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随着全球人口和生活水平指数级的增长，以及基础设施的加速发展，全球土木工程项目的数量和规模不断增加。普华永道(PwC)在《资本项目与基础设施支出：2025年展望》(Capital project and infrastructure spending: Outlook to 2025)一书中指出，到2025年，全球基础设施支出预计将达到每年逾9万亿美元，较2012年的4万亿美元增长逾一倍。这一点在中国和中东、拉美地区尤为明显，这些地区的经济正以惊人的速度增长。根据全球建筑业展望，到2025年，63%的全球建筑业活动将发生在新兴市场，主要由中国和印度来推动。普华永道在报告中指出，仅在印度，预计未来10年就需要新增180个机场。
来自斯坦福大学的Ryan J. Orr 和来自Akin Gump Strauss Hauer & Feld LLP. LLP的Jeremy R. Kennedy表示：由于认识到为基础设施项目提供资金所需的空前水平，人们对私营部门的参与和公私合营(PPPs)越来越感兴趣。过去，绝大多数基础设施项目都是由有关政府发起的。然而，随着政府预算的收紧，特别是对于那些政治不稳定、政府财政薄弱的国家，越来越多的私营企业正以公共伙伴关系或私人融资倡议的形式参与这些项目。这些私营企业越来越关注投资回报(ROI)和更高的效率(在设计和施工方面)，以获得更大更快的利润。
土木设计的挑战
中国土木设计与施工的最新创新与突破是在两大趋势的背景下进行的。中国发展民用设计和建筑实践的战略，是利用建筑信息模型(BIM)来推动工业化进程。美国、日本和欧洲国家已经是高度工业化的国家，因此有发达的信息技术工业。中国致力于将BIM作为推动建筑产业化的手段。这是目前该国正在实施的战略。
此外，中国正在从计划经济向市场经济转变。过去，在计划经济体制下，土木工程设计院是基础设施设计中最大的部门之一，甚至被赋予了在具体建设细节上的最高权力。如今，在市场经济条件下，土木设计院仍然有其重要的功能，但它对整个项目的直接影响正在减弱，特别是下游的施工过程。例如，在设计指令最终确定之前，公路项目需要多方利益相关者的一致意见，而在过去，土木设计院拥有完全的自主权。
近年来，涉及国际合作的项目越来越多。例如，中东的一个政府项目可能会聘请英国的设计顾问，与雇用当地人的总承包商一起工作。同时，所使用的设备或部件可能来自欧洲大陆。这就需要一个高效的全球协作模型来实现灵活的设计调整。例如BIM，它正在变得越来越流行。
伴随中国快速发展的因素之一是采用“三平行”的实践，即设计、施工和设计变更的3个过程是并行运行的，甚至在设计完成之前，施工阶段就已经开始了。这是由于仓促进行基础设施建设造成的。事实上，项目所有者有时甚至也不清楚最终产品的外观，直到他们看到实体项目开始成形，之后他们可能希望修改原始设计。
有时，土木设计院只能在项目的初始阶段设计基础部分，因为项目的所有者并不清楚自己真正想要的是什么。这意味着项目经常在设计阶段被暂停。协调业主的意图和设计本身可能是最困难和耗时的。
早在上世纪90年代，土木设计院就对所有建筑项目的每一个细节都有更大的控制权。现在，实际情况却相反，他们没有权力决定下游进程应该是什么或者应该如何开始。如今，他们的所有设计都需要得到批准，在施工过程中，直到最后一刻还在进行设计修改的情况并不少见。这意味着很难预测工作的质量以及项目何时能够顺利实施完成。
土木设计和市政建筑行业面临的另一个挑战是现场施工方法的盛行。过去，承包商广泛使用现场施工方法。这带来许多问题。首先，难以控制材料浪费。因为现场产生了大量的建筑垃圾，处理垃圾是一个令人头疼的问题。其次，成本管理难度大。施工现场存在很多不确定性。第三，随着更多的施工程序在现场进行，进度管理变得更加困难。最后，由于大部分施工都是现场进行的，所以使用的空间比预制施工要大得多。这意味着周围的道路经常被长期封锁，导致交通堵塞。
