数字孪生不再是奢侈品，而是必需品

一年一度的纵览基础设施大会（YII）暨基础设施数字化光辉大奖赛颁奖大会在2021年12月初如约而来。
 
在共计31个奖项中——19个光辉大奖类别奖、22个创始人荣耀奖，中国共斩获10个大奖，可谓十全十美。
 
对这场由Bentley搭台、由16个独立评委评选而出的大奖赛，我通常从两个维度来观察：一是全球数字化的新趋势，二是中国获奖项目的数量与数字化创新维度的变化。
 
在57个决赛入围项目中，绝大多数采用了数字孪生技术。从与中外勘测设计院和业主单位的交流中，所有人都告诉我，数字孪生已是他们所有人必然的选择。
 
这批数字化开拓者不就是在开创传说中的元宇宙吗？普遍认知里的“元宇宙”是一个平行且独立于现实世界的虚拟空间，给人一种重生于第二世界的感觉，而这个空间的存在关键就是数据。
 
从中国西北到华中的高铁到英国的轨道交通，从南海的海上风电场到新加坡的国家城市，从西藏的大型水利枢纽到纽约的高速公路......一个个现实工程合并着数字孪生模型正由设计者与建设者创建着，在不久投入运营后，传感器、摄像头等导入的人、物和场数据很快将让这些孪生体更加丰满、更加鲜活起来。
 
让我们来看看正在发生的一切，从荣获YII 2021创始人荣耀奖的四大中国项目开始。
 
在第一天的 2021 线上纵览基础设施大会和基础设施数字化光辉大奖赛系列活动中，22 个创始人荣耀奖获奖者得到表彰，他们代表了对基础设施进步和/或环境、社会发展目标做出了显著贡献的组织或个人。四大中国项目因为数字孪生技术的杰出应用以及对于双碳目标等环境和社会发展所做出的贡献而荣膺大奖。
 
谈到中国，Bentley CEO Greg说，中国是一个致力于基础设施工业化、数字化的好地方，中国用户在这两方面都创建了众多杰出的数字孪生案例。谈及中国荣耀奖获奖项目，创始人兼CTO Keith Bentley不惜赞誉之词，也道出了中国数字化成功的底层逻辑：“2018年，我去了西安，从那次旅行回来，我为整个中国各项发展的规模之巨大而感到震撼。很多时候，我们很难说服别人采用新的方式开展工作。但是，中国人热衷于采用先进的技术来完成伟大的工程，而令人惊叹的是，他们总能顺利完成。”

一、海油平台的运营数字孪生：以更高效的投入，办成原来办不到的事
 
许多人会问，如何走向数字化，如何做数字孪生，很艰难吗？关键在于路径和技术的选择。
 
目前，我国近海区域分布着不少于200个石油钻井平台，不少于18个海上浮式生产储卸油装置FPSO平台，这些平台集生产、储油、卸油为一体，其远程维护工作任务重，仅运维人员乘坐直升机前往运维地点就很费时费力费钱。
 
中海油能源发展装备技术有限公司三维可视化应用室石主任介绍，在服务海油集输平台FPSO项目中，如果能够建立所有平台的实景三维室内外一体化三维模型数据，构建一个“所见即所得”的场景，即使远隔千里也能身临其境，不仅可以降低人员出海密度，还将大大提高整个海油系统各个平台的运行效率，极大增强全生命周期的安全保障。
 
此前的许多尝试都未能如愿，要么是工程模型，要么是逆向建模，整体体验到的与真实场景出入较大。采用了Bentley的实景建模等技术后问题得以高效解决。此次使用无人机高分辨率多角度航空遥感技术、静态三维激光扫描技术、高分辨率视频环绕拍摄技术等多项核心技术采集数据，使用Bentley ContextCapture软件对多源数据进行融合处理，形成了活生生的数字孪生模型。
 
石主任认为，数字孪生模型不止在于信息的传递，也在于直观的三维可视化数字表达，这个项目将数字孪生技术、海油平台与船舶工业结合，开展基于数字孪生的船舶设计、制造、运维、使用等全生命周期一体化管控，是解决目前船舶行业瓶颈问题的有效手段。
 
二、西十高铁的综合项目数字孪生：全程数字化，树立行业标杆
在走向长大段落铁路工程数字化之旅的开始阶段，在国内外尚无成熟先例的情况下，并不是所有人都信心十足，但办法总比困难多。
 
