结构工程师的角色转变——三维正向设计方法助力桥梁方案创作（桥梁建造师3D）

近年来，伴随着国内桥梁建设的高速发展，传统的方案创作及设计方法难以匹配其发展规模及景观性的高品质要求。BIM技术在建筑工业领域得到了大力的发展和推广，BIM技术的引入能够大幅提升桥梁设计和信息化水平。目前，桥梁正向设计的占比仍不高，且真正将BIM正向设计思维和方法介入到前期方案设计，并用于指导和规整中后期设计的探索相对较少。本文将针对上述行业痛点和技术难点，提出将正向设计方法引入桥梁方案前期创作中，以供探讨。

技术背景

轻型BIM平台的选择及技术路线的确定

建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）是建筑学、工程学及土木工程的新技术手段，自BIM技术引入桥梁专业以来，在常规型桥梁设计中得到了广泛研究和应用，有效提升了桥梁的设计效率。目前较为主流的桥梁BIM应用平台主要包括：Autodesk Revit、Dassault Catia及Bentley，针对上述平台进行了多维度对比分析，提出了一种“轻型BIM”的正向设计架构思路，平台要求为：软件轻量化、软件生态丰富、软件成本低、易学易用易推广、异形造型及深化优势突出、参数化能力强大和信息集成能力强等，最终确立了以工业级三维软件Rhinoceros为三维核心驱动的“Rhino Grasshopper Revit”的BIM协同设计平台[简称R GH R]，作为本文三维正向设计的主要BIM应用平台。

BIM平台对比

该平台以三维为驱动内核，逻辑架构为线性骨架驱动，桥梁设计的边界条件、方案造型等均包含精准、有效的有理化和参数化逻辑信息，本质上区别于传统的CG类软件体系（譬如3ds Max），能够满足自方案创作到施工模型的全过程三维深化和协同，其突出优势是能够快速完成多专业的协同设计，实现方案创作、交互设计、建筑表现、BIM设计等系列工作，实现专业内全闭环的创作、设计和表现，不用借助CG类软件进行转换和流程反复，避免了各软件间信息传输和丢失，经拓展的信息和几何模型均可通过IFC格式跨平台传递与共享，为BIM的全生命周期应用打下基础。

轻型BIM平台架构及其建议软件

软件协同平台

R GH R轻型BIM协同平台的突出优势为：造型能力强、易学易推广、易开发定制、轻量化及参数化能力强、软件生态丰富、兼容性好、协调性强，涵盖创意造型、深化设计、表现表达和BIM设计等环节。其中，“软件生态丰富”系指核心软件的生态圈功能强大且流程完善。该平台的三维核心为Rhinoceros（中文名：犀牛），系工业级造型领域强大的三维造型及深化设计软件，也是目前在建筑领域应用最为广泛和深入的软件，NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）建模是其基本建模方式，而自Rhino 7.0版本以来，加入了相对成熟的SubD细分建模技术（CG类软件譬如Maya、3Ds Max等软件常用的造型方式），极大地增强了Rhino的创意和深化设计的能力；Grasshopper（蚱蜢，简称GH）系Rhino自带参数化插件，系数字化设计方向和参数设计的主流软件, 其二次开发和插件库涵盖了造型、结构分析、拓扑迭代、表现表达等诸多领域；Autodesk Revit是国内市场普及率最高的三维信息化集成平台，是企业BIM应用对外信息化最有效的数据接口，能够满足BIM成果的交付需求。

「R GH R」核心软件组成

BIM平台的软硬件系统支持

结合企业需求和生产、管理的特点，借助硬件系统打造和维系软硬件相结合的BIM应用生态链，使得软件系统能够更好地服务于桥梁方案创作、设计及BIM应用。其中，软件支持包括：WEB、APP及数据库开发，模型转换系统等，硬件支持主要包括：三维设计单机、GIS数据处理服务器、项目协同服务器、云计算、3D打印、VR虚拟现实及无人机等。

「R GH R」软硬件生态

传统方案创作模式的不足

桥梁方案创作和设计传统模式的参与方一般包括：桥梁工程师、建筑景观师和CG效果图公司，尽管该模式的分工协作更有利于提升生产效率，但其弊端也十分明显：

1.桥梁工程师的方案设计能力受限：由于桥梁工程师普遍未熟练掌握三维造型和建模技术，纯CAD类平面创意表达以及手绘等手段，均无法满足三维造型和精准匹配边界条件的需求，因此创意无法有效地独立表达，即使有好的想法也无法付诸视觉上的呈现。

