芻議我國道路橋梁設(shè)計的理念變更及實踐進展

唐瑩　鄒愛琴

摘 要：設(shè)計作為道路橋梁工程中的重要環(huán)節(jié)，對后期的施工、運行、維護、報廢、回收環(huán)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。文章概述了我國改革開放以來路橋設(shè)計上的理念變更及實踐進展，以期了解路橋設(shè)計的發(fā)展方向，從而為路橋工程的發(fā)展提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：道路橋梁設(shè)計；理念；耐久性設(shè)計；全壽命周期

引言

國內(nèi)經(jīng)濟的高速發(fā)展對基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)提出了嚴(yán)峻的要求。如何使道路橋梁建設(shè)滿足日益加速的城市化進程和蓬勃發(fā)展的交通運輸業(yè)已成為目前路橋工程的關(guān)鍵議題。縱觀我國改革開放以來的交通設(shè)施建設(shè)，道路橋梁設(shè)計雖然積累了豐富的經(jīng)驗，但同時也暴露出設(shè)計理念落后、對設(shè)施耐久性與安全性關(guān)注不夠、設(shè)施實際使用壽命短等問題，如何改善這些問題也成為業(yè)內(nèi)學(xué)者關(guān)注的焦點。圍繞這些問題及其解決方法，文章將總結(jié)我國道路橋梁設(shè)計的理論與實踐上的進展。

1 我國路橋設(shè)計理念的發(fā)展

1.1 道路橋梁設(shè)計方案選擇由主觀走向科學(xué)

道路橋梁設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計人員在篩選設(shè)計方案時需要根據(jù)“經(jīng)濟、適用、安全、美觀”八字原則考慮許多因素，包括當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件、氣象條件、車輛載荷、施工成本預(yù)算、工期、建筑材料、施工技術(shù)、設(shè)計規(guī)范、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。然而，這些因素相互關(guān)聯(lián)、相互制衡、相互牽制，“經(jīng)濟、適用、安全、美觀”這些原則很難同時滿足，因此道路橋梁設(shè)計也可以看作是一個復(fù)雜的非線性決策系統(tǒng)。多年來，往往依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗先初選建材、布置、結(jié)構(gòu)尺寸，在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)分析和受力分析，最后得到滿足適用性和安全性要求的、成本最低的設(shè)計方案。這種依靠主觀經(jīng)驗篩選出的設(shè)計方案往往忽視了道路橋梁的耐久性，因此隨著使用年限增長以及載流量的增大，容易誘發(fā)安全事故。近年來，有學(xué)者建議，在選擇設(shè)計方案時，應(yīng)該采用最大關(guān)聯(lián)度模型、層次分析模型、模糊綜合評判模型等較科學(xué)的數(shù)學(xué)模型方法，以代替主觀、片面的決策過程[1，2]。這可以看作是科學(xué)決策理論與路橋工程學(xué)科交叉的過程，對于我國道路橋梁設(shè)計的理念的進一步完善是有利的。

1.2 “耐久性設(shè)計”理念的提出與發(fā)展

范立礎(chǔ)院士[3]曾經(jīng)指出，我國多年來普遍采用的路橋設(shè)計理念與歐美等先進國家存在一定差距。比如，以“經(jīng)濟、適用、安全、美觀”八字原則指導(dǎo)的傳統(tǒng)路橋設(shè)計偏重建設(shè)施工過程，輕視維護管理；重視結(jié)構(gòu)強度，忽視耐久性。事實表明，這種相對短視的設(shè)計理念使我國在路橋運營和維護檢修中付出了嚴(yán)重代價。這種設(shè)計理念主要是基于建設(shè)施工過程的，同時兼顧設(shè)計使用年限，其嚴(yán)重缺陷是沒有給予路橋的環(huán)境影響和使用壽命以足夠的重視。

與以往的設(shè)計理念不同，“耐久性設(shè)計”是基于全壽命周期的設(shè)計。所謂全壽命周期，其定義是道路橋梁從規(guī)劃設(shè)計開始到拆除的完整時間段。從時間長度上來看，全壽命周期不僅包含設(shè)計使用年限，還包含養(yǎng)護、維修、報廢、回收階段，是一個“從搖籃到墳?zāi)埂保╢rom cradle to grave）的完整周期。采用“耐久性設(shè)計”的最顯著好處是，在設(shè)計時考慮全局成本而非僅建筑施工成本，從源頭上避免出現(xiàn)路橋后期運營維護費用過大的隱患。保證道路橋梁的耐久性使用需要設(shè)計、施工、運營和維護各階段的投入，“耐久性設(shè)計”尤其強調(diào)要把周期性維護檢修的成本考慮在內(nèi)。在耐久性設(shè)計中，后期維護的可行性及維護難度作為重要因素被給予了較高的權(quán)重，這很有可能決定最終采用的設(shè)計方案。“耐久性設(shè)計”理念符合可持續(xù)發(fā)展觀念的設(shè)計理念，它以建筑設(shè)施的整體使用性能為目標(biāo)函數(shù)，符合設(shè)計初衷和人民的根本利益。

由于面向全壽命周期，“耐久性設(shè)計”理念有時也被稱作“全壽命設(shè)計”。后者作為目前許多學(xué)者所推崇和提倡的學(xué)術(shù)概念，其實擁有更廣泛的內(nèi)涵。“全壽命設(shè)計”思想是“耐久性設(shè)計”理念的進一步發(fā)展，它要求設(shè)計人員不僅考慮建筑設(shè)施的使用性能，同時還必須考慮道路橋梁對周圍環(huán)境的深遠影響，以環(huán)境效益、社會效益、經(jīng)濟效益的平衡為最終衡量目標(biāo)。

