數(shù)字孿生不再是奢侈品而是必需品
——縱覽基礎(chǔ)設(shè)施大會2021年會觀察（上篇）

■ 吳付標(biāo)

一年一度的縱覽基礎(chǔ)設(shè)施大會（YII）暨基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化光輝大獎賽頒獎大會于2021年12月初如約而至。在共計(jì)31個獎項(xiàng)——19個光輝大獎類別獎、22個創(chuàng)始人榮耀獎中，中國共斬獲10個大獎，可謂“十全十美”。

對于這場由Bentley搭臺、16個獨(dú)立評委評選而出的大獎賽，可從以下兩個維度來觀察：一是全球數(shù)字化的新趨勢；二是中國獲獎項(xiàng)目的數(shù)量與數(shù)字化創(chuàng)新維度的變化。

在入圍決賽的57個項(xiàng)目中，絕大多數(shù)采用了數(shù)字孿生技術(shù)。在與中外勘測設(shè)計(jì)院和業(yè)主單位的交流中，多數(shù)人表示，數(shù)字孿生已是必然選擇。

這批數(shù)字化開拓者不就是在開創(chuàng)傳說中的“元宇宙”嗎？普遍認(rèn)知里的“元宇宙”是一個平行且獨(dú)立于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬空間，給人一種重生于第二世界的感覺，而這個空間的存在關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)。

從中國西北—華中的高鐵到英國的軌道交通，從南海的海上風(fēng)電場到新加坡的國家城市，從西藏的大型水利樞紐到紐約的高速公路……一個個現(xiàn)實(shí)工程合并著數(shù)字孿生模型正由設(shè)計(jì)者與建設(shè)者創(chuàng)建著，在投入運(yùn)營后，傳感器、攝像頭等導(dǎo)入的人、物和場數(shù)據(jù)很快將讓這些孿生體變得更加豐滿、鮮活。

讓我們從榮獲YII 2021創(chuàng)始人榮耀獎的四大中國項(xiàng)目開始，來看看正在發(fā)生的一切。

在2021線上縱覽基礎(chǔ)設(shè)施大會和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化光輝大獎賽第一天的系列活動中，22位創(chuàng)始人榮耀獎獲獎?wù)呤艿奖碚?，他們代表了對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)步和環(huán)境、社會發(fā)展目標(biāo)作出了顯著貢獻(xiàn)的組織或個人。四大中國項(xiàng)目因?yàn)閿?shù)字孿生技術(shù)的杰出應(yīng)用，以及對于“雙碳”目標(biāo)等環(huán)境和社會發(fā)展所作出的貢獻(xiàn)而榮膺大獎。

談到中國，Bentley CEO Greg Bentley 說：“中國是一個致力于基礎(chǔ)設(shè)施工業(yè)化、數(shù)字化的好地方，中國用戶在這兩方面都創(chuàng)建了眾多杰出的數(shù)字孿生案例?！闭劶爸袊鴺s耀獎獲獎項(xiàng)目，創(chuàng)始人兼CTO Keith Bentley不惜贊譽(yù)之詞，也道出了中國數(shù)字化成功的底層邏輯：“2018年，我去了西安，從那次旅行回來，我為整個中國各項(xiàng)發(fā)展的規(guī)模之巨大而感到震撼。很多時候，我們很難說服別人采用新的方式開展工作。但是，中國人熱衷于采用先進(jìn)的技術(shù)來完成偉大的工程，而令人驚嘆的是，他們總能順利完成?！?/p>

海油平臺的運(yùn)營數(shù)字孿生：以更高效的投入，辦成原來辦不到的事兒

許多人會問，如何走向數(shù)字化，如何做數(shù)字孿生，很艱難嗎？其實(shí)關(guān)鍵在于路徑和技術(shù)的選擇。

目前，我國近海區(qū)域分布著不少于200個石油鉆井平臺、不少于18個海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置FPSO平臺，這些平臺集生產(chǎn)、儲油、卸油為一體，其遠(yuǎn)程維護(hù)工作任務(wù)繁重，僅靠運(yùn)維人員乘坐直升機(jī)前往運(yùn)維地點(diǎn)，可謂是費(fèi)時、費(fèi)力、費(fèi)錢。

