摘 要：面对新时期的公路工程全生命周期的管控要求，公路工程项目全生命周期的信息化、数字化水平逐渐提高，以公路工程集成数字化交付为背景，以建筑行业的经验为基准，结合公路工程的特点，覆盖全生命周期内的数字化设计、数字化加工、数字化建造及数字化运维等阶段，梳理总结了集成数字化交付现阶段的可借鉴经验以及存在的关键性难点。研究成果可为机荷高速公路以及其他类似公路工程的全生命周期管理提供参考。
关键词：公路工程;全生命周期;BIM;集成数字化交付;
机荷高速公路西起广深高速公路鹤洲立交，与深中通道对接，向东通过深汕西高速公路连接惠州及深汕合作区，全长41 km, 设计时速为100 km/h, 为国内首条上下层8+8车道的复合立体改扩建高速公路。改建完成后机荷高速公路通行能力从11.8万PCU增长到31.5万PCU。本项目约采用26 000榀预制节段梁，其中荷坳隧道为超大开挖直径(18.1m)盾构隧道，同时全面构建国内领先示范智慧高速路公路，是交通运输部“智慧公路”试点示范项目、科技示范工程及深圳市交通强国试点工程。
机荷高速公路改扩建工程建设规模大、技术难度高、周期长、成本高、周边环境复杂。作为线性工程，其建设过程中涉及范围广，包含道路、桥梁、涵洞、隧道、交安等众多专业，工程复杂性高；公路工程分标段工作、参与单位多、人员分散，涉及的进度、质量、投资、安全、环保、合同等环节存在大量工作界面，信息传递存在较大挑战。公路工程项目管理的现状为工程建设信息不完善、协作困难、实际建设工作效率低下，难以进行有效的工程监管检查等。改扩建工程相对于传统公路工程，对周边环境、既有交通的干扰、施工工期的控制上存在更高的要求，同时空间立体改扩建实施更加复杂，如何利用信息化、数字化手段实现对项目全生命周期的数字化管理，更好地服务于本项目的建管养是核心问题。
2017年，麦肯锡咨询报告从数字资产、应用、技术人员等多个维度评估了中国各行业的数字化指数，土建行业在22个行业中垫底。实际工程中表现为缺乏合适的技术手段对公路工程全生命周期内信息进行高效的管理。近年来，数字化转型在建筑领域和基础设施建设中也逐渐得到推广。公路工程全生命期中也出现了不少信息通讯、BIM、人工智能等各类技术的单点局部性应用，但将全生命期各阶段全过程打通的案例仍然十分少见。
目前，我国在建筑工程领域对数字化交付的探索、研究、实践相对较多，但在公路行业中应用仍有限。鉴于此，为了数字化技术在国内公路工程中更好地发展，有必要结合建筑工程行业的经验、应用成果及其存在的问题加以整理分析。本文以机荷高速公路为背景，以数字化交付为核心，研究分析国内外数字化交付的相关技术，总结了建筑行业中数字化交付[2]的可借鉴经验以及存在的关键性难点，以期为机荷高速公路以及其他类似公路工程的全生命周期管理提供经验。
土建行业专业多且分散，各参建方专注于各自任务，从局部效益考虑项目的实施，忽视了任务与整个项目的相互依赖性，导致了项目交付的低效。为了提高项目绩效，国内外已经建立了几种协作式的项目交付方法[1],包括集成项目交付、虚拟设计与施工和集成数字化交付。
IPD模式是一种各参建方互相联结的模式，要求设计方、施工总包和重要施工分包在项目早期进行协作，并持续到项目移交。IPD技术的核心目标是团队成员共同使用最为合适的协作工具，充分满足业主对提高结构性能、降低财务风险、缩短工期、保障合法合规、优化运维等方面的要求。在IPD项目中，业主可直接参与或委派咨询单位或两者同时参与对项目进行管理。BIM技术与IPD模式相结合是对当前设计-发包-建造线性过程的显著突破。业主是集成项目交付的主要受益人，但集成项目交付的主要困难在于要求业主清楚如何参与项目，同时在合同文本中明确规定对参建方要求的成果以及实现方式。
