BIM技术前世今生和在常规桥梁设计中的应用

张洪俊，沈俊*

（南京市市政设计研究院有限责任公司，南京 210008）

2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.0Nanjing Municipal Design and Research Institute Co.Ltd, Nanjing, 210008, China；Nanjing Municipal Design and Research Institute Co.Ltd, Nanjing, 210008, China南京市市政设计研究院有限责任公司，南京 210008;南京市市政设计研究院有限责任公司，南京 210008210028;21000813951675464;1391386881913951675464;南京市栖霞区兴卫村兴都花园85号36栋106室;南京珠江路华利国际大厦10楼107室，南京市市政设计研究院有限责任公司583304953@QQ.com;462667713@qq.com张洪俊(1969—)，男，高级工程师。主要研究方向：道路桥梁设计;沈俊（1984-），女，高级工程师。主要研究方向：道路桥梁设计张洪俊;沈俊ZHANG Hongjun;Shen Jun张洪俊2.02.0 2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.01*|*专著*|*廖小烽,王君峰.Revit2013/2014建筑设计火星课堂[M].北京:人民邮电出版社,2019.<CR>2*|*专著*|*朱铭,荆雷.设计史[M].济南:山东美术出版社,1995.<CR>3*|*专著*|*何人可.工业设计史(第五版) [M].北京:高等教育出版社,2019.<CR>4*|*专著*|*林雪萍.工业软件简史[M].上海:上海社会科学院出版社,2021.<CR>5*|*技术标准*|*中华人民共和国冶金工业部.GBJ17-88.钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,1988.<CR>6*|*专著*|*孔志礼,姬广振,闫玉涛,等.机械产品参数化设计技术[M].北京:国防工业出版社,2014.<CR>7*|*期刊*|*席广恒,吴连山,郑玉珍,等.公路中小桥涵CAD系统[J]. 东北公路,1996,(1):61-70.<CR>8*|*专著*|*吴国雄,李方.互通式立体交叉设计范例[M].北京:人民交通出版社,2002.<CR>9*|*期刊*|*夏美娟.3DSMAX与ArtCAM结合在数控机床加工中的应用[J].机床与液压,2005,(12):177-178.<CR>10*|*专著*|*宋晓宇,潘胜.Mars动态建筑表现AR/VR完全技术应用[M]. 北京:机械工业出版社,2021.BIM技术前世今生和在常规桥梁设计中的应用|Past, present life of BIM technology and its application in conventional bridge design|*|1|张洪俊|ZHANG Hongjun|南京市市政设计研究院有限责任公司，南京 210008|Nanjing Municipal Design and Research Institute Co.Ltd, Nanjing, 210008, China|张洪俊(1969—)，男，高级工程师。主要研究方向：道路桥梁设计|南京市栖霞区兴卫村兴都花园85号36栋106室|210028|583304953@QQ.com|13951675464|13951675464<CR>|2|沈俊|Shen Jun|南京市市政设计研究院有限责任公司，南京 210008|Nanjing Municipal Design and Research Institute Co.Ltd, Nanjing, 210008, China|沈俊（1984-），女，高级工程师。主要研究方向：道路桥梁设计|南京珠江路华利国际大厦10楼107室，南京市市政设计研究院有限责任公司|210008|462667713@qq.com||13913868819

摘要：通过对工程技术手段的纵横向对比，理清了BIM技术的前世今生未来，回答了BIM技术是什么（是土木工程智能建造的产物）、从哪里来（来自机械工业技术）、到哪里去（被人工智能取代）的三大命题。将BIM设计技术与其它CAD技术进行对比，得出当前设计转型路径：常规桥梁设计应使用高效快捷的“BIM模型和二维工程图”一键交付软件，而不是低效的通用BIM设计软件；特殊桥梁结构，设计人员应掌握有限元分析、三维设计软件，以提升设计质量。传统的二维工程图一键成图软件添加三维模块，是目前最快捷的常规桥梁BIM正向设计软件开发路径；在国外通用BIM设计软件上二次开发是不可取的。采用“方案设计师+Mars+BIMFILM”软件组合，通过实例，演示了常规桥梁BIM正向设计、虚拟现实、施工模拟等常用操作。

关键词：BIM技术；桥梁；正向设计；智能建造；数控；软件开发；捷径

中图分类号：Ｕ448.21;Ｕ442.5

Past, present life of BIM technology and its application in conventional bridge design

ZHANG Hongjun, Shen Jun

(Nanjing Municipal Design and Research Institute Co.Ltd, Nanjing, 210008, China)

