關(guān)于新技術(shù)在路橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

唐仕國

摘 要：為解決路橋設(shè)計(jì)中面臨的各類問題，本文首先提出了路橋設(shè)計(jì)新技術(shù)應(yīng)用基本要求，然后對路橋設(shè)計(jì)中全壽命周期設(shè)計(jì)、數(shù)字化與智能化技術(shù)、機(jī)載激光雷達(dá)等新技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，以此為相關(guān)人員提供參考，從根本上提高路橋設(shè)計(jì)技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：路橋設(shè)計(jì);全壽命周期設(shè)計(jì);數(shù)字化;智能化;機(jī)載激光雷達(dá)

路橋設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極其繁瑣且專業(yè)性極強(qiáng)的工作，以往的路橋設(shè)計(jì)由于技術(shù)上的限制導(dǎo)致不夠全面和具體，給日后的橋梁建設(shè)及使用都帶來了一定影響。因此，在路橋設(shè)計(jì)中合理引入一些新技術(shù)是十分重要且必要的。

1 路橋設(shè)計(jì)新技術(shù)應(yīng)用基本要求

設(shè)計(jì)是需要由人來完成的一項(xiàng)復(fù)雜且綜合的工作，若想要在路橋設(shè)計(jì)中引入各類新技術(shù)，并確保新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮出預(yù)期效果，自然對設(shè)計(jì)人員提出了很高要求，若能解決人的問題，則離實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)就不遠(yuǎn)了，所以有必要明確路橋設(shè)計(jì)新技術(shù)應(yīng)用對設(shè)計(jì)人員提出的基本要求。

（1）路橋設(shè)計(jì)人員必須具備良好的創(chuàng)新意識(shí)，認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)創(chuàng)新的意義和必要性，并且還要擁有足夠的創(chuàng)新能力，通過學(xué)習(xí)和借鑒掌握創(chuàng)新方法與技巧，敢于突破傳統(tǒng)思維的束縛，不再局限于傳統(tǒng)觀念和經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮自身想象力及主觀能動(dòng)性，不受制于權(quán)威，努力發(fā)展興趣。對于創(chuàng)造力，并非在任意一種情況之下都可以自發(fā)表現(xiàn)，而需要通過專門的教育和訓(xùn)練來獲取、提高。

（2）路橋設(shè)計(jì)人員需將自己專業(yè)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)作為基礎(chǔ)，創(chuàng)造一個(gè)新技術(shù)應(yīng)用“游擊區(qū)”。促進(jìn)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和其它專業(yè)知識(shí)之間的彼此滲透與融合，以此形成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，還應(yīng)努力開發(fā)智能化的因素，如提高觀察力、記憶力、注意力、想象力及操作力。除創(chuàng)造能力外，對于創(chuàng)造性人才，還必須具備一定創(chuàng)造性人格及精神。其中，創(chuàng)造性精神是指有濃厚的好奇心，敢于探索，對各類新事物保持敏感，能致力于發(fā)現(xiàn)和革新，秉持開拓創(chuàng)新的精神;而創(chuàng)造性人格是指要有責(zé)任心、使命感與毅力，面對挫折也要有良好的心態(tài)，只有這樣才能創(chuàng)造出良好的成果[1]。

（3）在路橋設(shè)計(jì)中引入新技術(shù)必須將保證結(jié)構(gòu)受力合理性與經(jīng)濟(jì)性作為前提，并充分考慮功能要求，不能以犧牲功能為代價(jià)，否則新技術(shù)的應(yīng)用將沒有任何實(shí)質(zhì)上的意義與價(jià)值。力是路橋設(shè)計(jì)中需要充分考慮的因素，基于此，對路橋設(shè)計(jì)人員而言，必須掌握豐富的力學(xué)知識(shí)，確保設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)可以明確反映出其力流，使不同作用力的實(shí)際傳遞都能做到一目了然。

（4）美學(xué)是一個(gè)相對的概念，人類自身審美會(huì)隨著時(shí)代發(fā)展發(fā)生變化，這就要求在美學(xué)設(shè)計(jì)過程中和持續(xù)變化更替的美學(xué)觀念保持同步，也就是說路橋設(shè)計(jì)中各類新技術(shù)的應(yīng)用都不能與人的審美觀念相脫離。對設(shè)計(jì)人員而言，要對美學(xué)觀念及其發(fā)生的變化有較高的洞察能力，由于美學(xué)觀念發(fā)生的變化沒有規(guī)律可循，所以要用新的眼光對這種變化進(jìn)行觀察，切不可墨守成規(guī)。通過對變化的觀察，能預(yù)測將來美學(xué)觀念可以達(dá)到的效果，進(jìn)而作為設(shè)計(jì)中新技術(shù)應(yīng)用的參考依據(jù)[2]。