中铁第一勘察设计院集团有限公司是西安至十堰高速铁路的设计单位，是第一次在长达250km以上的铁路工程项目中全面采用Bentley平台开展施工图正向设计实践，在广度和深度上都取得了历史性突破。中国铁建BIM工程实验室（中铁一院）总工程师兼技术负责人许兴旺作为西十高铁BIM设计总体给笔者介绍，面对工程复杂（山区铁路地形复杂多变、过渡衔接多）、特殊结构形式多（10公里以上隧道5座、车站设计桥梁4个、特殊桥梁5座）、BIM标准多（铁路BIM联盟共颁布13本标准）、站前站后19个专业需同步开展全部工程设计等种种挑战，铁一院领导和员工全院上下齐心，最终用了6个月时间完成全线BIM正向设计，实现了国内铁路工程BIM设计新的突破。
 
怎么办？第一步是制定策略：设计始终贯彻标准是支撑、模型是基础、协同是关键和数据是核心的设计理念。第二步是练好内功，自2017年开始，以Bentley平台为基础，系统研究铁路工程BIM正向设计技术，包括建模、出图、数量计算、计算分析、设计协同、文件交付等方面，根据需要研发了66个软件模块。开展了13期Bentley软件培训，使设计人员能够通过Bentley平台开展项目设计。第三步是制定标准，到了2019年3月开始依据铁路BIM联盟标准编制了企业标准、项目标准以及19个专业实施指导书，对西十高铁BIM设计进行了系统的规划和研究。第四步是组织实施，2020年4月至2020年10月间，组织生产人员近200人，开展了全线BIM设计。
 
这次数字化实践取得了多方面的突破：一体化正向设计，所见即所得；站前站后工程同步设计，大大提升了效率；完成满足施工图LOD3.5精度的BIM设计成果，并基于BIM设计成果的出图、算量和模型文件交付等技术应用，建立与完善铁路工程全专业BIM技术应用技术体系与设计能力；验证了中国铁路BIM联盟颁布的BIM设计标准，验证了Bentley设计平台能够支撑长大干线铁路BIM设计。

三、大丰海上风电的数字孪生平台研发：设计已经不是事，智慧运维在走来
 
在每一波历史大潮中，弄潮儿总是先行一步，去探索未知的世界。
 
当网络上还在热烈争论着元宇宙的是是非非，三峡集团上海勘测设计研究院有限公司作为江苏大丰H8-2#300兆瓦海上风电项目的EPC总承包单位，已经在海上风电数字孪生做出了成功的探索。
 
2021年11月28日20时48分，随着24号风机叶轮与发电机精准对接，三峡能源投资、三峡上海院总承包建设的江苏大丰H8-2#300兆瓦海上风电项目完成全部风机安装，迈入全容量并网发电冲刺阶段。
 
该项目位于江苏大丰区毛竹沙北侧海域，场址中心离岸距离72千米，是国内离岸距离最远的海上风电场，共布置38台4.5兆瓦风机及20台6.45兆瓦风机。该院利用Bentley的iTwin数字孪生技术，通过建立全风场BIM信息模型，关联建设期档案、属性，形成虚拟风场竣工电子资产，通过开发全生命周期海上风电数字孪生平台1.0，实现风电场资产的系统、优化管理。
 
该院智慧工程研究院副院长滕彦对笔者说，数字孪生技术在这个项目的应用有三大亮点。
第一，数字化技术为复杂项目的设计带来了极大的便利。这个项目大部分结构是装配式，传统的钢结构设计比较复杂，钢节点要一个一个的描，而采用三维数字化设计，这样复杂的钢节点可以通过参数化设计自动生成。利用三维模型生成二维图可以很快很好地出图，材料报表数据也很详细。
第二，数字孪生技术提升了设计效率。比如做海上升压站，以前用SACS做分析还要再建一次模型，现在结合了iTwin数字孪生技术，三维模型可以直接导入SACS做分析，对于整个设计流程的打通有极大的帮助。
第三，数字孪生技术可以帮助打通整个产业链。例如，建设单位特别希望设计院提供设计模型，他们以此为基础再进一步做深化，便利了设计施工一体化。在大丰项目，上海院将BIM技术做了延伸，搭建了以BIM模型为核心的工程建设管理平台，借助可视化技术进行施工进度管理、安全管理、质量管理、物料管理、资金管理等等。未来，数字孪生将会延伸到运维阶段，届时可以通过物联网等方式搜集动态的运营数据，和之前的工程数据进行融合，为不同的业务场景提供数据支撑。
 
当我问滕彦副院长做数字孪生有哪些难点时，她谈到数字化设计给我的感觉已是云淡风清，在她脑海中盘旋的更多在于运营阶段数据的接入、融合和服务。

四、长乐外海海上风电场的数字化攻坚：技术创新成就环境、社会和治理责任
正如我们许多人都会追问生命的高远意义一样，数字化不仅带来业务层面的价值，也带来贡献于行业与社会的意义。
 