Abstract: Through the vertical and horizontal comparison of engineering technology means, the past, the present life and the future of BIM are clarified. Three propositions of what BIM technology is (the product of intelligent construction in civil engineering), where it comes from (from mechanical industry technology), and where it is going (replaced by artificial intelligence) are answered. The BIM design technology is compared with other CAD technologies, and the transition path of current design is concluded: the conventional bridge design should use the efficient and quick "BIM modeling+two-dimensional engineering drawing" one-click delivery software, rather than the inefficient general BIM design software; For special bridge structure, designers should master finite element analysis and 3D design software to improve the design quality. The traditional two-dimensional engineering drawing software with the addition of three-dimensional module is the fastest development path of BIM forward design software for conventional Bridges at present; It is not advisable to redevelop the general BIM design software abroad. Using the software combination of "BridgeDesigner +Mars+ BIMFILM", the common operations of BIM forward design, virtual reality and construction simulation of conventional Bridges are demonstrated through examples.

Key words: BIM technology; bridge; forward design; intelligent construction; numerical control; software development; shortcut

引言

面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，土木工程领域必须做出重大变革，以节约资源和保护环境。而BIM技术能够提升工程质量、缩短建设工期、节约项目投资等[1]，是土木工程领域数字化转型、智慧化建设的必然选择。

BIM（Building Information Modeling建筑信息模型）是集成工程全部信息的三维模型，是贯穿于工程设计（含规划和勘察）、施工、运营维护等各阶段的数字化工具。BIM全息三维模型在工程全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种信息作出正确理解和高效应对，也为工程各方（各阶段和每阶段各专业）提供协同工作的基础。

设计方应该是BIM技术应用的源头和BIM模型的创建者。作者所在单位道桥所，在编制内部使用的桥梁通用图时，学习试用了十多种国内外BIM软件，得出使用“BIM模型和二维工程图”一键交付软件是当前常规桥梁实现BIM正向设计的捷径。

土木工程设计技术手段概述

历史沿革与发展趋势

1.在人类漫长的历史过程中，设计手段一直是随着生产力水平而不断进步的，设计质量也是随之逐步提升[2-4]（表1）。

表1设计技术手段发展史与未来预期

Tab.1 Development history and future expectation of design technology

时代划分	设计交付物	设计手段	相应施工手段	相应生产力水平
徒手时代	草图	设计、施工的职业未分离；用笔墨在纸张上徒手绘画工程、效果草图，粘土等制作微缩三维实物模型；按照工程经验来处理结构问题。	人畜力施工为主	农业社会
图板时代	二维工程图	1、主体工具：绘图板、丁字尺、针管笔等。 2、辅助工具：用笔墨在纸张上徒手绘画效果图；木材、石膏、塑料等制作微缩三维实物模型。 3、结构分析：力法、位移法等手工计算，平面杆系为主。	人力、传统机械施工	工业社会
2D CAD时代	1、主体工具：2D CAD软件。 2、辅助工具：三维软件制作效果图、动画、施工模拟等；复杂工程采用三维软件进行三维可视化辅助设计及生成平立剖辅助制图等。 3、结构分析：二维、三维有限元分析。	信息社会
2D CAD~BIM过渡时代	二维工程图+BIM模型	1、主体工具：2D 、3D CAD软件。 2、辅助工具：实时渲染、虚拟现实等。 3、结构分析：有限元与BIM软件交互。	传统机械~数控机械施工过渡
BIM时代	BIM模型	1、主体工具：3D CAD软件。 2、辅助工具：增强现实等。 3、结构分析：有限元与BIM软件无缝集成。	智能建造（数控机械施工）	智能社会
人工智能时代	人工智能生成数据	1、工具：人通过文本、语音、思维、混合现实、人机融合等方式，与人工智能互动。 2、结构分析：人工智能自动分析。	智能建造（智能机器施工）

上世纪80年代，自动切管机等精密机械加工设备，在钢结构工程中得到应用[5]。2000年钢结构详图设计软件Tekla进入中国，国内许多钢结构加工制造企业，在拿到设计院的二维工程图时，使用Tekla自主翻模建立三维模型，生成数控设备所需的文件等。

但是受工业水平等客观原因限制，目前数控设备在土木工程施工单位中装备有限；BIM模型驱动数控机械施工，还需要施工数控人员深度参与，相关人才需要成长、技术需要研发；BIM软件待进一步开发，等等。因此，BIM时代尚需时日。

