數字技術在路橋設計中的應用

吳 坤

（淮安市政設計研究院有限公司，江蘇淮安 223001）

1 路橋設計數字技術概念

數字技術是指使用數字化的信息和通信技術處理、傳輸和存儲數據的技術。數字技術的發展使得數據處理速度更快、數據存儲更便捷、信息交流更便利，同時也帶來了許多新的機遇和挑戰。數字技術的應用范圍涉及各個領域，包括通信、娛樂、金融、醫療、制造業等[1]。數字技術也推動了社會與經濟變革，例如數字化生產使得制造業更加智能化和高效化，數字化醫療服務使得醫療更加精準和高效。數字技術對生產生活產生了深遠影響，未來數字技術發展也將繼續推動著社會和經濟發展。在路橋設計中，數字技術可發揮重要的作用，主要體現在以下幾個方面。

第一，數字地圖。數字地圖可為路橋設計提供高精度地理信息，包括地形、地貌、地下管線等。設計人員可根據數字地圖信息，更好地規劃和設計路橋位置、形態和結構。

第二，數字化建模。數字化建模技術可將路橋設計方案通過計算機軟件進行三維建模，方便設計人員進行多維度設計和模擬分析，預測和優化方案的性能和可行性。

第三，虛擬現實。虛擬現實技術可模擬真實的路橋場景，設計人員可在虛擬環境中實時交互，調整和優化方案，提高設計效率和準確性。

第四，云計算。云計算技術可為路橋設計提供強大計算和存儲能力，加速設計過程和優化方案。

第五，智能化監測。數字技術可實現路橋智能化監測，包括使用傳感器監測路橋狀態、使用情況和健康狀況，通過大數據分析和人工智能技術實現預測性維護，提高路橋使用壽命和安全性。

2 路橋設計中應用數字技術的優勢

第一，提高設計效率和準確性。傳統的路橋設計方式需設計師手動繪制圖紙，這需花費大量的時間和人力，并且容易出現錯誤。數字技術可通過軟件實現自動化的設計和繪圖，極大提高了設計效率和準確性，彌補了傳統設計的缺點[2]。

第二，優化設計方案。數字技術可通過數字化建模和虛擬現實技術，將路橋設計方案進行三維建模和模擬分析，以便設計師更好地了解設計方案性能和可行性，從而實現優化設計方案、提高工程效益和經濟性的目的。

第三，提高工程質量。數字技術可通過智能化監測，使用傳感器和互聯設備對路橋進行實時監測，對路橋狀態、使用情況和健康狀況進行預測性維護，提高路橋使用壽命和安全性，同時可減少對路橋的維護和修復費用。

第四，加強設計和施工的協同性。數字技術可將設計師和施工人員的工作緊密結合起來，可在設計階段實現施工過程可視化和模擬，提前預測施工中存在的問題，從而加強設計和施工之間協同性，減少設計和施工中不確定性和錯誤。

第五，推動工程數字化和智能化。數字技術可推動路橋工程的數字化和智能化，實現數據的共享和交流，提高工程的協同性和效率。

3 數字技術在路橋設計中應用

3.1 信息采集

第一，三維激光掃描技術。三維激光掃描技術可實現對現有路橋結構快速、高效非接觸式采集，能夠精確地獲取路橋結構的幾何形態信息，包括結構的尺寸、形狀、曲率等信息，可用于建立三維模型或數字化檔案。

第二，空中無人機遙感技術。利用空中無人機遙感技術可對大范圍路橋進行快速、全面的高分辨率采集。無人機可搭載多種傳感器，如光學相機、雷達、激光測距儀等，可獲取路橋結構三維模型、圖像和紅外線數據，用于對路橋結構與環境的分析和評估[3]。

第三，傳感器和監測系統。傳感器和監測系統可實時監測路橋結構各種參數，如振動、應力、變形、溫度等，提供路橋結構健康狀況數據支持。數字技術可通過對這些數據進行實時監控、存儲、分析和處理，提供科學的決策依據。

第四，數據庫和信息共享平臺。數字技術可建立路橋信息數據庫和信息共享平臺，將采集到的信息進行整合和管理，實現信息的共享和交流。這些信息可用于工程建設、運營和維護中，提高工程效率和質量。

第五，模擬和仿真軟件。數字技術可通過使用模擬和仿真軟件，對路橋結構進行建模和仿真，從而實現對路橋結構的評估和優化。可對路橋在不同條件下的響應進行模擬和分析，比如荷載響應、自然災害響應等，為設計、運營和維護提供支持。

3.2 模型建立

在路橋設計中，數字技術可通過建立模型幫助設計人員進行仿真和分析，以優化設計方案，提高設計效率和質量。建立模型的過程包括以下幾個步驟。

第一，選擇建模軟件。根據路橋設計的需求和特點，選擇合適建模軟件。常用建模軟件包括Autodesk AutoCAD、Bentley MicroStation、Bentley OpenRoads、Autodesk InfraWorks 等。

