道路與橋梁工程設計的常見問題及對策研究

周順雨

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330031）

0 引言

該工程為某城市廣場的人行橋建設，上部結構采用鋼制圓筒形桁橋，筒外徑為3.7m，內(nèi)徑為3.2m，跨徑達到70m，構件均采用異形構件。在技術標準方面，設計載荷為5000kPa，橋面凈寬達到5m，設計洪水頻率為1/100，坡度為2%，地震基本烈度為Ⅶ度。橋梁效果如圖1 所示。

圖1 橋梁效果

1 道路與橋梁工程設計的常見問題

通過實際調(diào)查顯示，在工程建設階段存在以下幾點設計問題：設計方案較為落后，由于道路與橋梁工程的施工周期較長，涉及內(nèi)容較多，若想進一步保障設計質(zhì)量與效率，勢必要采取先進的設計理念，契合時代發(fā)展特征，站在實際角度，充分考慮設計重點與難點。但在實踐過程中，許多設計人員沒有做好工程項目的環(huán)境考察與資料收集，設計思想較為落后，為了盡可能縮短設計工期，減少成本經(jīng)濟的支出，經(jīng)常出現(xiàn)缺少對設計規(guī)劃的全方位審核，存在大量交叉作業(yè)的問題。導致設計方案無法有效落實，大量資源被浪費，潛在的風險隱患難以準確排查。

例如，以往采用的CAD 設計方法不同的視圖大多由設計師繪畫出來，擔當改變一個構件的時候，CAD 無法做到有效關聯(lián)，對于人行橋建設來說，難以避免的會造成計算與出圖需要在不同軟件平臺工作，造成信息無法及時交換，加大工作量。且BIM 核心軟件本身對于橋梁計算的支持有線，采用Revit Structural 軟件的計算模塊，也只能完成建筑結構類工程的簡單計算，無法符合橋梁的計算要求。

并且相關部門未給予設計人員足夠的自主權限，人員本身的專業(yè)能力也有待進一步提升；實地考察不到位，設計人員對于施工圖紙的研究不徹底，對于施工著力點的問題考慮不周到，缺少設計結構是否符合實際運用的判斷，也沒有將施工成本作為設計重點；設計結構不合理，道路與橋梁工程在設計階段需要確保數(shù)據(jù)準確、設計規(guī)劃科學，并遵從經(jīng)濟性、安全性原則，促進工程建設的順利進行。但設計人員的創(chuàng)新意識不足，受傳統(tǒng)設計思想束縛，無論是在新材料的制備上、新工藝的引入上，還是在新設備的研發(fā)上，都略顯吃力，造成資源變相流失，可再生資源的使用效果達不到預期效果，不利于路橋事業(yè)的發(fā)展。且有關部門的監(jiān)管力度不足，管理體系不夠健全，無法第一時間找出安全隱患的根源。

例如，由于橋梁結構的形式相對房屋建筑而言比較復雜，同時，要較大的跨越能力，因此，橋梁需要較高的力學分析水平，并且本次工程中的異型構件較多，需要反復驗算確定其尺寸和配筋。

為解決上述問題，設計人員要不斷提升自我，掌握先進的技術手段，提高設計方案的合理性，科學性，充分考慮設計內(nèi)容的經(jīng)濟性、安全性與耐久性。管理部門則要做好監(jiān)理工作，加強材料的質(zhì)量審核，促進不同部門之間的溝通、協(xié)作，并加強信息化技術的應用。

2 道路與橋梁工程設計常見問題的解決措施

對于道路與橋梁工程設計隱患的常見問題，筆者提出將建筑信息模型（building information modeling,BIM）技術運用在道路橋梁工程設計階段，該技術是指根據(jù)建筑工程信息數(shù)據(jù)，作為模型基礎，通過打造3D數(shù)字模型，初案如圖2 所示，借助信息仿真模擬建筑物情況。通過融合三維數(shù)字技術與信息共享理念，進行建設項目功能信息的數(shù)字化表達，為建筑項目設計提供全生命周期決策支持。相較于傳統(tǒng)的二維設計來說，BIM 技術無論是在設計環(huán)境上，還是在可操作性上都更加優(yōu)越，可以更好處理復雜橋梁造型。