当前处于2D CAD向BIM过渡的时代，设计交付成果以二维工程图为主、BIM模型为辅。

未来BIM时代，施工单位将广泛装备数控机械，从而实现智能建造。为了与智能建造相匹配，设计交付成果将是BIM模型而不是二维工程图，未来二维工程图仅是面向人的设计、施工等阶段的辅助手段。

随着AI（Artificial Intelligence）技术的发展， BIM时代也将被人工智能时代所代替。

2.数控、3D CAD等技术，是先从机械工业中产生，然后逐步扩散到土木工程等领域中的。

数控技术是CAM（Computer Aided Manufacturing计算机辅助制造）的核心。上世纪50年代，为了更好地生产飞机机翼，美国科技人员研制出三坐标数控铣床，实现了数控加工[6]。

CAD技术产生于上世纪50年代后期发达国家的国防等机械工业。上世纪70年代，飞机、汽车制造领域，遇到大量空间曲面问题，3D CAD建模技术也从三维线框模型进化出曲面造型和实体造型等技术，引发CAD技术革命[6]。

土木工程BIM技术与机械工业相关技术对比见下表：

表2 BIM和机械工业技术对应表

Tab.2 Comparison table of BIM and mechanical industry technical

广义的BIM	机械工业
CAD（Computer Aided Design计算机辅助设计）	CAD
FEA（Finite Element Analysis有限元分析）	CAE（Computer Aided Engineering计算机辅助工程）
数控机械施工	CAM（Computer Aided Manufacturing计算机辅助制造）
从设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作，有效提高工作效率、节省资源、降低成本、以实现可持续发展	PDM（Product Data Management产品数据管理）

虽然CAD/CAE/CAM一体化技术在机械工业领域已经成熟，但是制造飞机、汽车，与土木工程建造区别很大，因此BIM时代不可能一蹴而就。

国内桥梁CAD技术演变

虽然在复杂桥梁设计中，国内个别基层设计师在DOS时代，就开展了三维软件辅助设计（如使用3D Studio软件解决整体造型、局部构造、钢筋打架、施工服务等）、三维有限元结构分析（如使用袁明武教授开发的SAP84或者国外的SAP90、SUPER SAP等软件）。但是受各种原因限制，这些应用在设计师群体中不具有普遍性。

1.最原始的手段是在通用二维CAD软件（如AutoCAD）中一笔一划或者老图修改，绘制二维工程图。此法效率、质量低下，但是不受桥型限制，几乎可以绘制任意桥梁图纸。

2.随后出现了参数化的常规桥梁二维工程图一键成图软件。

如上世纪90年代的辽宁省交通勘察设计院公路中小桥CAD系统[7]，用户通过软件界面输入工程各种参数，然后一键自动化在AutoCAD中生成二维工程图（如桥型总体布置图、上下部构造与配筋图等）。此法效率、质量高，但是桥型必须是软件开发者事先设定的。一般用于常见的梁桥设计，拱桥、斜拉桥、悬索桥等无法使用。

2003年面向对象的桥梁大师Bridge Master软件，可以在二维CAD图形视口中，尺寸驱动可视化地输入工程对象参数。

3.随着电脑软硬件水平的提升，三维桥梁CAD设计软件也在逐步开发应用。

上世纪90年代末李方教授的DICAD 软件[8]，可以建立三维立交模型（包括桥梁墩台与上部结构模型、路线模型、交通工程模型等）。

交通部公路科学研究所2001年桥梁三维造型软件Bridge3D，用户通过软件界面输入工程各种参数，然后一键自动化在AutoCAD中生成梁桥、斜拉桥、悬索桥、拱桥、地面等三维模型，以及工程数量和二维桥型布置图等数据。

同豪土木2008年的桥梁设计师软件（方案设计师软件前身），能够在软件视口中同步显示常见梁桥的上下部结构三维模型（其软件开发技术路线与上世纪90年代的桥梁博士结构分析软件视口中显示三维模型如出一辙）。

4.最新的设计手段是BIM技术。国内众多的设计、施工等单位积极成立技术团队，学习应用国外Autodesk、Tekla、达索、Bentley等BIM解决方案。同时，国内软件开发者也在积极开发相关软件，例如同豪土木的桥梁BIM设计师、方案设计师，北京跨世纪的设计大师，等等。

设计阶段BIM技术与其它CAD技术的对比

当前时代，在桥梁施工图设计阶段，设计师有多种设计手段可以选择（表3）。

表3桥梁施工图设计各种技术手段对比表

Tab.3 Comparison table of various technical means of bridge construction documents design

