道路與橋梁工程設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題及對(duì)策研究

周順雨

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031）

0 引言

該工程為某城市廣場(chǎng)的人行橋建設(shè)，上部結(jié)構(gòu)采用鋼制圓筒形桁橋，筒外徑為3.7m，內(nèi)徑為3.2m，跨徑達(dá)到70m，構(gòu)件均采用異形構(gòu)件。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，設(shè)計(jì)載荷為5000kPa，橋面凈寬達(dá)到5m，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題

通過(guò)實(shí)際調(diào)查顯示，在工程建設(shè)階段存在以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)問(wèn)題：設(shè)計(jì)方案較為落后，由于道路與橋梁工程的施工周期較長(zhǎng)，涉及內(nèi)容較多，若想進(jìn)一步保障設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率，勢(shì)必要采取先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，契合時(shí)代發(fā)展特征，站在實(shí)際角度，充分考慮設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)。但在實(shí)踐過(guò)程中，許多設(shè)計(jì)人員沒(méi)有做好工程項(xiàng)目的環(huán)境考察與資料收集，設(shè)計(jì)思想較為落后，為了盡可能縮短設(shè)計(jì)工期，減少成本經(jīng)濟(jì)的支出，經(jīng)常出現(xiàn)缺少對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)劃的全方位審核，存在大量交叉作業(yè)的問(wèn)題。導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案無(wú)法有效落實(shí)，大量資源被浪費(fèi)，潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患難以準(zhǔn)確排查。

例如，以往采用的CAD 設(shè)計(jì)方法不同的視圖大多由設(shè)計(jì)師繪畫(huà)出來(lái)，擔(dān)當(dāng)改變一個(gè)構(gòu)件的時(shí)候，CAD 無(wú)法做到有效關(guān)聯(lián)，對(duì)于人行橋建設(shè)來(lái)說(shuō)，難以避免的會(huì)造成計(jì)算與出圖需要在不同軟件平臺(tái)工作，造成信息無(wú)法及時(shí)交換，加大工作量。且BIM 核心軟件本身對(duì)于橋梁計(jì)算的支持有線，采用Revit Structural 軟件的計(jì)算模塊，也只能完成建筑結(jié)構(gòu)類工程的簡(jiǎn)單計(jì)算，無(wú)法符合橋梁的計(jì)算要求。

并且相關(guān)部門(mén)未給予設(shè)計(jì)人員足夠的自主權(quán)限，人員本身的專業(yè)能力也有待進(jìn)一步提升；實(shí)地考察不到位，設(shè)計(jì)人員對(duì)于施工圖紙的研究不徹底，對(duì)于施工著力點(diǎn)的問(wèn)題考慮不周到，缺少設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否符合實(shí)際運(yùn)用的判斷，也沒(méi)有將施工成本作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，道路與橋梁工程在設(shè)計(jì)階段需要確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、設(shè)計(jì)規(guī)劃科學(xué)，并遵從經(jīng)濟(jì)性、安全性原則，促進(jìn)工程建設(shè)的順利進(jìn)行。但設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新意識(shí)不足，受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想束縛，無(wú)論是在新材料的制備上、新工藝的引入上，還是在新設(shè)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(dá)不到預(yù)期效果，不利于路橋事業(yè)的發(fā)展。且有關(guān)部門(mén)的監(jiān)管力度不足，管理體系不夠健全，無(wú)法第一時(shí)間找出安全隱患的根源。

例如，由于橋梁結(jié)構(gòu)的形式相對(duì)房屋建筑而言比較復(fù)雜，同時(shí)，要較大的跨越能力，因此，橋梁需要較高的力學(xué)分析水平，并且本次工程中的異型構(gòu)件較多，需要反復(fù)驗(yàn)算確定其尺寸和配筋。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員要不斷提升自我，掌握先進(jìn)的技術(shù)手段，提高設(shè)計(jì)方案的合理性，科學(xué)性，充分考慮設(shè)計(jì)內(nèi)容的經(jīng)濟(jì)性、安全性與耐久性。管理部門(mén)則要做好監(jiān)理工作，加強(qiáng)材料的質(zhì)量審核，促進(jìn)不同部門(mén)之間的溝通、協(xié)作，并加強(qiáng)信息化技術(shù)的應(yīng)用。

2 道路與橋梁工程設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題的解決措施

對(duì)于道路與橋梁工程設(shè)計(jì)隱患的常見(jiàn)問(wèn)題，筆者提出將建筑信息模型（building information modeling,BIM）技術(shù)運(yùn)用在道路橋梁工程設(shè)計(jì)階段，該技術(shù)是指根據(jù)建筑工程信息數(shù)據(jù)，作為模型基礎(chǔ)，通過(guò)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(guò)融合三維數(shù)字技術(shù)與信息共享理念，進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目功能信息的數(shù)字化表達(dá)，為建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供全生命周期決策支持。相較于傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，BIM 技術(shù)無(wú)論是在設(shè)計(jì)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(fù)雜橋梁造型。

