随着建筑行业的发展与设计人员专业素养的提高，在BIM技术的广泛应用之下，正向设计也逐渐成为了现代建筑设计中非常重要的一个要点。但要想实现正向设计却是一件非常困难的事，今天我们就从BIM技术出发，谈一谈桥梁工程中要如何实现BIM正向设计。

所谓BIM正向设计，就是在三维环境中直接开展设计的行为，包括分析项目需求、比选工程方案、选择结构形式、确定构件尺寸、推演施工方案、输出设计成果等基本过程。一般认为，BIM正向设计是传统设计流程的三维化升级，是传统设计方式的数字化和信息化的过程，也是真正以BIM模型为中心，将不同维度的相关信息进行集成统一的设计方式。

正向设计的概念主要是针对翻模方式而言的。由于目前直接进行BIM正向设计还存在很多困难，因此暂时采用 “先二维设计、后建三维BIM模型”的方式，来快速建立BIM模型，并探索BIM技术在项目全生命周期内的各种应用。

虽然从项目的全生命周期来看，三维设计得到的BIM模型能带来更高的应用价值，但现阶段，市政行业三维设计还存在效率较低的实际情况，这也是阻碍BIM技术往纵深发展的主要原因。BIM设计的困难主要体现在：

首先，构建满足三维设计需求的设计环境的工作量大。要进行三维设计，必须首先建立地形、地质等三维设计环境，并要求能清晰反映设计环境对项目的真实需求。但目前地形、地质等专业的信息化模型尚无法得到实现，更无法实现与结构模型进行信息交互。

其次，虽然BIM技术能给项目全生命周期带来较高的效益，但三维设计本身是一个复杂的工作，BIM模型的生长效率较传统二维设计的效率低得多，因此三维设计目前还无法满足项目周期的需求。

另外，三维设计本身要求进行多专业和多环节流程的协同,由于受协同效率影响较大,因此协同行为的标准化是一个必须解决的问题,而目前三维协同设计仍是一个探索中的问题。

三、桥梁工程三维设计的流程

在桥梁专业中，正向设计过程是传统设计方式数字化和信息化的过程，是二维设计向三维设计升级的过程。正向设计一般流程包括——

对桥梁工程而言，分析设计需求一般包括地形情况、地质条件、道路线性、交通需求和其他需求，如抗震、防洪、通航，等等。

按正向设计的需求分析,必须首先建立三维环境。目前虽然已能在3DE环境下进行地形、地质建模,但尚无法将地形的限界、净空等信息和地质信息与模型进行有效的交互,需要进一步探索如何实现地形、地质信息，按照工程的需求进行信息的再加工。

在三维环境下，我们可以更高效地比选路线的走向，确定路、桥、隧的比例，桥梁结构形式，以及可行的施工方案。

在桥梁专业总体设计阶段，确定墩台布置是最重要工作。

在三维环境下直行跨径布置，可以直接进行方案比选，布跨的效率更高，也更有利于快速选择上下部的结构形式。

构件设计以结构计算和其他分析结果为基础，是初步设计和施工图设计阶段的重要工作。

需要说明的是，虽然BIM模型快速转换为计算模型，或直接作为计算模型在技术上是可行的，但由于设计习惯、计算环境等因素，目前仅利用BIM模型转化板壳模型和实体模型，并用于局部计算，总体计算常用的梁单元模型还需要另外建模。模块化设计（CBD）为BIM模型转化为计算模型提供了可能性，但目前还没有成熟的例子可以参考。

利用三维环境的仿真性，可以更准确地说明施工方案。除特殊桥梁外，设计成果中包含的施工方案，是一种可行的施工方案，仍需要施工单位在施工前进一步深化，并通过专家评审后方可用于最后的施工。

BIM正向设计的成果，包括相应设计深度的BIM模型，必要的二维图纸和计算成果。目前三维出图的效率还不高，无法满足实际项目的需求。另外，在复杂程度较高的项目中，三维表达的直观性远胜于目前的二维图纸，在三维表达能有效替代部分设计图纸的情况下，是否可以对现有图纸体系进行调整，是一个值得探索的问题。

