道路与桥梁工程设计的常见问题及对策研究

2023-10-30周顺雨

建材与装饰 2023年32期

周顺雨

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330031）

0 引言

该工程为某城市广场的人行桥建设，上部结构采用钢制圆筒形桁桥，筒外径为3.7m，内径为3.2m，跨径达到70m，构件均采用异形构件。在技术标准方面，设计载荷为5000kPa，桥面净宽达到5m，设计洪水频率为1/100，坡度为2%，地震基本烈度为Ⅶ度。桥梁效果如图1 所示。

图1 桥梁效果

1 道路与桥梁工程设计的常见问题

通过实际调查显示，在工程建设阶段存在以下几点设计问题：设计方案较为落后，由于道路与桥梁工程的施工周期较长，涉及内容较多，若想进一步保障设计质量与效率，势必要采取先进的设计理念，契合时代发展特征，站在实际角度，充分考虑设计重点与难点。但在实践过程中，许多设计人员没有做好工程项目的环境考察与资料收集，设计思想较为落后，为了尽可能缩短设计工期，减少成本经济的支出，经常出现缺少对设计规划的全方位审核，存在大量交叉作业的问题。导致设计方案无法有效落实，大量资源被浪费，潜在的风险隐患难以准确排查。

例如，以往采用的CAD 设计方法不同的视图大多由设计师绘画出来，担当改变一个构件的时候，CAD 无法做到有效关联，对于人行桥建设来说，难以避免的会造成计算与出图需要在不同软件平台工作，造成信息无法及时交换，加大工作量。且BIM 核心软件本身对于桥梁计算的支持有线，采用Revit Structural 软件的计算模块，也只能完成建筑结构类工程的简单计算，无法符合桥梁的计算要求。

并且相关部门未给予设计人员足够的自主权限，人员本身的专业能力也有待进一步提升；实地考察不到位，设计人员对于施工图纸的研究不彻底，对于施工着力点的问题考虑不周到，缺少设计结构是否符合实际运用的判断，也没有将施工成本作为设计重点；设计结构不合理，道路与桥梁工程在设计阶段需要确保数据准确、设计规划科学，并遵从经济性、安全性原则，促进工程建设的顺利进行。但设计人员的创新意识不足，受传统设计思想束缚，无论是在新材料的制备上、新工艺的引入上，还是在新设备的研发上，都略显吃力，造成资源变相流失，可再生资源的使用效果达不到预期效果，不利于路桥事业的发展。且有关部门的监管力度不足，管理体系不够健全，无法第一时间找出安全隐患的根源。

例如，由于桥梁结构的形式相对房屋建筑而言比较复杂，同时，要较大的跨越能力，因此，桥梁需要较高的力学分析水平，并且本次工程中的异型构件较多，需要反复验算确定其尺寸和配筋。

为解决上述问题，设计人员要不断提升自我，掌握先进的技术手段，提高设计方案的合理性，科学性，充分考虑设计内容的经济性、安全性与耐久性。管理部门则要做好监理工作，加强材料的质量审核，促进不同部门之间的沟通、协作，并加强信息化技术的应用。

2 道路与桥梁工程设计常见问题的解决措施

对于道路与桥梁工程设计隐患的常见问题，笔者提出将建筑信息模型（building information modeling,BIM）技术运用在道路桥梁工程设计阶段，该技术是指根据建筑工程信息数据，作为模型基础，通过打造3D数字模型，初案如图2 所示，借助信息仿真模拟建筑物情况。通过融合三维数字技术与信息共享理念，进行建设项目功能信息的数字化表达，为建筑项目设计提供全生命周期决策支持。相较于传统的二维设计来说，BIM 技术无论是在设计环境上，还是在可操作性上都更加优越，可以更好处理复杂桥梁造型。

图2 桥梁3D 建模初案

具体的应用方法如下。

2.1 基于“族”的参数化建模

参数化建模是指一种计算机辅助设计方法，可以理解为参数化设计的过程。在参数化建模环境下，零件由特征组成，特征则由空间构成，其中正空间的特征表现为真实存在的块，而负空间的特征表现为切除的部分。简单来说，参数化建模是利用参数控制图元属性与行为，定义构件间的关系，通过提供设计对象信息，基于参数完成构件的表达。设计人员可借助修正参数的方式，实现模型内构件大小的调节。而BIM 模型的建立便是以此思想为基础，其基本对象是涵盖属性信息的实体构件，并非传统的点、线等几何元素。因此整个模型更像是一个信息库，能够在建筑物生命周期不断补充与细化。基于此，设计人员可借助BIM 程序软件，将所有图元以“族”为基础，其中“族”类似于计算机辅助设计（CAD）中的图块，在创建时可定义“族”的类别，且每个“族”都能定义多种类别，比如桥面属于结构连接类别。之后设计人员可通过搭接“族”，添加各类建筑构件信息，并结合实际情况进行参数修改，完成载入“族”的载入与载出，从而达到提高建模效率的目的。例如，本次工程的具体设计参数最终可确定如下：①材料：Q345 钢材。②计算荷载：结构自重，人行荷载25kN/m，二期荷载25kN/m。③边界条件：左，固定铰支座；右，约束横向与竖向位移。④界面性质：其中上下弦杆截面对其Y 轴、Z 轴的截面惯性矩为0.0019m4、0.0025m4。端腹杆截面对其Y 轴、Z 轴的截面惯性矩为0.0023m4、0.0039m4；其余腹杆截面对其Y 轴、Z 轴的截面惯性矩为0.0012m4、0.0009m4；根据上述数据可实现空间梁单元结构模拟，确定荷载作用下结构位移与应力[1]。

