基于港珠澳大橋的橋梁強國建設路徑

孟凡超，劉明虎

(中交公路規(guī)設計院有限公司，北京100088)

0 引 言

2018年10月23日，在中國伶仃洋這片神奇的海域，被譽為“新世界七大奇跡”之一的港珠澳大橋建成開通。

港珠澳大橋是具有國家戰(zhàn)略意義的世界級跨海通道。項目的建成開通，完善了粵港澳三地高速公路網絡及綜合運輸體系，構建了三地一小時交通經濟生活圈，提升了大灣區(qū)的綜合競爭力；不僅顛覆了三地之間的時空距離，而且連接了三地的民心距離，對加強三地人文交流、貿易往來和經濟發(fā)展，以及“一國兩制”方針的實施，維護祖國繁榮昌盛，都具有重大意義。

港珠澳大橋已不再是一般概念上的橋梁工程，她是一項“橋梁、海底隧道、橋隧轉換人工島”(以下簡稱“橋島隧”)一體化多專業(yè)的世界級超級集群工程，技術難度和風險挑戰(zhàn)巨大，建設標準高、建設條件復雜。鑒于項目面臨的工程技術、施工安全、環(huán)境保護、建設管理等方面的挑戰(zhàn)，提出并推行了“大型化、工廠化、標準化、裝配化”工程工業(yè)化建設理念，依靠當今先進的科學技術和國家強大的工業(yè)實力，取得了大量重大科技創(chuàng)新，解決了眾多重大工程挑戰(zhàn)，確保了“高品質、長壽命”重要目標的實現。港珠澳大橋的高質量建成，標志著我國已邁入世界超級跨海通道建設強國行列，她是我國土木工程和交通建設的一座豐碑。

推動橋梁工程的高質量發(fā)展與創(chuàng)新實踐，是實現我國“交通強國”建設目標的重要抓手。這為我國“橋梁強國”發(fā)展帶來了全新的戰(zhàn)略機遇，也對橋梁建設提出了新要求。港珠澳大橋為新時代橋梁高質量建設發(fā)展的理念及技術創(chuàng)新提供了優(yōu)良分析樣本和基礎平臺?？偨Y分析其建設成就和經驗，進行思想、理念、技術、管理方面的認識再提升，為后續(xù)橋梁建設提供借鑒和指導，是港珠澳大橋建設者對我國橋梁強國建設義不容辭的責任與擔當。

1 港珠澳大橋工程

1.1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是《國家高速公路網規(guī)劃》中的重要交通建設項目(圖1)。公路等級為雙向6車道高速公路，設計行車速度100 km/h，設計使用壽命120年。項目主線全長約56 km，其中：主體工程長29.6 km，包括橋梁長22.9 km、海底隧道長約6 km、2個人工島各長625 m(面積各約10萬平方米)；香港口岸人工島(面積約130萬平方米)；珠澳口岸人工島(面積約217萬平方米)；香港連接線長約12 km；珠海連接線長約13.9 km[1]。

圖1 港珠澳大橋全貌Fig. 1 Full view of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

1.2 建設理念

項目提出了“建設世界級的跨海通道、為用戶提供優(yōu)質服務、成為地標性建筑”3大建設目標。

項目建設面對4方面巨大挑戰(zhàn)：工程技術、施工安全、環(huán)境保護及建設管理。為應對挑戰(zhàn)，針對項目建設條件、目標和需求，設計提出了基于“四化”即大型化、工廠化、標準化、裝配化的橋島隧建設理念、總體思想和指導方針，其本質是工業(yè)化。港珠澳大橋建設的工業(yè)化水平達到了空前的高度，“四化”建設理念將引領中國橋梁及交通建設領域的工業(yè)化革命[1]。