BIM作为建筑产业中诞生的一个新生命，不仅带给整个产业全新的技术理念，还带来了全新的设计思维，在BIM技术发展的初期阶段，由于建模效率还不够高，构建BIM模型仍以先设计、后建模的翻模方式为主。翻模方式重现了设计成果（形似），基本能解决设计有什么的问题(设计成果),却无法解答为什么的问题（需求),更无法说明怎么样(性能),因此只是BIM技术发展初期为了探索BIM技术而采取的暂时手段。现在,越来越多的人已经开始理解并接受正向设计的重要性,并在一些项目中尝试开展BIM正向设计。

所谓BIM正向设计，就是在三维环境中直接开展设计的行为，包括分析项目需求、比选工程方案、选择结构形式、确定构件尺寸、推演施工方案、输出设计成果等基本过程。一般认为，BIM正向设计是传统设计流程的三维化升级，是传统设计方式的数字化和信息化的过程，也是真正以BIM模型为中心，将不同维度的相关信息进行集成统一的设计方式。

正向设计的概念主要是针对翻模方式而言的。由于目前直接进行BIM正向设计还存在很多困难，因此暂时采用 “先二维设计、后建三维BIM模型”的方式，来快速建立BIM模型，并探索BIM技术在项目全生命周期内的各种应用。

在3DE环境下，目前桥梁专业的BIM模型主要采用“骨架+模板实例化”的翻模技术。这是一种“自顶向下”和“自底向上”相结合的混合建模方法：首先通过“骨架技术”自顶向下地定义对象的空间位置，并确定对象间的空间关系（无直接的工程逻辑），然后利用“模板技术”为同类型构件定义参数化模板，并利用“批量实例化技术”，以自底向上的方式批量生成完整项目模型。
“骨架+模板实例化”技术概念简单、思路清晰、操作性强、建模效率高，在传统设计向三维正向设计过渡的过程中，为探索BIM技术应用价值发挥了至关重要的作用，但仍然存在诸多问题。首先，驱动模型所需要的excel数据，在实际的正向设计过程中是逐渐产生的，无法一次性获得；同时，工程方案常常受多种内、外部因素影响，在设计过程中需要不停地进行方案的比选，很难事先确定对象的模板形式和构件参数值，因此批量实例化的情况并不多见。另外，通过中间数据驱动模型的方式，不能建立工程对象间直接的关联关系，无法实现即时驱动。因此，“模板实例化”的建模方法应用到正向设计过程，必须对其进一步改造。

要开展真正正向设计,必须实现这样的两个目标:建立对象间真实且复杂的关联关系、表现工程对象真实的功能。工程设计的本质,就是分析工程需求,并确定某种解决方案来响应工程需求。寻找满足某些需求的构件,因此对象本身的功能能否满足需求是方案优劣的评判标准；同时,工程方案中,任何一个构件都不可能是孤立存在的,各种构件之间必然存在各种各样的关系,只有建立这种真实的关联关系,才能准确描述工程对象的真实状态,从而正确评价对象的功能是否能满足实际需求。

3DE提出了模块化设计（Component Based Design，CBD）的概念。模块化设计以工程对象为核心进行数据和信息的组织和管理，是一种将“面向对象”和“基于组件”的思想应用到工程设计中的技术，它允许用户自定义新的对象类型和对象的BIM属性，并为对象类型分配语义几何元素。

同时，模块化技术设计还可以通过计算构件间的相互影响来简化构件模板。以锚栓和基座为例，原来在定义基座模板时，必须分别考虑基座上是否布置锚栓，并定义有锚栓和无锚栓两种形式的模板；现在利用CBD技术来定义基座模板时，可以只考虑基座本身的工程属性，只是在定义锚栓对象时，可以定义一个“影响”属性——当锚栓在基座上布置时，会自动扣减基座上相应的部分。

基于组件的设计方法，本质上就是将工程设计转化为构件（或对象）功能设计和构件（或对象）间的关系设计，这符合我们对物理世界的认知，因此可以利用模块化技术来实现正向设计。

首先，BIM正向设计是利用三维模型的直观特性，直接在三维环境下开展设计行为：分析工程需求、比较设计方案、选择结构体系、确定构造形式、输出设计成果。因此，BIM正向设计实际上是传统二维设计的数字化和信息化的过程，是传统设计行为的升级版。

其次，三维模型的直观性能有效提高设计人员的理解和表达力，从而保证设计成果的质量。同时，还提高了与业主、施工、管理人员沟通的效率，降低了沟通成本。三维环境下，参数化模型能有效提高方案变动时调整方案的效率，实现实时同步协调，因此正向设计是一个真正协同设计的过程。

