基础设施已成数字孪生应用大场景

吴付标

纵览基础设施大会（YII）暨基础设施数字化光辉大奖赛颁奖大会期间，来自45个国家/地区的230多个组织提交了近300个参赛项目，16个独立评委会从中评选出了19个奖项类别的57个决赛入围者。中国有15个项目入围决赛，其中6个获得大奖。

笔者仔细阅读这6个项目的资料，并与主创人员进行交流，以了解他们在推进数字化过程的初心、遇到的困难、得到的成果以及未来的思考。

项目提交单位有的是业主，有的是设计院，有的是设计施工总承包，这些项目展示了BIM和数字孪生在勘察、设计、施工、运维以及招标、采购、计量、质量管理等全生命周期的应用。

鄂州花湖机场数字孪生：数字化建设时代真的来了

鄂州花湖机场是全亚洲第一个专业货运机场，投资300多亿元，如今已经成为一个“网红”项目。2021年11月30日至12月1日，全国民用机场建设管理工作会议在鄂州召开，中国民航局和湖北省政府相关领导莅临现场，还特别考察了机场建设创新情况及数字化工地。

业主单位想把鄂州花湖机场建成一个什么样的项目？一言概之，就是要建设一座“平安、绿色、智慧、人文”的四型机场。如今，鄂州花湖机场已成为中国民航首批示范项目。它是如何做到的？BIM和数字化就是实现这个目标的重要抓手之一，“数字孪生机场”则是智慧机场的起点。中国工程院院士刘先林曾说：“深度运用BIM技术参与工程建设，鄂州花湖机场在这一领域的探索已进入‘深水区’、甚至是‘无人区’。”

数字化设计是源头，业主单位从项目伊始就有了周全的布局，通过全面推进数字建造，提升机场设计、施工、管理水平。尤其是应用Bentley的iTwin数字孪生技术和系列软件，给未来的智慧机场打造一套孪生数据系统，作为智慧运维的数字底盘，在未来5年、10年可以进行充满想象的扩展。

 

在2021年11月下旬的一次交流中，湖北国际物流机场有限公司规划发展部副部长邹先强对笔者说：“为什么要大力推进BIM应用和数字化管理？我们是从生产与管理等维度来考虑的。”

首先，要形成一个先进的流程生产模式，解决设计模型和施工效果“两张皮”等问题。“设计深度不够，往往会导致建设过程中出现数不完的工程拆改情况，像这样300多亿元的工程损耗一两亿元是件很容易的事儿。现在，完全按照模型把设计做完，然后挂接系统，按模施工，同时进行验收，形成同步的验收数据库，最后再推送到付款环节，基于数字孪生把数字化做到了极致，形成了一个先进的流程生产模式。”邹先强说。

其次，要形成一个规范化的管理模式，解决质量管理、监理管理、造价管理等系列问题。邹先强表示：“工程建造的工业化程度一直比较低，建筑行业只有白领、包工头、农民工，缺少产业工人，还缺少一个能对工程质量、工资发放等进行良好管理的中间层，工程层层转包，最后到农民工手中实际上是非常低的收入。我们通过数字化的方式，能够同时把现场1.2万名农民工工资问题管起来，可以同时向1.2万名农民工发短信询问是否收到工资。在监理层面，国家有很详细的质量验收规范，但监理不够强也不够到位。现在，把质量管理的工序库、指标库和BIM结合起来，一道一道地管控下去，把所有环节全部用数字化管理起来，工程质量就有了坚强的保障，传统的工程投资和造价管理扯皮问题也会迎刃而解。”

数字化技术的应用取得了显著成效。鄂州花湖机场2021年底进行校飞，工期大概是三年时间，而同规模的项目工期要5年左右。从投资上来说，整个工程大约节省了30%资金，达几十亿元之多。鄂州花湖机场采用了Bentley的OpenRoads、ProStructures、Navigator、ProjectWise等设计建模、协同管理一系列软件，尤其是充分发挥了iTwin数字孪生平台的大模型承载能力，极大地提升了数据管理能力。

邹先强强调：“对于数字化的应用，我们付出了心血，但的确能感觉到整个项目的推进很顺利，在这个过程中数字化技术帮助很大，市政和民航两大板块都采用了Bentley系列产品。我们明显感到，数字孪生技术的功能非常强大，发展空间非常大，建设行业的数字化时代确实是来了。”

西藏水利枢纽地质勘察：数字化颠覆传统勘察工法

中水北方勘测设计研究有限责任公司（以下简称“中水北方公司”）承担了西藏一个总投资30亿元的大型水利枢纽的地质勘察任务。然而，在海拔4000多米的高寒地带，传统的人工测绘已难以满足工期要求，选择几家软件厂商的产品分别用于不同的生产环节会带来地质数据衔接不充分的问题，不利于数据管理和后期的数字化交付。

