BIM技術知識分享：關于橋梁工程BIM正向設計思維

橋梁工程BIM正向設計

正向設計的概念

所謂BIM正向設計，就是在三維環(huán)境中直接開展設計的行為，包括分析項目需求、比選工程方案、選擇結構形式、確定構件尺寸、推演施工方案、輸出設計成果等基本過程。一般認為，BIM正向設計是傳統(tǒng)設計流程的三維化升級，是傳統(tǒng)設計方式的數(shù)字化和信息化的過程，也是真正以BIM模型為中心，將不同維度的相關信息進行集成統(tǒng)一的設計方式。

正向設計的概念主要是針對翻模方式而言的。由于目前直接進行BIM正向設計還存在很多困難，因此暫時采用 “先二維設計、后建三維BIM模型”的方式，來快速建立BIM模型，并探索BIM技術在項目全生命周期內的各種應用。

在3DE環(huán)境下，目前橋梁專業(yè)的BIM模型主要采用“骨架+模板實例化”的翻模技術。這是一種“自頂向下”和“自底向上”相結合的混合建模方法：首先通過“骨架技術”自頂向下地定義對象的空間位置，并確定對象間的空間關系(無直接的工程邏輯)，然后利用“模板技術”為同類型構件定義參數(shù)化模板，并利用“批量實例化技術”，以自底向上的方式批量生成完整項目模型。

“骨架+模板實例化”技術概念簡單、思路清晰、操作性強、建模效率高，在傳統(tǒng)設計向三維正向設計過渡的過程中，為探索BIM技術應用價值發(fā)揮了至關重要的作用，但仍然存在諸多問題。首先，驅動模型所需要的excel數(shù)據(jù)，在實際的正向設計過程中是逐漸產生的，無法一次性獲得;同時，工程方案常常受多種內、外部因素影響，在設計過程中需要不停地進行方案的比選，很難事先確定對象的模板形式和構件參數(shù)值，因此批量實例化的情況并不多見。另外，通過中間數(shù)據(jù)驅動模型的方式，不能建立工程對象間直接的關聯(lián)關系，無法實現(xiàn)即時驅動。因此，“模板實例化”的建模方法應用到正向設計過程，必須對其進一步改造。

要開展真正正向設計,必須實現(xiàn)這樣的兩個目標:建立對象間真實且復雜的關聯(lián)關系、表現(xiàn)工程對象真實的功能。工程設計的本質,就是分析工程需求,并確定某種解決方案來響應工程需求。尋找滿足某些需求的構件,因此對象本身的功能能否滿足需求是方案優(yōu)劣的評判標準;同時,工程方案中,任何一個構件都不可能是孤立存在的,各種構件之間必然存在各種各樣的關系,只有建立這種真實的關聯(lián)關系,才能準確描述工程對象的真實狀態(tài),從而正確評價對象的功能是否能滿足實際需求。

3DE提出了模塊化設計(Component Based Design，CBD)的概念。模塊化設計以工程對象為核心進行數(shù)據(jù)和信息的組織和管理，是一種將“面向對象”和“基于組件”的思想應用到工程設計中的技術，它允許用戶自定義新的對象類型和對象的BIM屬性，并為對象類型分配語義幾何元素。

同時，模塊化技術設計還可以通過計算構件間的相互影響來簡化構件模板。以錨栓和基座為例，原來在定義基座模板時，必須分別考慮基座上是否布置錨栓，并定義有錨栓和無錨栓兩種形式的模板;現(xiàn)在利用CBD技術來定義基座模板時，可以只考慮基座本身的工程屬性，只是在定義錨栓對象時，可以定義一個“影響”屬性——當錨栓在基座上布置時，會自動扣減基座上相應的部分。

影響計算

基于組件的設計方法，本質上就是將工程設計轉化為構件(或對象)功能設計和構件(或對象)間的關系設計，這符合我們對物理世界的認知，因此可以利用模塊化技術來實現(xiàn)正向設計。

正向設計的特點

首先，BIM正向設計是利用三維模型的直觀特性，直接在三維環(huán)境下開展設計行為：分析工程需求、比較設計方案、選擇結構體系、確定構造形式、輸出設計成果。因此，BIM正向設計實際上是傳統(tǒng)二維設計的數(shù)字化和信息化的過程，是傳統(tǒng)設計行為的升級版。

