探索BIM正向设计之路

近年来，无论是国家行业政策还是技术需求方面，都非常重视信息化建设以及BIM技术的发展。由于设计在工程全产业链中处于龙头地位，是工程最主要的信息来源，同样BIM设计也是BIM应用的信息源头。因此，在设计中应用BIM技术，对于工程全生命周期的BIM应用至关重要。

目前，限于技术发展的现状和设计人员掌握BIM技术的程度，还很难做到完全意义上的BIM正向设计。大部分企业采用的BIM设计应用是翻模，而翻模只是BIM发展的一个过渡，但也有其积极的作用。例如可以集成信息，进行碰撞检查、方案优化、可视化交底等，但是BIM翻模的核心和主体还是依靠CAD，而BIM信息模型只是附属部分，这不仅对设计人员造成了负担，而且也不符合BIM技术的初衷。应用BIM进行正向设计的目标是能够直接在三维环境下进行设计，即模块化参数化设计、方案优化、自动出图、图纸与模型相互关联，甚至可以与计算模型结合，同步优化，这个过程才是我们所理解的BIM正向设计。

BIM设计概述

钢壳参数化模型①

如果把二三十年前使用CAD进行计算机辅助设计，作为第一次工程信息化革命的话，那么现在的BIM技术应用就相当于第二次技术革命。对于现阶段的正向设计，我们还面临着很多亟待解决的问题：设计生产任务繁重、设计平台本土化差、非数字化交付成果、自动出图效率较差等。尽管困难重重，中交公路规划设计院从三四年前就开始配备专门人员进行BIM技术应用，成立了专门的BIM工作室，参与部里相关政策的调研和标准编写等工作，同时结合重点项目大力推动BIM技术的应用。

BIM设计的一般做法是建立一个协同工作平台，通过不断积累族库，并结合现有软件平台进行二次开发，完成模块化、参数化的快速建模。然后联通计算分析模型进行整体分析或局部分析，确定是否满足设计要求，一旦满足设计要求后，将形成最终的BIM设计模型，进行虚拟展示、二维出图、工程量统计等，最后交付信息化设计模型。

BIM正向设计实施案例

钢壳参数化模型②

本文重点介绍在典型桥梁与隧道工程中的BIM正向设计探索应用。主要介绍的实施案例有深中通道工程、大连湾跨海通道工程、港珠澳大桥沉管隧道最终接头、昭君黄河特大桥，以及在钢桥通用图和设计建模分析一体化上的应用。

深中通道工程

钢壳参数化模型③

深中通道沉管隧道采用钢壳混凝土沉管结构，结构形式非常复杂，而且工程量巨大，有26 个标准管节，6 个异形管节在深水区、浅水区、过渡区的板厚均发生变化，断面宽度较大。因为设计周期非常紧张，结构形式又复杂新颖，加劲肋众多，直接进行二维制图极易出错。在这种情况下，我们选择采用BIM 进行正向设计，制定完大的断面尺寸后直接建三维模型，建立横隔板、纵隔板、横向及纵向加劲肋，横隔板和纵隔板的加劲、开孔、打洞以及其他一些构造措施。模型建立后进行方案优化，然后剖切出图，极大地提高了设计的速度和准确性。同时，考虑到方案的变动和修改，我们采用参数化的方式建立BIM 模型，通过修改参数，驱使二维图纸修改，提高作图效率，以及图纸、模型的复用性。

对管节标准3m段和两头端建立钢壳的参数化模型，然后直接拼成整段的异形钢壳结构。另外，在深中通道设计阶段，我们也建立了工程地形地质模型，完成了整个工程中的桥梁、隧道的精细化建模，形成了可以数字化交付的BIM设计模型。

大连湾跨海通道工程

大连湾跨海通道工程

大连湾跨海通道工程是继港珠澳大桥之后的又一项技术条件复杂、环保要求高、建设标准要求极高的跨海集群工程。在初步设计阶段，建立参数化构件库，通过参数化、模块化建模，组成主桥BIM 模型，根据BIM 模型，主桥的主梁和桥墩可以实现二维出图。另外，还建立了隧道模型和人工岛模型。结合BIM 模型，利用VR 技术，进行方案细节的优化，大连湾跨海通道现在还处于初步设计阶段，后面的施工图设计将继续使用BIM 技术进行正向设计。

港珠澳大桥沉管隧道

港珠澳大桥沉管隧道—深化设计

①实体整体模型

沉管隧道是港珠澳大桥的控制性工程，是中国第一条外海沉管隧道，也是目前世界上最长的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道。最终接头是沉管隧道的最后一道工序，也是最为关键的一道工序，采用倒梯形钢壳混凝土三明治结构。

由于港珠澳大桥建设时期较早，当时BIM技术在国内交通行业基本没有应用，所以港珠澳大桥工程没有全部采用BIM设计。不过在2016年的沉管隧道最终接头的联合设计中，创新性地提出了整体式主动止水新型结构，属于国际首创，设计攻关难度极大。

