数字化交付实现更可靠的大交通

作者：Bentley 软件公司公路和桥梁行业营销总监 Meg Davis

在如何最好地规划、设计、建设和运营安全、具有恢复力和可持续发展的基础设施方面，世界各地的交通运输部门面临诸多挑战。基础设施老化、人口增长和交通拥堵的加剧给公路、桥梁和相关建筑的业主和承包商带来压力，他们必须找到并利用具有成本效益且高效的方式来完成工作，最大程度降低交通运输项目对环境的影响并减少其碳排放量。此外，随着劳动力老龄化和员工流动率提高，采用数字化工具、技术、战略和方法简化流程并实现整个供应链协作的需求始终存在。

基础设施投资长期落后

全球的公路和桥梁对于运送不断增加的人口和货物至关重要。近年来，与基础设施老化相关的事件日益增多。基础设施故障，如意大利热那亚的高架桥坍塌、35 号州际公路密西西比河大桥坍塌以及华盛顿州 5 号州际公路斯卡吉特河大桥故障，不仅说明了高质量设计和施工的重要性，还表明了正确运营和维护基础设施资产的重要性。

在许多国家和地区，有大量基础设施资产已存在超过 40 年。在美国，几乎 8% 的桥梁被认为具有结构缺陷，而公路的磨损已导致 43% 的公共道路处于较差或勉强可用的状态。英国最近开展的一项研究发现，超过 2,000 座桥梁不适合承载公共公路上允许行驶的最重车辆。但是，老旧基础设施资产影响现代需求稳定性的原因不仅仅是磨损。不断变化的需求为基础设施带来了新的压力，在最初设计和建造这些基础设施时可能没有考虑到这些压力。车辆越重，交通量越大，车速越快，资产恶化程度就越高。40 年前设计的公路和桥梁要应对的负荷与现在截然不同，这可能导致基础设施故障。此外，有些基础设施资产在建造时遵守的安全标准没有现在的标准严格。在日常维护和升级期间，以及资产的剩余寿命期间，更新这些资产会带来风险。

气候变化和可持续发展

气候变化给我们的交通运输基础设施、其服务的社区以及依赖它的人们带来巨大的风险，且这一风险日益增加。气候变化加剧了气温升高、火灾、干旱、洪水和恶劣天气的发生，给交通运输基础设施带来很大的压力。近年来，我们看到大量气候变化的例子。在美国，我们经历了密歇根州洪水、加利福尼亚州野火、科罗拉多州在经历一年的极端野火之后发生的泥石流，以及佛罗里达州最近遭受的飓风“伊恩”。2022 年，欧洲面临着破纪录的热浪和横跨地中海的野火。

气候的多变性和变化对交通运输系统构成威胁，其影响可能包括淹没和破坏公路和隧道以及破坏桥梁等结构。恶劣的条件可能会缩短资本资产的寿命，增加运营中断的风险，并增加对疏散通道等新基础设施的需求。应急路线中断或基础设施故障会使出行不安全，不仅危害交通运输基础设施，而且会削减人员流动，阻碍经济发展，危及出行公众的安全。这要求我们检查基础设施的设计、施工、选址和维护，并对如何设计和建造这些资产做出必要的调整，从而使我们的交通运输基础设施能够应对气候变化带来的挑战。

基础设施投资和劳动力挑战

除了美国的《基础设施投资和就业法案》之外，欧洲和亚洲也在进行基础设施投资，该法案旨在提供资金筹措机制，使州级交通运输部门及其合作伙伴能够投资公路和桥梁。《基础设施投资和就业法案》包括一项新的 1 亿美元资金资助计划，该计划鼓励州级交通运输部门加快使用和部署先进的数字化施工管理系统。这些系统是用于管理施工和工程活动的成熟数字化技术和流程，包括用于基础设施规划和协作的基于商业云的先进决策支持技术、商业建筑信息建模和数字三维设计软件。

这笔新的拨款包含在美国联邦公路总署的“技术和创新部署计划”内，各州可以购买技术平台并开发最佳实践。这笔拨款还帮助他们制定指导方针，以协助更新法规，使项目发起人和承包商充分利用先进数字化施工管理系统的效率和效益。施工工程部门的数字化转型是美国交通运输部和美国联邦公路总署的首要任务，各州可以利用这一机会。

