从2015年至2019年期间，全国数十家大中型市政设计院先后启动了对BIM技术的研究和探索性应用，整个市政设计行业也兴起了一波BIM技术应用的热潮。在全行业BIM整体水平都有所提高的同时，也遇到一些突出的共性问题。一是BIM认知还不够深入，从领导层到一线工程师和设计师，对BIM技术大多数还停留在可视化应用方面，深入应用的认识还比较薄弱；二是BIM软件的掌握还不够熟练，多数主要是软件基本功能使用，还不具备高阶综合的软件使用技能；三是配套硬件方面存在不足，大体量项目模型由于数据庞大，一般电脑工作站性能上很难支持，导致用户体验不佳；四是BIM优质资源少，BIM技术积累固化的高质量素材比较少，例如BIM构件库大多数刚刚起步建立，尚未形成体系化和标准化的资源；五是市政设计行业从业人员的BIM技术全局应用经验不足，基本上还是以零散项目的成熟应用点为工作重点，为项目量身定制的全局实施方案比较少；六是BIM标准化程度比较低，基本上以项目级BIM应用标准为主流，缺乏企业级和行业级BIM标准体系的思考和建设。
BIM正向设计技术体系
BIM正向设计的技术体系，是企业真正实现业务数字化转型至关重要的环节。总结起来，这里面应该包含了四方面的要素——规则、资源、工具、环境。
第一要素是规则，即BIM的整个标准体系。作为企业，我们制订了详尽且明确指导性的企业级BIM技术标准体系和实施标准体系，为整个BIM正向设计技术体系打下坚实的基础。
第二要素是资源，即支撑BIM技术规模化应用的硬件配套设施。企业对于BIM方面的投入，瓶颈之一在于硬件设施。BIM技术对于个人电脑配置要求很高，导致成本投入很大。为了缓解这方面的问题，我们建立了企业级的共享云平台，把高配置的硬件设施集中到后端，从而大大降低前端用户端的个人电脑配置，通过强中心、弱终端方式，兼顾企业大规模推广应用的经济性和可持续发展。
第三要素是工具，即软件产品。工具是实现正向设计最主要的抓手之一。现有的ABC主流设计平台，其功能无法满足正向设计的所有需求。因此，我们基于主流软件平台结合专业特性进行二次开发，形成了一整套满足主体专业正向设计要求的软件产品，从而能更好地支撑正向设计业务。
第四要素是环境，即协同管理平台。主要包括两方面内容：一方面是企业级构件库的管理平台。各专业设计人员依据企业标准建立了构件模型，如何上传、审核、共享、调用，需要一套严密的流程进行控制和管理，执行流程的基础就是构件库管理平台。另一个方面就是企业级协同设计的管理平台。有了正向设计工具，项目中不同设计人员如何实现多专业协同和设计数据的实时传递，以及如何进行设计校核校审等，这都需要企业级的协同设计管理平台作为基础。只有在这两个基础条件能够实现的情况下，才能为整个正向设计的实施提供环境保障。
BIM正向设计技术成果
规则
每个企业都有自身专业特点和发展诉求，制定企业级标准是其中关键环节之一。在桥梁专业方面，我们建立了BIM交付标准，同时界定整个桥梁专业的模型单元、等级、分类、精细度等级、几何和信息深度等级等，这样保证桥梁专业BIM交付成果的正确、统一和合规。
企业级桥梁BIM交付导则
资源
企业共享云
我们企业的共享云用户登录和使用性能，将所有的硬件资源通过共享云的方式，在后端进行集中管理和资源调配，从而降低前端计算阶段的硬件配置，也为整个正向设计的开展提供了很好的支撑。
另一个最大的资源，就是企业的标准构件库。构件是组成BIM模型的基础单元，里面不仅有描述几何信息、专业属性状态，更是传递模型信息的基本载体。对构件的描述，包括制作标准构件，需要满足五个特征：复用性、独立性、可参变性、可扩展性和可连接性。
