1975年，查爾斯.伊斯曼(Chuck Eastman)教授提出了BIM的理念，並從20世紀末開始進入逐步發展的階段，目前則已成為建築、水利、交通等行業中最熱門的發展方向之一。
美國國家BIM標準中，對BIM定義是比較完整的：「BIM是一個設施（建設項目）物理和功能特性的數字表達；BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關這個設施的信息，為該設施從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據的過程；在項目的不同階段，不同利益方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自職責的協同作業。」根據該定義，這個所謂的「數字表達」就是所謂的BIM模型，既是BIM技術的基礎，也是BIM技術的核心。該建立什麼樣的「數字表達」——BIM模型，才能滿足這種不同參與方在不同階段協同作業的各種需求呢？數字孿生技術給出了一個不錯的答案。
數字孿生——Digital Twin是指「充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程」。
在BIM技術發展的初期階段，由於建模效率還不夠高，構建BIM模型仍以先設計、後建模的翻模方式為主。翻模方式重現了設計成果（形似），基本能解決設計有什麼的問題(設計成果),卻無法解答為什麼的問題（需求),更無法說明怎麼樣(性能),因此只是BIM技術發展初期為了探索BIM技術而採取的暫時手段。現在,越來越多的人已經開始理解並接受正向設計的重要性,並在一些項目中嘗試開展BIM正向設計。
橋梁工程BIM正向設計
正向設計的概念
所謂BIM正向設計，就是在三維環境中直接開展設計的行為，包括分析項目需求、比選工程方案、選擇結構形式、確定構件尺寸、推演施工方案、輸出設計成果等基本過程。一般認為，BIM正向設計是傳統設計流程的三維化升級，是傳統設計方式的數位化和信息化的過程，也是真正以BIM模型為中心，將不同維度的相關信息進行集成統一的設計方式。
正向設計的概念主要是針對翻模方式而言的。由於目前直接進行BIM正向設計還存在很多困難，因此暫時採用 「先二維設計、後建三維BIM模型」的方式，來快速建立BIM模型，並探索BIM技術在項目全生命周期內的各種應用。
在3DE環境下，目前橋梁專業的BIM模型主要採用「骨架+模板實例化」的翻模技術。這是一種「自頂向下」和「自底向上」相結合的混合建模方法：首先通過「骨架技術」自頂向下地定義對象的空間位置，並確定對象間的空間關係（無直接的工程邏輯），然後利用「模板技術」為同類型構件定義參數化模板，並利用「批量實例化技術」，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」技術概念簡單、思路清晰、操作性強、建模效率高，在傳統設計向三維正向設計過渡的過程中，為探索BIM技術應用價值發揮了至關重要的作用，但仍然存在諸多問題。首先，驅動模型所需要的excel數據，在實際的正向設計過程中是逐漸產生的，無法一次性獲得；同時，工程方案常常受多種內、外部因素影響，在設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件參數值，因此批量實例化的情況並不多見。另外，通過中間數據驅動模型的方式，不能建立工程對象間直接的關聯關係，無法實現即時驅動。因此，「模板實例化」的建模方法應用到正向設計過程，必須對其進一步改造。
模板實例化方案
要開展真正正向設計,必須實現這樣的兩個目標:建立對象間真實且複雜的關聯關係、表現工程對象真實的功能。工程設計的本質,就是分析工程需求,並確定某種解決方案來響應工程需求。尋找滿足某些需求的構件,因此對象本身的功能能否滿足需求是方案優劣的評判標準；同時,工程方案中,任何一個構件都不可能是孤立存在的,各種構件之間必然存在各種各樣的關係,只有建立這種真實的關聯關係,才能準確描述工程對象的真實狀態,從而正確評價對象的功能是否能滿足實際需求。
3DE提出了模塊化設計（Component Based Design，CBD）的概念。模塊化設計以工程對象為核心進行數據和信息的組織和管理，是一種將「面向對象」和「基於組件」的思想應用到工程設計中的技術，它允許用戶自定義新的對象類型和對象的BIM屬性，並為對象類型分配語義幾何元素。
同時，模塊化技術設計還可以通過計算構件間的相互影響來簡化構件模板。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，並定義有錨栓和無錨栓兩種形式的模板；現在利用CBD技術來定義基座模板時，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的部分。
影響計算
基於組件的設計方法，本質上就是將工程設計轉化為構件（或對象）功能設計和構件（或對象）間的關係設計，這符合我們對物理世界的認知，因此可以利用模塊化技術來實現正向設計。
正向設計的特點
首先，BIM正向設計是利用三維模型的直觀特性，直接在三維環境下開展設計行為：分析工程需求、比較設計方案、選擇結構體系、確定構造形式、輸出設計成果。因此，BIM正向設計實際上是傳統二維設計的數位化和信息化的過程，是傳統設計行為的升級版。
其次，三維模型的直觀性能有效提高設計人員的理解和表達力，從而保證設計成果的質量。同時，還提高了與業主、施工、管理人員溝通的效率，降低了溝通成本。三維環境下，參數化模型能有效提高方案變動時調整方案的效率，實現實時同步協調，因此正向設計是一個真正協同設計的過程。