VDC是对BIM模型以及人员和流程的管理，以实现明确的项目或组织目标并提高管理绩效和结构性能，包含可视化、集成和自动化三个阶段。项目设计使用3D技术和虚拟现实进行可视化，目的是在可视化阶段展示设计和预演施工过程。各种施工过程和专业在集成阶段进行集成，其中一些设计和施工过程在阶段三实现自动化。VDC技术在减少设计错误、改善施工安全、现场管理和沟通以及项目信息和知识管理方面有助于施工优化，但未考虑加工制造以及运维阶段工作，如图1所示。
图1 BIM,VDC和IDD[3]3] 下载原图
设计、施工、运维各方是提供工程产品在设计、生产、销售、交货和售后服务方面各项活动的聚合体。在工程全生命期内的每项活动都是价值链上的一环。集成数字化交付是新加坡建筑和施工管理局[4]于2017年10月推出的一种全生命周期项目交付方法，旨在通过使用数字技术，数字化整合工作流程和各参建方到价值链中。数字化交付对于工程项目不同角色的价值如表1所示。
表1 数字化交付的价值 导出到EXCEL
| 价值 |
| · 优化项目设计 |
| · 更快更好地完成设计 |
| · 更快地批准施工图 |
| · 降低风险 |
| · 具有成本效益的运维 |
建筑信息建模是VDC和IDD的核心支撑技术(图1)。集成数字化交付分为4个阶段：数字化设计阶段、数字化加工阶段、数字化施工阶段和数字化资产交付和管理阶段，涵盖整个工程生命周期。然而，与IPD和VDC相比，IDD模式是一种相对较新的方法。即使是在建筑行业，对IDD模式的研究也较有限。在化工行业继承数字化交付的探索表明该模式可大幅减少设计变更、设计余量，整体效率提高25%以上， 大大节省和缩短了数字化工厂建设成本和周期[5,6]。
新加坡提出的IDD模式主要面向建筑行业，按全生命期阶段划分，数字化交付的关键性技术如表2所示。在实际实施中，设计、加工制造与施工阶段的应用对于公路行业具有较好的迁移性，在数字化运维阶段则需考虑公路工程实际情况进行完善。
表2 数字化交付不同阶段的关键性技术 导出到EXCEL
IDD不同阶段 | 目的 | 关键技术 |
数字化设计 | 通过协作和协调设计实现设计目标，以满足客户、法规和下游要求 | · BIM |
| 将设计转化为标准化组件，实现场外生产自动化 | · 构件预制 |
| 及时交付、安装和监控现场活动，以最大限度地提高生产率和减少返工 | · 4D进度监控 |
| 实时监控运营和维护，以提高资产价值 | · 综合管养系统 |
在数字化设计阶段，各参建方共同实现优化、协调的设计，满足业主、监管和后续阶段需求[7]。考虑不同项目的复杂性和独特性，可采用数字化设计和可视化工具，开发信息丰富的BIM模型，结合仿真模拟工具(如AR和VR技术),在施工前可视化设计和模拟工作流程。如表2所示，本阶段关键技术包括BIM、可施工性审查和分析、AR、VR和大数据分析。
BIM是工程构筑物的数字表示，包含构件的几何和语义信息，是整个项目全生命周期中用作决策的共享信息平台。BIM也可视为物理设施的数字孪生，将所有工程构件整合在一个模型中，允许提前解决设计冲突，以避免施工阶段的工程中断与返工。项目完工后，BIM可移交给业主，其中包括工程设计、施工阶段的相关信息。BIM也可与结构计算分析软件、可施工性性能分析等软件集成，在设计早期为工程师提供方案比选反馈。
VR是一种交互式模拟体验，通过使用必要的工程信息将二维工程设计转换为三维虚拟环境。AR利用传感器技术将虚拟信息叠加到用户的物理环境上。AR和VR允许项目参与者虚拟地可视化、评估和比较设计从而改进决策过程。大数据分析综合经济、社会、人口和过去项目信息等各种数据，以得出最佳决策。例如，大数据分析可用于评估项目的可行性、选择最佳场地位置等。
数字化加工制造阶段采用“智能工厂”的理念实现施工过程的自动化[8]。其含义包括将数字设计转化为面向加工制造的标准化组件。施工方和构件加工制造方合作生产预制构件，并及时交付至现场。本阶段的关键技术(表2)包括构件预制、基于RFID的项目材料跟踪、数字订购、数字建模和制造、中央控制、机器人、智能传感器网络、及时现场交付等。
