芻議我國(guó)道路橋梁設(shè)計(jì)的理念變更及實(shí)踐進(jìn)展

唐瑩　鄒愛(ài)琴

摘 要：設(shè)計(jì)作為道路橋梁工程中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)后期的施工、運(yùn)行、維護(hù)、報(bào)廢、回收環(huán)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。文章概述了我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)路橋設(shè)計(jì)上的理念變更及實(shí)踐進(jìn)展，以期了解路橋設(shè)計(jì)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(jì)；理念；耐久性設(shè)計(jì)；全壽命周期

引言

國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展對(duì)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(jìn)程和蓬勃發(fā)展的交通運(yùn)輸業(yè)已成為目前路橋工程的關(guān)鍵議題。縱觀我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)的交通設(shè)施建設(shè)，道路橋梁設(shè)計(jì)雖然積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但同時(shí)也暴露出設(shè)計(jì)理念落后、對(duì)設(shè)施耐久性與安全性關(guān)注不夠、設(shè)施實(shí)際使用壽命短等問(wèn)題，如何改善這些問(wèn)題也成為業(yè)內(nèi)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。圍繞這些問(wèn)題及其解決方法，文章將總結(jié)我國(guó)道路橋梁設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐上的進(jìn)展。

1 我國(guó)路橋設(shè)計(jì)理念的發(fā)展

1.1 道路橋梁設(shè)計(jì)方案選擇由主觀走向科學(xué)

道路橋梁設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)人員在篩選設(shè)計(jì)方案時(shí)需要根據(jù)“經(jīng)濟(jì)、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(chē)輛載荷、施工成本預(yù)算、工期、建筑材料、施工技術(shù)、設(shè)計(jì)規(guī)范、國(guó)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(jì)、適用、安全、美觀”這些原則很難同時(shí)滿足，因此道路橋梁設(shè)計(jì)也可以看作是一個(gè)復(fù)雜的非線性決策系統(tǒng)。多年來(lái)，往往依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)先初選建材、布置、結(jié)構(gòu)尺寸，在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(jì)方案。這種依靠主觀經(jīng)驗(yàn)篩選出的設(shè)計(jì)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(zhǎng)以及載流量的增大，容易誘發(fā)安全事故。近年來(lái)，有學(xué)者建議，在選擇設(shè)計(jì)方案時(shí)，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(píng)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(guò)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(guò)程，對(duì)于我國(guó)道路橋梁設(shè)計(jì)的理念的進(jìn)一步完善是有利的。

1.2 “耐久性設(shè)計(jì)”理念的提出與發(fā)展

范立礎(chǔ)院士[3]曾經(jīng)指出，我國(guó)多年來(lái)普遍采用的路橋設(shè)計(jì)理念與歐美等先進(jìn)國(guó)家存在一定差距。比如，以“經(jīng)濟(jì)、適用、安全、美觀”八字原則指導(dǎo)的傳統(tǒng)路橋設(shè)計(jì)偏重建設(shè)施工過(guò)程，輕視維護(hù)管理；重視結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，忽視耐久性。事實(shí)表明，這種相對(duì)短視的設(shè)計(jì)理念使我國(guó)在路橋運(yùn)營(yíng)和維護(hù)檢修中付出了嚴(yán)重代價(jià)。這種設(shè)計(jì)理念主要是基于建設(shè)施工過(guò)程的，同時(shí)兼顧設(shè)計(jì)使用年限，其嚴(yán)重缺陷是沒(méi)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(jì)理念不同，“耐久性設(shè)計(jì)”是基于全壽命周期的設(shè)計(jì)。所謂全壽命周期，其定義是道路橋梁從規(guī)劃設(shè)計(jì)開(kāi)始到拆除的完整時(shí)間段。從時(shí)間長(zhǎng)度上來(lái)看，全壽命周期不僅包含設(shè)計(jì)使用年限，還包含養(yǎng)護(hù)、維修、報(bào)廢、回收階段，是一個(gè)“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(jì)”的最顯著好處是，在設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用過(guò)大的隱患。保證道路橋梁的耐久性使用需要設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)各階段的投入，“耐久性設(shè)計(jì)”尤其強(qiáng)調(diào)要把周期性維護(hù)檢修的成本考慮在內(nèi)。在耐久性設(shè)計(jì)中，后期維護(hù)的可行性及維護(hù)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(jì)方案?！澳途眯栽O(shè)計(jì)”理念符合可持續(xù)發(fā)展觀念的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)”理念有時(shí)也被稱(chēng)作“全壽命設(shè)計(jì)”。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(shí)擁有更廣泛的內(nèi)涵?！叭珘勖O(shè)計(jì)”思想是“耐久性設(shè)計(jì)”理念的進(jìn)一步發(fā)展，它要求設(shè)計(jì)人員不僅考慮建筑設(shè)施的使用性能，同時(shí)還必須考慮道路橋梁對(duì)周?chē)h(huán)境的深遠(yuǎn)影響，以環(huán)境效益、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益的平衡為最終衡量目標(biāo)。