1.3 景觀文化

作為集群工程，橋島隧組成有機整體。在路線線形上，橋島隧形似珠鏈玉璧，深刻蘊寓粵港澳三地的“珠聯璧合”文化內涵。以此為總體景觀文化設計主題，結合對橋梁特征以及中西、三地、古今交融的本土文化特點和元素的分析，最終確定了以海洋文化元素為基礎的“通力合作”“和諧共生”“揚帆順行”組合方案：“中國結”橋塔寓意三地通力合作，海豚形橋塔寓意人與自然和諧共生，風帆形橋塔寓意揚帆順行的大灣區(qū)建設發(fā)展。此外，人工島還采用了抽象的海洋“蠔貝”外形。項目設計充分體現了大型人工構筑物的文化性和景觀性，具有鮮明的地標性和獨特性[1]。

1.4 橋梁方案

如圖2，青州航道橋采用主跨458 m雙塔斜拉橋，江海直達船航道橋采用2個主跨258 m三塔斜拉橋，九洲航道橋采用主跨268 m雙塔斜拉橋。深、淺水區(qū)非通航孔橋分別采用110、85 m跨徑大懸臂整幅鋼箱連續(xù)梁橋和分幅組合連續(xù)梁橋[1-2]。

圖2 青州航道橋、江海直達船航道橋及九洲航道橋實景Fig. 2 Overall view of the Qingzhou Ship Channel Bridge, the Jianghai Direct Ship Channel Bridge and the Jiuzhou Channel Bridge

1.5 橋梁創(chuàng)新技術

項目開展了多項國家級科學攻關研究，取得了豐富的新結構、新材料、新技術、新工藝及新設備技術成果。主要包括：系統(tǒng)開展了考慮泥皮、防腐涂層及剪力環(huán)影響因素的大直徑鋼管復合樁承載性能和變形特征研究，揭示了受力與變形機理，提出了構造及設計方法[3]；研發(fā)了工具式沉樁系統(tǒng)，實現了垂直度1/400的沉樁精度，研發(fā)了工具式墩臺定位安裝系統(tǒng)和柔性分離式止水系統(tǒng)，形成了3000噸級以上復雜海洋環(huán)境深水埋床法全預制墩臺設計施工成套關鍵技術；形成了基于模具定位件的墩臺豎向預制匹配方法，研制了全預制墩臺安裝專用φ75 mm全螺紋高強鋼筋預應力系統(tǒng)，形成了海上裝配化橋梁全預制墩臺構件制造、安裝精度控制方法與標準；提出了基于荷載譜、構造細節(jié)、制造工藝、檢驗標準和試驗驗證的長壽命正交異性鋼橋面板抗疲勞系統(tǒng)解決方法[4]；研發(fā)了鋼箱梁正交異性鋼橋面板板單元制造關鍵技術，突破了鋼箱梁U形肋與橋面板焊接熔深控制及檢測的技術瓶頸；建立了鋼箱梁板單元制造自動化、智能化生產線[5]；研發(fā)了超大型長懸臂整體式與分離式鋼箱梁結構；形成了3000噸級以上鋼箱梁整體高精度制造與安裝技術，及超大型“中國結”形鋼剪刀撐設計、制造、施工關鍵技術[6]和超大型鋼塔設計及整體制造安裝成套關鍵技術；研發(fā)了鋼箱連續(xù)梁減隔震設計技術、斜拉橋整體靜動力受力性能最優(yōu)的結構約束體系、鋼箱梁調諧質量阻尼器(TMD)渦激共振抑制技術[7-8]，及抗拉強度1 860 MPa的鋅-鋁合金鍍層平行鋼絲斜拉索[9]、斜拉橋施工期取代臨時墩的拉索平衡技術[10]；形成了鋼橋面鋪裝足尺仿真加速加載精確控溫試驗技術；研發(fā)了鋪裝集料的生產加工與精細分級技術；建立了自動化生產線和超大規(guī)模鋼橋面澆注式瀝青(GMA)鋪裝設計、施工、質量控制關鍵技術及裝備，以及全自動、全覆蓋的橋梁運營期管養(yǎng)裝備；建立了120年設計使用壽命結構耐久性綜合保障技術[11]。