據(jù)中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司三維可視化應(yīng)用室石主任介紹，在服務(wù)海油集輸平臺FPSO項(xiàng)目中，如果能夠建立所有平臺的實(shí)景三維室內(nèi)外一體化三維模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個“所見即所得”的場景，即使遠(yuǎn)隔千里也能身臨其境，不僅可以降低人員出海密度，還將大大提高整個海油系統(tǒng)各個平臺的運(yùn)行效率，極大增強(qiáng)全生命周期的安全保障。

此前的許多嘗試都未能如愿，要么是工程模型，要么是逆向建模，整體體驗(yàn)到的與真實(shí)場景出入較大，而采用了Bentley的實(shí)景建模等技術(shù)后，問題得以高效解決。此次利用無人機(jī)高分辨率多角度航空遙感技術(shù)、靜態(tài)三維激光掃描技術(shù)、高分辨率視頻環(huán)繞拍攝技術(shù)等多項(xiàng)核心技術(shù)采集數(shù)據(jù)，使用Bentley ContextCapture軟件對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，形成了活生生的數(shù)字孿生模型。

石主任認(rèn)為，數(shù)字孿生模型不止在于信息的傳遞，也在于直觀的三維可視化數(shù)字表達(dá)。該項(xiàng)目將數(shù)字孿生技術(shù)、海油平臺與船舶工業(yè)結(jié)合，開展基于數(shù)字孿生的船舶設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維、使用等全生命周期一體化管控，是解決目前船舶行業(yè)瓶頸問題的有效手段。

西十高鐵的綜合項(xiàng)目數(shù)字孿生：全程數(shù)字化，樹立行業(yè)標(biāo)桿

在走向長大段落鐵路工程數(shù)字化之旅的開始階段，國內(nèi)外尚無成熟先例，并不是所有人都信心十足，但辦法總比困難多。

作為西安—十堰高速鐵路的設(shè)計(jì)單位，中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中鐵一院”）第一次在長達(dá)250千米以上的鐵路工程項(xiàng)目中全面采用Bentley平臺開展施工圖正向設(shè)計(jì)實(shí)踐，在廣度和深度上取得了歷史性突破。

對于西十高鐵BIM總體設(shè)計(jì)，據(jù)中國鐵建BIM工程實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院）總工程師兼技術(shù)負(fù)責(zé)人許興旺介紹，面對工程復(fù)雜（山區(qū)鐵路地形復(fù)雜多變、過渡銜接多）、特殊結(jié)構(gòu)形式多（10千米以上隧道5座、車站設(shè)計(jì)橋梁4個、特殊橋梁5座）、BIM標(biāo)準(zhǔn)多（鐵路BIM聯(lián)盟共頒布13本標(biāo)準(zhǔn)）、站前站后19個專業(yè)需同步開展全部工程設(shè)計(jì)等種種挑戰(zhàn)，中鐵一院領(lǐng)導(dǎo)和員工全院上下齊心，最終用6個月時間完成了全線BIM正向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)鐵路工程BIM設(shè)計(jì)新的突破。

中鐵一院是怎么做到的？第一步是制定策略。始終貫徹“標(biāo)準(zhǔn)是支撐、模型是基礎(chǔ)、協(xié)同是關(guān)鍵和數(shù)據(jù)是核心”的設(shè)計(jì)理念；第二步是練好內(nèi)功。自2017年開始，以Bentley平臺為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究鐵路工程BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)，包括建模、出圖、數(shù)量計(jì)算、計(jì)算分析、設(shè)計(jì)協(xié)同、文件交付等，根據(jù)需要研發(fā)了66個軟件模塊，開展了13期Bentley軟件培訓(xùn)，使設(shè)計(jì)人員能夠通過Bentley平臺開展項(xiàng)目設(shè)計(jì)；第三步是制定標(biāo)準(zhǔn)。自2019年3月開始，依據(jù)鐵路BIM聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)編制了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)以及19個專業(yè)實(shí)施指導(dǎo)書，對西十高鐵BIM設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)規(guī)劃和研究；第四步是組織實(shí)施。2020年4月至2020年10月間，組織生產(chǎn)人員近200人，開展了全線BIM設(shè)計(jì)。