其次，三維模型的直觀性能有效提高設計人員的理解和表達力，從而保證設計成果的質量。同時，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時調整方案的效率，實現(xiàn)實時同步協(xié)調，因此正向設計是一個真正協(xié)同設計的過程。

第三，正向設計的過程是一個不斷分析需求，并響應需求的過程，設計人員與模型之間必然發(fā)生頻繁交互，這使得模型生長相對緩慢。但正向設計得到的必然是一個真正滿足工程需求的最優(yōu)設計成果，從項目的全生命周期來看，高質量的BIM模型，必然帶來高的應用價值。

第四，正向設計以構件為核心組織BIM信息，BIM信息的完備性容易得到保證。

正向設計的難點

雖然從項目的全生命周期來看，三維設計得到的BIM模型能帶來更高的應用價值，但現(xiàn)階段，市政行業(yè)三維設計還存在效率較低的實際情況，這也是阻礙BIM技術往縱深發(fā)展的主要原因。BIM設計的困難主要體現(xiàn)在：

首先，構建滿足三維設計需求的設計環(huán)境的工作量大。要進行三維設計，必須首先建立地形、地質等三維設計環(huán)境，并要求能清晰反映設計環(huán)境對項目的真實需求。但目前地形、地質等專業(yè)的信息化模型尚無法得到實現(xiàn)，更無法實現(xiàn)與結構模型進行信息交互。

其次，雖然BIM技術能給項目全生命周期帶來較高的效益，但三維設計本身是一個復雜的工作，BIM模型的生長效率較傳統(tǒng)二維設計的效率低得多，因此三維設計目前還無法滿足項目周期的需求。

另外，三維設計本身要求進行多專業(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)同行為的標準化是一個必須解決的問題,而目前三維協(xié)同設計仍是一個探索中的問題。

橋梁工程三維設計的流程

在橋梁專業(yè)中，正向設計過程是傳統(tǒng)設計方式數(shù)字化和信息化的過程，是二維設計向三維設計升級的過程。正向設計一般流程包括——

1.分析設計需求

對橋梁工程而言，分析設計需求一般包括地形情況、地質條件、道路線性、交通需求和其他需求，如抗震、防洪、通航，等等。

按正向設計的需求分析,必須首先建立三維環(huán)境。目前雖然已能在3DE環(huán)境下進行地形、地質建模,但尚無法將地形的限界、凈空等信息和地質信息與模型進行有效的交互,需要進一步探索如何實現(xiàn)地形、地質信息，按照工程的需求進行信息的再加工。

2.方案設計

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，橋梁結構形式，以及可行的施工方案。

3.總體設計

在橋梁專業(yè)總體設計階段，確定墩臺布置是最重要工作。

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構形式。

4.構件設計

構件設計以結構計算和其他分析結果為基礎，是初步設計和施工圖設計階段的重要工作。

需要說明的是，雖然BIM模型快速轉換為計算模型，或直接作為計算模型在技術上是可行的，但由于設計習慣、計算環(huán)境等因素，目前僅利用BIM模型轉化板殼模型和實體模型，并用于局部計算，總體計算常用的梁單元模型還需要另外建模。模塊化設計(CBD)為BIM模型轉化為計算模型提供了可能性，但目前還沒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，可以更準確地說明施工方案。除特殊橋梁外，設計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一步深化，并通過老師評審后方可用于最后的施工。

6.輸出設計成果

BIM正向設計的成果，包括相應設計深度的BIM模型，必要的二維圖紙和計算成果。目前三維出圖的效率還不高，無法滿足實際項目的需求。另外，在復雜程度較高的項目中，三維表達的直觀性遠勝于目前的二維圖紙，在三維表達能有效替代部分設計圖紙的情況下，是否可以對現(xiàn)有圖紙體系進行調整，是一個值得探索的問題。

BIM模型在施工過程中的應用可全面提升工程造價行業(yè)效率與信息化管理水平，優(yōu)化管理流程，高效率、高精準度的完成工程量計算工作。以上內容就是“BIM技術知識分享：關于橋梁工程BIM正向設計思維”，更多BIM熱點資訊/教程分享歡迎關注微信公眾號“BIM實訓”，也可點擊下方免費下載領取精品學習資料。