。就当前我国公路建设项目的数字化发展状况来看，单项新建和改建项目工程的数字化正处于推广发展阶段，后期我们还面临整个路网的数字化。同时，路网的监测、检测、养护与运营也面临数字化，可以说，我们当前还处在数字化比较初级的探索阶段。

数字孪生已经呈现出诸多优势

数字交通代表了未来的发展方向，数字孪生提供了数字化发展的路径。我们只有通过不断探索，才有可能实现数字交通的未来。到目前为止，我国公路交通数字化发展进展如何？我们从四川乐西高速、陕西西咸新区世纪大道提升改造工程、江苏常熟南沿江城际铁路站前工程（包括路桥工程）、黑龙江七台河桃山湖生态水利治理工程（包括路桥工程）等2021基础设施数字化光辉大奖赛的几个中国入围项目，来看一看数字孪生已经为我们解决了什么问题，为我们展示了它的什么优势。

提高设计准确性

以乐西高速为例，该项目全长151.80公里，穿越四川山区，桥隧比高达81.5%，其间有几十公里的无人区、国家级和省级自然保护区。面对这些工程挑战，项目设计单位四川省公路规划勘察设计研究院有限公司BIM中心主任乔科介绍，设计团队决定采取全程、全专业数字化设计来优化设计，并选择了数字孪生、实景建模、协同管理、OpenRoadsDesigner等Bentley技术平台和专业软件。

乔科说：“如果不采用实景建模等技术，我们的设计团队无法直观地了解无人区的情况。有了这种身临其境的感受，掌握了精准的数据并集成到一套数字孪生模型的成果里，就能更科学地设计合理的路线，去规避珙桐、水青树等国家一、二级珍稀保护植物的分布区域，同时去做好构造物和环境的契合。”

设计团队借助BIM技术，优化了设计方案，提高了设计质量，在设计过程中发现图纸错误1000余处，大幅减少后期设计变更，将产生最直接的经济效益。设计团队还针对大凉山1号隧道这样的重点及难点工程进行了施工创新，并为业主提供了一套数字化资产，为施工和养护提供了极大的便利。从行业的价值来说，也形成并验证了公路工程信息模型标准，为交通数字化的后续研究提供了项目参考。

提高设计效率

在陕西省，连接西安和咸阳的西咸新区世纪大道提升改造工程，是这个国家级新区首个全专业应用BIM技术进行设计、施工、运维的大型综合市政示范项目。项目总长度约为4.3公里，道路红线80米，总投资约32亿元。

中国市政工程西北设计研究院有限公司陕西分公司数字化创新中心主任张泽林说：“我们实现了全过程的数字化设计，并进行了全专业的数字成果交付，推进了设计数字化、施工信息化、运维智能化的全周期管理。整体设计效率提升15%～20%，减少设计变更60%以上，节省项目设计周期约45天，带来综合经济效益1000余万元。”

张泽林特别提到了像可视化管迁管改这样的BIM应用点创新。作为一个综合市政项目，涉及的专业繁多，地下空间涉及地铁、过街通道、综合管廊及8类市政管线，纵横交错。设计团队采用OpenRoads SUE建立现状地下管网，基于此管网模型进行管线迁改方案的三维设计，将管网模型与设计道路、管廊模型进行整合，帮助设计师直观筛选需要保护和迁改的管线，解决管线碰撞分析、净距分析难等问题，实现管迁方案最优，提高设计效率30%。

节约施工成本

以水利和市政公路桥梁建设为重点的桃山湖生态环保水利综合治理PPP项目是黑龙江省百大项目之一。由黑龙江建投集团投融资事业部投资建设，项目纵深长8.6公里，总投资10.95亿元。

黑龙江省建设技术发展中心总经理梁旭源介绍说：“项目实施了BIM整体协同设计，在数字化施工方面进行了成功的探索，使得项目整体施工工期大幅缩减，提前240天完成主体工程项目交付，为投资方节约资金达6000余万元；同时借助SYNCHRO统筹施工进度，使主体项目工期缩减40%，为施工方总体节约资金达2000余万元。”