此次數(shù)字化實(shí)踐取得了多方面的突破：一體化正向設(shè)計(jì)，所見即所得；站前站后工程同步設(shè)計(jì)，大大提升了效率；完成滿足施工圖LOD3.5精度的BIM設(shè)計(jì)成果，并基于BIM設(shè)計(jì)成果的出圖、算量和模型文件交付等技術(shù)應(yīng)用，建立與完善鐵路工程全專業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用技術(shù)體系與設(shè)計(jì)能力；驗(yàn)證了中國鐵路BIM聯(lián)盟頒布的BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時也驗(yàn)證了Bentley設(shè)計(jì)平臺能夠支撐長大干線鐵路BIM設(shè)計(jì)。

大豐海上風(fēng)電的數(shù)字孿生平臺研發(fā)：設(shè)計(jì)已不是事兒，智慧運(yùn)維正在走來

在每一波歷史大潮中，弄潮兒總是先行一步，去探索未知的世界。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上還在熱烈爭論“元宇宙”的是是非非時，作為江蘇大豐H8-2#300兆瓦海上風(fēng)電項(xiàng)目的EPC總承包單位，三峽集團(tuán)上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司已經(jīng)在海上風(fēng)電數(shù)字孿生領(lǐng)域進(jìn)行了探索。

2021年11月28日20時48分，隨著24號風(fēng)機(jī)葉輪與發(fā)電機(jī)精準(zhǔn)對接，由三峽能源投資、三峽上海院總承包建設(shè)的江蘇大豐H8-2#300兆瓦海上風(fēng)電項(xiàng)目完成全部風(fēng)機(jī)安裝，邁入全容量并網(wǎng)發(fā)電沖刺階段。

該項(xiàng)目位于江蘇大豐區(qū)毛竹沙北側(cè)海域，場址中心離岸距離72千米，是國內(nèi)離岸距離最遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場，共布置38臺4.5兆瓦風(fēng)機(jī)及20臺6.45兆瓦風(fēng)機(jī)。該院利用Bentley的iTwin數(shù)字孿生技術(shù)，通過建立全風(fēng)場BIM信息模型，關(guān)聯(lián)建設(shè)期檔案、屬性，形成虛擬風(fēng)場竣工電子資產(chǎn)，通過開發(fā)全生命周期海上風(fēng)電數(shù)字孿生平臺1.0，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場資產(chǎn)的系統(tǒng)、優(yōu)化管理。

三峽集團(tuán)上?？睖y設(shè)計(jì)研究院智慧工程研究院副院長滕彥介紹說，數(shù)字孿生技術(shù)在這個項(xiàng)目的應(yīng)用有三大亮點(diǎn)：第一，數(shù)字化技術(shù)為復(fù)雜項(xiàng)目的設(shè)計(jì)帶來了極大的便利。這個項(xiàng)目大部分結(jié)構(gòu)是裝配式，傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，鋼節(jié)點(diǎn)要一個一個地描，而采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，這樣復(fù)雜的鋼節(jié)點(diǎn)可以通過參數(shù)化設(shè)計(jì)自動生成。利用三維模型生成二維圖可以更快更好地出圖，材料報(bào)表數(shù)據(jù)也很詳細(xì)。第二，數(shù)字孿生技術(shù)提升了設(shè)計(jì)效率。比如做海上升壓站，以前用SACS做分析還要再建一次模型，現(xiàn)在結(jié)合了iTwin數(shù)字孿生技術(shù)，三維模型可以直接導(dǎo)入SACS做分析，對于整個設(shè)計(jì)流程的打通有極大的幫助。第三，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助打通整個產(chǎn)業(yè)鏈。例如，建設(shè)單位特別希望設(shè)計(jì)院提供設(shè)計(jì)模型，他們可以以此為基礎(chǔ)再進(jìn)一步做深化，以便于設(shè)計(jì)施工一體化。在大豐項(xiàng)目，上海院將BIM技術(shù)做了延伸，搭建了以BIM模型為核心的工程建設(shè)管理平臺，借助可視化技術(shù)進(jìn)行施工進(jìn)度管理、安全管理、質(zhì)量管理、物料管理、資金管理等。未來，數(shù)字孿生將會延伸到運(yùn)維階段，屆時可以通過物聯(lián)網(wǎng)等方式搜集動態(tài)的運(yùn)營數(shù)據(jù)，與之前的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，為不同的業(yè)務(wù)場景提供數(shù)據(jù)支撐。