因此，设计组应用BIM技术进行正向设计，完成了最终接头钢结构的深化设计、加工制造和焊接拼装过程，实现了最终接头钢结构的BIM协同设计和数字化制造。

港珠澳大桥沉管隧道—深化设计

② 数字整体模型

在联合设计阶段建立最终接头钢结构BIM精细模型，包括三明治本体结构、临时顶推止水系统、临时预应力系统、临时辅助安装设施和现场连接刚接头等。因新结构需要不停地讨论论证，方案要求实时可视，BIM模型极大地方便了设计单位与项目总经理部、施工单位、生产加工单位、国外咨询单位(例如荷兰TEC、日本NCC、威胜利、特瑞堡等)的沟通。来自日本NCC的员工表示，虽然他们公司钢壳结构做得很多，但是还没见过这么详细的钢壳三维模型，在方案沟通阶段确实带来了很多方便。

港珠澳大桥沉管隧道—深化设计

③ 内部构造示意

港珠澳大桥沉管隧道的深化设计还包括最终接头的一些分块构造、碰撞检测。例如与施工工艺结合以后，附属吊装、舾装设施、千斤顶油管等，在这些特别容易出现碰撞的地方，如果不借助BIM模型，根本无法准确完成。对于第一次做这种创新型结构，在制造安装工期紧，易出错，且易返工变更的情况下，正是因为使用了BIM设计，节约了时间，提高了效率。

建立的BIM模型可以自动生成钢结构深化设计详图(整体布置图、零件图、构件图和节段图等)和工程量清单，用于加工制造，极大地方便了钢结构的提前采购与备料。基于BIM模型，可以进一步输出数控文件，根据实际生产工艺需求，研发工艺余量添加系统，实现BIM设计与工艺的有效结合和衔接。在工艺余量添加系统的基础上，通过套料系统实现统筹套料、工厂切割。最后，利用BIM 模型及生成的钢结构详图辅助焊接拼装，实现钢结构的设计、制造和拼装一体化。

昭君黄河特大桥

昭君黄河特大桥三维效果图

昭君黄河特大桥位于内蒙古，是包茂高速包头到鄂尔多斯东胜段改扩建工程的控制性工程。该桥为主跨150m波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥，联长属于国内第一。因钢混组合结构特性复杂，且内蒙古的项目特点是全年有效施工期很短，通常不超过半年，黄河在冬季凌汛期时，栈桥和施工平台钢管桩都需要拆除，设计周期非常紧张。所以在设计过程中，我们充分利用BIM技术进行模块化参数化设计、二维出图，提升了设计效率和质量，最终形成数字化设计成果。

其他BIM正向设计应用

除了在具体项目中应用BIM探索正向设计外，在技术研发上也进行了BIM正向设计的应用。2016年底，公规院联合31家单位组建装配式钢桥联盟，打通装配式钢桥全产业链，其中有一项工作是编制钢桥通用图。通用图编制完全采用BIM技术建立结构数字模型，实现BIM数字模型与结构仿真分析计算一体化融合，及与下游制造业的BIM数字模型软件的融合、对接、转换。通用图的编制成果以“BIM数字模型+ 设计说明+ 图纸目录+ 出图说明”的形式固化与提交。钢桥通用图的BIM成果，可以直接用于施工图，这是国内首次将桥梁通用图进行数字化，为以后的BIM正向设计提供了强有力的支撑。

除了编制钢桥通用图，混凝土T梁通用图BIM成果，将传统混凝土T梁通用图纸，转化为BIM通用模型，实现通用图的参数化，拓宽通用图的应用范围，并自动统计数量表，直接生成二维图纸。

BIM技术应用于正向设计，还存在一个问题。在现有BIM软件中，BIM设计模型与有限元计算模型相互割裂，为此我们还进行了设计建模分析一体化的技术研发工作，通过参数化建模的方式生成三维模型。同时模型能导入我院自主研发的三维非线性有限元分析软件OSIS中进行分析计算，从而实现BIM建模和有限元分析计算的一体化，这一突破性的创新成果已在几个项目上初步应用。

未来的BIM设计与应用

现在的BIM设计平台软件较多，各类软件针对不同专业各有各的优势。例如Revit 软件在房建领域应用较好，CATIA适用于异形结构，Tekla软件擅长钢结构深化设计，PowerCivil软件更适用于道路专业，Lumion用于做3D渲染，3D Studio Max主要制作三维动画。虽然我们可以各尽其用，但还需要一个统筹的一体化信息平台软件，能更好融合这些不同软件平台的BIM模型信息，方便组装、使用。

另外，对于国产桥梁结构空间计算软件与BIM平台的结合还有很多工作要做，最终的目标是能够实现同一模型的设计和计算。BIM软件的适用化也是一个重要研究方向，要开发更多可以提高设计效率的辅助软件，像CAD有很多插件一样，使BIM正向设计变得更有效率，让桥梁工程师们更喜欢采用BIM进行设计。

下载