这些问题可以通过几种方式加以解决。土木设计院可以完全整合成一个集工程、采购和施工的系统(EPC)，并尽可能地利用预制，例如预制钢筋混凝土构件并在现场组装。另一种方法是采用BIM技术，使不同的专业人员可以使用相同的模型，通过统一的格式在不同的阶段进行信息传递，从而显著提高整体效率。
收益与风险并存
发布BIM的两个主要好处是：可以支持3D协同设计，并通过使用标准化的数据格式促进信息流通。尽管有这些好处，但是采用BIM还是有挑战的。一个主要的障碍是改变人们的习惯，通常需要克服很大程度的阻力。当公司内部提出新的工作方式时，可能导致内部冲突，甚至在重新配置流程时导致瘫痪。在改进和评估设计时，也可能出现瓶颈。
项目周期成本通常也存在风险。在计划经济中运行时，项目的ROI计算非常准确。政府控制了资源，包括劳动力和运输成本，比如购买建筑车辆的成本。由于一切都是经过周密计划的，项目负责人完全控制了成本。现在，在以市场为导向的经济中，设计已经被缩减到只有一个阶段，在一系列成本变量的影响下，成为拼图游戏中的一块拼图而已。同样，建设阶段也会有自己的成本变量。总之，有4个关键因素在起作用：项目成本、工作质量、进度安排和成本控制。
土木设计院应分4个阶段进行成本控制：第一步，做一个初步的评估，对整个项目有一个准确的把握；第二步，在开始设计工作之前，写一个项目概要，概要的内容包括最终产品的大小，形状和外观，以进一步辅助成本控制；第三步，在开始施工之前，提交一个更明确的预算；最后，将最终的成本计算在项目完成后提出。
使用BIM的好处之一是，它可以通过提供材料和施工成本的精确计算来最大化预算。一般来说，一个项目有两种成本——设计、施工成本和运营成本。通常，设计和施工成本占总成本的20%，运营成本占80%。四分之一的设计和建设成本，即项目总成本的5%用于设计。因此，土木设计院拥有强大而经济的设计能力是至关重要的，BIM符合这一要求。
自2005年以来，中国土木工程行业一直在使用计算机辅助设计(CAD)软件为先进项目进行三维设计。在2005年之前，土木设计院只采用二维设计，这些图纸没有相互联系。这意味着更改一个设计表单不会自动触发相关表单的更改。在三维设计中，设计师可以确保所有的变化贯穿整个设计过程，进一步提高整个项目的准确性。
传统的BIM软件是为建筑结构开发的，而不是为道路、桥梁和隧道等土建项目开发的。因此，它们不符合由上海市政工程设计研究院(集团)有限公司（简称SMEDI）和达索系统共同开发的土木工程设计模块的应用范围。达索系统的3D EXPERIENCE平台不仅可以展示设计的概念,还有助于为每个项目增加精度。借助BIM来说明整个项目，并在3D EXPERIENCE平台提供的预制图纸中显示精确的细节。
案例探究
赣江第二大桥
江西省赣江第二大桥，它像鱼一样的设计造型非常适合周围的环境。该桥的复杂结构包括：上部为钢结构，下部为混凝土结构，中部为钢与混凝土混合结构。BIM为不同的工程师和他们各自的组件提供了清晰的分工。
这座桥的设计工作由SMEDI主导，来自不同学科的工程师合作完成。项目经理是高级土木设计工程师，专门设计线形，确定整个桥梁的框架。另一名专业工程师专注于钢结构，而另一名设计师则专注于为桥梁的各种不同特点创建一个组件库。协同设计过程也意味着他们清楚地定义和划分所涉及的工作，协调角色和任务，无缝地管理整个项目。
在概念设计阶段，该软件允许设计师快速创建复杂的曲线作为桥梁线形，甚至支持使用数字素描板。创建了框架之后，组件库对于项目的成功至关重要。组件如桥墩、梁、柱等是智能的、基于规则的参数对象，在库中已进行过明确的分类。设计人员可以从库中选择所需的组件，并将它们放在桥梁轴线上，然后组件自动调整大小以适应该线形，并以良好协调的方式生成BIM模型。如果设计人员更改线形，该软件会驱动所有组件随之更新，从而大大节省了修改时间。软件还可以提供动画，以更好地展示提出的设计概念，比以前的静态三维可视化图纸更实用。
在施工图设计阶段，软件可以检查冲突以及设计错误。用户向软件中输入度量值来进行分析和优化构件。这些额外的安全检查对桥梁设计和施工至关重要。实际上，软件使SMEDI更容易对设计进行修改，甚至是非常频繁的修改，即便是在最后一分钟。而在过去，进行设计更改有时甚至需要比最初的设计阶段花费更长的时间。
杨高南路隧道
另一个值得注意的例子是上海的杨高南路隧道。