构件预制是将结构构件在工厂环境中加工制造，运输至现场进行组装的工艺，可减少材料浪费，提高工程质量。基于预制构件的数字模型基础上，数字化订购可进一步自动化采购流程。构件的及时现场交付可以较好地规避预制构件所需的巨大存储空间。同时，基于机器人的预制加工可提高自动化程度，并实现安全、质量和生产率的提高。
数字化施工阶段应用各类信息技术改善项目现场的运营效率[9],并采用实时监控最大限度地提高生产率并减少返工。数字化施工涉及的关键技术(表2)包括4D进度监控、RFID标记预制构件、虚拟施工进度安排和工序模拟、数字质量保证和质量控制检查、三维激光扫描、虚拟施工和协作，异地协作、无人机(UAV)、施工规划摄影测量、BIM现场管理、智能闸机与智能安全帽系统、安全监测实时定位服务和智能起重机导航系统。
基于RFID的预制构件跟踪技术沿着预制构件的供应链实现对预制构件的生产管理、出厂管理、项目现场入场管理、堆场、安装管理和溯源管理，确保构件在需要时在现场可用。数字QA/QC检查用于确保预制构件在组装前无缺陷。此外，虚拟施工进度安排和工序模拟可提前排查现场工作空间冲突。4D进度监控、激光扫描、摄影测量和无人机等技术实现了对施工监控数据收集的自动化。这些措施提高了进度报告的一致性和准确性，并可覆盖人力难以到达的区域。智能起重机导航系统可实现施工过程的自动化。此外，基于生物特征控制技术结合人员数据库的智能闸机与智能安全帽系统可进行实时定位和现场安全监测。BIM现场管理移动端应用允许在现场远程访问更新后的模型信息，提高工作质量并减少返工。
建筑行业IDD模式的数字资产交付和管理阶段的关键技术包括基于BIM的缺陷管理系统、资产管理系统、数字进度报告和索赔、楼宇管理系统(BMS)和智能设施管理技术。原做法并未覆盖基础设施领域。对于公路工程，数字化运维可包含综合管养系统、健康监测系统、应急管理系统。
移交信息的不一致性给运维人员组织和利用资产管理所需信息带来了挑战。基于BIM的综合管养系统包含通过BIM移交给业主的在设计和施工阶段逐渐丰富和细化的数字资产数据，可基于这些宝贵信息在资产管理方面做出有效决策[10]。采用影像建模技术，可实现桥梁运维信息模型快速重构和桥梁病害快速识别、测量与外观病害信息入库，实现BIM与公路工程桥梁的运维与检测的有机融合[11]。健康监测系统可对公路结构的性能进行实时监控，为预测性和预防性维护数据分析提供了基础，从长期上有助于维持改善结构性能[12,13]。应急管理系统[14]则从管理模式、监测手段、信息共享、协同运作等多方面提高公路工程运营监管能力，实现公路工程安全智能保障，完善应急响应体系，支撑生产安全、消防安全、环境安全等领域紧急事件的快速响应。
全生命周期全过程的集成数字化交付模式包含水平化、垂直化和跨阶段化等3个维度，如图2所示。水平化集成实现价值链的有效集成、协作和管理。跨阶段集成期望实现对任何2个或多个阶段(如设计和数字加工制造阶段)间过程交互的显著改善。垂直化集成旨在显著提高单一阶段内工作的生产率和效率。
图2 集成数字化交付模式的预期结果 下载原图
尽管新加坡在2017年就提出了IDD模式，但在具体实施中仍存在较多的困难，从项目全生命周期考虑，IDD模式在上述3个维度中存在的困难如表3所示。
与此同时，支撑IDD模式的核心技术BIM在社会环境、管理模式、政策法规等多个维度上也存在困难。
目前，BIM技术在公路工程方面应用较少的主要障碍之一是缺少统一的可与BIM技术标准共享和交换的信息模型分类分解编码和项目管理标准化流程，使得公路行业的信息交换缺乏效率和准确性。公路工程建管运缺乏顶层设计，各阶段业务单独管理，各平台独立设计与实施，数据归属不同，存在大量信息孤岛。各阶段工作的数据以关系型数据库为主，存在部分文档型非结构化数据和物联网设备采集的时序数据。数据存储和接口无法统一，缺乏整体性和统筹性。