圖2 橋梁3D 建模初案

具體的應用方法如下。

2.1 基于“族”的參數(shù)化建模

參數(shù)化建模是指一種計算機輔助設計方法，可以理解為參數(shù)化設計的過程。在參數(shù)化建模環(huán)境下，零件由特征組成，特征則由空間構成，其中正空間的特征表現(xiàn)為真實存在的塊，而負空間的特征表現(xiàn)為切除的部分。簡單來說，參數(shù)化建模是利用參數(shù)控制圖元屬性與行為，定義構件間的關系，通過提供設計對象信息，基于參數(shù)完成構件的表達。設計人員可借助修正參數(shù)的方式，實現(xiàn)模型內(nèi)構件大小的調(diào)節(jié)。而BIM 模型的建立便是以此思想為基礎，其基本對象是涵蓋屬性信息的實體構件，并非傳統(tǒng)的點、線等幾何元素。因此整個模型更像是一個信息庫，能夠在建筑物生命周期不斷補充與細化。基于此，設計人員可借助BIM 程序軟件，將所有圖元以“族”為基礎，其中“族”類似于計算機輔助設計（CAD）中的圖塊，在創(chuàng)建時可定義“族”的類別，且每個“族”都能定義多種類別，比如橋面屬于結構連接類別。之后設計人員可通過搭接“族”，添加各類建筑構件信息，并結合實際情況進行參數(shù)修改，完成載入“族”的載入與載出，從而達到提高建模效率的目的。例如，本次工程的具體設計參數(shù)最終可確定如下：①材料：Q345 鋼材。②計算荷載：結構自重，人行荷載25kN/m，二期荷載25kN/m。③邊界條件：左，固定鉸支座；右，約束橫向與豎向位移。④界面性質(zhì)：其中上下弦桿截面對其Y 軸、Z 軸的截面慣性矩為0.0019m4、0.0025m4。端腹桿截面對其Y 軸、Z 軸的截面慣性矩為0.0023m4、0.0039m4；其余腹桿截面對其Y 軸、Z 軸的截面慣性矩為0.0012m4、0.0009m4；根據(jù)上述數(shù)據(jù)可實現(xiàn)空間梁單元結構模擬，確定荷載作用下結構位移與應力[1]。

2.2 協(xié)同設計

協(xié)同設計可以理解為利用打造統(tǒng)一的設計標準，包括圖層、線型等，由所有設計專業(yè)人員在統(tǒng)一的平臺中完成設計作業(yè)，避免不同專業(yè)之間因溝通不暢、交流不及時造成的錯、漏、缺，實現(xiàn)圖紙信息單元的單一性，做到一處修改其他自動修改，最大程度提高設計質(zhì)量與效率。基于BIM 技術的協(xié)同設計需要將承載項目數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、傳遞與管理作為核心，利用三維數(shù)字模型，充分體現(xiàn)信息時代下人們協(xié)作分工的理念。在道路橋梁工程中，BIM 技術開發(fā)的協(xié)同工作模式可分為以下幾種，工作集模式，是指作用在數(shù)據(jù)層面，由工作人員在計算機上完成內(nèi)容設計，以三維工程信息模型為依托，每個設計人員將設計內(nèi)容同步至服務器的中心文件，并在項目中心文件借用其他項目小組成員的建筑圖元，達到交叉設計的目的。通常來說，專業(yè)不同，則對應的工作內(nèi)容也會存在一定差異性。比如橋梁專業(yè)主要包括類似橋墩、支座的圖元；鏈接模式，是指不同專業(yè)有機結合的協(xié)作體系，在項目中，要求各專業(yè)打造屬于自己的三維信息模型文件，之后利用外部鏈接的形式，實現(xiàn)三維模型的整合，完成管線綜合設計。

在開展協(xié)同設計過程中需要注意，結構模型、管線模型要及時鏈接在建筑模型當中，完成同步更新，將相關信息導入模型內(nèi)，在此基礎上完成碰撞檢查，用以找出模型中是否存在交叉問題，并第一時間進行修改，解決實際問題。以Autodesk 公司開發(fā)的Revit 軟件（圖3）為例，該軟件可自動生成視圖環(huán)節(jié)，結合“族”庫的設定，支持多專業(yè)協(xié)同作業(yè)，基于數(shù)據(jù)共享模式進行數(shù)據(jù)傳遞。首先要完成已有構筑物的信息化處理，考慮好橋梁、道路之間的配合關系，將橋梁方案設計、排水管線設計等內(nèi)容涵蓋在內(nèi)。其次要根據(jù)不同需求開發(fā)軟件的獨有特性。例如，Civil 3D 軟件更適合運用在場地處理方面，在道路設計上的功能更加完善；Catia 軟件在空間構造方面的優(yōu)勢更加突出，在繪制三維曲線，完成曲面編輯時功能較為強大；Revit 軟件則具有極強的后期構建能力。設計人員可通過不同軟件的協(xié)同使用，結合BIM 模型，提高設計的時效性、準確性、實用性[2]。