技术 路线 对比 要点	原始的通用二维CAD绘图	二维工程图一键成图软件	BIM翻模（逆向设计）	BIM正向设计
原始的通用BIM设计软件（Tekla、CATIA、Revit等）	通用BIM设计软件+二次开发	BIM模型和二维工程图一键交付软件
交付成果	二维工程图	BIM模型	BIM模型	BIM模型+二维工程图	BIM模型+二维工程图
通用性	通用	指定桥型	通用	通用	指定桥型	指定桥型
使用难度	易	易	中等	中等	难	易	易
设计效率	低	高	高	中等	低	高	高
设计质量	低	高	中等	高	高	高	高

分析上表可得：常规桥梁设计应使用高效快捷的“BIM模型和二维工程图”一键交付软件，贴合目前桥梁设计师的工作方式，避免设计手段大幅变动；通用BIM软件设计手段，仅适用于特殊桥梁结构，其设计效率与通用二维CAD绘图差不多，虽然使用难度高于二维CAD绘图，但是设计质量提升巨大，因此具有实用价值。

对于特殊桥梁结构：设计人员应精通有限元分析技术，确保设计内在质量；除了功能强大的通用BIM设计软件外，也可以采用AutoCAD、3DSMAX等熟悉的传统软件实现简易的BIM正向设计（通过“块”来保持三维模型与二维工程图联动，通过iges、stl等格式与数控人员数据交换[9]）。

当前BIM技术的困境

在国内建筑工程领域，近十年来，从住建部到地方政府相关部门，从行政层面上，自上而下积极推广BIM技术。但是在基层实践层面上，BIM技术落地存在一定难度。国外在推广BIM技术时，也遇到一定挫折。这是过渡时代的必然现象。

从基层设计师的视角来看，有以下两个细节问题被多数人所忽视：

1.当前BIM模型难以在传统施工单位落地

采用传统的施工方法时，“按图施工”是优于“按模施工”的。现场施工人员携带平板电脑用来打开BIM模型查阅工程数据，受人脑极有限的临时记忆力、强大的遗忘特性等制约，效率远低于直接观看二维工程图的传统方法。

事实上，同样人脑性能的原因，设计师在用Revit等软件建模时，也是需要借助平立剖视图、图面注释、手绘二维草图等协助的。

目前国内大部分工程项目，还是人操作传统机械设备为主。因此当前时代完全抛弃二维工程图是不现实的。

2.原始的通用BIM设计软件难以自动成图

想象中，BIM设计软件由三维模型生成二维工程图，是轻而易举的。而事实并非如此。

与道路工程易实现自动成图不同，房屋、桥梁等结构物由于其组成构件多种多样，导致二维工程图需要表达的注释内容会出现极多的组合。因为成本、专业知识等客观原因，通用软件开发者难以完成复杂结构的自动化成图功能。机械行业的三维软件发展了近50年，自动化成图也仅仅适用于简单场景，而稍微复杂模型即无法准确实现。

这导致目前专业设计师在完成建模后，还需要花费成倍的时间标注尺寸等二维工程图成图工作，这导致工作效率低下。

当前常规桥梁实现BIM正向设计的捷径和应用实例

捷径

因为二维工程图对应的三维模型是唯一的，所以二维工程图一键成图软件自动生成BIM模型，软件开发难度是很低的。这应该是目前最快捷的常规桥梁BIM正向设计软件开发路径。

在国外通用BIM设计软件上二次开发，当前时期是不可取的，原因是：与方案设计师等国内BIM软件对比，质量、效率、费用、用户习惯、开发难度等方面无竞争力；未拥有BIM设计软件的核心代码；当前国外通用BIM设计软件不成熟。

作者所在单位道桥所，在多个BIM软件中筛选，找到了全国产的软件组合“方案设计师+Mars+ BIMFILM”，实现了常规桥梁BIM正向设计、虚拟现实、施工模拟等常用操作，具备了全员快速转型常规桥梁BIM设计的条件，特别是对刚刚工作的年轻人帮助特别大，极大地提升设计质量与效率。

1.方案设计师是一款常规桥梁BIM正向设计系统，适用于装配式桥、现浇梁桥、大跨度悬浇连续梁桥和刚构桥等的设计和绘图，一键进行全桥二维图纸、BIM模型的同步交付。最低软硬件要求：操作系统win7（sp1）、CPU 2GHz、内存2GB、硬盘40GB、显卡256M显存。

2.光辉城市Mars是实时渲染3D可视化工具软件[10]，用来制作效果图、动画、虚拟现实等作品，还适用于现场演示汇报。它能够大幅降低三维场景制作时间，在极短的时间内创造惊人的工程可视化效果。