上述成果應用，為提高大橋工程品質、確保設計使用壽命提供了堅實基礎。港珠澳大橋踐行“四化”建設理念，裝配化率達95%，開啟了我國裝配化橋梁的新時代。

2 橋梁強國建設路徑

2.1 橋梁高質量發(fā)展建設理念

交通強國建設目標對橋梁高質量建設與發(fā)展提出了新要求。高質量發(fā)展必須走創(chuàng)新、綠色、生態(tài)、環(huán)保、工業(yè)化、數字化、智慧化的發(fā)展道路[12]。應通過推行系統(tǒng)創(chuàng)新設計理念，依靠當今先進的科學技術和國家強大的工業(yè)實力來實現橋梁的“高品質、長壽命、高智能”的建設目標?！八幕弊鳛榇蠊I(yè)化的設計理念，從設計施工的根本上保障了橋梁的高質量建設。必須終止傳統(tǒng)發(fā)展理念與模式，以體制機制為入手，在管理評價、技術升級、職業(yè)特征、產業(yè)協(xié)同、投資造價、行業(yè)短板等生產全要素上實施創(chuàng)新來實現高質量發(fā)展。

2.2 景觀文化與設計創(chuàng)意

文化是工程活動中的重要因素，是工程的靈魂。橋梁是文化的重要載體，文化價值是橋梁價值之一，其外在形象折射出工程文化的光芒。橋梁建設應把文化表達及景觀設計放在重要位置。橋梁景觀文化要充分展現優(yōu)秀的民族和國家文化，處理好民族與世界、傳統(tǒng)與現代的關系。既要體現文化自信，又要反映開放包容；既要符合傳統(tǒng)審美價值，又要契合時代特征；要融會統(tǒng)籌工程科技創(chuàng)新與文化藝術創(chuàng)造，讓橋梁工程結構和建筑景觀文化融為一體，煥發(fā)出強大而持久的生命力[13]。

橋梁景觀設計應充分協(xié)調周圍環(huán)境，按照力學原則來體現橋梁自身的功能美和形式美；應通過一定的設計手段和措施來實現橋梁設計的理念，并賦予其文化的傳承，力求建筑風格與環(huán)境的和諧統(tǒng)一；應充分考慮“交通、人、環(huán)境”融合的理念，實現以人為本、功能完善、節(jié)能環(huán)保、環(huán)境優(yōu)美的目標[14]。

2.3 工業(yè)化技術路徑

2.3.1 設計標準化

設計標準化即對常規(guī)橋梁本身以及大型橋梁的構件采用標準化的設計，是保障全產業(yè)鏈完整性的關鍵，是實現工廠化制造與施工、標準化管理的前提和基礎。以標準化、現代化的生產流水線來生產和管理橋梁構件，為提升工程質量、控制成本和工期提供根本保證，為構件的系列化、通用化及多樣化奠定基礎[12]。

鋼結構橋梁具有“綠色、循環(huán)、低碳、高端”發(fā)展的特別優(yōu)勢，非常適合工業(yè)化建造，應積極推廣各類橋梁采用鋼結構進行建設。

2.3.2 生產工廠化

將橋梁現場施工轉化為工廠內流水線制造，如圖3，實現“空中的工作放到地上，地上的工作請到車間”，減少現場的作業(yè)時間和工作量。通過專業(yè)化生產來控制和保障構件質量和穩(wěn)定性，提高橋梁整體品質和使用耐久性，最終實現減少運維工作和費用，支撐環(huán)境保護。

圖3 橋梁鋼結構工廠化流水線制造Fig. 3 Industrialized assembly line manufacturing ofbridge steel structure

2.3.3 施工裝配化

將工廠預制的橋梁構件運至現場進行匹配安裝，如圖4。裝配化施工生產效率高、對自然和社會環(huán)境影響小、勞動力結構優(yōu)，是有效提升橋梁建設工業(yè)化、產業(yè)化水平的根本路徑，極大地滿足了特殊條件下(如海上、交通繁忙的河道、城市等)橋梁快速建造的需求，其核心是高效安裝與高精度控制技術及裝備的研發(fā)。