（5）加大力度推動(dòng)各類新工藝和新材料的使用及發(fā)展，對力學(xué)分析方式予以持續(xù)改進(jìn)，增強(qiáng)設(shè)計(jì)人員自身分析能力，加快分析速度，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，在良好掌握各類力學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，引入新手段，最大限度發(fā)揮設(shè)計(jì)人員自身創(chuàng)造力及想象力，從而創(chuàng)造出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、造型美觀的新形式或新結(jié)構(gòu)。

除此之外，還應(yīng)總結(jié)以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，前車之鑒、后車之師，但學(xué)習(xí)前人的經(jīng)驗(yàn)并非完全照搬，同時(shí)也不是單純的學(xué)習(xí)過去已經(jīng)被淘汰的做法，而是要在保留傳統(tǒng)好的做法的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，使各類新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮出它應(yīng)有的價(jià)值[3]。

2 路橋設(shè)計(jì)對新技術(shù)的應(yīng)用

在路橋建設(shè)快速發(fā)展的進(jìn)程中，其設(shè)計(jì)理念越來越先進(jìn)，這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：其一，全壽命周期設(shè)計(jì)理念;其二，功能結(jié)構(gòu)和景觀設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一體化;其三，結(jié)構(gòu)多樣化;其四，數(shù)字化和智能化的設(shè)計(jì);其五，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì);其六，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的大噸位化;最后，為適應(yīng)資源節(jié)約與環(huán)境友好建設(shè)模式而開展的設(shè)計(jì)，比如在生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)。以下就全壽命周期設(shè)計(jì)理念、數(shù)字化與智能化技術(shù)在當(dāng)前路橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、以GPS為基礎(chǔ)的路橋勘測與設(shè)計(jì)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

（1）對于全壽命周期設(shè)計(jì)，它是將設(shè)施建設(shè)可取得的總體效益達(dá)到預(yù)期最佳作為根本目標(biāo)，確保路橋在其設(shè)計(jì)壽命周期之內(nèi)，以最少的消耗使經(jīng)濟(jì)效益實(shí)現(xiàn)最大[4]。其中，消耗包括了所有活動(dòng)，如前期規(guī)劃設(shè)計(jì)、中期施工運(yùn)營和管養(yǎng)，以及后期拆除及再利用。路橋設(shè)計(jì)除了要圍繞應(yīng)達(dá)到如何的可靠度，還需要在確保路橋發(fā)揮應(yīng)有作用的基礎(chǔ)上，有效減少路橋建設(shè)投入的成本;這里指的成本并不單純是指建橋過程中投入的成本，而是從最初的設(shè)計(jì)到建設(shè)完畢，再從開始運(yùn)營到報(bào)廢整個(gè)周期的成本。目前，這一新理念已經(jīng)在我國很多路橋工程中得到應(yīng)用，其中最著名的就是湖北鄂東長江公路大橋。

（2）科技的發(fā)展催生出很多數(shù)字化技術(shù)及智能化技術(shù)，若能在路橋設(shè)計(jì)中引用這些先進(jìn)技術(shù)不僅能為設(shè)計(jì)帶來很大的便利，而且還能取得以前無法達(dá)到的效果。比如，在路橋設(shè)計(jì)中引入計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)有效且快速的優(yōu)化，并能進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的加持下，幫助建設(shè)方、設(shè)計(jì)方的人員體現(xiàn)看到成型后路橋整體外形，并能對地震或臺(tái)風(fēng)等自然因素可能對路橋造成的影響開展模擬，以此為最終的決策提供參考。就目前來看，無論是對彎斜變寬箱梁還是大跨度變截面箱梁，都已經(jīng)研發(fā)出了相應(yīng)的CAD（Computer Aided Design）系統(tǒng)，同時(shí)針對下部結(jié)構(gòu)還研發(fā)出了CAE（Computer Aided Engineering）系統(tǒng)，通過對這些系統(tǒng)的合理應(yīng)用，除了能路橋設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，還能提供橋梁通用圖，以此為路橋設(shè)計(jì)提供更深層次的便利[5]。