2.部分方案落地性差：概念方案在后期深化过程中，往往因为边界条件的精准化或结构分析等原因需要大幅调整，进而建成效果同原方案设计相差甚远。

3.多方合作沟通环节繁多、效率低下：由于创意、造型、建模和结构控制等环节均掌握在不同公司和部门，进而致使沟通成本过高、协作效率较低。

4.后期深化设计及BIM设计受制约：CG类模型用于设计工作，无法确保桥梁设计的精准边界条件以及结构可行性，同时，后期深化方案过程中进行方案重构和简化，进而导致方案偏差，并且BIM设计也需要重新翻模重构。

传统方案创作模式

如何解决传统模式中的痛点和难点

上述传统方案创作和设计的痛点和难点，很大程度上源于桥梁工程师的定位过于局限于“结构工程师”的角色，而非真正意义上的“设计师”。如果桥梁设计师能够强化设计师的能力和角色转变，完成桥梁的外观设计、确保结构可行性和构造合理性、具备三维制模和造型处理能力、结构设计、方案表达能力以及BIM信息化实践的能力，将有助于化解传统作业模式中的痛点和难点，并形成新的创作和设计模式：

正向设计桥梁方案创作

人才定位及组织

以BIM相关技术作为桥梁景观专业细化和提升的动力，使部分桥梁工程师逐步转型为桥梁设计师，侧重“桥梁景观设计”或者“BIM正向设计”，两者均需掌握正向设计思维和方法，使得好的创意能够良好衔接后期深化设计及BIM设计。

人才定位与项目实践

(林同棪国际)

除了人才定位，桥梁设计师的组织也非常重要，桥梁设计师可分为桥梁方案设计师和桥梁BIM设计师。以我司近十余年的实践和探索来看，实行的“全员BIM*比例控制”的策略效果明显，方案创意、深化设计、施工图设计、BIM设计及数智运维，均由桥梁设计师团队完成，尤其是近年来方案投标项目中，桥梁方案设计师逐步成长为方案创作及设计的主力，极大地提升了设计竞争力。

团队架构与发展实践

(林同棪国际)

工具的提升

（1）精准边界条件模型的快速生成

区别于传统桥梁设计的二维边界条件或CG类地模，基于DEM数据、地勘资料、水文信息、倾斜摄影等基础性资料，通过Rhino GH二次开发的桥梁地理地形处理模块能够快速、准确地生成三维地形地貌的边界条件，并借助后期测绘数据和大数据库丰富设计场景。

边界条件模型的快速生成

（2）多元化的创作途径：灵感、造型的快速推敲和表达

BIM技术使桥梁设计师能够快速创意和表达，借助Rhino的NURBS、SubD细分建模和参数化等技术进行方案的自由塑形和创作，自方案前期即可控制和保证方案建成后的效果。

多元化的技术手段辅助方案创作

（3）参数化迭代、拓扑找形与衍生设计

参数化迭代广义上可分为参数化驱动及细分驱动两种类型，参数化驱动即为Grasshopper等参数化软件，细分驱动即为SubD等细分建模技术，两者均能够快速适配边界条件的调整以及造型的快速优化。同时，参数化拓扑和衍生设计在建筑方案创作中已有一定的应用，借助该技术可以完成二维建筑肌理、造型演变和优化、力学拓扑与造型优化、仿生态造型设计，以丰富桥梁方案的创作。

参数化、拓扑等辅助方案创作

（4）方案设计的性能分析

基于三维模型，通过二次开发的性能分析工具集，能够进行多项性能分析和评估，譬如：场地分析、可视度分析、日照光影效果分析、阻水率分析、桥下遮光率分析、夜景照明分析等。

高效的交互式性能分析

（5）交互设计、虚拟现实、同感设计及全景体验

将BIM技术链中的交互体验式设计、VR虚拟现实、同感设计和全景体验引入到设计、评审和成果展示环节，能够极大地提升方案设计合理性以及方案抉择效率。设计师可通过参数化手段进行方案的优化和迭代，专家或业主方能够现场直观地进行方案的抉择。

多重技术手段提升设计和沟通效率

（6）云计算技术应用

传统作业模式中，视觉效果和计算结果的获取需要耗费大量时间，借助云端高性能计算机集群进行云渲染和结构力学性能分析，能够快速进行方案的评估和优化迭代。基于GH研发了结构计算交互端口，能够确保结构的快速交互计算。云计算技术能够确保非常规结构方案的高频结构试算，保证结构的可靠性。

云计算技术

作业流程的改进

相比传统桥梁创作方法，基于正向设计的新型桥梁方案创作方法能更好地体现方案创作的创新性、设计协同性及互动性：桥梁方案创作更加自由，创意表达更加直观和高效，并可保证后期设计和施工的可行性。该方法为桥梁创作和设计带来了一定的改变，有效改善了传统流程中多方、多环节参与的现状，并大大降低了方案反复迭代和落地性差的现状。