第二，數據采集。使用數字技術，如激光掃描、遙感、傳感器監測等技術，采集路橋實際數據，包括路面、橋梁、隧道等各種結構和環境數據。

第三，數據處理和轉換。對采集到數據進行處理和轉換，將其轉化為數字化三維模型或二維圖形。

第四，建立模型。使用選定建模軟件，根據采集到的數據，建立路橋的三維模型或二維圖形。建立模型時，需考慮結構的幾何形狀、材料、荷載等因素，并根據需要添加細節和特征。

第五，優化模型。通過對模型進行分析和仿真，優化模型設計，以滿足設計需求。模型優化可包括結構強度、穩定性、振動響應、流體力學等方面分析和仿真。

第六，導出模型。將優化后模型導出合適的文件格式，以供后續的設計、建設、運營和維護使用。常用文件格式包括DWG、DGN、IFC、STEP 等。

3.3 圖紙導存

數字技術在路橋設計中可幫助設計人員將設計圖紙以數字化形式進行導出和存儲，以便后續使用和管理。

第一，導出為CAD 文件。設計人員可將設計圖紙導出為CAD 文件，如DWG 或DGN 等格式，以便后續的修改和編輯。CAD 文件具有通用性，可在不同的軟件平臺上打開和編輯，也可作為輸出格式提供給承包商和建造方。

第二，導出為BIM 模型。在現代化路橋設計中，建筑信息模型（BIM）成為一種重要的數字技術。設計人員可將設計圖紙轉化為BIM 模型，以便于后續協作和管理。BIM 模型可包含設計圖紙三維模型、參數、材料、荷載等信息，可為建造、運營和維護提供更加全面和準確信息。

第三，選擇合適文件格式。在導出圖紙前，需選擇合適文件格式。常用的文件格式包括DWG、DGN、IFC、STEP 等。不同的文件格式具有不同特點和應用范圍，需根據具體需求進行選擇。

第四，存儲圖紙。將導出圖紙保存到指定位置。通常將圖紙保存到電腦硬盤、云盤、U 盤等存儲設備中。同時，可根據需要，設置文件名、文件路徑和文件標簽，以便后續查找和使用。

第五，管理圖紙。對存儲圖紙進行管理，包括整理、分類、命名、備份、歸檔等操作。可使用數字技術中的圖紙管理軟件，如AutoCAD、Bentley ProjectWise 等，方便管理圖紙，以提高效率和準確性[4]。

3.4 工量計算

數字技術在路橋設計中可應用于工程量準確計算。通過數字技術，可自動獲取設計中結構尺寸、材料規格、施工工藝等信息，快速地進行工程量計算和分析。具體實現過程包括以下幾個步驟。

第一，建立模型。在數字技術的支持下，可建立精確的三維模型，包括結構物的幾何形狀、材料屬性、荷載情況等。這些模型可基于CAD、BIM 等軟件平臺進行建模，也可使用其他模擬軟件進行模擬分析。

第二，設定參數。根據設計要求和規范標準，設置相應參數，包括結構物尺寸、材料規格、施工工藝等。這些參數可通過軟件工具進行設置，也可手動輸入。

第三，進行計算。根據建立模型和設定參數，利用數字技術進行工程量計算。具體可采用有限元分析、數值計算等方法，計算結構物的荷載、應力、變形等相關參數，進而計算出工程量。

第四，分析結果。分析計算結果，檢查工程量的準確性和可行性。如果發現問題，可對模型和參數進行調整，重新進行計算和分析，以達到設計要求和規范標準。

3.5 協同設計

在路橋設計中，數字技術可幫助設計團隊實現協同設計。協同設計是指多個設計師、工程師和技術人員共同參與一個項目的設計過程，利用各自專業知識和技能進行合作，從而達到更好的設計效果。數字技術在路橋設計中應用于協同設計的例子如下。

第一，BIM 技術。建筑信息模型（BIM）是一種數字技術，可幫助設計團隊實現協同設計。BIM 技術可將設計團隊的不同專業（如結構、土木、給排水、電氣等）的模型集成在一起，形成一個整體模型，從而實現協同設計[5-7]。設計團隊成員可對模型進行修改、更新、共享和討論，以實現更好的設計效果。

第二，云計算技術。云計算技術可提供基于云端設計平臺，使設計團隊可隨時隨地進行設計，不受地理位置限制。設計團隊成員可使用云平臺上協同設計工具，進行實時設計共享和討論。可快速進行設計，減少溝通成本，提高設計效率。

第三，項目管理軟件。項目管理軟件可幫助設計團隊協同管理設計過程。設計團隊成員可使用項目管理軟件，實現任務分配、進度追蹤、成員協作、問題跟蹤等功能。保證項目的進度和質量，提高設計效率。

4 結語

數字技術在路橋設計中的應用，可極大地提高設計效率和質量，為路橋工程建設和發展提供有力支持。同時，數字技術應用也面對一些挑戰，如數據質量保障、技術應用復雜性、設計團隊協同難度等。因此，在應用數字技術的過程中，需不斷學習、創新、實踐，不斷完善技術體系和管理體系，以確保數字技術的應用能夠為路橋設計帶來真正的效益。隨著技術不斷發展和應用深入推進，數字技術在路橋設計中應用會越來越成熟和普及，為路橋設計行業的未來發展開創更加廣闊的空間和前景。