BIM与土木工程设计创新

随着全球人口呈指数级增长及生活水平的不断提高，基础设施建设加速进行，全球土木工程项目的数量和规模均不断上升。根据普华永道（PwC）出版的《本工程项目与基础设施支出：2025年展望》，全球每年的基础设施支出将从2012年的4万亿美元增加到2025年的超9万亿美元。

《Global Construction Perspectives》称，受中国和印度经济发展带动，到 2025 年，新兴市场的建设活动将占全球的63%。在土木设计领域，我国策略是以信息化带动工业化。美国、日本和欧盟等国拥有发达的 IT 产业，我国尚未实现高度工业化，因此要用BIM为手段带动其发展。

BIM——好处、挑战、解决方案

BIM拥有实现三维协同设计和用标准数据格式促进沟通的优点，但也存在要求人们改变习惯的难题。新的工作方法会造成内部冲突、流程更改甚至企业瘫痪，设计方案的完善和评估也是一个瓶颈。

项目周期成本也存在风险。在计划经济下，项目的投资回报可以计算得非常精确，由于所有任务都已完全规划好，业主可以完全控制成本。如今，在市场经济下，设计被缩减成只是一个阶段，就像拼图中的一小块，存在许多成本变量。大致来说，关键因素有： 项目成本 、 工程质量 、 交付时间 和 成本控制 。

对于成本控制，设计院应分4个阶段进行。

• 在尚未准确把握整个项目状况的情况下，进行初步估计
• 设计前，编写或商定项目摘要，包括：产品尺寸、形状和外观，以便更好地讨论成本
• 动工前，提交更可靠的预算
• 完工时，提交最终成本核算
  
  

BIM能精确计算材料和施工成本，从而最大限度确保预算准确性。一般来说，项目成本分为两大类：一类是设计和施工成本，另一类是运营成本。设计和施工成本通常占总成本的20%，运营成本占80%。在设计和施工成本中，设计成本占四分之一（即项目总成本的5%）。因此，设计院必须拥有强大而经济的设计能力，BIM恰能满足这个要求。

引入三维软件和BIM

我国土木工程行业从2005年开始使用计算机辅助设计（CAD）为尖端项目做三维设计。在三维设计中，设计师可以确保整个建设计划中任何设计变更都可以得到执行，从而提高整个工程的精确性。

传统的BIM软件是为建筑开发的，并不针对道路、桥梁、隧道等土木项目，为了填补这片空白，达索系统与上海市政工程设计研究总院合作开发了 CATIA土木工程版 ，其土木项目可视化功能卓越，不仅能展示设计概念，还能确保更高的细节水平，提高每个项目的精度。要以预制图纸上的细节水平展示整个项目，必须要有更强大的BIM能力，处于市场领先水平的 3D EXPERIENCE 平台就具备这种能力。

下面我们通过案例进行说明。

赣江二桥

赣江二桥主塔采用“鱼形”设计，与周围景观浑然天成。该桥梁结构复杂，上部为钢结构、下部为混凝土结构、中间为钢混结合段。BIM明确了每位工程师的分工及各自负责的部分。

桥梁设计工作由设计院牵头，不同专业的工程师相互协作。协同设计可清晰地界定和划分工作，协调不同的角色和任务，对整个项目进行无缝管理。

在概念设计阶段，BIM软件让设计师快速创建骨架线等复杂的曲线，甚至支持数字草图平板。骨架线创建好后，构件库成为项目取得成功的关键。构件（如墩、梁、柱等）是智能的、基于规则的参数对象，在库中有着明确的分类。设计师可以从库中选择想要的构件，将它们放到骨架线上，构件就会自动调准尺寸，使之与骨架线相匹配，并以完全协调的方式生成详细的BIM模型。一旦设计师修改骨架线，所有构件都会随之一起更新，从而显著缩短修改时间。

设计院的解决方案可做成动画，以便更好地展示所提出的设计概念，与以往传统的静态三维效果图相比，动画的功能传递信息更为丰富。

在施工图设计阶段，CIV模块可以查找相互冲突的施工指令及设计中的错误。用户可在软件中输入尺寸，以便分析和优化。这些额外的安全检查对于桥梁的设计和施工至关重要。

事实上，该软件可以大大降低设计院修改设计的难度，而设计修改往往很频繁，甚至是最后一刻进行修改。在过去，修改设计所用的时间有时甚至会超过最初的设计时间。

杨高南路地下通道

杨高南路（世纪大道—浦建路）改建工程的范围从现在的世纪大道延伸至浦建路跨线桥，全长1.95 km。道路、隧道结构、桥梁（张家浜桥）、雨污水排管、交通标志标线、信号灯、通风、监控系统、供配电、建筑、绿化等相关设施及前期绿化与管线搬迁工作的建安费为14.55亿元人民币，总投资24.7亿元人民币。