基于此，中水北方公司选择Bentley的数字孪生解决方案，开发具有自主知识产权的“水利水电工程三维地质勘察系统”，提供了一套基于三维正向设计的工程地质勘察数字孪生解决方案，满足了内外业一体化、地质成果三维可视化、数字成果分析智能化等方面的要求。

在项目执行中，利用ContextCapture等软件进行实景建模及处理，利用“数字化地质测绘软件”完成地质测绘工作，基于MicroStation开发的“三维地质勘察建模软件”完成了地质模型的建立，通过OpenSite进行模型开挖模拟，利用PLAXIS等软件分析地质体及坝体的力学特性，ProjectWise则用来进行协同设计，并在B/S端进行了数字化交付。数字化的应用带来了良好的成效，不但大大提高了自动化程度，而且还为项目节省了几千万元的投资。

 

中水北方公司勘察院技术质量与信息部主任赵文超谈道：“我们在Bentley平台上集成和二次开发了整套的水利水电工程勘察系统，实现了勘察全过程的数字化应用和对传统勘察工法进行了变革。”

中水北方公司副总工程师、智慧水利事业部执行总经理耿振云认为：水利水电工程勘察系统充分结合新一代信息技术，升级了勘察的技术手段，为三维协同设计和数字化交付提供了基础。

 中水北方公司的数字化探索，还有效应对了疫情带来的麻烦。2020年4—5月，南水北调东线进行查勘，中水北方公司将自己的三维查勘系统，与在Bentley平台上做的BIM模型一起叠加到GS上，进行了查勘和方案显现，解决了因疫情无法抵达工地现场的问题，获得了水利部领导的好评。

东台子水库设计施工一体化：数字化带来更丰富的成果

位于内蒙古赤峰市的东台子水库工程，是集防洪、灌溉、供水、发电等多项功能的国家重点水利工程，总投资21亿元。

辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司（以下简称“辽宁院”）面对这样一个大型工程，既要把设计做好，又要着眼于全生命周期的数字化服务，如果使用传统设计模式，将面临以下几个挑战：一是各专业配合困难，设计文件版本易错乱；二是开挖图纸设计困难，不准确；三是大坝设计细节不够完善，各专业间图纸配合问题严重；四是地质设计成果不够直观。

于是，辽宁院从项目可研阶段便实施BIM正向设计。选择了ProjectWise作为协同设计管理平台，提供了统一的基础环境、数据架构以及各类三维设计软件集成应用的管理。利用Bentley系列专业软件进行了多专业的可视化协同设计，通过三维地质建模和数据分析，优化了坝址、坝线选型。在施工图设计阶段，用OpenRoads Designer对坝基开挖进行详细设计，传统二维设计很难得到开挖边界和开挖形状，对开挖量计算容易造成误差，用数字化设计，将开挖体与三维地下相交，很容易得到开挖边界，开挖量也得以一键提取，提高了设计准确性，将以往两周的开挖设计时间缩短到7天。在设计、施工的动态控制中，提出的12号至25号坝段建基面优化高程较可研抬高了3m—5m，取得了显著的经济效益。在鱼道设计上，由于传统的设计中转角较多，还有坡度，施工单位做起来非常麻烦，用三维来做表达模型，非常有利于现场施工。

 

辽宁院数字与智慧工程研发中心主任王一鑫说：BIM的优势在于成果比传统更加丰富，也能为业主提供全生命周期管理的数据基础，这是非常重要的。数字化转型是一条永无止境的路，“我们很幸运走在了这条大路上，辽宁院将致力于数字化智慧水利，通过三维设计与GIS结合，做好数字化服务”。

晋南钢铁二期数字化：牵引产能优化布局

晋南钢铁二期曲沃基地产能减量置换项目转炉连铸项目，是晋南钢铁集团重要的产能优化布局，项目总投资额7亿元，计划利用先进的余热回收技术，高效回收高温烟气余热，年供应蒸汽26万吨，折算成标准煤量，年可节约标准煤量为3.5万吨。

业主的产能优化，也意味着作为设计施工总承包单位的中冶南方工程技术有限公司（以下简称“中冶南方”）要想方设法进行设计与施工的优化。为此，中冶南方制定了相应的数字化技术路线：协同设计，施工模拟，数字交付，走向数字孪生。