“橋梁博士”作為一體化綜合性路橋設(shè)計(jì)軟件，在當(dāng)前的路橋設(shè)計(jì)工作中得到了廣泛應(yīng)用，該軟件不僅能對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理與管理，還能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析。該軟件的編制嚴(yán)格按照路橋設(shè)計(jì)過程來完成，與路橋設(shè)計(jì)規(guī)范高度結(jié)合，并借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，與設(shè)計(jì)人員自身習(xí)慣完全相符。在結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中，該軟件能充分考慮不同結(jié)構(gòu)的組成，能在方便使用的同時(shí)，保證計(jì)算結(jié)果的精確度。另外，還能提高數(shù)據(jù)輸入方面的容錯(cuò)性，防止用戶由于失誤而直接釀成損失。該軟件從投向市場開始就得到了廣泛應(yīng)用，可以在多種路橋類型中使用，如連續(xù)梁橋（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)）、剛構(gòu)橋、連續(xù)拱橋、桁架梁橋、斜拉橋，都能在設(shè)計(jì)中運(yùn)用這一軟件。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中能充分發(fā)揮出具有的各項(xiàng)特點(diǎn)，包括程序簡單、實(shí)用;自動(dòng)化水平高與可操作性強(qiáng)等，能從根本上提高設(shè)計(jì)水平。通過與其它軟件之間的對比和實(shí)踐校核，還能對這一軟件進(jìn)行有效擴(kuò)充及完善，使其更好的適應(yīng)現(xiàn)代及未來路橋設(shè)計(jì)提出的要求[6]。

針對諸如預(yù)應(yīng)力箱形橋梁那樣的特殊結(jié)構(gòu)橋梁，可采用Midas輔助設(shè)計(jì)，采用該軟件能完成以下幾方面工作：①非線性邊界分析;②水泥水化熱分析;③材料非線性分析;④靜、動(dòng)力彈塑性分析。該軟件可以在很多橋型的設(shè)計(jì)中使用，但結(jié)果往往缺乏直觀性，需要設(shè)計(jì)人員自行組合荷載。除了Midas軟件，還可使用與其屬于同一類的ansys，該軟件的功能十分強(qiáng)大，而且操作簡單，對設(shè)計(jì)人員的要求不高，目前已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)最為流行和常用的一種分析軟件。值得一提的是，我國有百余所理工院校都將該軟件作為教育的標(biāo)準(zhǔn)軟件。但該軟件存在建模比較麻煩的不足，容易出現(xiàn)邊界條件模型本身錯(cuò)誤[7]。

（3）對于機(jī)載激光雷達(dá)，它是一項(xiàng)將激光、GPS（Global Positioning System）技術(shù)與IMU（Inertial Measurement Unit）等技術(shù)結(jié)合到一起的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：可提供點(diǎn)間距在1 m以內(nèi)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù);可以從植被葉冠上穿過;基本不需要進(jìn)入到測量現(xiàn)場當(dāng)中;可以同時(shí)對地面與非地面層進(jìn)行測量;絕對精度可以達(dá)到0.30 m以內(nèi);可實(shí)現(xiàn)24 h全天候不間斷作業(yè);可迅速獲取數(shù)據(jù)。與以往常用的航空攝影測量等手段相比，該技術(shù)不僅有很高的自動(dòng)化程度，而且基本不會(huì)受到天氣等外界因素的影響，能在保證精度的基礎(chǔ)上縮短生產(chǎn)周期[8]。該技術(shù)在路橋所在場地三維空間信息動(dòng)態(tài)獲取等方面得到了顯著的突破，能為路橋設(shè)計(jì)時(shí)的空間信息獲取提供全新方法。通過對地形數(shù)據(jù)的獲取，創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并和公路CAD之間高度集成，以路線方案為依據(jù)動(dòng)態(tài)獲取橫縱斷面對應(yīng)的地面信息，由此進(jìn)行路線方案綜合對比與優(yōu)化。實(shí)踐表明，其成果與深度完全可以滿足施工圖設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

綜上所述，在路橋事業(yè)日益壯大的同時(shí)，我國的路橋建造能力及水平都得到了充分體現(xiàn)。在路橋建設(shè)過程中，建設(shè)技術(shù)水平有了很大程度的提高，出現(xiàn)了很多新技術(shù)與新方法。我國路橋設(shè)計(jì)水平已經(jīng)得到世界同行認(rèn)可。

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