當(dāng)筆者問到滕彥副院長做數(shù)字孿生有哪些難點(diǎn)時，她談道，數(shù)字化設(shè)計(jì)給她的感覺已是云淡風(fēng)輕，在她腦海中“盤旋”更多的是運(yùn)營階段數(shù)據(jù)的接入、融合和服務(wù)。

長樂外海海上風(fēng)電場的數(shù)字化攻堅(jiān)：技術(shù)創(chuàng)新成就環(huán)境、社會和治理責(zé)任

正如我們許多人都會追問生命的高遠(yuǎn)意義一樣，數(shù)字化不僅可以帶來業(yè)務(wù)層面的價值，也可以帶來行業(yè)與社會層面的貢獻(xiàn)。

在狂風(fēng)勁吹、海浪狂涌的臺灣海峽建設(shè)海上風(fēng)電場，困難可想而知。福建長樂外海海上風(fēng)電場C區(qū)項(xiàng)目位于福州長樂以東海域，水深41米—47米，場址中心離岸距離約45千米，項(xiàng)目地處外海，沒有通訊信號，無法采用常規(guī)RTK測繪手段，給測繪、設(shè)計(jì)和施工組織帶來巨大挑戰(zhàn)。

福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司經(jīng)過多年的研究，決定采用吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式這一創(chuàng)新技術(shù)來建設(shè)風(fēng)電場。吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式價值很高，使用的鋼材量更少，節(jié)省施工時間，易于拆除，對環(huán)境友好。在設(shè)計(jì)過程中，需要精確地模擬吸力筒與土體的交互作用，同時也要求將上部導(dǎo)管架與下部大尺寸吸力筒的設(shè)計(jì)進(jìn)行協(xié)同考慮。

永福股份發(fā)電事業(yè)部海上風(fēng)電中心主任游先輝說：“我們的要求是要高精度的結(jié)合和計(jì)算，這是我們項(xiàng)目最具特色的一點(diǎn)。而且要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)技術(shù)一體化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)施工一體化?！?/p>

許多嘗試都未能成功，直到Bentley的三維分析建模軟件給永福股份找到了突破點(diǎn)。Bentley在海上風(fēng)電行業(yè)同時提供海工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軟件SACS以及巖土有限元分析軟件Plaxis，徹底解決了大直徑單樁以及吸力筒等風(fēng)電行業(yè)中常見的大尺寸樁基的設(shè)計(jì)難題，即樁土相互作用模擬以及結(jié)構(gòu)巖土集成化設(shè)計(jì)。此外，永福股份致力于設(shè)計(jì)與施工一體化和智慧運(yùn)維，這些也都是數(shù)字孿生技術(shù)“分內(nèi)”的事兒。

該項(xiàng)目獲得創(chuàng)始人ES(D)G榮耀獎，以表彰永福股份以數(shù)字化創(chuàng)新賦能可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。該海上風(fēng)電場項(xiàng)目總裝機(jī)容量500兆瓦，每年將助力減少150噸二氧化碳排放量，并為實(shí)現(xiàn)一系列環(huán)境與社會目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的長期風(fēng)向，驅(qū)動數(shù)字化未來向好

在與Bentley CEO Greg Bentley的對話中，行業(yè)觀察家、AEC ADVISORS LLC總裁Andrej Avelini說道：數(shù)字孿生不再是奢侈品，而是必需品。四大行業(yè)趨勢將帶來行業(yè)羽翼下的長期風(fēng)向。