但获得资金只是公路和桥梁基础设施建设、修复和维护的第一步。在资金到位后，基础设施业主及其合作伙伴在规划和设计基础设施项目时可能会面临人员配置方面的挑战。除了工程师市场的激烈竞争，经验丰富的人员退休（有时称为“银发海啸”）可能会使业主及其供应链失去经验丰富的工程师，以及能够快速设计项目并转向投标的知识库。积极培养未来交通运输劳动力，提供资源填补技能缺口，为未来招募工人，并提供工具和技术以完成工作，这将是非常重要的。

使交通运输网更安全、更高效

传统上，交通规划和公路设计侧重于驾驶员的需求，而不是所有街道使用者的需求。第二次世界大战后，许多社区的设计都为方便快捷地驾驶机动车提供便利。随着时间的推移，其他交通方式并没有得到同样的投资，例如步行、骑行等。

“完整街道”（在美国以外的地区称为“生活性街道”、“生活街区”或“共享街道”）的设计和运营旨在确保安全使用并支持所有使用者的通行，从而使交通运输网更安全、更高效。“完整街道”可以处理多种要素，如符合 ADA 标准的人行道和十字路口、自行车道、公交专用道、中央分车岛、环岛、无障碍行人信号、路缘扩展、街景和环境美化等。这种方法可以减少机动车相关的撞车事故，以及行人和骑行者面临的风险。通过提供更安全的地方，可以推动步行和骑行，并可以增加当地社区的商业往来。

“完整街道”政策可确保交通规划者和工程师在规划、设计、运营和维护整个道路和道路网时，始终考虑到所有使用者，包括骑行者、公共交通车辆和乘客，以及所有年龄段和能力的行人，以最大限度增加交通选择。实施“完整街道”理念的好处是显而易见的。在美国，联邦公路总署发现，增加十字路口的照明可以将夜间涉及行人的交通事故减少 42%。增加一条自行车道可以将车祸数量减少 49%，而将带有停车标志的双向十字路口改为环岛则可将致命性车祸的数量减少 82%。

数字化技术正在推动诸如“完整街道”等项目的创新。在过去几年，已经发生了从二维规划到数字化交付和三维设计的重大转变，这有助于工程师向利益相关方和社区传达有关项目范围的信息。在这项技术出现之前，工程咨询公司会安排公开听证会或市政厅会议，展示一些通常只有工程师才能理解的二维工程图。而实景建模和三维技术帮助社区成员以其能够理解的格式查看项目的详细信息并提供反馈。三维实景模型很容易理解，可以加快决策过程，并改善项目团队从设计到施工的协作。数字化交付有助于实现“完整街道”的目标，并使其更加成功。Bentley 用户一直在不同规模和地理位置的项目中实施“完整街道”，这些项目可能会有不同的名称。听听工程顾问 Foth 和 JMC2 讲述他们是如何将“完整街道”特点整合到最近的项目中。

数字化交付和数字孪生的益处

创新技术和流程可以帮助业主及其合作伙伴更好、更快地完成工作。数字化交付就是这样一种流程，项目使用数字化模型、数据和支持性现场工具进行道路设计、结构设计和施工。数字化交付和数字孪生采用管理资产信息的精简流程，资产信息会随着项目的进展而变化。所有项目要素都包含在一个数字模型内，该模型可以包括二维和三维模型元素，并附有属性和引用。承包商和施工检查员可以在项目现场使用数字模型，已竣工的交付成果是已建成项目的准确展示。

数字化交付使审查设计意图和打造高分辨率的三维视觉效果变得更简单，从而提供更好的设计质量。它会对减少项目成本超支产生重大影响，三维设计使设计师能够测试假设分析方案，以改善施工能力并优化项目成本。数字化交付提高了设计效率，使设计意图以更便于直接使用的格式得到更加完整地呈现，有利于承包商开展工作，从而提升施工规划，减少提取信息的时间。最后，数字化交付改进了竣工记录，节省了宝贵的时间。承包商将收集数字竣工记录，而不是在 PDF 图纸上做标记。

