常規橋梁標準化設計技術研究與應用

吳孫堯

（上海同豪土木工程咨詢有限公司，上海市200092）

0 引言

標準化是一項技術成熟的重要標志。近20年來，我國修建了大量高速公路橋梁，積累了豐富的設計經驗，也形成了很多標準化的成果。在橋梁設計領域，交通部頒布2008版標準圖，而各地區在其基礎上結合當地情況得到了差異化應用，形成了各地區的標準圖。但標準化技術并沒有徹底解決工程師繁重的施工圖設計和繪圖工作，除了橋梁設計專業領域本身的復雜性外，另一個關鍵原因是數字化技術沒有得到充分的應用。本文對常規橋梁標準化設計的現狀進行分析，并提出其解決思路和關鍵技術，最后介紹了標準化設計系統在實際工程中的應用效果。

1 常規橋梁標準化設計現狀分析

從體量來看，在高速公路項目中，常規橋梁數量往往占到所有沿線橋梁的80%甚至更多，而常規橋梁施工圖設計占大部分設計院業務量的70%以上。從技術成熟度來看，省部級院基本具備了一定的標準化設計水平，在部頒通用圖基礎上發展出了院級或地區標準圖，如各種路基寬度、跨徑、交角的T梁、小箱梁標準圖等。此外，常規橋梁設計經過了大量的生產實踐，技術已經非常成熟。

從生產工藝來看，設計師對標準圖的利用基本停留在套圖的水平。對于沒有標準圖的構件，則以手工繪圖并配合院內開發的或市場上的一些輔助設計繪圖軟件，但均不夠系統。對于常規橋梁領域，設計效率仍然很低，且由于存在大量人工控制，甚至還會出現很多低級錯誤。設計人員70%的工作在繪圖算量等低級重復勞動，而非設計本身。

2 問題分析

橋梁設計參數繁多。相比初步設計來說，施工圖設計細部參數至少是初步設計的10倍以上，且施工圖階段所有構造、筋束的參數必須做到精確無誤。由于參數總量的增加，參數間的關系呈級數膨脹。設計院通過頒布院級標準圖從一定程度上減少了參數數量，但沒有徹底解決。

橋梁設計的過程是反復的。主要表現為制作過程反復、多輪意見反復、上下游的反復。設計人員在制作設計文件的過程中，要面對大量的設計參數，且設計人員的認識水平也參差不齊，導致設計文件在制作階段就做大量的反復排錯、優化；各級別的校審流程、專家意見，以及這些意見本身的不統一，也是導致反復的必然過程；此外，上游的路線、地勘、水文等專業提資也存在迭代更新，施工圖提交以后，施工方也會針對現場提出一些變更需求。

材料數量表控制難度大。由于制作工藝多樣，設計材料數量的來源很雜，有來手工圖紙、制圖軟件圖紙以及手工直接算量。在不斷反復的修改過程中，材料數量統計也是不斷反復制作、校核，容易出現脫節導致錯誤。

根據以上分析發現，對于一個具有數萬參數的橋梁設計過程，面向結果控制不斷迭代一定會導致結果失控。這也是一些參數開放程度很高的智能設計與繪圖軟件較難被設計人員充分應用的主要原因之一。

3 解決思路

根據以上分析，提出一種面向輸入控制的標準化設計思路。具體從設計資料、設計過程、設計成果三個方面實現標準化。

設計資料標準化。解決設計資料反復更新迭代時，橋梁專業和上游專業之間的聯動。建立設計資料標準協議，包括：標準的數據格式、標準的存放路徑等，實現橋梁專業與上游專業標準化對接，見圖1。路線的標準格式如緯地、鴻業、BID-Road等，地勘的標準格式主要有理正、橋梁大師[1]等，對沒有成熟軟件數據格式的，也可用約定數據標準格式的excel、txt等實現。項目設計資料的存放路徑應采用與項目關聯的標準存放路徑。

圖1 設計資料標準化

設計過程標準化。將設計的過程簡化為一個標準化組裝的過程，即搭積木的過程。設計的過程要做到標準化，就要將構件內部的參數或算法全部封裝，即通過數字化的手段，將院標準圖專業思想通過參數化的形式入庫，形成智能工程族庫。標準化后，設計過程只剩下分孔、構件選型、必要的調整（如樁長調整），見圖2。

圖2 設計過程標準化

設計成果標準化。設計成果包括總體圖紙、構件詳圖、材料統計表等，其標準化主要表現為制圖標準、表達風格等。設計成果的表達要實現標準化，就要借助計算機自動繪圖技術，達到成果全部數控，成套施工圖表由計算機自動生成。當設計發生變更時，重新執行繪圖即可完成變更圖表成果。