该项目及的专业多，仅施工队伍就有几十家。哪个施工队伍先进哪个后进，如何提高设备的利用率，材料现场如何堆放，都是制约施工效率和质量的大问题。项目在数字化BIM技术实施过程中，以SYNCHRO数字化工作流为核心，通过项目智慧驾驶舱全天候实时监测，能够为管理者提供可视化项目实时进度跟踪，同时借助三维BIM模型及其挂接的材料信息属性，辅助项目采购方及时按需的采购项目所需物料；利用BIM翻样数据按需、按时智能拆分为不同批次的零构件加工任务，动态调节原材料及半成品数量，实现最低库存；创新应用Context Capture + SYNCHRO高效对项目周边征地拆迁进行资金规划及拆迁进度把控，实现精准资金利用。

缩短施工周期

位于江苏常熟的南沿江城际铁路站前工程，在数字化施工方面取得的成效，也同样值得研究。

该数字化施工项目负责人之一——中交第三航务工程局有限公司副总工程师时蓓玲介绍说：“采用包括数字孪生技术和BIM技术来做数字化施工，使得整个施工过程更有序、更高效、更安全，实现了工期的合理优化和成本的大幅节约。例如，整个架梁的工期缩短了130天。同时减少了管理费用、设备租赁费用，材料损耗率也大约降低到正常损耗率的80%左右。”

时蓓玲对于采用数字孪生这样的技术来推进交通数字化有着很深的感受。她说，数字孪生技术功能很强大，仅凭它的可视化功能就已经深受施工管理人员的欢迎，在施工阶段的应用还不断有惊喜的发现。在工程建设管理过程中，通过布置工程监测点形成不断更新的数字孪生模型，保证了整个施工阶段的结构物的安全以及质量可控。比如说做基坑开挖，就要对开挖之后的结构变形受力进行实时监测和全过程监测；对桥梁施工，结构的受力体系不断在改变，也需要非常严密的实施监测。然后通过GIS+BIM的方式再把物联网形成的监测数据融合在一起，不断传递和映射到数字孪生模型，使得参建各方在同一个模型上对施工现场的实际情况做到实时的掌握，方便采取对应的措施。

展望数字孪生的发展之路

从工程实践中可以看到，数字孪生带给设计、施工方面的便利性和经济性非常明显，它的优势在不同的行业、不同的工程项目中也越来越多地凸显出来。

从数字交通的理想状态来看，我们要建立数字孪生交通系统，现实世界中所有的交通设施信息必须全部映射到数字交通系统中。这个映射的过程，必将是多学科、跨行业的合作与融合，比如要利用物联网、大数据、BIM\CIM、人工智能、增强现实AR等综合性数字孪生技术，我们现有的智能交通平台也将拓展成数字孪生平台。这样一来，我们就可以利用交通模型和人工智能驱动虚拟交通世界，在虚拟交通世界中对现实交通进行事前的分析、研判，最终为现实交通的养护、运营甚至是后期的废弃、拆除提供决策参考建议。

还处于发展初级阶段的数字孪生，目前我们能做的一方面是继续推广项目实践，让更多的新建工程运用数字技术，二方面是拓宽应用场景。比如中交三航局就拓展了很多的实景建模，从无人机的倾斜摄影到激光三维扫描，甚至进入到了水下。时蓓玲介绍，中交三航局以前海底的地形扫测是通过单波速、多波速等水下地形扫测手段，现在他们把这种地形扫测手段也整合成了数字化模型，用GIS+BIM的方式再把物联网形成的监测数据融合在一起，形成了一个更广泛范围的信息数据的呈现，大大拓宽了应用场景。

同时，既有交通设施的数字化也迫在眉睫。我国400多万公里公路中，已经数字化的比例还比较低，未来行业在设施基础数据的数字化，以及运行监测数字化采集、分析、研判等方面，都需要做大量的工作。乔科认为，公路交通的数字孪生是一个非常庞大的系统工程，不仅涉及到工程建设领域的BIM应用，涉及到数据采集传输设备的进一步研发生产，涉及到交通出行的需求挖掘，还涉及到行业管理的指导方针，“数字孪生，既是发展目标，也是未来数字交通发展的起点。我们只有脚踏实地地不断探索，才能摸索出一条数字化发展之路。”