先进技术：人工智能/机器学习以及远程监控和传感器

基础设施业主通常需要在人力和预算资源有限的情况下，监测广阔而复杂的地理区域。由于桥梁年久失修的程度达到了历史水平，新获得的拨款和人力资源有限，这些业主和他们的供应链需要采用新技术来弥补执行差距。数字化工具、技术、战略和方法可以简化流程并实现整个供应链上的协作。其中一个例子是通过数字孪生技术的成熟应用实现了技术飞跃。在现场使用无人机和摄影测量采集实景数据，使所有行业和规模的用户都能轻松地生成其现有库存的运行数字孪生模型，以实现可视化和与其利益相关方的协作。

将实景数据与二维/三维 BIM 设计相结合，为运营数字孪生奠定了基础，可随时间追踪变更。人工智能/机器学习分析可以随时间的变化，通过自动检测、量化缺陷和监测，来协助状况评估和预测分析。通过将无限的标准化物联网数据流添加到资产的数字孪生模型中，进一步增强了价值定位，从而提供了真正动态的体验，为每个资产量身定制独一无二的解决方案。云连接技术可以应用于传统传感器，节省大量时间和资金。基于物联网的自动化、经济高效且安全的状况监测解决方案是获取数据的有效方式，资产业主能够负责任地管理风险并确保公共安全。

使用动态感知物联网设备使组织能够经济高效地实时衡量桥梁等资产的性能。基于云的强大算法功能，能将传感器数据转换为各种交通负荷和环境条件下的详细结构性能指标，从而为建筑结构的健康状况提供有价值的洞察。将这些丰富的状况监测数据集与检查和缺陷检测技术整合到数字孪生模型中，可以提高修复最关键建筑结构的能力，并持续确保出行公众的安全。

将多种数据流与数据可互用的平台结合到三维视图中，可以联合所有利益相关方，最大限度提高设计、运营和维护效率，并以可衡量的方式降低已知和未知的风险及成本。数字孪生的使用使业主能够获得实时健康监测洞察，虚拟开展日常检查，并简化运营、设计和施工之间的协作。

佩里市与 Foth 创新利用数字孪生技术创建数字化地图城市

佩里市聘请 Foth 使用移动 LiDAR 扫描评估街道和人行道状况，以改善市民的出行。促成双方合作的原因是 Foth 能够评估所有行人坡道是否符合 ADA 标准，无需市政厅职员在现场临时评估坡道。令佩里市的官员特别感兴趣的是 Foth 通过数字孪生技术利用现有数据快速开发项目以获得政府资助机会的最佳实践。在一个 7,800 人的社区，对基础设施的需求很高，但规划和工程部门的资源有限。该项目很快发展成一个全市范围的数字孪生项目，以支持该市的固定资产改进计划。但是，将 60 多英里的街道和 10 多英里的小巷数字化面临着若干技术难题。Foth 需要集成式技术来处理大量的地理空间数据、航空图像和点云，并向多个项目参与方提供数字访问权限。

利用 Bentley 开放式建模应用程序，Foth 制定了一个最佳方案来交付数字孪生模型，节省了大量时间和可能发生的返工。这个 500G 三维城市模型包含了价值约 5.98 亿美元的资产数据。该数字孪生模型为潜在投资者提供了历史建筑数据集，让他们更倾向于在佩里投资，并有望在未来五年将私人投资参与率提高 50%。打造数字孪生模型让佩里市获得了支持，使他们的 CIP 推进速度提升了 60%，并将城市获得资金的能力提升了 75%。

Takitimu 北线，由 Waka Kotahi 和 FH/HEB 合资公司、Beca Ltd. 建设，新西兰，西丰盛湾，陶朗加

Takitimu 北线项目由 Waka Kotahi（新西兰交通局）分两个阶段建设，建成后将为西普伦蒂湾区提供更多的公共交通，改善出行安全，并支持经济发展和人口增长。第一阶段是一条 6.8 公里长的高速路，包括 10 座桥梁和一条分离式人行道，由 Fulton Hogan/HEB 合资公司建造；项目现场的自然环境极具挑战，还受到现有基础设施和居民的限制。该地区原本主要是火山，地下水位在低洼冲积平原地区较浅，在高海拔地区较深。项目团队需要找到解决方案，在这些具有挑战性的条件下快速创建道路设计，满足 Waka Kotahi 和社区的需求，并与施工伙伴沟通和合作，将风险降至最低。Beca 是牵头设计顾问，希望实施综合性、基于模型的数字化交付方法来解决现场面临的复杂问题，并协调多专业大型项目团队。