三维协同设计的效益很明显，如利用三维模型进行仿真，对转炉大包的支座、转炉的支座进行应力和运动仿真，同时对中间包的温度场进行仿真，优化设计，减少了转炉出钢时间，降低了出钢的温度，提高了钢产量2000余吨，减少了能源消耗，减少碳排放0.1吨/吨钢。在设计与施工协同方面也取得了突破，例如，将部分建筑修改为装配式构件，利用三维模型进行合理分块并进行预拼装，在工厂预制，缩短了工期30余天，节约了大量资源，减少了环境污染。可视化交底及4D施工模拟，优化施工方案和方法，缩减了施工周期，保障了全程无伤亡等安全事故发生。

 

中冶南方BIM中心副主任褚学征谈道：项目刚刚启动就恰逢武汉疫情暴发，协同设计帮了大忙，最大限度地保证了整个项目的顺利实施。项目整体达到了建设技术先进、绿色环保智能钢铁厂的目标，得到了甲方的好评，中冶南方也成为武汉市复工复产先进典型。中冶南方将在数字化道路上继续前行，在“十四五”期间要涵盖工程全生命周期服务。

湖北能源80MWp光伏工程数字化：在实践中研发山地光伏设计软件

湖北能源随县&广水80MWp地面光伏发电工程，建设规模为80MWp，同期建设一座110kV升压站，新建1回上网线路，全长约33.7km。在能源转型的大背景下，太阳能资源的开发利用意义重大。

湖北省电力勘测设计院有限公司（以下简称“湖北院”）以EPC工程总承包模式承担该工程的建设。期间，湖北院曾经尝试过其他BIM解决方案，但成效不理想，问题主要包括以下两个方面：一是适应工程EPC工程总承包模式的整体解决方案不够完整；二是图形平台承载能力难以满足工程大量复杂模型的要求。

而在采用Bentley数字孪生后，该工程实现了突破。湖北院数字化分公司技术处处长舒磊介绍说，采用Bentley数字孪生解决了两大问题：一是要在复杂的山地条件下选择比较好的位置布置光伏区域，通过模型融合完成了优秀且造价合理的设计方案，实景建模等软件发挥了作用；二是利用数字孪生模型，Synchro4D施工进度模拟，AR技术辅助施工管理，在工程中通过孪生模型与施工实物对应监管，解决了阴影遮挡和电缆工程量控制的问题，提供了高质量的建造管理增值服务。

在Bentley的帮助下，湖北院研发了一款山地光伏设计软件，顺利构建了光伏电池阵列及控制电缆的数字孪生模型，并通过自动化程序完成14080个光伏电池阵列的三维模型。这标志着湖北院在企业数字化方面取得了突破性成就。

 

关于未来的数字化发展，舒磊说，湖北院制订了第二个五年规划计划，积极拓展数字化业务。随着光伏电站、风力发电厂和电网的智慧化发展，“我们也在考虑如何提供无人值守的智慧化电站”。

江苏龙腾特钢60MW发电工程数字化：打造可复制的智能制造样板

世界上首套最小装机亚临界煤气发电工程——江苏龙腾特钢60MW发电工程，采用超高温亚临界一次中间再热机组，开创了高参数、小型化发电机组技术领域先河，旨在利用钢厂富余煤气发电，为早日实现碳达峰碳中和目标作贡献。

中冶京诚工程技术有限公司（以下简称“中冶京诚”）作为设计施工总承包单位，在该项目上通过数字化协同设计、数字化建模构建、数字化交付、数字化施工、数字孪生、数字化运维取得了显著成效。中冶京诚以数字化工厂和大数据为核心，融合工业互联网技术、大数据人工智能技术、数字孪生技术，搭建钢铁智慧生产运营管理体系。

中冶京诚数字化BIM中心主任张鹤说：这个项目走到了数字化交付，这是中冶京诚数字化的升级模式。2019年之前，中冶京诚更多的是应用BIM技术来解决设计协同以及施工难点的问题。随着国家推进智能制造并明确把数字化交付作为智能制造基础的支撑，中冶京诚开始从设计驱动走向数字化设计和数字化交付双轮驱动。

 

据张鹤介绍，中冶京诚在2020年采购了Bentley的iTwin数字孪生服务平台，为业主提供数字化工厂服务。就拿龙腾特钢这个项目来讲，虽然项目体量不是特别大，总投资3亿元左右，但是适用性很广、复制性较强，在“双碳”的大背景下，节能减排意义重大。“因为针对小体量的高炉煤气发电的整体效率提高了，整体的效益也得到提高。我们以BIM和数字化技术来赋能这样的项目，实现数字化交付和数据服务，提升了效益，实现了多赢”。

结语：致敬数字化先锋

中国已进入数字化时代。近期在北京召开的中央经济工作会议提出，“加快数字化改造，促进传统产业升级”。BIM和数字孪生等技术驱动传统产业转型升级、赋能千行百业的愿景正在加速落地。传说中的元宇宙，虽离我们没有那么近，但也没有那么远。