圖2 橋梁3D 建模初案

具體的應(yīng)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，可以理解為參數(shù)化設(shè)計(jì)的過(guò)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(gòu)成，其中正空間的特征表現(xiàn)為真實(shí)存在的塊，而負(fù)空間的特征表現(xiàn)為切除的部分。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，參數(shù)化建模是利用參數(shù)控制圖元屬性與行為，定義構(gòu)件間的關(guān)系，通過(guò)提供設(shè)計(jì)對(duì)象信息，基于參數(shù)完成構(gòu)件的表達(dá)。設(shè)計(jì)人員可借助修正參數(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)構(gòu)件大小的調(diào)節(jié)。而B(niǎo)IM 模型的建立便是以此思想為基礎(chǔ)，其基本對(duì)象是涵蓋屬性信息的實(shí)體構(gòu)件，并非傳統(tǒng)的點(diǎn)、線等幾何元素。因此整個(gè)模型更像是一個(gè)信息庫(kù)，能夠在建筑物生命周期不斷補(bǔ)充與細(xì)化。基于此，設(shè)計(jì)人員可借助BIM 程序軟件，將所有圖元以“族”為基礎(chǔ)，其中“族”類似于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）中的圖塊，在創(chuàng)建時(shí)可定義“族”的類別，且每個(gè)“族”都能定義多種類別，比如橋面屬于結(jié)構(gòu)連接類別。之后設(shè)計(jì)人員可通過(guò)搭接“族”，添加各類建筑構(gòu)件信息，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)修改，完成載入“族”的載入與載出，從而達(dá)到提高建模效率的目的。例如，本次工程的具體設(shè)計(jì)參數(shù)最終可確定如下：①材料：Q345 鋼材。②計(jì)算荷載：結(jié)構(gòu)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(duì)其Y 軸、Z 軸的截面慣性矩為0.0019m4、0.0025m4。端腹桿截面對(duì)其Y 軸、Z 軸的截面慣性矩為0.0023m4、0.0039m4；其余腹桿截面對(duì)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(shí)現(xiàn)空間梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)模擬，確定荷載作用下結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力[1]。

2.2 協(xié)同設(shè)計(jì)

協(xié)同設(shè)計(jì)可以理解為利用打造統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括圖層、線型等，由所有設(shè)計(jì)專業(yè)人員在統(tǒng)一的平臺(tái)中完成設(shè)計(jì)作業(yè)，避免不同專業(yè)之間因溝通不暢、交流不及時(shí)造成的錯(cuò)、漏、缺，實(shí)現(xiàn)圖紙信息單元的單一性，做到一處修改其他自動(dòng)修改，最大程度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。基于BIM 技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)需要將承載項(xiàng)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(shí)代下人們協(xié)作分工的理念。在道路橋梁工程中，BIM 技術(shù)開(kāi)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(jì)算機(jī)上完成內(nèi)容設(shè)計(jì)，以三維工程信息模型為依托，每個(gè)設(shè)計(jì)人員將設(shè)計(jì)內(nèi)容同步至服務(wù)器的中心文件，并在項(xiàng)目中心文件借用其他項(xiàng)目小組成員的建筑圖元，達(dá)到交叉設(shè)計(jì)的目的。通常來(lái)說(shuō)，專業(yè)不同，則對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)容也會(huì)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(jī)結(jié)合的協(xié)作體系，在項(xiàng)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(shí)現(xiàn)三維模型的整合，完成管線綜合設(shè)計(jì)。

在開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意，結(jié)構(gòu)模型、管線模型要及時(shí)鏈接在建筑模型當(dāng)中，完成同步更新，將相關(guān)信息導(dǎo)入模型內(nèi)，在此基礎(chǔ)上完成碰撞檢查，用以找出模型中是否存在交叉問(wèn)題，并第一時(shí)間進(jìn)行修改，解決實(shí)際問(wèn)題。以Autodesk 公司開(kāi)發(fā)的Revit 軟件（圖3）為例，該軟件可自動(dòng)生成視圖環(huán)節(jié)，結(jié)合“族”庫(kù)的設(shè)定，支持多專業(yè)協(xié)同作業(yè)，基于數(shù)據(jù)共享模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。首先要完成已有構(gòu)筑物的信息化處理，考慮好橋梁、道路之間的配合關(guān)系，將橋梁方案設(shè)計(jì)、排水管線設(shè)計(jì)等內(nèi)容涵蓋在內(nèi)。其次要根據(jù)不同需求開(kāi)發(fā)軟件的獨(dú)有特性。例如，Civil 3D 軟件更適合運(yùn)用在場(chǎng)地處理方面，在道路設(shè)計(jì)上的功能更加完善；Catia 軟件在空間構(gòu)造方面的優(yōu)勢(shì)更加突出，在繪制三維曲線，完成曲面編輯時(shí)功能較為強(qiáng)大；Revit 軟件則具有極強(qiáng)的后期構(gòu)建能力。設(shè)計(jì)人員可通過(guò)不同軟件的協(xié)同使用，結(jié)合BIM 模型，提高設(shè)計(jì)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性、實(shí)用性[2]。