该项目全程采用达索公司的 3D EXPERIENCE R2015x 作为BIM实施平台，与其它的软件平台相比，该平台具有以下几方面的优势：

• 采用云平台和中央服务器的架构模式，以此统一项目的数据库，为这一企业项目的数据安全提供可靠的保护

• 支持BIM模型的类型扩展，在杨高南路项目中采用自定义类型统一部署的方法，对隧道结构中的侧石、防撞栏、沥青等不同类型的构件进行了统一部署。对于后期的工程算量及模拟施工仿真提供了很大的便利

  
  

• 多专业的实时协同BIM平台，在项目过程中结构、桥梁、管道等不同专业的设计人员可以在同一平台上进行实时设计任务。这种同步的建模功能可以即时发现设计过程中存在的缺陷，快速检查模型之间是否存在干涉现象等

• 初步形成了达索平台上的BIM建模流程：当前的软件格式支持大尺寸的100km数据模型，整个BIM范围涵盖前期的方案设计，中期的详细结构设计，后期的施工仿真、项目报告及基于Internet Explorer的在线浏览等

• 创新的知识模板库重用功能，可通过 CATIA 提供的模板功能快速实现隧道结构中各种构件的实例化，从而避免重复建模，提升工作效率

  
  

在项目方案论证阶段通过引入BIM技术手段实现该项目设计方案的三维可视化、多方案比选和方案优化，在给政府和业主领导等系列汇报中取得良好效果；在设计阶段采用BIM建模和常规设计并行的方式，检查设计成果，保障设计出图质量；在施工招标阶段，联合设计团队重点突破基于BIM设计模型的工程算量方法，成功实现从BIM信息模型中直接提取该项目主体和围护结构的混凝土及钢筋算量，其中65%的算量在与传统计算结果进行复核后作为正式施工招标的工程量清单内容。

在以上案例中，CATIA土木工程版功不可没，下面为您简单介绍。

CATIA土木工程版

CATIA土木工程版 解决方案以 3D EXPERIENCE 协同平台为基础，能够在任何地方实时访问跨专业的设计模型和项目数据。这为项目业主、工程师和土木设计师搭建起一个互动社区，让他们可以并行工作、分享数据，为每个项目注入品质和效率。 CATIA土木工程版 提供了一个单一数据源，可以实时管理来自各种BIM环境的大量信息，且符合IFC和OmniClass标准。用户可以从一个目录开始进行设计，所做的更新将立刻体现在所有设计模型上。

有了 3D EXPERIENCE 平台，就可从任何地方同步实时访问跨专业的设计模型和项目数据。没有一个用户是孤立的。客户可以从任意数量的平台导入数据，创造一个单一源模型，让项目业主、设计师、工程师、预制生产商等各方协同工作，共同构成一个综合性的设计群体。

CATIA土木工程版 可利用土木工程目录中现有的三维模板，也可以创建自己的原创模板供将来使用，使之不仅能高度定制，还便于重复使用。客户可以从带预设参数的构件列表中导入原型，然后轻松加以更改，从而节省时间。设计时对任何模板的更改都会即刻在整个模型中得到更新，以确保一致性和减少错误。这项功能能让客户以更少的时间和精力对三维模型进行更新和修改。

该平台整合了所有设计数据，包括“实际地形”信息等大型BIM数据。利用新的地理定位工具，用户可以将精确的现场数据带入模型，或者对现场进行准确的挖掘前准备。 CATIA 3D EXPERIENCE 平台的数据处理能力最高可达200 km。对任何地形的虚拟更改都会导致相关的挖掘计算自动变化。可以将坐标和地形信息提取出来在模型中使用，也可以将设计信息放在真实地图上，为所有用户提供准确的现场概况和可视化场景。

CATIA土木工程版 将概念设计模型和预制数据及施工成本、工程量、规格和工期连接起来。它能让客户根据集成的BIM主数据生成预制模型。集成化设计可以减少返工、废料，提高设计效率。

施工阶段常出现不可预见的因素，变更不可避免。很多时候，设计变更所花的时间甚至会超过最初设计阶段，在过去，这是一个让人头疼的问题。 3D EXPERIENCE平台CATIA土木工程版大大降低设计变更难度。

人们常说“今天的制造业就是明天的土木工程业”。 长久以来，达索一直是制造领域的领头羊，而 3D EXPERIENCE平台让设计院受益匪浅。

此外，CATIA土木工程版大大缩短了这类项目的总体施工时间。人们普遍认同，设计师用1/3的时间进行设计，用2/3的时间进行设计沟通。BIM不仅为设计工作提供了便利，还让沟通变得更快更轻松，大大降低成本。

设计院与达索合作定制自己的BIM平台，解决了他们在土木设计方面的难题。总之， 3D EXPERIENCE 可靠、有创新性，极大地推动了大规模的工业化。

来源：重庆BIM联盟