企业标准构件库
构件库需要满足三个要求，即统一的规则、统一的分类和统一的存储，才能够实现真正意义上的构件共享和复用。经过多年的经验总结，我们发现仅仅使用一个软件平台很难满足差异化较大的市政主体专业BIM正向设计的要求。所以，我们聚焦两大软件平台，均开展相应的二次开发，制作配套工具，标准构件等。
工具
桥梁方案模块
桥梁设计模块
围绕BIM的正向设计，以道路交通专业为例，典型的软件就是我院自主开发的SMEDI-RDBIM软件。该软件可以进行道路工程的BIM的总体设计，包括道路专业的线形设计和配套的市政管线、标志标线等。道路工程所包含的全部要素，都可以在RDBIM上进行BIM设计。RDBIM不单单可以建立道路模型，也是将道路专业的设计规范和标准、设计习惯都植入到内核。从而一方面可以快速做真正意义上的正向设计，也可以同时通过规范进行设计成果的复核。
RDBIM软件在道路主体模型建立之后，也可以附带做一些简单桥梁方案设计和管线设计。包括桥梁上部和桥梁下部结构的设计，也可以通过直接读取管线的勘测及设计数据快速生成管线三维模型，从而实现方案阶段道路、桥梁和管线等专业的协同。
另外一款桥梁正向设计的软件，是基于达索的3DExperience平台来进行开发，可同时满足三个阶段的设计使用需求：概念设计主要是完成新建桥梁对象批量的布跨和分联工作；在总体设计阶段，可以很快地定出上部、下部、附属结构总体设计；在详细设计阶段，根据桥梁的上下部结构和附属结构的细节，配套标准构件库进行详细设计。
桥梁出图模块
除了BIM设计工具，为了满足正向设计中出图的需求，我们还基于AutoCAD自主研发SMEDI-BDBIM软件。该软件可以和RDBIM软件进行无缝对接，把整个设计的参数和结果通过协同的方式生成二维图。
环境
企业设计协同平台
环境，即整个企业的协同设计平台。其中涉及两方面，一方面是对BIM设计项目进行全方位的管控。把所有设计的项目在这个环境里面进行有效管理，包括项目的范围、进度、所消耗的资源、工时、质量等，通过这样的软件环境进行很好的管理。同时，也可以在这样一个协同设计的环境里，进行基于三维数据模型的专业问题的审核，实现质量的管控及多专业的校审和会签。
BIM构件库管理系统
另一个方面是企业级构件库管理平台。其最大特色是在行业内第一次实现跨软件平台的构件库管理。管理系统由网页端、插件端两部分组成，实现了总院的生产管理系统与企业账户一键登陆，可以进行联动，包括构件质量的审核、信息的展示统计等，为BIM设计工作的开展提供了非常重要的管理环境。
BIM正向设计典型案例
六座互通立交
2017年2月23日，在嘉兴市城规委全体会议上，明确了嘉兴快速路网采用一环七射的总体布局，其中一环为中环西路-中环北路-三环东路-长水路围成的环线。项目总投资约108亿元。这个项目是BIM正向设计的代表性项目，是对整个BIM正向设计技术体系的验证和完善。项目主线标准段采用双向6车道，辅道8车道，全线设置6座互通立交，1条下穿地道，23对平行匝道，是综合性的道路工程；涉及的专业也很多，道路、桥梁、地道、给排水、电气、景观等。
方案设计阶段
正向设计分为两大阶段，一是方案阶段，二是详细设计阶段。在方案阶段，从一开始就采用这几年比较主流的倾斜摄影技术，完成了全线的地形地物数据采集工作。通过点云数据的采集，作为整个正向设计的基础数据，导入到RDBIM设计软件中，可以准确计算项目的基础工程量，如场地平整土方量、动拆迁影响范围等。除了采集点云数据之外，还通过后期视频处理技术，将航拍视频与设计模型叠合，形成方案展示视频。