第三，正向設計的過程是一個不斷分析需求，並響應需求的過程，設計人員與模型之間必然發生頻繁交互，這使得模型生長相對緩慢。但正向設計得到的必然是一個真正滿足工程需求的最優設計成果，從項目的全生命周期來看，高質量的BIM模型，必然帶來高的應用價值。
第四，正向設計以構件為核心組織BIM信息，BIM信息的完備性容易得到保證。
正向設計的難點
雖然從項目的全生命周期來看，三維設計得到的BIM模型能帶來更高的應用價值，但現階段，市政行業三維設計還存在效率較低的實際情況，這也是阻礙BIM技術往縱深發展的主要原因。BIM設計的困難主要體現在：
首先，構建滿足三維設計需求的設計環境的工作量大。要進行三維設計，必須首先建立地形、地質等三維設計環境，並要求能清晰反映設計環境對項目的真實需求。但目前地形、地質等專業的信息化模型尚無法得到實現，更無法實現與結構模型進行信息交互。
其次，雖然BIM技術能給項目全生命周期帶來較高的效益，但三維設計本身是一個複雜的工作，BIM模型的生長效率較傳統二維設計的效率低得多，因此三維設計目前還無法滿足項目周期的需求。
另外，三維設計本身要求進行多專業和多環節流程的協同,由於受協同效率影響較大,因此協同行為的標準化是一個必須解決的問題,而目前三維協同設計仍是一個探索中的問題。
橋梁工程三維設計的流程
在橋梁專業中，正向設計過程是傳統設計方式數位化和信息化的過程，是二維設計向三維設計升級的過程。正向設計一般流程包括——
1.分析設計需求
對橋梁工程而言，分析設計需求一般包括地形情況、地質條件、道路線性、交通需求和其他需求，如抗震、防洪、通航，等等。
按正向設計的需求分析,必須首先建立三維環境。目前雖然已能在3DE環境下進行地形、地質建模,但尚無法將地形的限界、淨空等信息和地質信息與模型進行有效的交互,需要進一步探索如何實現地形、地質信息，按照工程的需求進行信息的再加工。
2.方案設計
在三維環境下，我們可以更高效地比選路線的走向，確定路、橋、隧的比例，橋梁結構形式，以及可行的施工方案。
3.總體設計
在橋梁專業總體設計階段，確定墩臺布置是最重要工作。
在三維環境下直行跨徑布置，可以直接進行方案比選，布跨的效率更高，也更有利於快速選擇上下部的結構形式。
4.構件設計
構件設計以結構計算和其他分析結果為基礎，是初步設計和施工圖設計階段的重要工作。
需要說明的是，雖然BIM模型快速轉換為計算模型，或直接作為計算模型在技術上是可行的，但由於設計習慣、計算環境等因素，目前僅利用BIM模型轉化板殼模型和實體模型，並用於局部計算，總體計算常用的梁單元模型還需要另外建模。模塊化設計（CBD）為BIM模型轉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
利用三維環境的仿真性，可以更準確地說明施工方案。除特殊橋梁外，設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，並通過專家評審後方可用於最後的施工。
6.輸出設計成果
BIM正向設計的成果，包括相應設計深度的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，在複雜程度較高的項目中，三維表達的直觀性遠勝於目前的二維圖紙，在三維表達能有效替代部分設計圖紙的情況下，是否可以對現有圖紙體系進行調整，是一個值得探索的問題。
正向設計案例
考慮到正向設計的難度和效率，開展完整的正向設計流程是困難的，但在設計的某個環節（如方案設計、結構設計等等）中開展局部正向設計工作是可行的。
貴陽市築城廣場大橋是人民大道南段道路工程中的重要節點工程之一，位於R=200m的曲線段上，採用大、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。拱肋採用變截面鋼箱結構，設鋼混結合段過渡。主梁採用中心高度6.0~6.20m的雙層橋面鋼桁梁，整幅式設計。下部結構採用鋼筋混凝土墩和挖（鑽）孔灌注樁基礎。
築城廣場大橋位於城市中心地帶，橋位處地形複雜。橋梁方案受接線標高、河道淨空、居民小區、地鐵線路等多種不利因素影響嚴重，常規的二維設計無法保證方案符合規範要求。因此在設計之初，就利用BIM技術進行方案比選，並最終形成了與周邊環境無衝突、結構合理、景觀效果優的橋梁方案。比選內容包括：拱座位置、拱肋高度、拉索布置形式、桁架形式。
築城大橋不僅與周邊環境關係複雜,而且由於橋梁位於曲線段上,自身構造也相當複雜。在施工圖階段,拱肋截面構造、拱座構造、吊杆的拱端和梁端錨固構造、桁架節點構造等複雜的局部構造，都利用BIM技術手段進行三維設計。
拱軸線採用二次拋物線構造，拱肋截面由2.5m（起拱點）漸變為2.0m（拱頂截面），拱座頂面構造受拱座頂平面與拱軸線交點處拱肋截面的構造確定，因此，在三維環境下，可方便地根據拱座頂平面的位置迅速確定拱座的構造。同時，2號拱座處，大、小拱肋的距離和相對關係，決定了拱座構造和鋼筋布置。
空間吊杆的錨固構造設計，是本橋另一個比較複雜的問題。藉助BIM技術的直觀特性，直接進行三維空間設計，經過技術方案比選，最終確定拱端和梁端的吊杆耳板錨固形式，採用3DE的參數化手段，直接進行錨固構造設計。
BIM正向設計是傳統二維設計向三維數位化和信息化的升級；建立工程對象的數字孿生體是BIM正向設計的目的，也是BIM全生命周期應用的基礎環境；模塊化設計（CBD）則是正向設計實現3DE Twins（數字孿生）的可行技術路線。
目前，正向設計還是一個探索中的課題，完整的正向設計還比較困難，但已可以利用BIM技術的優勢進行正向設計的探索，以解決目前常規設計中的難點問題。
本文刊載 /《橋梁 · BIM視界》雜誌 2019年 第4期 總第11期
作者 / 馬向東
作者單位 / 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司