當(dāng)前BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計應(yīng)用中方興未艾，由于該技術(shù)興起于建筑領(lǐng)域，因此應(yīng)用中也碰到了一些挑戰(zhàn)，使得橋梁BIM應(yīng)用面臨這樣一個局面：對設(shè)計院來說，BIM應(yīng)用增加了設(shè)計投入，延長了設(shè)計周期;對施工企業(yè)和業(yè)主來說，設(shè)計院提交的BIM成果不能完全滿足施工及后期運維的要求。甚至在有些情況下，BIM實施所引發(fā)的挑戰(zhàn)與它帶來的益處一樣多，在一定程度上影響了工程師們應(yīng)用BIM技術(shù)的積極性。
在大跨度橋梁中，鋼橋具有絕對優(yōu)勢，但鋼橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計工作量大。傳統(tǒng)上鋼橋設(shè)計采用AutoCAD等二維CAD軟件出圖，由于設(shè)計信息分散保存在大量視圖及圖紙中，容易產(chǎn)生“差、錯、碰、漏”現(xiàn)象，同時由二維點、線、圓弧、標(biāo)注等圖元描述的三維實體不能由計算機自動判釋，使得實施產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和協(xié)同設(shè)計遇到很大障礙。
從CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢看，三維參數(shù)化技術(shù)是解決上述問題的有效途徑。三維參數(shù)化就是要將幾何及尺寸關(guān)系嵌入到三維模型中，從而體現(xiàn)工程師的設(shè)計意圖。采用三維參數(shù)化設(shè)計具有以下優(yōu)勢：
1.結(jié)構(gòu)設(shè)計就是一個構(gòu)思、驗證的迭代過程，直觀的三維顯示，使整個結(jié)構(gòu)一目了然，可大大提高設(shè)計效率。
2.完整地體現(xiàn)工程師的設(shè)計意圖，避免了曲解。
3.方便處理復(fù)雜的空間幾何關(guān)系。
4.零部件及二維工程圖紙管理方便，這一點對大型結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其重要。三維模型對幾何對象的定義是完備的，可即時創(chuàng)建二維工程圖，可自動生成各種視圖和多種形式的剖面，并可自動生成材料表。
5.三維模型與工程圖之間、工程圖各視圖之間、模型與材料表之間完全相關(guān)，避免了簡單低效的勞動。
6.可實現(xiàn)一定程度上的并行設(shè)計，從而縮短設(shè)計周期。只要結(jié)構(gòu)形式確定了，就可以利用初步擬定的尺寸作為參數(shù)開展設(shè)計，后期一旦尺寸有變動，只需要更改參數(shù)就可以更新模型和相應(yīng)的工程圖。
7.在概念設(shè)計和技術(shù)設(shè)計階段建立的模型可供下一階段使用，也可供匯報演示，建立的模型可供有限元分析使用，節(jié)約了設(shè)計成本。
二、基于三維參數(shù)化的二次開發(fā)
用于鋼結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化設(shè)計平臺發(fā)展比較快，主要可分為兩類：用于機械行業(yè)的主要有Catia、UG、Solidworks、Inventor等，可用于機械、模具、鈑金、管道、小型全焊結(jié)構(gòu)的設(shè)計，大部分產(chǎn)品附加了機械行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)件庫，用于建筑行業(yè)的主要產(chǎn)品有Bently公司的ProStructure、達(dá)索公司的3D Experience、芬蘭Tekla公司的Tekla Structure、英國AceCAD公司的StruCAD等，主要用于高層建筑、體育場館、工業(yè)廠房的設(shè)計，一般都提供了比較豐富的型材和節(jié)點庫。
由于缺乏專門用于鋼橋三維設(shè)計的軟件，只能借用其它通用軟件或結(jié)合其它專業(yè)來完成，但橋梁設(shè)計與機械領(lǐng)域的設(shè)計相比又有一些自身的特點。這些特點使得直接利用現(xiàn)有軟件進(jìn)行鋼橋設(shè)計存在諸多不便，工程師在使用時面臨的是一個陌生的環(huán)境，充斥著諸如特征樹、抽殼、拔模、放樣、凸臺等等術(shù)語，無法利用熟悉的橋梁專業(yè)術(shù)語如桁式、節(jié)點長度、桿件、梁、節(jié)點板、拼接板、填板等專有概念進(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計，因此有必要在現(xiàn)有平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，形成一套包含鋼橋設(shè)計專用參數(shù)化對象庫的軟件包。