三维网格模型
1. 地形建模。通过SMEDI-RDBIM中的地形模块，对采集的三维点云数据处理，获得ITF文件，导入CATIA中生成三维网格模型，添加设计红线，作为中心线设计的参考。
2. 三维中心线设计。基于地形的三维中心线设计具有交互功能，高效支撑线位设计。根据专业设计经验，按照实际设计流程开发。采用符合设计习惯的输入方式，设计效率赶超二维设计方式。
3. 道路设计。道路设计基于RDBIM软件开展，该软件内嵌多个专业道路设计规范，能自动进行BIM设计复核。
快速布墩布跨
批量修改类型及参数
4. 桥梁设计。基于丰富的桥梁构件库，实现了桥梁专业的三维可视化设计，有效减少各类错漏碰缺问题。桥梁构件库几乎涵盖了所有的常见桥梁构件，并且支持构件的参数化自定义。
5. 地道设计。基于地形和道路数据，实现了地道专业的参数快速化设计。标准段快速调用模板，修改参数完成设计。变宽段可根据设计边线自动拟合，显著提高设计效率。
6. 管线设计。完成现状管线的一键快速建模。根据道路设计数据，完成设计管线的快速布设。读取管线勘察数据，快速完成建模。本工程地勘资料有1.2万余条管线，建模时间45分钟，以往建模至少需要一周左右。设计管线可根据道路平纵进行包含井点在内的分段交互设计，实现管线的三维设计。
交通标线集成布设
7. 交通标线设计。快速集成布设标线，包含直线、虚线、虚实线、单黄线、双黄线、斑马线、停止线、导向箭头等所有常规标线。常规路面可批量、快速集成布设。依托国标，标线设计更专业。本项目全线约29km的道路、桥梁、地道标线的建模，以往至少需要2周，现在可缩短到3天。
8. 附属结构设计。利用构件库完成各种附属结构的设计，保证模型的完整性。
漫游视频一键输出
9. 漫游视频一键输出。一键输出漫游视频，实时展示设计成果。
还有一个很重要的环节，就是方案验证，包括交通仿真。我们和主流的专业交通仿真软件合作开发了交通仿真一体化设计平台，开发交通仿真软件VISSIM的数据接口，CATIA模型直接导入到VISSIM中，快速完成BIM信息提取、交通仿真交互及展示。根据设计参数、交通流量、交通管理等控制元素，通过VISSIM交通仿真快速得到反馈指标：匝道进出口间距较小（长度小于600m）的路段采用双向八车道，相比于六车道方案可以有效减少交织，提高通行能力，避免交通局部拥堵，得到了专家的一致认可。
同时，应用了三种形式的碰撞检查，大大减少了各专业内以及专业间的碰撞问题。一是空间限界检查，采用自主开发的设计限界检查工具，一键检查道路、桥梁、地道空间是否满足通行要求，尤其是立交等复杂空间区域。二是CATIA中的干扰模拟，利用CATIA的干扰模式，实时检查各专业在设计时的冲突问题，及时修改。三是Navisworks的碰撞检查，将模型导入到Navisworks中，进行各专业间的碰撞复核，形成碰撞检查报告。
六车道与八车道方案对比
提取倾斜摄影的飞行途径，将BIM模型导入3DsMax中参照飞行路径处理，然后通过AE视频处理技术，得到设计方案在实景中展示的视频，创新性地实现了BIM模型和实景场地视频融合。相比于常见的将三维地形与设计三维模型融合后的三维展示，这种视频后期处理技术具有展示性更优、速度更快、对硬件要求不高的优点。通过这种视频处理技术，在短时间内完成了本工程的三个环线设计方案比选视频展示。与此同时，还配套了达索平台的虚拟现实展示、UE4的虚拟现实展示，让业主清晰理解各个设计方案的优缺点，有助于快速决策。
方案实景展示
详细设计阶段