圖3 Revit 軟件

2.3 鋼筋設計

道路橋梁中鋼筋結構是最重要的設計部分之一，其質(zhì)量好壞將直接結果工程的安全性與耐久性。以往設計人員大多利用CAD 完成施工圖出圖配筋設計，但此類設計方式的問題在于無法直接看到鋼筋實體形狀，且鋼筋與鋼束之間的沖突較高。為解決此類問題，可利用Revit 軟件將配筋類型創(chuàng)建、鋼筋可視化等內(nèi)容涵蓋在內(nèi)，由設計師在剖面視圖中完成配筋作業(yè)，通過切換至三維視圖，查看配筋效果。之后借助碰撞檢查功能（圖4），判斷是否存在鋼筋沖突問題。同時要注意，鋼筋需要附著在主體上，如梁等構件，在探究時，基于“族”的參數(shù)化功能創(chuàng)建鋼筋主體過程中，需要把控好“族”的模板文件，不可將公制常規(guī)模型作為鋼筋主體。具體的配筋思路表現(xiàn)如下：在Revit 軟件內(nèi)打造鋼筋附著主體構件，利用視圖菜單剖面，切出需要的配筋剖面。之后根據(jù)工程要求以及軟件系統(tǒng)提供的鋼筋形狀進行設計[3]。

圖4 鋼筋碰撞檢查

2.4 工程量統(tǒng)計

以往的二維道路與橋梁工程設計，需要在比對設計方案時通過人工計算工程量的形式，但在實際執(zhí)行環(huán)節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)CAD 圖紙只能實現(xiàn)點、面等信息存儲的問題，人工計算的工程量精確度無法達到預期標準，造價統(tǒng)計結果準確性不佳。進一步加大了校核人員的工作難度。而在引入BIM 技術后，可將橋梁建模信息存儲在模型數(shù)據(jù)庫，使工作人員直接利用計算機進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、整合、分析、計算與運用，在模型構建完成后，工程量便可利用軟件系統(tǒng)中的工程量統(tǒng)計選項獲取。這樣不僅可以有效避免因人工操作失誤引發(fā)的數(shù)據(jù)丟失與遺漏，也能進一步提高計算結果的準確性與精確度，從而提供給造價部門，有助于工程造價的把控，防止資源浪費、資金支出過高。除此之外，當設計人員調(diào)整模型時，可重新設計橋梁構件，而工程量可自動跟隨構件信息的改變發(fā)生調(diào)整。既能保證工程量統(tǒng)計的高效、便捷，也能確保數(shù)據(jù)真實、可靠，提高人員作業(yè)效率[4]。

2.5 圖紙輸出

施工圖設計圖紙是設計方交付給業(yè)主的最終成果，但隨著我國項目建設復雜度的不斷提升，以往采用二維設計生成的施工圖紙已經(jīng)無法準確表達設計者的意圖。一旦項目產(chǎn)生變更，此類施工圖的修改極為煩瑣。為解決此類問題，設計師可結合BIM 技術，打造橋梁三維信息模型，由模型生成平面二維施工圖，實現(xiàn)施工圖繪制的自動化。設計人員在BIM 模型內(nèi)只需考慮切開剖面，并在剖面視圖內(nèi)輸入相關參數(shù)信息，這樣設計師便可結合出圖需要進行針對性調(diào)整，實現(xiàn)直接出圖，此類方式的出圖效率遠高于二維設計。BIM 建模如圖5 所示，由于在建模環(huán)節(jié)，設計人員已完成構件信息編號的輸入，因此制得的施工圖不可隨意修改，且圖紙中零構件的數(shù)量、材質(zhì)也不可在施工圖紙進行調(diào)整。只可借助修改模型參數(shù)的方法，才能滿足修改圖紙的要求，確保圖紙與模型一致。以此起到避免人為改圖錯誤的作用，增強施工圖準確性[5]。

圖5 BIM 建模

3 結語

綜上所述，通過以某地方道路橋梁工程作為研究對象，闡述在設計階段存在的不足之處，提出將BIM 技術運用在工程設計階段，以此提高工程設計質(zhì)量，消除潛在的安全隱患，保證施工作業(yè)有序進行。根據(jù)研究調(diào)查顯示，本文所提出的方法能夠取得良好的施工效果，希望此類施工措施對日后同類地質(zhì)條件施工，具有參考價值。