全生命周期内不同专业BIM软件的互操作性仍是IDD落地的严峻挑战。到目前为止，BIM软件有近100种，开发人员通常只考虑自己领域软件间的兼容。公路工程专业众多，适用不同专业的BIM软件各不相同，即使同一专业，不同参建方选用的软件也不相同。BIM软件标准的不一致性导致软件之间缺乏交互性，极大地阻碍了软件间的信息交换，在技术方面给用户在管理上带来了很大的麻烦。目前，通过导入BIM模型中包含的信息进入每个阶段的软件中，导致BIM技术的实用性和可操作性较低。
BIM底层的数据标准，即工业基础类(IFC)[15]以及绿色建筑可扩展标记语言(gbXML)[16]是建筑行业中最普遍的信息交换格式。但IFC或gbXML格式在公路工程中实现基本BIM数据的传输仍存在较大困难，可能导致大量数据损失。
表3 集成数字化交付模式实施中存在的困难 导出到EXCEL
| 存在的问题 |
| · 设计者/总承包商没有充分解决加工制造预制构件所需的信息 |
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设计招标建造(DBB,Design Bid Building)模式是国内公路工程主流的项目管理模式。DBB模式中传统的二维管理模式对BIM的使用提出了巨大的挑战[1]。施工方不参与设计过程，必须在设计完成后建立一套全新模型。这种模式限制了各方交流，阻碍了信息流动，遏制了BIM在公路工程领域的发展。当前BIM在中国公路领域的应用基本依赖于特殊项目，对于一般公路工程，BIM只存在于设计阶段，这与BIM所期望的全生命期相差甚远。施工方与运维方对BIM的早期介入更有利于发挥BIM的优势。因此，改变现有的项目管理模式更有利于BIM在中国公路工程领域的发展。
在社会环境方面，公路工程的基于BIM的数字化交付缺乏政策指导和保证。政府和行业尚未制定出基于BIM的数字化交付具体标准和要求，竣工档案移交以纸质档案为主、电子档案为辅[17]。数字化交付成果的认可度不高，对没有手写签名和印章的纸质文件持怀疑拒绝的态度，需要政府和行业主管部门的协调并进，制定三维数字化竣工验收备案规范、三维数字化竣工验收模型交付标准，建设公路工程BIM 竣工模型竣工验收备案平台；应当鼓励有条件的单位先行先试，提倡试点应用，在大量实践中探索行之有效的方法与措施，共同推进数字化交付的全面普及。
从BIM模型开发和维护、BIM概念、BIM软件操作技术、BIM法律法规、BIM案例分析、BIM相关人力资源投入等多个维度考虑，公路行业企业在BIM技术上投入相当不足，BIM技术人员在质和量上暂时都无法满足行业实际需求，缺乏对BIM的深入认识，无法设计好顶级规划，是最重要的障碍之一。
从经济角度来看，缺乏明确的收费标准被认为是最严重的障碍，其次是硬件和维护投资成本较高，BIM投资回报具备不确定性。
传统的公路工程项目管理模式相对粗放，对全生命周期覆盖不全，在单一阶段内管理细度也有待提高。为实现公路工程全生命周期各阶段全过程更精细化的管理，本文梳理了建筑行业集成数字化交付模式的技术与经验，为公路工程设计、加工制造、施工、运维的全生命期全过程的数字化提供了参考，同时也总结了集成数字化交付模式以及其依托的核心技术BIM在实际应用中存在的困难与挑战。
公路工程BIM在中国的发展面临诸多问题，包括标准制定问题、软件平台问题、项目管理问题和法律效力等，这类问题的解决与公路工程BIM在国内的发展密切相关。机荷高速公路改扩建项目作为交通运输部“智慧公路”试点示范项目、科技示范工程及深圳市交通强国试点工程，接下来将在国内公路工程的集成数字化交付模式中做出尝试，综合应用新兴技术手段和BIM技术理念，打破公路工程全生命周期信息传递的壁垒等瓶颈问题，保障公路工程各专业、各阶段信息传递的通畅性及连续性，对公路工程BIM技术发展面临的问题与挑战做出突破，该项目的应用经验将为类似公路工程的信息化、数字化提供经验。