2 我國(guó)道路橋梁設(shè)計(jì)的實(shí)踐進(jìn)展

伴隨著設(shè)計(jì)理念的逐漸完善與進(jìn)步，我國(guó)道路橋梁設(shè)計(jì)實(shí)踐取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。以發(fā)展的眼光來(lái)看，我國(guó)的路橋設(shè)計(jì)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)設(shè)計(jì)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(guó)的路橋工程蓬勃發(fā)展。

2.1 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的深入應(yīng)用與路橋設(shè)計(jì)水平的切實(shí)提高

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

隨著快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)被運(yùn)用于路橋設(shè)計(jì)和施工，通過(guò)數(shù)值模擬與仿真分析，設(shè)計(jì)師們能夠更精準(zhǔn)地模擬路橋建造過(guò)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(tái)風(fēng)、地震及其他突發(fā)條件下的運(yùn)行表現(xiàn)，路橋設(shè)施對(duì)周?chē)鷳B(tài)環(huán)境的影響以及視覺(jué)效果，便于方案在“全壽命周期”的時(shí)間尺度內(nèi)進(jìn)行綜合比較。

2.2 智能檢測(cè)設(shè)備和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)方案細(xì)節(jié)的動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制

在路橋設(shè)計(jì)完成、施工完成、投入運(yùn)行后，對(duì)路橋的定期維護(hù)和修養(yǎng)就成為保證其使用壽命的關(guān)鍵。智能檢測(cè)設(shè)備和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅可以使維護(hù)人員輕松發(fā)現(xiàn)裂縫和伸縮縫，及時(shí)進(jìn)行維修防護(hù)；而且這些設(shè)備技術(shù)還使工程的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理成為可能，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。

根據(jù)“耐久性設(shè)計(jì)”與“全壽命設(shè)計(jì)”的理念，運(yùn)營(yíng)維護(hù)期間發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題一般會(huì)及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)者，以便分析成因，從而在以后的設(shè)計(jì)中有所借鑒。此外，針對(duì)保養(yǎng)維護(hù)期間發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)師們根據(jù)實(shí)際情況對(duì)設(shè)計(jì)方案細(xì)節(jié)往往會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整。例如，假設(shè)某所橋梁的整體設(shè)計(jì)壽命為100年，然而各部件的使用壽命并不可能達(dá)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(hù)套壽命為18年，鋼結(jié)構(gòu)的最佳油漆保護(hù)期為15年。設(shè)計(jì)師在對(duì)零部件進(jìn)行替換、修理、加固時(shí)應(yīng)該充分考慮到技術(shù)與材料的升級(jí)換代，靈活調(diào)整原來(lái)擬定的加固方案。在傳統(tǒng)的路橋設(shè)計(jì)理念中，設(shè)計(jì)工作是“一勞永逸”的：隨著施工完成、設(shè)備投入使用，設(shè)計(jì)人員的使命就完成了。然而，在引入“動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制”的“全壽命設(shè)計(jì)”中，設(shè)計(jì)人員是始終負(fù)責(zé)的。及時(shí)地反饋和調(diào)整機(jī)制不僅有助于提高設(shè)計(jì)人員的水平，更有利于維護(hù)道路橋梁的使用壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論在理論還是實(shí)踐上，改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)的道路橋梁設(shè)計(jì)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。科學(xué)決策理論、可持續(xù)發(fā)展理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與路橋工程的學(xué)科交叉是促進(jìn)這些進(jìn)展的深層原因。路橋設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，以積極的心態(tài)學(xué)習(xí)、了解技術(shù)進(jìn)步，提高自己的設(shè)計(jì)水平。另一方面，在我國(guó)當(dāng)前時(shí)代背景下的一些國(guó)情，如節(jié)假日車(chē)流量過(guò)高、車(chē)輛超載情況嚴(yán)重等，也對(duì)路橋工程提出了新的挑戰(zhàn)，這也是路橋設(shè)計(jì)師們的重要研究課題與研究方向。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡(jiǎn)介：唐瑩（1985-），女，助工，本科，從事道路橋梁設(shè)計(jì)工作。