第一大趨勢是基礎(chǔ)設(shè)施需要修復(fù)和強(qiáng)化，以加強(qiáng)應(yīng)對氣候變化所需要的適應(yīng)力。第二大趨勢是ESG，即環(huán)境、社會和治理理念將大行其道，環(huán)境處于核心，無論是對于電力水利、市政交通、數(shù)字工廠，還是所有行業(yè)，都適用。第三大趨勢是能源轉(zhuǎn)型和各行各業(yè)的可再生和電氣化以及經(jīng)濟(jì)的脫碳，同樣將重塑社會與經(jīng)濟(jì)。第四大趨勢是數(shù)字化已來，向數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字化技術(shù)快速轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

Greg Bentley說：“基礎(chǔ)設(shè)施的施工和運(yùn)營，占全球溫室氣體排放總量的70%，我們的基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)需要做出非同尋常的適應(yīng)和改造，才能幫助減少碳排放。對于Bentley，我們創(chuàng)造了一個新詞ES(D)G，D即數(shù)字化，我們的目標(biāo)是通過數(shù)字孿生解決方案賦予這一改變，助力打造面向未來的基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)和組織?！盉entley全球高級副總裁、北亞區(qū)總裁劉德盛談道：“我們要在內(nèi)部加強(qiáng)新型的科技和文化，在外部通過Bentley的產(chǎn)品組合和服務(wù)，繼續(xù)助力我們的用戶推進(jìn)和傳播可持續(xù)發(fā)展的價值和理念?！?/p>

西門子智能基礎(chǔ)設(shè)施首席執(zhí)行官M(fèi)atthias Rebellius在和Greg Bentley前瞻未來的談話中，分享了雙方在歐洲合作推進(jìn)數(shù)字化的成功案例。這些項(xiàng)目既帶來了業(yè)務(wù)的增長，也造福于環(huán)境、社會和治理，其中包括英國的軌道交通、瑞士的食品廠、德國的公用事業(yè)單位和智慧園區(qū)等。

同樣，數(shù)字化技術(shù)也正在中國造福于越來越多的環(huán)境與社會項(xiàng)目。2021年入圍光輝大獎的七臺河桃山湖生態(tài)水利治理工程，由七臺河市建河投資建設(shè)管理有限公司和黑龍江省大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司投資、設(shè)計(jì)與建設(shè)，項(xiàng)目全長約800千米，涉及水利、市政公路橋梁和園林綠化，共有四家設(shè)計(jì)單位和幾十個施工隊(duì)伍參與，采用統(tǒng)一底層數(shù)據(jù)環(huán)境進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)與同步建模，實(shí)施了數(shù)字化征地拆遷、數(shù)字化梁場制造、數(shù)字化智慧建造，優(yōu)化了現(xiàn)場施工布局，提升了項(xiàng)目管理效率，降低了施工成本，同時也保證了綠色施工，保護(hù)了環(huán)境，成功入選國家“山水田林湖草”生態(tài)保護(hù)修復(fù)試點(diǎn)項(xiàng)目庫。

負(fù)責(zé)該工程BIM總體設(shè)計(jì)的黑龍江省建設(shè)技術(shù)發(fā)展中心總經(jīng)理梁旭源和他的團(tuán)隊(duì)成員，連續(xù)四次以不同領(lǐng)域項(xiàng)目入圍縱覽基礎(chǔ)設(shè)施光輝大賽，并兩次榮獲大。如今，他們又已著手新項(xiàng)目的數(shù)字化創(chuàng)新，為2022年數(shù)字化光輝大賽熱身。

每一個行業(yè)的創(chuàng)新成就，都源于一群數(shù)字化先鋒砥礪前行的探索。一年一度的縱覽基礎(chǔ)設(shè)施大會，因?yàn)橐豁?xiàng)又一項(xiàng)的數(shù)字化創(chuàng)新而愈發(fā)精彩。而數(shù)字化的普及應(yīng)用，將給機(jī)構(gòu)帶來效率的提升，給產(chǎn)業(yè)帶來商業(yè)模式的創(chuàng)新，給我們每一個人帶來科技賦能的美好生活。