4 關鍵技術

根據以上分析，提出一種面向輸入控制的標準化設計思路。具體從設計資料、設計過程、設計成果三個方面實現標準化。

實現面向輸入控制的標準化設計技術，重點就是要最大限度的減少輸入。實現該技術需要攻克以下三個關鍵技術，即系統性的自動出圖出圖、標準化庫技術、自動計量技術，分別闡述如下：

系統性的自動出圖技術。只要輸入正確，全部圖紙由程序自動出圖且保證正確。計算機自動制圖經過十幾年的發展已經初具規模，其思想是通過描述結構的關鍵可變參數，自動生成工程圖紙[2]。可借助已有的橋梁結構參數化制圖平臺實現。

標準化庫技術。將絕大部分參數取值規則、設計經驗入庫，大幅度降低輸入數據。將橋梁設計理解為由若干參數化的零件庫、構件庫通過設計流程將這些零部件有機組裝的過程。零件庫主要包括工程材料、橋面系、附屬結構、設計標準、制圖標準等，通過參數化的方式描述，并在設計過程中被調用，見圖3、圖4。

圖3 零件庫示例（HRB400）

圖4 零件庫示例（板式支座）

構件庫通過標準件庫、設計方法庫和經驗表描述一個構件。標準件庫是將標準圖通過數字化的常參數形式表達[3]，包括構造、鋼筋等所有參數，標準件庫是一個構件全部參數的表達，根據標準化程度的不同，標準件庫的參數被實際調用的程度存在差異。

設計方法庫則負責解決構件在實際橋梁上標準件庫的調用、構造的布置原則，見圖5、圖6。

圖5 設計方法示例（蓋梁）

圖6 設計方法示例（立柱）

最后，通過經驗表將構造和鋼筋中的常參數擴展為經驗表，該技術可極大的減少構件數量。經驗表由條件和值兩部分組成，通過對跨徑、橋寬、墩高等條件進行篩選，給出相應情況下的參數取值，見圖7、圖8。

圖7 鋼筋經驗表示例（立柱）

圖8 構造經驗表（蓋梁柱式墩）

構件庫的參數存在優先級，從低到高依次為標準件庫、設計方法庫、經驗表。即標準件庫中的參數可能被設計方法庫替換，設計方法庫和標準件庫中的參數最終也會被經驗表中的參數強制替換。對于常規裝配式橋梁，根據標準化程度的不同，不同構件的標準件庫、設計方法庫、經驗表三者的參數權重分布存在顯著差異。總體來說，裝配式構件比現澆構件的標準化程度更高，因此裝配式構件大部分參數直接用標準件庫即可表達，而現澆構件則更多的需要借助設計方法和經驗表來補充描述。舉例見表1。

表1 不同構件的參數權重分布示例

自動計量技術。計量規則需預置到程序中，每個構件的材料數量將通過運算法則送入材料數量表矩陣中去，自動完成計量。計量過程全封閉，原則上不得人工干預。當然，對于附屬結構和臨時結構，可通過給定計量算法公式，直接調用設計模型中的參數進行計量，也可通過人工干預實現。對于常規裝配式橋梁，可考慮按表2方式處理。

表2 不同構件的參數權重分布示例

5 應用

常規橋梁標準化設計系統已在某省實施落地并應用，并取得了很好的應用效果。該系統主要目標是實現等寬裝配式橋梁一鍵圖表。上下部構件共計10大類，考慮上構類型、橋寬、路基類型、斜交角、墩臺高度、抗震等級等情況，共計構件圖紙580套。通過應用標準化庫技術后，只需20個構件庫，見圖9。工程師在做常規橋梁設計時，只需要完成分孔、構件選型、調好樁長即可完成設計，通過自動出圖技術和自動計量技術完成所有圖表。

圖9 應用標準化庫技術后構件庫的效果

常規橋梁標準化設計系統的關鍵流程見圖10。

圖10 常規橋梁標準化設計系統的流程圖

6 結語

經過以上分析，結合系統在實踐中的效果，可以得出以下結論：

（1）在現有橋梁自動化制圖軟件基礎上，結合各設計院的技術標準及院標準化圖紙的技術積累，實現面向輸入控制的標準化設計技術是完全可行的。

（2）系統在實際應用中，在設計資料、設計過程、設計成果均實現標準化，標準化設計水平、設計效率大幅提升，常規橋梁的設計重心大幅度向設計本身轉移，解放工程師雙手的同時，通過標準化系統提高了設計成果的質量。

（3）等寬常規橋梁作為標準化設計系統的先期有益嘗試，為變寬復雜橋梁、現澆梁橋的標準化積累了基礎，也為其他同類型設計院提供了標準化系統定制研發的借鑒。