1975年，查爾斯.伊斯曼(Chuck Eastman)教授提出了BIM的理念，并從20世紀末開始進入逐步發(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、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程”。
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、后建模的翻模方式為主。翻模方式重現(xiàn)了設(shè)計成果（形似），基本能解決設(shè)計有什么的問題(設(shè)計成果),卻無法解答為什么的問題（需求),更無法說明怎么樣(性能),因此只是BIM技術(shù)發(fā)展初期為了探索BIM技術(shù)而采取的暫時手段�，F(xiàn)在,越來越多的人已經(jīng)開始理解并接受正向設(shè)計的重要性,并在一些項目中嘗試開展BIM正向設(shè)計。
橋梁工程BIM正向設(shè)計
正向設(shè)計的概念
所謂BIM正向設(shè)計，就是在三維環(huán)境中直接開展設(shè)計的行為，包括分析項目需求、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)計成果等基本過程。一般認為，BIM正向設(shè)計是傳統(tǒng)設(shè)計流程的三維化升級，是傳統(tǒng)設(shè)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(guān)信息進行集成統(tǒng)一的設(shè)計方式。
正向設(shè)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(shè)計還存在很多困難，因此暫時采用 “先二維設(shè)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(shù)在項目全生命周期內(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“骨架技術(shù)”自頂向下地定義對象的空間位置，并確定對象間的空間關(guān)系（無直接的工程邏輯），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“批量實例化技術(shù)”，以自底向上的方式批量生成完整項目模型。
橋梁骨架模型
“骨架+模板實例化”技術(shù)概念簡單、思路清晰、操作性強、建模效率高，在傳統(tǒng)設(shè)計向三維正向設(shè)計過渡的過程中，為探索BIM技術(shù)應(yīng)用價值發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，但仍然存在諸多問題。首先，驅(qū)動模型所需要的excel數(shù)據(jù)，在實際的正向設(shè)計過程中是逐漸產(chǎn)生的，無法一次性獲得；同時，工程方案常常受多種內(nèi)、外部因素影響，在設(shè)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(gòu)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(qū)動模型的方式，不能建立工程對象間直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，無法實現(xiàn)即時驅(qū)動。因此，“模板實例化”的建模方法應(yīng)用到正向設(shè)計過程，必須對其進一步改造。
模板實例化方案
要開展真正正向設(shè)計,必須實現(xiàn)這樣的兩個目標:建立對象間真實且復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系、表現(xiàn)工程對象真實的功能。工程設(shè)計的本質(zhì),就是分析工程需求,并確定某種解決方案來響應(yīng)工程需求。尋找滿足某些需求的構(gòu)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(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,只有建立這種真實的關(guān)聯(lián)關(guān)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(shè)計（Component Based Design，CBD）的概念。模塊化設(shè)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?qū)ο?rdquo;和“基于組件”的思想應(yīng)用到工程設(shè)計中的技術(shù)，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(shù)設(shè)計還可以通過計算構(gòu)件間的相互影響來簡化構(gòu)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(shù)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(yīng)的部分。
影響計算
基于組件的設(shè)計方法，本質(zhì)上就是將工程設(shè)計轉(zhuǎn)化為構(gòu)件（或?qū)ο螅┕δ茉O(shè)計和構(gòu)件（或?qū)ο螅╅g的關(guān)系設(shè)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(shù)來實現(xiàn)正向設(shè)計。
正向設(shè)計的特點
首先，BIM正向設(shè)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(shè)計行為：分析工程需求、比較設(shè)計方案、選擇結(jié)構(gòu)體系、確定構(gòu)造形式、輸出設(shè)計成果。因此，BIM正向設(shè)計實際上是傳統(tǒng)二維設(shè)計的數(shù)字化和信息化的過程，是傳統(tǒng)設(shè)計行為的升級版。
其次，三維模型的直觀性能有效提高設(shè)計人員的理解和表達力，從而保證設(shè)計成果的質(zhì)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(diào)整方案的效率，實現(xiàn)實時同步協(xié)調(diào)，因此正向設(shè)計是一個真正協(xié)同設(shè)計的過程。
第三，正向設(shè)計的過程是一個不斷分析需求，并響應(yīng)需求的過程，設(shè)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(shè)計得到的必然是一個真正滿足工程需求的最優(yōu)設(shè)計成果，從項目的全生命周期來看，高質(zhì)量的BIM模型，必然帶來高的應(yīng)用價值。