3.BIMFILM是实时渲染虚拟施工工具软件，内置丰富的施工模型库、可视化工艺工法库等，便于工程技术人员快速制作BIM施工动画。

应用实例1

以作者所在单位道桥所编制的双排桩U形桥台通用图为例，介绍常规桥梁BIM设计过程。

1.第一阶段BIM正向设计：本图编制时，将桥台作为桥型总体布置的一个有机部分，从桥梁全局角度来进行桥台设计。采用方案设计师2021软件，对全桥进行三维整体参数化建模（图1）、一键成图，图纸初稿供结构计算参考。

图1方案设计师软件视口中的三维模型

Fig.1 3D model in the BridgeDesigner software viewport

2.第二阶段结构计算：采用桥梁博士V4软件，进行桥台承载能力极限状态（含抗震）、正常使用极限状态计算（图2）。

图2桥梁博士软件视口中的结构模型

Fig.2 Structural model in the Dr. Bridge software viewport

3.第三阶段最终成图：按照结构计算结果对方案设计师BIM模型参数调整，然后BIM模型（fbx和ifc格式）、二维工程图（图3）一键交付。其中，部分二维工程图尚需要在AutoCAD中手工微调。

图3方案设计师软件视口中的桥台侧面构造图

Fig.3 Lateral structure diagram of abutment in the BridgeDesigner software viewport

4.Mars2022读取方案设计师生成的BIM模型文件（fbx格式），生成虚拟现实场景（图4）。

图4 Mars软件视口中的虚拟现实场景

Fig.4 Virtual reality scene in the Mars software viewport

5.BIMFILM3.0读取方案设计师生成的BIM模型文件（fbx格式），生成施工模拟场景（图5）。

图5 BIMFILM软件视口中的施工模拟场景

Fig.5 Construction simulation scene in BIMFILM software viewport

应用实例2

以上例为基础（桥梁参数为2x20m两跨预装拼装空心板简支梁桥），介绍方案设计师2021软件的桥梁上部结构成图过程。

当路线导入、建立桥梁表、桥梁模型完成后，方案设计师会根据经验默认给出上下部结构的构造尺寸与配筋等参数（图6）。

图6方案设计师软件视口中的参数表

Fig.6 Parameter list in the BridgeDesigner software viewport

根据工程实际、结构计算结果，用户需要对构造尺寸与配筋等参数进行适当的调整，然后出图（图7）。

图7方案设计师软件视口中的空心板一般构造图

Fig.7 General structural map of hollow plate in the BridgeDesigner software viewport

结论

1.BIM技术是土木工程智能建造的产物，是实现可持续性发展的重要手段。当前处于2D CAD向BIM过渡的时代。从全局而言，BIM正向设计提升了设计质量，性价比极高，因此政府应鼓励设计方超前部署BIM技术。

2.常规桥梁设计应使用高效快捷的“BIM模型和二维工程图”一键交付软件，而不是低效的通用BIM软件。特殊桥梁结构，设计人员应掌握有限元分析、三维设计软件，以提升设计质量。

3.传统的二维工程图一键成图软件开发者，应积极为软件添加三维模块，实现BIM模型同步交付功能。在国外通用BIM软件上二次开发是不可取的。现有的国内桥梁BIM软件，尚应进一步完善。国产通用bim软件需开发。

4.有条件的单位可开展人工智能技术研究，在未来人工智能突破时，实现弯道超车，做行业的领头羊。

[参考文献] (References)

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[3] 何人可.工业设计史(第五版) [M].北京:高等教育出版社,2019.
[4] 林雪萍.工业软件简史[M].上海:上海社会科学院出版社,2021.
[5] 中华人民共和国冶金工业部.GBJ17-88.钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,1988.
[6] 孔志礼,姬广振,闫玉涛,等.机械产品参数化设计技术[M].北京:国防工业出版社,2014.
[7] 席广恒,吴连山,郑玉珍,等.公路中小桥涵CAD系统[J]. 东北公路,1996,(1):61-70.
[8] 吴国雄,李方.互通式立体交叉设计范例[M].北京:人民交通出版社,2002.
[9] 夏美娟.3DSMAX与ArtCAM结合在数控机床加工中的应用[J].机床与液压,2005,(12):177-178.
[10] 宋晓宇,潘胜.Mars动态建筑表现AR/VR完全技术应用[M]. 北京:机械工业出版社,2021.

作者简介：张洪俊(1969—)，男，高级工程师。主要研究方向：道路桥梁设计. E-mail: 583304953@QQ.com