利用 Bentley 开放式建模应用程序，Beca 打造了互连数据环境和数字孪生模型，从而简化了在受限场地上的施工活动。通过协作式数字建模和三维可视化，他们将建模时间减少了 15%，将设计效率提高了 20%，同时与以前的设计方法相比，交付成果的质量更高。数字孪生有助于将各类施工活动产生的数据整合起来，为未来的道路运营管理和维护提供有力支撑。

National Highways 商业信息框架，National Highways，英国，西米德兰兹郡，伯明翰

National Highways 是负责设计、建设、运营和维护英格兰主要道路网的政府组织。作为“智能高速公路”计划的一部分，为了促进协作，简化信息共享，以及降低在英格兰主要道路网内进行道路改善时的风险，National Highways 正在交付其商业信息框架。这项工作的一个重要部分是未来 10 年的道路改善，包括增加主要道路网的车道通行能力。

这一计划需要推动协作和知识共享，提高工作效率，降低安全风险和提高质量。面对数据孤岛和人工操作导致的访问受限和错误决策，National Highways 及其合作伙伴希望为项目各专业人员和利益相关方提供基于网页的企业数据访问。

他们选择了 BCDE 和 Bentley iTwin 平台建立数字孪生模型，使联合三维设计和资产数据可通过 ProjectWise 和 AssetWise 的链接进行访问。基于 Bentley 的商业信息框架提高了工作效率、设计效率和决策制定，同时缩短了项目工期。通过开放式资产数据和数据资产重复利用，他们预计可以节省 7,000 万英镑。利用数字孪生模型集成资产和文档数据，商业信息框架解决方案已经减少了设计时间，避免了返工，成为在主要项目中推出的“智能高速公路计划”的关键推动因素。

州际大桥更换项目，WSP USA，美国，俄勒冈州波特兰和华盛顿州温哥华

州际大桥更换项目（简称 IBR）将用现代化的抗震、多模态建筑取代一座跨越哥伦比亚河、连接俄勒冈州和华盛顿州的百年大桥，该建筑可改善人员、货物和服务的流动性。该项目必须解决两个州的鱼类和野生动物的生活环境问题，并保护考古资源。该项目还需要解决公共交通有限、货运受阻、自行车和行人设施不足、现有道路设计的安全问题以及日益增长的出行需求和拥堵问题。WSP 公司是总工程顾问，希望在项目的全生命周期内实施数字孪生技术。面对与承包商、公众和政府实体之间的协作挑战，WSP 需要集成的数字化交付平台。

数字孪生将定义项目的生命周期，从概念到设计，再到施工，然后将运营的 BIM 集成资产管理模型移交给业主。数字孪生提供情境感知和数据驱动的洞察，以做出更明智的决策并实现更好的成果。WSP 利用以 iTwin 为中心的工作流，在施工前降低设计阶段的风险，最大限度减少施工建模数量，以及以数字化方式规划维护和恢复力，同时最大限度提高运营活动中的安全性，在 IBR 项目上节省了约 4.7 亿美元。与传统项目交付方法相比，他们几乎将消除施工期间的二次建模工作，并减少 90% 的运营检查活动。在设计和规划过程中，仅就碳排放量分析而言，成本预计将降低 67%。

结论

尽管交通运输业主及其供应链在如何规划、设计、建设和运营安全、具有恢复力和可持续发展的基础设施方面面临诸多挑战，但某些技术解决方案可以帮助解决其中许多问题。

我们已经看到业主及其合作伙伴采用创新方法，通过数字孪生和数字化交付解决基础设施老化、人口增长、交通量增加和拥堵加剧的问题，获得了设计和施工方面的洞察，虚拟开展日常检查，并简化了运营、设计和施工之间的协作。