考慮到性價比、易用性、開發(fā)接口等因素，中鐵建大橋院在2009年起選擇Solidworks作為支撐平臺進(jìn)行“鋼橋三維設(shè)計工具包”的開發(fā)。到目前為止，該成果已成功應(yīng)用于貴廣鐵路某四線鐵路斜拉鋼桁梁橋、國內(nèi)最大跨度公路鋼桁系桿拱橋—珠海橫琴二橋、深茂鐵路潭江橋等已建和在建項目中。
三、從三維模型到二維圖紙
現(xiàn)階段國內(nèi)橋梁設(shè)計均需交付二維圖紙，這種傳統(tǒng)意義上二維工程圖實際上是工程師通過空間想象將腦海中的三維模型投影、剖切到二維平面上的產(chǎn)物，相應(yīng)得到的二維圖紙表現(xiàn)能力及校核糾錯功能相比實際三維模型大打折扣。
與之相反，由三維模型直接生成的圖紙則表現(xiàn)形式更為豐富，三維布置圖、預(yù)拼裝圖能精準(zhǔn)無誤的表示各細(xì)部結(jié)構(gòu)的空間位置，二維剖面圖及大樣圖是由三維模型經(jīng)過計算機程序自動投影、剖切得到，比由人腦加工轉(zhuǎn)換得到的二維圖紙更加高效、精準(zhǔn)，也更便于其他人員再次復(fù)核。因此，不僅在空間構(gòu)造表現(xiàn)方面，三維圖紙有其絕對優(yōu)勢，而且在剖切示意及大樣展示及工程數(shù)量統(tǒng)計方面，由自動生成的二維圖紙更能保證精確度。
三維模型關(guān)聯(lián)工程圖紙的方式，在改善了出圖效能的同時也將工程師的工作重心真正意義地轉(zhuǎn)移到了設(shè)計上面，而不是常規(guī)的先有圖紙后有模型，能有效保證BIM三維模型的精確性，并能提高設(shè)計院應(yīng)用BIM 的積極性。到目前為止，中鐵建大橋院已有多座大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)橋梁采用了直接由三維建模生成施工圖。
四、邁向BIM時代
在三維參數(shù)化技術(shù)方面的積累為中鐵建大橋院邁入BIM時代提供了良好的基礎(chǔ)。三維參數(shù)化建模是BIM系統(tǒng)的核心功能，也是其區(qū)別于傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的主要特征。在橋梁全生命周期和各專業(yè)橫向的數(shù)據(jù)交換過程中，三維參數(shù)化模型起到了信息載體的作用，同時Solidworks、Inventor等BIM工具軟件生成的三維參數(shù)化模型可采用IFC(IndustryFoundation Classes)、STEP(產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn))等格式進(jìn)入BIM平臺軟件，為協(xié)同設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。
在使用過程中也發(fā)現(xiàn)，Solidworks軟件雖然使用方便、建模效率高、對二維出圖支持好，但在管理大模型(如全橋模型)時性能下降明顯。因此引進(jìn)了CATIAV6平臺，與原有的Solidworks軟件一起形成一個高低搭配的BIM環(huán)境。在這個環(huán)境中，Solidworks作為BIM創(chuàng)作工具對鋼橋節(jié)點、桿件、錨箱等次級裝配進(jìn)行建模，CATIA V6平臺負(fù)責(zé)全橋模型組裝、融合其它專業(yè)數(shù)據(jù)、設(shè)計協(xié)同、生成供發(fā)布用的輕量級模型等工作。
實際上，在實施BIM的過程中，類似的細(xì)節(jié)問題會大量存在，相信隨著技術(shù)人員熟練程度的提高、BIM軟件的不斷升級和BIM應(yīng)用的深化二次開發(fā)等，BIM技術(shù)對橋梁設(shè)計的巨大推動作用將會逐漸顯現(xiàn)。
五、小結(jié)
目前與BIM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)正在形成與完善，相關(guān)人才培訓(xùn)、技術(shù)政策、軟件研發(fā)還不能完全滿足BIM實施的要求，因此在橋梁設(shè)計中全面采用BIM技術(shù)會遇到相當(dāng)大的困難。
在BIM實施時，單一軟件肯定不能滿足橋梁設(shè)計的要求，需要對不同廠商的軟件進(jìn)行集成，搭建一個合適的BIM環(huán)境，可以通過定制開發(fā)等手段基本解決不同軟件間的數(shù)據(jù)交換問題。由于橋梁設(shè)計的特殊性，對現(xiàn)有BIM軟件進(jìn)行用戶定制和二次開發(fā)不可避免。需要針對具體應(yīng)用場景采用三維參數(shù)化模板、直接調(diào)用軟件API等方式進(jìn)行開發(fā)。
由于目前施工圖交付還是以二維圖為主，由三維模型生成二維施工圖往往稱為影響B(tài)IM落地的關(guān)鍵因素。在三維建模時考慮到二維出圖的要求，可以減少后期工作量。