第四，正向設(shè)計以構(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)計的難點
雖然從項目的全生命周期來看，三維設(shè)計得到的BIM模型能帶來更高的應(yīng)用價值，但現(xiàn)階段，市政行業(yè)三維設(shè)計還存在效率較低的實際情況，這也是阻礙BIM技術(shù)往縱深發(fā)展的主要原因。BIM設(shè)計的困難主要體現(xiàn)在：
首先，構(gòu)建滿足三維設(shè)計需求的設(shè)計環(huán)境的工作量大。要進行三維設(shè)計，必須首先建立地形、地質(zhì)等三維設(shè)計環(huán)境，并要求能清晰反映設(shè)計環(huán)境對項目的真實需求。但目前地形、地質(zhì)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(jié)構(gòu)模型進行信息交互。
其次，雖然BIM技術(shù)能給項目全生命周期帶來較高的效益，但三維設(shè)計本身是一個復(fù)雜的工作，BIM模型的生長效率較傳統(tǒng)二維設(shè)計的效率低得多，因此三維設(shè)計目前還無法滿足項目周期的需求。
另外，三維設(shè)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(shè)計仍是一個探索中的問題。
橋梁工程三維設(shè)計的流程
在橋梁專業(yè)中，正向設(shè)計過程是傳統(tǒng)設(shè)計方式數(shù)字化和信息化的過程，是二維設(shè)計向三維設(shè)計升級的過程。正向設(shè)計一般流程包括——
1.分析設(shè)計需求
對橋梁工程而言，分析設(shè)計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(zhì)建模,但尚無法將地形的限界、凈空等信息和地質(zhì)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(zhì)信息，按照工程的需求進行信息的再加工。
2.方案設(shè)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(jié)構(gòu)形式，以及可行的施工方案。
3.總體設(shè)計
在橋梁專業(yè)總體設(shè)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(jié)構(gòu)形式。
4.構(gòu)件設(shè)計
構(gòu)件設(shè)計以結(jié)構(gòu)計算和其他分析結(jié)果為基礎(chǔ)，是初步設(shè)計和施工圖設(shè)計階段的重要工作。
需要說明的是，雖然BIM模型快速轉(zhuǎn)換為計算模型，或直接作為計算模型在技術(shù)上是可行的，但由于設(shè)計習慣、計算環(huán)境等因素，目前僅利用BIM模型轉(zhuǎn)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(shè)計（CBD）為BIM模型轉(zhuǎn)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(shè)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，并通過專家評審后方可用于最后的施工。
6.輸出設(shè)計成果
BIM正向設(shè)計的成果，包括相應(yīng)設(shè)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(fù)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(shè)計圖紙的情況下，是否可以對現(xiàn)有圖紙體系進行調(diào)整，是一個值得探索的問題。
正向設(shè)計案例
考慮到正向設(shè)計的難度和效率，開展完整的正向設(shè)計流程是困難的，但在設(shè)計的某個環(huán)節(jié)（如方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等等）中開展局部正向設(shè)計工作是可行的。
貴陽市筑城廣場大橋是人民大道南段道路工程中的重要節(jié)點工程之一，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。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。橋梁方案受接線標高、河道凈空、居民小區(qū)、地鐵線路等多種不利因素影響嚴重，常規(guī)的二維設(shè)計無法保證方案符合規(guī)范要求。因此在設(shè)計之初，就利用BIM技術(shù)進行方案比選，并最終形成了與周邊環(huán)境無沖突、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)點構(gòu)造等復(fù)雜的局部構(gòu)造，都利用BIM技術(shù)手段進行三維設(shè)計。
拱軸線采用二次拋物線構(gòu)造，拱肋截面由2.5m（起拱點）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，2號拱座處，大、小拱肋的距離和相對關(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，是本橋另一個比較復(fù)雜的問題。借助BIM技術(shù)的直觀特性，直接進行三維空間設(shè)計，經(jīng)過技術(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，直接進行錨固構(gòu)造設(shè)計。
BIM正向設(shè)計是傳統(tǒng)二維設(shè)計向三維數(shù)字化和信息化的升級；建立工程對象的數(shù)字孿生體是BIM正向設(shè)計的目的，也是BIM全生命周期應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)境；模塊化設(shè)計（CBD）則是正向設(shè)計實現(xiàn)3DE Twins（數(shù)字孿生）的可行技術(shù)路線。
目前，正向設(shè)計還是一個探索中的課題，完整的正向設(shè)計還比較困難，但已可以利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢進行正向設(shè)計的探索，以解決目前常規(guī)設(shè)計中的難點問題。