[1] Sacks R,Eastman C,Lee G,et al.BIM Handbook:A Guide to Building Information Modeling for Owners,Designers,Engineers,Contractors,and Facility Managers[M].Wiley:2018.
[2] Hwang B G,Ngo J,Her P.Integrated Digital Delivery:Implementation status and project performance in the Singapore construction industry[J].Journal of Cleaner Production,2020,262:121396.
[3] Liu Z,Lu Y,Shen M,et al.Transition from building information modeling (BIM) to integrated digital delivery (IDD) in sustainable building management:A knowledge discovery approach based review[J].Journal of Cleaner Production,2020.
[4] Building and Construction Authority of Singapore,Integrated digital delivery (IDD) [EB/OL].https://www1.bca.gov.sg/buildsg/digitalisation/integrated-digital-delivery-idd.
[5] 孙丽丽.创新构建集成化设计与数字化交付平台助推智慧城市建设[J].科技进步与对策，2018,35(24):92-98.
[6] 李刚.化工项目数字化交付与集成设计平台应用分析[J].煤化工，2021,49(1):61-63,85.
[7] 张宜洛，邓展伟，郭创.基于BIM技术的公路工程正向设计应用探究[J].公路，2020,65(9):176-183.
[8] 陈宝光，王茂文，黄学源，等.数字化建造下公路工程建设项目管理平台架构的研究[J].项目管理技术，2021,19(2):58-63.
[9] 吴建清，宋修广.智慧公路关键技术发展综述[J].山东大学学报：工学版，2020,50(4):52-69.
[10] 裴非飞.基于BIM的高速公路全生命周期信息化管理平台建设研究[D].长安大学，2017.
[11] 胡兴意，陈波，刘国强，韩达光，吴逸飞，周银，颜鲁鹏，杨宇鹏，郭彤.融合BIM与影像建模技术的桥梁检测方法及其应用研究[J].中外公路，2020,40(1):107-112.
[12] 张春霞，王巍.基于费用效益最优的桥梁预防性养护时机确定方法研究[J].公路，2013,(7):259-262.
[13] 蒋雅君，陶磊，刘莎，张梦烁，陶双江.运营公路隧道结构预防性养护经济性评价方法探讨[J].隧道建设：中英文，2020,40(S2):332-339.
[14] 肖红刚.云南省全寿命周期智慧高速建设初探[J].交通世界，2021,(15):84-85.
[15] 林佳瑞，张建平.基于IFC的绿色性能分析数据转换与共享[J].清华大学学报：自然科学版，2016,56(9):997-1002.
[16] 陈远，康虹，范运昌.基于IFC与gbXML标准的建筑信息模型与绿色建筑分析软件互操作性测试与评估[J].图学学报，2018,39(3):530-537.
[17] 汪再军，周迎.基于BIM的建设工程竣工数字化交付研究[J].土木建筑工程信息技术，2021,13(4):13-22.
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