1975年，查爾斯.伊斯曼(Chuck Eastman)教授提出了BIM的理念，并從20世紀(jì)末開始進(jìn)入逐步發(fā)展的階段，目前則已成為建筑、水利、交通等行業(yè)中最熱門的發(fā)展方向之一。
數(shù)字孿生——Digital Twin是指“充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程”。
在BIM技術(shù)發(fā)展的初期階段，由于建模效率還不夠高，構(gòu)建BIM模型仍以先設(shè)計(jì)、后建模的翻模方式為主。翻模方式重現(xiàn)了設(shè)計(jì)成果（形似），基本能解決設(shè)計(jì)有什么的問(wèn)題(設(shè)計(jì)成果),卻無(wú)法解答為什么的問(wèn)題（需求),更無(wú)法說(shuō)明怎么樣(性能),因此只是BIM技術(shù)發(fā)展初期為了探索BIM技術(shù)而采取的暫時(shí)手段�，F(xiàn)在,越來(lái)越多的人已經(jīng)開始理解并接受正向設(shè)計(jì)的重要性,并在一些項(xiàng)目中嘗試開展BIM正向設(shè)計(jì)。
橋梁工程BIM正向設(shè)計(jì)
正向設(shè)計(jì)的概念
所謂BIM正向設(shè)計(jì)，就是在三維環(huán)境中直接開展設(shè)計(jì)的行為，包括分析項(xiàng)目需求、比選工程方案、選擇結(jié)構(gòu)形式、確定構(gòu)件尺寸、推演施工方案、輸出設(shè)計(jì)成果等基本過(guò)程。一般認(rèn)為，BIM正向設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的三維化升級(jí)，是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的數(shù)字化和信息化的過(guò)程，也是真正以BIM模型為中心，將不同維度的相關(guān)信息進(jìn)行集成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方式。
正向設(shè)計(jì)的概念主要是針對(duì)翻模方式而言的。由于目前直接進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)還存在很多困難，因此暫時(shí)采用 “先二維設(shè)計(jì)、后建三維BIM模型”的方式，來(lái)快速建立BIM模型，并探索BIM技術(shù)在項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的各種應(yīng)用。
在3DE環(huán)境下，目前橋梁專業(yè)的BIM模型主要采用“骨架+模板實(shí)例化”的翻模技術(shù)。這是一種“自頂向下”和“自底向上”相結(jié)合的混合建模方法：首先通過(guò)“骨架技術(shù)”自頂向下地定義對(duì)象的空間位置，并確定對(duì)象間的空間關(guān)系（無(wú)直接的工程邏輯），然后利用“模板技術(shù)”為同類型構(gòu)件定義參數(shù)化模板，并利用“批量實(shí)例化技術(shù)”，以自底向上的方式批量生成完整項(xiàng)目模型。
橋梁骨架模型
“骨架+模板實(shí)例化”技術(shù)概念簡(jiǎn)單、思路清晰、操作性強(qiáng)、建模效率高，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)向三維正向設(shè)計(jì)過(guò)渡的過(guò)程中，為探索BIM技術(shù)應(yīng)用價(jià)值發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，但仍然存在諸多問(wèn)題。首先，驅(qū)動(dòng)模型所需要的excel數(shù)據(jù)，在實(shí)際的正向設(shè)計(jì)過(guò)程中是逐漸產(chǎn)生的，無(wú)法一次性獲得；同時(shí)，工程方案常常受多種內(nèi)、外部因素影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要不停地進(jìn)行方案的比選，很難事先確定對(duì)象的模板形式和構(gòu)件參數(shù)值，因此批量實(shí)例化的情況并不多見。另外，通過(guò)中間數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的方式，不能建立工程對(duì)象間直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，無(wú)法實(shí)現(xiàn)即時(shí)驅(qū)動(dòng)。因此，“模板實(shí)例化”的建模方法應(yīng)用到正向設(shè)計(jì)過(guò)程，必須對(duì)其進(jìn)一步改造。
模板實(shí)例化方案