根据IFC标准和设计经验拓展结构类型，后台添加属性，验证了信息的传递，为模型跨平台交互、交付提供基础。盖梁、墩柱隐藏排水管设计，造型美观，但空间尺寸难以确定。通过在三维模型中精细设计，可以精准确定空间尺寸，帮助施工放样。钢结构设计深化到横隔板、人孔、加劲肋等细部。深化钢筋设计，利用CATIA钢筋建模功能，结合自定义的钢筋模板，快速生成结构钢筋模型。
结构钢筋模型有两种方式的交付途径。一是钢筋三维标注，通过生成带标注的三维钢筋模型，方便施工单位采购和下料。二是钢筋工程量，通过BIM模型统计钢筋工程量，作为施工单位下料的参考。
路面结构设计深化到各个面层（改性沥青层、中粒沥青层、粗粒沥青层）及平石等细部。
丰富模型参数，使结构设计信息更完整，参数化驱动模型精细设计。常规结构分析在计算不满足时，需要重新建模，在三维设计中可通过修改参数，把模型重新导出到ANSYS、MIDAS中，最后完成结构分析计算。基于AutoCAD自主开发的道路专业出图软件RADS和桥梁结构出图软件SMEDI-BDBIM，可以读取SMEDI-RDBIM中的三维设计数据，快速专业出图。
工程量统计根据招标代理提供的开项列表，制定了本工程的模型拆分细度。模型按照不同部位、不同混凝土型号均拆分成各个零件。模型统计量均以测量参数的形式与零件相连，通过报表功能提取所需工作量。
本工程为缩短工期，推荐使用桥梁预制拼装技术，通过BIM技术对预制拼装桥墩内的普通钢筋、预应力钢束、灌浆套筒等关键节点进行优化，验证了预制拼装的可行性。优化钢筋布置方案，保证构件的钢筋笼在分段预制后，能顺利整体吊装拼接。
目前，设计阶段已经根据交付标准完成了施工交付，将CATIA中的模型通过IFC格式导入到自主开发的SMEDI-CBIM协同管理平台中，将进行后续施工阶段的BIM应用。在SMEDI-CBIM平台上，根据不同需求，让工程参建各方如业主、设计单位、施工单位、监理单位各司其职地参与到施工过程中来，提高工程各方的协同性，提高项目的精细化管理水平。
基于BIM的数字化业务
基于BIM的数字化业务主要是依托信息化、数字化应用与创新，推进三维设计和数字化交付能力。我院形成了专业化+信息化+数字化综合能力，通过管理信息化和工程数字化实现咨询服务能力的高端化、高质量发展。
（1）BIM全过程咨询和技术服务。制定项目全生命周期BIM技术应用总体技术和实施方案，并在后续设计、施工和运维阶段分步推进实施。
（2）BIM技术赋能智慧市政，形成一体化、数字化、信息化、智慧化的解决方案，包括智慧水务、交通、管廊等。
（3）基于数字孪生城市的产品和解决方案，打造SMEDI-CityBIM数字城市系统，为整个城市数字化提供整体解决方案。
近十多年，工程建设行业对BIM技术的应用掀起了一波热潮，但是从近期来看，这波热潮正在逐渐回归理性。前面出现大量的BIM翻模、三维模型展示等浅层次的应用阶段将告一段落，BIM技术的发展也将进入深水区。无论是为了实现企业的数字化转型，还是开拓新的数字化业务，同行专家都清晰认识到了后继BIM技术的应用核心是信息，而不仅仅是可视化三维模型。如果把模型比喻成土壤，信息才是其中开出的花朵，也才能最终结出可持续收获的果实。
本文刊载 / 《桥梁 · BIM视界》杂志 2020年 第4期 总第15期
作者 / 吴军伟
作者单位 / 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司
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