在狂风劲吹、海浪狂涌的台湾海峡建设海上风电场，困难有多大？可想而知！福建长乐外海海上风电场C区项目位于福州长乐以东海域，水深范围41~47m，场址中心离岸距离约45km，项目地处外海，没有通讯信号，无法采用常规 RTK 测绘手段，给测绘、设计和施工组织设计带来巨大的挑战。
 
 
福建永福电力设计股份有限公司经过多年的研究，决定采用吸力筒导管架基础结构形式这一创新技术来建设这个风电场。吸力筒导管架基础结构形式价值很高，比如使用的钢材量更少，节省施工时间，而且易于拆除，对环境友好。在设计过程中，需要精确地模拟吸力筒与土体的交互作用，同时也要求将上部导管架与下部大尺寸吸力筒的设计进行协同考虑。永福股份发电事业部海上风电中心主任游先辉说：“我们的要求是要高精度的结合和计算，这是我们项目最具特色的一点。而且要实现结构技术一体化设计、设计施工一体化。”
 
许多尝试都未能成功，直到Bentley的三维分析建模软件给永福股份找到了突破点。Bentley在海上风电行业同时提供海工结构设计标准软件SACS以及岩土有限元分析软件Plaxis，彻底解决了大直径单桩以及吸力筒等风电行业中常见的大尺寸桩基的设计难题，即桩土相互作用模拟以及结构岩土集成化设计。接下来，永福股份着手于设计与施工一体化和智慧运维，这些都是数字孪生技术的事。
 
该项目获得的是创始人ES(D)G荣耀奖，奖励永福股份以数字化创新赋能可持续发展目标。这个海上风电场项目总装机容量500兆瓦，每年将助力减少150吨二氧化碳排放量，并为一系列环境与社会目标而贡献。
 
五、经济社会发展的长期风向，驱动着数字化的未来向好
 
在与Bentley CEO Greg Bentley的对话中，行业观察家、AEC ADVISORS LLC总裁Andrej Avelini说道，数字孪生不再是奢侈品，而是必需品。四大行业趋势将带来行业羽翼下的长期风向。
 
第一大趋势，基础设施需要修复和强化，以加强应对气候变化所需要的适应力。第二大趋势，ESG即环境、社会和治理理念将大行其道，环境处于核心，这对电力水利、市政交通、数字工厂还是所有行业都适用。第三大趋势，能源转型和各行各业的可再生和电气化以及经济的脱碳同样将重塑社会与经济。第四大趋势，数字化已来，向数据驱动的数字化技术快速地转型已经成为现实。
 
Greg Bentley说，基础设施的施工和运营，占全球温室气体排放总量的70%，我们的基础设施资产需要做出非同寻常的适应和改造，才能帮助减少碳排放。对于Bentley，我创造了一个新词ES(D)G，D即数字化，我们的目标是通过数字孪生解决方案赋予这一改变，助力打造面向未来的基础设施资产和组织。Bentley全球高级副总裁、北亚区总裁刘德盛谈到，我们要在内部加强新型的科技化文化，在外部通过Bentley的产品组合和服务，继续助力我们的用户推进和传播可持续发展的价值和理念。
 
西门子智能基础设施首席执行官Matthias Rebellius在和Greg Bentley前瞻未来的谈话中，分享了双方在欧洲合作推进数字化的成功案例，既带来了业务的增长，也打造了系列造福于环境、社会和治理的项目，包括英国的轨道交通、瑞士的食品厂、德国的公用事业单位和智慧园区。
 
同样地，数字化技术在中国造福于越来越多的环境与社会项目。今年入围光辉大奖的七台河桃山湖生态水利治理工程由七台河市建河投资建设管理有限公司和黑龙江省大数据产业发展有限公司投资、设计与建设，项目全长约800公里，涉及水利、市政公路桥梁和园林绿化，有四家设计单位和几十个施工队伍参与，采用统一底层数据环境进行协同设计与同步建模，实施了数字化征地拆迁、数字化梁场制造、数字化智慧建造，优化了现场施工布局，提升了项目管理效率，降低施工成本，同时保证了绿色施工，保护了环境，成功入选国家“山水田林湖草” 生态保护修复试点项目库。
 
负责该工程BIM总体设计的黑龙江省建设技术发展中心总经理梁旭源和他的伙伴们连续四次以不同领域项目入围纵览基础设施光辉大赛，并两次荣获大奖，如今又已着手新项目的数字化创新，为2022年数字化光辉大赛热身了。
 
每一个行业的创新成就，都源于一群数字化先锋砥砺前行的探索。一年一度的纵览基础设施大会，都因为一项又一项的数字化创新而益发精彩。而数字化的普及应用，将给机构带来效率的提升，给产业带来商业模式的创新，给我们每一个人带来科技赋能的美好生活。