要開展真正正向設(shè)計(jì),必須實(shí)現(xiàn)這樣的兩個(gè)目標(biāo):建立對(duì)象間真實(shí)且復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系、表現(xiàn)工程對(duì)象真實(shí)的功能。工程設(shè)計(jì)的本質(zhì),就是分析工程需求,并確定某種解決方案來(lái)響應(yīng)工程需求。尋找滿足某些需求的構(gòu)件,因此對(duì)象本身的功能能否滿足需求是方案優(yōu)劣的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí),工程方案中,任何一個(gè)構(gòu)件都不可能是孤立存在的,各種構(gòu)件之間必然存在各種各樣的關(guān)系,只有建立這種真實(shí)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,才能準(zhǔn)確描述工程對(duì)象的真實(shí)狀態(tài),從而正確評(píng)價(jià)對(duì)象的功能是否能滿足實(shí)際需求。
3DE提出了模塊化設(shè)計(jì)（Component Based Design，CBD）的概念。模塊化設(shè)計(jì)以工程對(duì)象為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的組織和管理，是一種將“面向?qū)ο?rdquo;和“基于組件”的思想應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中的技術(shù)，它允許用戶自定義新的對(duì)象類型和對(duì)象的BIM屬性，并為對(duì)象類型分配語(yǔ)義幾何元素。
同時(shí)，模塊化技術(shù)設(shè)計(jì)還可以通過(guò)計(jì)算構(gòu)件間的相互影響來(lái)簡(jiǎn)化構(gòu)件模板。以錨栓和基座為例，原來(lái)在定義基座模板時(shí)，必須分別考慮基座上是否布置錨栓，并定義有錨栓和無(wú)錨栓兩種形式的模板；現(xiàn)在利用CBD技術(shù)來(lái)定義基座模板時(shí)，可以只考慮基座本身的工程屬性，只是在定義錨栓對(duì)象時(shí)，可以定義一個(gè)“影響”屬性——當(dāng)錨栓在基座上布置時(shí)，會(huì)自動(dòng)扣減基座上相應(yīng)的部分。
影響計(jì)算
基于組件的設(shè)計(jì)方法，本質(zhì)上就是將工程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為構(gòu)件（或?qū)ο螅┕δ茉O(shè)計(jì)和構(gòu)件（或?qū)ο螅╅g的關(guān)系設(shè)計(jì)，這符合我們對(duì)物理世界的認(rèn)知，因此可以利用模塊化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)。
正向設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
首先，BIM正向設(shè)計(jì)是利用三維模型的直觀特性，直接在三維環(huán)境下開展設(shè)計(jì)行為：分析工程需求、比較設(shè)計(jì)方案、選擇結(jié)構(gòu)體系、確定構(gòu)造形式、輸出設(shè)計(jì)成果。因此，BIM正向設(shè)計(jì)實(shí)際上是傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的數(shù)字化和信息化的過(guò)程，是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)行為的升級(jí)版。
其次，三維模型的直觀性能有效提高設(shè)計(jì)人員的理解和表達(dá)力，從而保證設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量。同時(shí)，還提高了與業(yè)主、施工、管理人員溝通的效率，降低了溝通成本。三維環(huán)境下，參數(shù)化模型能有效提高方案變動(dòng)時(shí)調(diào)整方案的效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步協(xié)調(diào)，因此正向設(shè)計(jì)是一個(gè)真正協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程。
第三，正向設(shè)計(jì)的過(guò)程是一個(gè)不斷分析需求，并響應(yīng)需求的過(guò)程，設(shè)計(jì)人員與模型之間必然發(fā)生頻繁交互，這使得模型生長(zhǎng)相對(duì)緩慢。但正向設(shè)計(jì)得到的必然是一個(gè)真正滿足工程需求的最優(yōu)設(shè)計(jì)成果，從項(xiàng)目的全生命周期來(lái)看，高質(zhì)量的BIM模型，必然帶來(lái)高的應(yīng)用價(jià)值。