2.2 协同设计

协同设计可以理解为利用打造统一的设计标准，包括图层、线型等，由所有设计专业人员在统一的平台中完成设计作业，避免不同专业之间因沟通不畅、交流不及时造成的错、漏、缺，实现图纸信息单元的单一性，做到一处修改其他自动修改，最大程度提高设计质量与效率。基于BIM 技术的协同设计需要将承载项目数据的创建、传递与管理作为核心，利用三维数字模型，充分体现信息时代下人们协作分工的理念。在道路桥梁工程中，BIM 技术开发的协同工作模式可分为以下几种，工作集模式，是指作用在数据层面，由工作人员在计算机上完成内容设计，以三维工程信息模型为依托，每个设计人员将设计内容同步至服务器的中心文件，并在项目中心文件借用其他项目小组成员的建筑图元，达到交叉设计的目的。通常来说，专业不同，则对应的工作内容也会存在一定差异性。比如桥梁专业主要包括类似桥墩、支座的图元；链接模式，是指不同专业有机结合的协作体系，在项目中，要求各专业打造属于自己的三维信息模型文件，之后利用外部链接的形式，实现三维模型的整合，完成管线综合设计。

在开展协同设计过程中需要注意，结构模型、管线模型要及时链接在建筑模型当中，完成同步更新，将相关信息导入模型内，在此基础上完成碰撞检查，用以找出模型中是否存在交叉问题，并第一时间进行修改，解决实际问题。以Autodesk 公司开发的Revit 软件（图3）为例，该软件可自动生成视图环节，结合“族”库的设定，支持多专业协同作业，基于数据共享模式进行数据传递。首先要完成已有构筑物的信息化处理，考虑好桥梁、道路之间的配合关系，将桥梁方案设计、排水管线设计等内容涵盖在内。其次要根据不同需求开发软件的独有特性。例如，Civil 3D 软件更适合运用在场地处理方面，在道路设计上的功能更加完善；Catia 软件在空间构造方面的优势更加突出，在绘制三维曲线，完成曲面编辑时功能较为强大；Revit 软件则具有极强的后期构建能力。设计人员可通过不同软件的协同使用，结合BIM 模型，提高设计的时效性、准确性、实用性[2]。

图3 Revit 软件

2.3 钢筋设计

道路桥梁中钢筋结构是最重要的设计部分之一，其质量好坏将直接结果工程的安全性与耐久性。以往设计人员大多利用CAD 完成施工图出图配筋设计，但此类设计方式的问题在于无法直接看到钢筋实体形状，且钢筋与钢束之间的冲突较高。为解决此类问题，可利用Revit 软件将配筋类型创建、钢筋可视化等内容涵盖在内，由设计师在剖面视图中完成配筋作业，通过切换至三维视图，查看配筋效果。之后借助碰撞检查功能（图4），判断是否存在钢筋冲突问题。同时要注意，钢筋需要附着在主体上，如梁等构件，在探究时，基于“族”的参数化功能创建钢筋主体过程中，需要把控好“族”的模板文件，不可将公制常规模型作为钢筋主体。具体的配筋思路表现如下：在Revit 软件内打造钢筋附着主体构件，利用视图菜单剖面，切出需要的配筋剖面。之后根据工程要求以及软件系统提供的钢筋形状进行设计[3]。

图4 钢筋碰撞检查

2.4 工程量统计

以往的二维道路与桥梁工程设计，需要在比对设计方案时通过人工计算工程量的形式，但在实际执行环节，经常出现CAD 图纸只能实现点、面等信息存储的问题，人工计算的工程量精确度无法达到预期标准，造价统计结果准确性不佳。进一步加大了校核人员的工作难度。而在引入BIM 技术后，可将桥梁建模信息存储在模型数据库，使工作人员直接利用计算机进行数据的统计、整合、分析、计算与运用，在模型构建完成后，工程量便可利用软件系统中的工程量统计选项获取。这样不仅可以有效避免因人工操作失误引发的数据丢失与遗漏，也能进一步提高计算结果的准确性与精确度，从而提供给造价部门，有助于工程造价的把控，防止资源浪费、资金支出过高。除此之外，当设计人员调整模型时，可重新设计桥梁构件，而工程量可自动跟随构件信息的改变发生调整。既能保证工程量统计的高效、便捷，也能确保数据真实、可靠，提高人员作业效率[4]。

2.5 图纸输出

施工图设计图纸是设计方交付给业主的最终成果，但随着我国项目建设复杂度的不断提升，以往采用二维设计生成的施工图纸已经无法准确表达设计者的意图。一旦项目产生变更，此类施工图的修改极为烦琐。为解决此类问题，设计师可结合BIM 技术，打造桥梁三维信息模型，由模型生成平面二维施工图，实现施工图绘制的自动化。设计人员在BIM 模型内只需考虑切开剖面，并在剖面视图内输入相关参数信息，这样设计师便可结合出图需要进行针对性调整，实现直接出图，此类方式的出图效率远高于二维设计。BIM 建模如图5 所示，由于在建模环节，设计人员已完成构件信息编号的输入，因此制得的施工图不可随意修改，且图纸中零构件的数量、材质也不可在施工图纸进行调整。只可借助修改模型参数的方法，才能满足修改图纸的要求，确保图纸与模型一致。以此起到避免人为改图错误的作用，增强施工图准确性[5]。