2 我國道路橋梁設(shè)計的實踐進展

伴隨著設(shè)計理念的逐漸完善與進步，我國道路橋梁設(shè)計實踐取得了長足進展。以發(fā)展的眼光來看，我國的路橋設(shè)計水平與發(fā)達國家的先進設(shè)計水平之間的差距在逐漸縮小，各地拔地而起的大跨度橋梁、城市立交橋、山區(qū)公路與隧道表明我國的路橋工程蓬勃發(fā)展。

2.1 計算機輔助技術(shù)的深入應(yīng)用與路橋設(shè)計水平的切實提高

在路橋設(shè)計過程中，利用專業(yè)軟件的快速優(yōu)化、仿真分析、算法比較等功能或者計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件，可以大大優(yōu)化道路橋梁的設(shè)計過程。CAD的廣泛應(yīng)用使得平面定線、縱斷面設(shè)計、橫斷面檢查、平面調(diào)整等流程自動優(yōu)化進行，極大解放了我國道路橋梁設(shè)計人員的生產(chǎn)力，減輕了他們的勞動強度。目前國內(nèi)路橋CAD軟件的發(fā)展呈現(xiàn)“百花齊放”的態(tài)勢，先后涌現(xiàn)出“緯地三維道路設(shè)計系統(tǒng)”、“路線大師”、“EICAD”、“海地”等優(yōu)秀國產(chǎn)道路CAD軟件及“橋梁博士”、“橋梁大師”、“橋梁通”等優(yōu)秀國產(chǎn)橋梁CAD軟件。CAD軟件的普及不僅表明我國路橋設(shè)計人員的從業(yè)水平整體較高，而且表明我國的路橋設(shè)計已經(jīng)初步符合“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計”的現(xiàn)代設(shè)計理念。

隨著快速發(fā)展的計算機技術(shù)被運用于路橋設(shè)計和施工，通過數(shù)值模擬與仿真分析，設(shè)計師們能夠更精準(zhǔn)地模擬路橋建造過程中的各種工況、路橋建成后的結(jié)構(gòu)、外觀和功能，設(shè)施在臺風(fēng)、地震及其他突發(fā)條件下的運行表現(xiàn)，路橋設(shè)施對周圍生態(tài)環(huán)境的影響以及視覺效果，便于方案在“全壽命周期”的時間尺度內(nèi)進行綜合比較。

2.2 智能檢測設(shè)備和無損檢測技術(shù)的應(yīng)用與設(shè)計方案細節(jié)的動態(tài)調(diào)整機制

在路橋設(shè)計完成、施工完成、投入運行后，對路橋的定期維護和修養(yǎng)就成為保證其使用壽命的關(guān)鍵。智能檢測設(shè)備和無損檢測技術(shù)不僅可以使維護人員輕松發(fā)現(xiàn)裂縫和伸縮縫，及時進行維修防護；而且這些設(shè)備技術(shù)還使工程的遠程監(jiān)控管理成為可能，從而降低運營成本。

根據(jù)“耐久性設(shè)計”與“全壽命設(shè)計”的理念，運營維護期間發(fā)現(xiàn)的問題一般會及時反饋給設(shè)計者，以便分析成因，從而在以后的設(shè)計中有所借鑒。此外，針對保養(yǎng)維護期間發(fā)現(xiàn)的問題，設(shè)計師們根據(jù)實際情況對設(shè)計方案細節(jié)往往會進行動態(tài)的調(diào)整。例如，假設(shè)某所橋梁的整體設(shè)計壽命為100年，然而各部件的使用壽命并不可能達到100年。根據(jù)物料特性，橡膠支座壽命最多為20年，拉索壽命僅為15年，拉索的護套壽命為18年，鋼結(jié)構(gòu)的最佳油漆保護期為15年。設(shè)計師在對零部件進行替換、修理、加固時應(yīng)該充分考慮到技術(shù)與材料的升級換代，靈活調(diào)整原來擬定的加固方案。在傳統(tǒng)的路橋設(shè)計理念中，設(shè)計工作是“一勞永逸”的：隨著施工完成、設(shè)備投入使用，設(shè)計人員的使命就完成了。然而，在引入“動態(tài)調(diào)節(jié)機制”的“全壽命設(shè)計”中，設(shè)計人員是始終負責(zé)的。及時地反饋和調(diào)整機制不僅有助于提高設(shè)計人員的水平，更有利于維護道路橋梁的使用壽命。

3 結(jié)束語

無論在理論還是實踐上，改革開放以來我國的道路橋梁設(shè)計都取得了長足的進展。科學(xué)決策理論、可持續(xù)發(fā)展理論、計算機技術(shù)與現(xiàn)代檢測技術(shù)與路橋工程的學(xué)科交叉是促進這些進展的深層原因。路橋設(shè)計師應(yīng)當(dāng)與時俱進，以積極的心態(tài)學(xué)習(xí)、了解技術(shù)進步，提高自己的設(shè)計水平。另一方面，在我國當(dāng)前時代背景下的一些國情，如節(jié)假日車流量過高、車輛超載情況嚴(yán)重等，也對路橋工程提出了新的挑戰(zhàn)，這也是路橋設(shè)計師們的重要研究課題與研究方向。

參考文獻

[1]翁朔.關(guān)于道路橋梁設(shè)計的關(guān)鍵問題分析[J].建筑界，2013（7）.

[2]劉吉福，尹敬澤，劉事蓮.最大關(guān)聯(lián)度法在珠三角高速公路路橋比選中的應(yīng)用[J].公路，2013（7）.

[3]范立礎(chǔ).橋梁工程安全性與耐久性-展望設(shè)計理念進展[J].上海公路，2004（1）.

作者簡介：唐瑩（1985-），女，助工，本科，從事道路橋梁設(shè)計工作。