第四，正向設(shè)計(jì)以構(gòu)件為核心組織BIM信息，BIM信息的完備性容易得到保證。
正向設(shè)計(jì)的難點(diǎn)
雖然從項(xiàng)目的全生命周期來(lái)看，三維設(shè)計(jì)得到的BIM模型能帶來(lái)更高的應(yīng)用價(jià)值，但現(xiàn)階段，市政行業(yè)三維設(shè)計(jì)還存在效率較低的實(shí)際情況，這也是阻礙BIM技術(shù)往縱深發(fā)展的主要原因。BIM設(shè)計(jì)的困難主要體現(xiàn)在：
首先，構(gòu)建滿足三維設(shè)計(jì)需求的設(shè)計(jì)環(huán)境的工作量大。要進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，必須首先建立地形、地質(zhì)等三維設(shè)計(jì)環(huán)境，并要求能清晰反映設(shè)計(jì)環(huán)境對(duì)項(xiàng)目的真實(shí)需求。但目前地形、地質(zhì)等專業(yè)的信息化模型尚無(wú)法得到實(shí)現(xiàn)，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行信息交互。
其次，雖然BIM技術(shù)能給項(xiàng)目全生命周期帶來(lái)較高的效益，但三維設(shè)計(jì)本身是一個(gè)復(fù)雜的工作，BIM模型的生長(zhǎng)效率較傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的效率低得多，因此三維設(shè)計(jì)目前還無(wú)法滿足項(xiàng)目周期的需求。
另外，三維設(shè)計(jì)本身要求進(jìn)行多專業(yè)和多環(huán)節(jié)流程的協(xié)同,由于受協(xié)同效率影響較大,因此協(xié)同行為的標(biāo)準(zhǔn)化是一個(gè)必須解決的問(wèn)題,而目前三維協(xié)同設(shè)計(jì)仍是一個(gè)探索中的問(wèn)題。
橋梁工程三維設(shè)計(jì)的流程
在橋梁專業(yè)中，正向設(shè)計(jì)過(guò)程是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式數(shù)字化和信息化的過(guò)程，是二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)升級(jí)的過(guò)程。正向設(shè)計(jì)一般流程包括——
1.分析設(shè)計(jì)需求
對(duì)橋梁工程而言，分析設(shè)計(jì)需求一般包括地形情況、地質(zhì)條件、道路線性、交通需求和其他需求，如抗震、防洪、通航，等等。
按正向設(shè)計(jì)的需求分析,必須首先建立三維環(huán)境。目前雖然已能在3DE環(huán)境下進(jìn)行地形、地質(zhì)建模,但尚無(wú)法將地形的限界、凈空等信息和地質(zhì)信息與模型進(jìn)行有效的交互,需要進(jìn)一步探索如何實(shí)現(xiàn)地形、地質(zhì)信息，按照工程的需求進(jìn)行信息的再加工。
2.方案設(shè)計(jì)
在三維環(huán)境下，我們可以更高效地比選路線的走向，確定路、橋、隧的比例，橋梁結(jié)構(gòu)形式，以及可行的施工方案。
3.總體設(shè)計(jì)
在橋梁專業(yè)總體設(shè)計(jì)階段，確定墩臺(tái)布置是最重要工作。
在三維環(huán)境下直行跨徑布置，可以直接進(jìn)行方案比選，布跨的效率更高，也更有利于快速選擇上下部的結(jié)構(gòu)形式。
4.構(gòu)件設(shè)計(jì)
構(gòu)件設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)計(jì)算和其他分析結(jié)果為基礎(chǔ)，是初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段的重要工作。
需要說(shuō)明的是，雖然BIM模型快速轉(zhuǎn)換為計(jì)算模型，或直接作為計(jì)算模型在技術(shù)上是可行的，但由于設(shè)計(jì)習(xí)慣、計(jì)算環(huán)境等因素，目前僅利用BIM模型轉(zhuǎn)化板殼模型和實(shí)體模型，并用于局部計(jì)算，總體計(jì)算常用的梁?jiǎn)卧Ｐ瓦�需要另外建模。模塊化設(shè)計(jì)（CBD）為BIM模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算模型提供了可能性，但目前還沒(méi)有成熟的例子可以參考。
5.選擇施工方案
利用三維環(huán)境的仿真性，可以更準(zhǔn)確地說(shuō)明施工方案。除特殊橋梁外，設(shè)計(jì)成果中包含的施工方案，是一種可行的施工方案，仍需要施工單位在施工前進(jìn)一步深化，并通過(guò)專家評(píng)審后方可用于最后的施工。
6.輸出設(shè)計(jì)成果