第三，正向设计的过程是一个不断分析需求，并响应需求的过程，设计人员与模型之间必然发生频繁交互，这使得模型生长相对缓慢。但正向设计得到的必然是一个真正满足工程需求的最优设计成果，从项目的全生命周期来看，高质量的BIM模型，必然带来高的应用价值。

第四，正向设计以构件为核心组织BIM信息，BIM信息的完备性容易得到保证。

虽然从项目的全生命周期来看，三维设计得到的BIM模型能带来更高的应用价值，但现阶段，市政行业三维设计还存在效率较低的实际情况，这也是阻碍BIM技术往纵深发展的主要原因。BIM设计的困难主要体现在：

首先，构建满足三维设计需求的设计环境的工作量大。要进行三维设计，必须首先建立地形、地质等三维设计环境，并要求能清晰反映设计环境对项目的真实需求。但目前地形、地质等专业的信息化模型尚无法得到实现，更无法实现与结构模型进行信息交互。

其次，虽然BIM技术能给项目全生命周期带来较高的效益，但三维设计本身是一个复杂的工作，BIM模型的生长效率较传统二维设计的效率低得多，因此三维设计目前还无法满足项目周期的需求。

另外，三维设计本身要求进行多专业和多环节流程的协同,由于受协同效率影响较大,因此协同行为的标准化是一个必须解决的问题,而目前三维协同设计仍是一个探索中的问题。

沈阳宝马涂装车间初步设计由德国海茵建筑设计公司完成，我公司做施工图设计。涂装车间是整车厂四大车间之一，生产工艺复杂，楼、屋面的荷载十分复杂。

车间为三层钢结构厂房，建筑面积9.8万平米，建筑高度23.9m。车间柱为箱型钢柱，楼面及屋面均为主、次桁架结构。楼板采用以压型钢板作为底模的钢-混凝土非组合楼板，屋面采用轻钢屋面。本车间受建筑总高度的限制，桁架仅能做到1.5m高。车间内公用管线多，管线仅允许布置在桁架高度范围内，桁架以外高度均为工艺使用空间。公用管线多、布置复杂，横向穿主桁架、纵向穿次桁架，桁架高度小，大大增加了管线与桁架碰撞的可能性。另外，由于工艺设备布置复杂、荷载分布很不均与、桁架跨度差异较大，桁架种类很多，归并计算后仍有150余种桁架，极大的增加了桁架计算、建模、标注的工作量。

结构BIM正向设计流程

BIM正向设计最大的特点是用三维模型出图。结构专业的设计流程是：初步判断构件截面→提主结构BIM模型资料→根据详细资料进行结构计算→完善BIM三维模型→转化二维图→二维图标注、绘制节点详图→校对、审核→出图。

结构柱、梁是整个车间的骨架，需要结构专业在设计开始阶段提供主结构的三维模型，以供建筑、公用专业作为“底图”进而开展设计。主结构提资的三维模型中应包括基础、基础梁、柱、桁架、楼板、围护结构及支撑等主要受力构件。设计开始阶段工艺、公用资料不齐全，尤其是工艺、公用荷载不全、不准确，不具备结构详细计算的条件，因此只能根据经验初步判断构件截面尺寸，以用于初步提资料。

本项目结构计算软件是PKPM，桁架使用STS进行二维计算。整个设计阶段一直伴随着调整结构桁架计算和修改三维模型，主要有以下几点原因：1）工艺资料不断变更；2）公用管线与结构干涉，且管线自身无法解决碰撞问题，必须改结构；3）结构专业自身的校审修改。

结构计算、Revit建模完成后，需要根据三维模型不同角度视图导出构件的二维平面图，包括基础平面图、柱平面图、桁架平面图等，以及桁架详图。然后在转化来的二维图上进行截面、定位尺寸及必要说明等的标注，以达到施工图深度。结构图纸部分内容是无法用三维出图。例如结构设计总说明、钢结构节点详图只能用CAD进行二维设计。

BIM正向设计结构专业需要进行以下三阶段校对。一、结构计算阶段校对，校对计算模型、荷载、计算参数、计算结果等；二、BIM模型校对，三维模型是否正确，有无缺漏构件的情况；三、二维图纸校对，对二维图纸进行全面校对。

文：韩丹 杨明昕 中国汽车工业工程有限公司

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