杨高南路(世纪高速公路—蒲建路)的改造覆盖了当前世纪高速公路与蒲建路跨线桥之间的区域，总长1.95公里。道路、隧道结构、桥梁(张家浜大桥)、雨污水管道、交通标志及线路、信号灯、通风、监控系统、输配电、建筑、绿化及相关设备，以及初期绿化及管道搬迁，建设安装费用14.55亿元，总投资24.7亿元。
本项目采用达索系统的 3D EXPERIENCE平台版本R2015x作为整个流程的BIM生产平台。与其他软件平台相比，3D EXPERIENCE平台采用云平台和中央服务器的结构模型，统一了项目的数据库。这为企业项目提供了可靠的数据安全保护。其次，平台支持BIM模型的类型扩展，在杨高南路项目中采用自定义统一类型的方法。隧道结构的侧石、护墙和沥青以统一的方式布置。这为后期定量测量和模拟实现提供了极大的方便。通过多学科、实时协调的BIM平台，结构、桥梁、管道领域的设计专业人员可以在同一平台上进行实时设计工作。这种同步建模功能可以立即识别设计过程中的任何错误，并快速检查不同模型之间的相互干扰。3DS平台上的BIM建模工作流方法已经初步形成。目前的软件格式可以支持a100km巷道的大型数据模型。整个BIM区域涵盖了最初的解决方案设计,中间详细的结构设计,后期实施模拟、项目报告和基于微软浏览器的在线浏览。创新的重复使用功能模板库可以与CATIA提供的模板函数,快速例证隧道结构的不同组件,从而避免重复建模和提高工作效率。
在项目方案论证阶段，引入BIM技术对三维设计进行可视化，对各种方案进行比较，并进行优化。在为政府领导人和项目业主举行的简介会中取得了令人满意的成果。在设计阶段，采用了BIM和常规的设计方法，并对设计结果进行了检验，以保证设计图纸的质量。在施工招标阶段，联合设计团队在基于BIM的建筑材料工程量估算方面取得了重大突破，并从BIM信息中成功获取了主体结构的混凝土和钢材数量，以及用于结构保护的混凝土和钢材数量。65%的估算与传统的计算相对照，并被用于项目的正式投标检查表中。
土木设计如何为基础设施提供帮助
集成BIM设计平台
达索系统的土木设计制造行业解决方案经验提供了协同3D EXPERIENCE平台支持，使设计模型和项目数据能够同时实时地访问任何地方和不同学科。这创建了一个由业主、工程师和土木设计师组成的交互式社区，他们可以并行工作，共享数据，并为每个项目构建质量和效率。用IFC和OmniClass流利地实时管理来自各种BIM环境的大量信息。用户可以从目录开始设计，并进行更新，这些更新立即反映在所有设计模型中。
协同设计
通过3D EXPERIENCE平台，设计模型和项目数据的实时访问，可以在任何地方和不同领域进行。没有用户是孤立的。客户可以从任意数量的平台导入数据，以创建一个单一来源的模型，在这个模型中，所有各方包括所有者、设计师、工程师和制造商，都可以作为集成设计社区的一部分而共同工作。
灵活的设计更改
能够使用土木工程目录中现有的3D模板，或者创建自己的原始模板以供将来使用，这使得使用土木设计进行制造，不仅可以高度定制，而且很容易重复使用。客户可以通过从可用组件列表中导入原型，使用已经建立的参数，然后轻松地修改它们，从而节省时间。在设计过程中，对任何模块所做的修改都将在整个模型中立即得到更新，以确保一致性，同时减少错误。这种功能可以帮助客户减少更新和修改3D模型的时间和精力。
大型模型处理
该平台集成了所有设计数据，包括大型BIM数据，如真实的地形信息。使用新的地质定位工具，用户可以将精确的现场数据带入模型，或者精确地准备一个挖掘场地。3D EXPERIENCE平台上的CATIA应用程序提供了长达200公里的数据处理能力。虚拟修改任何地形，自动进行相关的挖掘计算。坐标和地形信息可以提取到模型中使用，或者设计信息可以放在真实的地图中，为所有用户提供准确的站点概况和视觉检索。
设计与制造
用于制造的土木设计将概念设计模型与制造数据，以及施工成本、数量、规格和进度联系起来。它使客户能够从集成的BIM主数据生成预制模型。集成的设计过程减少了返工和浪费，提高了设计过程的效率。
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