BIM正向設(shè)計(jì)的成果，包括相應(yīng)設(shè)計(jì)深度的BIM模型，必要的二維圖紙和計(jì)算成果。目前三維出圖的效率還不高，無(wú)法滿足實(shí)際項(xiàng)目的需求。另外，在復(fù)雜程度較高的項(xiàng)目中，三維表達(dá)的直觀性遠(yuǎn)勝于目前的二維圖紙，在三維表達(dá)能有效替代部分設(shè)計(jì)圖紙的情況下，是否可以對(duì)現(xiàn)有圖紙?bào)w系進(jìn)行調(diào)整，是一個(gè)值得探索的問(wèn)題。
正向設(shè)計(jì)案例
考慮到正向設(shè)計(jì)的難度和效率，開展完整的正向設(shè)計(jì)流程是困難的，但在設(shè)計(jì)的某個(gè)環(huán)節(jié)（如方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等）中開展局部正向設(shè)計(jì)工作是可行的。
貴陽(yáng)市筑城廣場(chǎng)大橋是人民大道南段道路工程中的重要節(jié)點(diǎn)工程之一，位于R=200m的曲線段上，采用大、小拱肋與鋼桁梁共同受力的拱梁組合體系，橋梁總長(zhǎng)236m。桁架梁跨徑為93+63+80m，橋梁分上、下層布置，上層橋總寬27.2 m，下層總寬22.2 m。主拱為大、小兩跨，跨徑分別為90m和162m；拱肋矢高分別為59.2m、90m。拱肋采用變截面鋼箱結(jié)構(gòu)，設(shè)鋼混結(jié)合段過(guò)渡。主梁采用中心高度6.0~6.20m的雙層橋面鋼桁梁，整幅式設(shè)計(jì)。下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土墩和挖（鉆）孔灌注樁基礎(chǔ)。
筑城廣場(chǎng)大橋位于城市中心地帶，橋位處地形復(fù)雜。橋梁方案受接線標(biāo)高、河道凈空、居民小區(qū)、地鐵線路等多種不利因素影響嚴(yán)重，常規(guī)的二維設(shè)計(jì)無(wú)法保證方案符合規(guī)范要求。因此在設(shè)計(jì)之初，就利用BIM技術(shù)進(jìn)行方案比選，并最終形成了與周邊環(huán)境無(wú)沖突、結(jié)構(gòu)合理、景觀效果優(yōu)的橋梁方案。比選內(nèi)容包括：拱座位置、拱肋高度、拉索布置形式、桁架形式。
筑城大橋不僅與周邊環(huán)境關(guān)系復(fù)雜,而且由于橋梁位于曲線段上,自身構(gòu)造也相當(dāng)復(fù)雜。在施工圖階段,拱肋截面構(gòu)造、拱座構(gòu)造、吊桿的拱端和梁端錨固構(gòu)造、桁架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等復(fù)雜的局部構(gòu)造，都利用BIM技術(shù)手段進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。
拱軸線采用二次拋物線構(gòu)造，拱肋截面由2.5m（起拱點(diǎn)）漸變?yōu)?.0m（拱頂截面），拱座頂面構(gòu)造受拱座頂平面與拱軸線交點(diǎn)處拱肋截面的構(gòu)造確定，因此，在三維環(huán)境下，可方便地根據(jù)拱座頂平面的位置迅速確定拱座的構(gòu)造。同時(shí)，2號(hào)拱座處，大、小拱肋的距離和相對(duì)關(guān)系，決定了拱座構(gòu)造和鋼筋布置。
空間吊桿的錨固構(gòu)造設(shè)計(jì)，是本橋另一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。借助BIM技術(shù)的直觀特性，直接進(jìn)行三維空間設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)技術(shù)方案比選，最終確定拱端和梁端的吊桿耳板錨固形式，采用3DE的參數(shù)化手段，直接進(jìn)行錨固構(gòu)造設(shè)計(jì)。
BIM正向設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)向三維數(shù)字化和信息化的升級(jí)；建立工程對(duì)象的數(shù)字孿生體是BIM正向設(shè)計(jì)的目的，也是BIM全生命周期應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)境；模塊化設(shè)計(jì)（CBD）則是正向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3DE Twins（數(shù)字孿生）的可行技術(shù)路線。
目前，正向設(shè)計(jì)還是一個(gè)探索中的課題，完整的正向設(shè)計(jì)還比較困難，但已可以利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)的探索，以解決目前常規(guī)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問(wèn)題。