圖3 Revit 軟件

2.3 鋼筋設(shè)計(jì)

道路橋梁中鋼筋結(jié)構(gòu)是最重要的設(shè)計(jì)部分之一，其質(zhì)量好壞將直接結(jié)果工程的安全性與耐久性。以往設(shè)計(jì)人員大多利用CAD 完成施工圖出圖配筋設(shè)計(jì)，但此類設(shè)計(jì)方式的問(wèn)題在于無(wú)法直接看到鋼筋實(shí)體形狀，且鋼筋與鋼束之間的沖突較高。為解決此類問(wèn)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(shè)計(jì)師在剖面視圖中完成配筋作業(yè)，通過(guò)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(wèn)題。同時(shí)要注意，鋼筋需要附著在主體上，如梁等構(gòu)件，在探究時(shí)，基于“族”的參數(shù)化功能創(chuàng)建鋼筋主體過(guò)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(gòu)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(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。

圖4 鋼筋碰撞檢查

2.4 工程量統(tǒng)計(jì)

以往的二維道路與橋梁工程設(shè)計(jì)，需要在比對(duì)設(shè)計(jì)方案時(shí)通過(guò)人工計(jì)算工程量的形式，但在實(shí)際執(zhí)行環(huán)節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)CAD 圖紙只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、面等信息存儲(chǔ)的問(wèn)題，人工計(jì)算的工程量精確度無(wú)法達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，造價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確性不佳。進(jìn)一步加大了校核人員的工作難度。而在引入BIM 技術(shù)后，可將橋梁建模信息存儲(chǔ)在模型數(shù)據(jù)庫(kù)，使工作人員直接利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、整合、分析、計(jì)算與運(yùn)用，在模型構(gòu)建完成后，工程量便可利用軟件系統(tǒng)中的工程量統(tǒng)計(jì)選項(xiàng)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(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與精確度，從而提供給造價(jià)部門(mén)，有助于工程造價(jià)的把控，防止資源浪費(fèi)、資金支出過(guò)高。除此之外，當(dāng)設(shè)計(jì)人員調(diào)整模型時(shí)，可重新設(shè)計(jì)橋梁構(gòu)件，而工程量可自動(dòng)跟隨構(gòu)件信息的改變發(fā)生調(diào)整。既能保證工程量統(tǒng)計(jì)的高效、便捷，也能確保數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，提高人員作業(yè)效率[4]。

2.5 圖紙輸出

施工圖設(shè)計(jì)圖紙是設(shè)計(jì)方交付給業(yè)主的最終成果，但隨著我國(guó)項(xiàng)目建設(shè)復(fù)雜度的不斷提升，以往采用二維設(shè)計(jì)生成的施工圖紙已經(jīng)無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖。一旦項(xiàng)目產(chǎn)生變更，此類施工圖的修改極為煩瑣。為解決此類問(wèn)題，設(shè)計(jì)師可結(jié)合BIM 技術(shù)，打造橋梁三維信息模型，由模型生成平面二維施工圖，實(shí)現(xiàn)施工圖繪制的自動(dòng)化。設(shè)計(jì)人員在BIM 模型內(nèi)只需考慮切開(kāi)剖面，并在剖面視圖內(nèi)輸入相關(guān)參數(shù)信息，這樣設(shè)計(jì)師便可結(jié)合出圖需要進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)直接出圖，此類方式的出圖效率遠(yuǎn)高于二維設(shè)計(jì)。BIM 建模如圖5 所示，由于在建模環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員已完成構(gòu)件信息編號(hào)的輸入，因此制得的施工圖不可隨意修改，且圖紙中零構(gòu)件的數(shù)量、材質(zhì)也不可在施工圖紙進(jìn)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(cuò)誤的作用，增強(qiáng)施工圖準(zhǔn)確性[5]。

圖5 BIM 建模

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)以某地方道路橋梁工程作為研究對(duì)象，闡述在設(shè)計(jì)階段存在的不足之處，提出將BIM 技術(shù)運(yùn)用在工程設(shè)計(jì)階段，以此提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，消除潛在的安全隱患，保證施工作業(yè)有序進(jìn)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(duì)日后同類地質(zhì)條件施工，具有參考價(jià)值。