圖4 橋梁構件現場裝配化施工Fig. 4 On-site assembly construction of bridge components

2.3.4 管理信息化

傳統(tǒng)的項目管理模式越來越難以滿足現代橋梁工程的高質量、高效率建設目標要求。信息化已上升到國家戰(zhàn)略。在管理中采用信息化技術可以顯著提高橋梁建造的生產效率、性能水平及建養(yǎng)一體化水平，有效推動提升橋梁智能化、工業(yè)化水平。信息化還為橋梁建設全過程構建信息通道，可實現橋梁全壽命期的信息標準化和數字化。

2.3.5 穿透數字化

建筑信息模型(BIM)是數字化技術的重要載體，BIM技術已得到國內外各行業(yè)的高度重視，在我國已逐步推廣應用于橋梁的設計、施工模擬和施工管理的建設全過程中。必須將BIM與規(guī)劃、設計、制造、施工、管理、養(yǎng)護等全產業(yè)鏈實施穿透，推行“BIM+無人機+GIS+通用圖”勘察設計一體化技術，同時，BIM技術與虛擬現實(VR)/增強現實(AR)技術相結合，可開展橋梁方案研究和優(yōu)化。此外，基于BIM的集成建模與計算分析技術、建設和運營管理平臺的構建也方興未艾。上述技術應用尚處于初級階段，需進一步大力發(fā)展，為橋梁工業(yè)化裝配化建設提供技術手段[12]。

2.4 工業(yè)化的建設要點

2.4.1 高性能材料研發(fā)

工程技術進步與建筑材料發(fā)展相互依賴和促進。隨著社會發(fā)展對工程安全、環(huán)保、低碳的要求越來越高，橋梁工程材料需向高強、輕質、耐久以及節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)方向發(fā)展。在現已取得的材料研發(fā)成果基礎上，應大力加強輕質混凝土、高性能混凝土、超高性能混凝土、高強度和高性能鋼材、高強度鋼纜索、新型高性能復合材料、新型智能材料等的研究及應用，提高材料的耐久性、工作性、綠色環(huán)保和推廣應用[12，15-17]。高性能材料的研發(fā)和應用，將為橋梁的輕型化、大型化和高質量品質提供保障，為橋梁工業(yè)化、裝配化建造奠定基礎。

2.4.2 智能化制造技術及裝備研發(fā)

基于設計標準化、生產工廠化的橋梁預制構件全過程在線協(xié)同管理平臺，采用智能設計軟件、智能制造管理系統(tǒng)及數控裝備，可實現設計數據驅動工廠自動化生產、提高裝配化橋梁構件的生產效率，減少對人力的依賴，實現少人化或無人化[12，15-16]。

智能化制造離不開自動化裝備。當前我國橋梁鋼結構自動化制造生產線已取得較大進步，但還有進一步提升的空間。在鋼結構高精度數控機床、機器人同步焊接、大型組裝平臺、混凝土預制節(jié)段預制精度控制與匹配等裝備方面還需不斷提升。

2.4.3 高精度安裝技術及裝備研發(fā)

在技術方面，基于現有橋梁裝配化施工理論控制方法，研發(fā)基于網絡的橋梁一體化、智能化、信息化的施工控制技術和系統(tǒng)[12]。

在裝備方面，預制樁基整體打樁設備，預制承臺、墩體、橋塔、箱梁構件的大型浮吊和起重吊機，梁上運梁設備，短線匹配法架橋機、基礎-橋墩-上部結構一體化架橋機、大型纜載吊機、橋面吊機、大型龍門式起重機，以及頂推法、滑模法和轉體法施工設備等關鍵裝備，在能力(噸位)、效率、可靠性、耐久性等方面都需不斷研發(fā)升級，在控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等關鍵核心部件應實現國產化。

2.4.4 智能化管養(yǎng)技術及裝備研發(fā)

當前，我國橋梁正處于從“建設為主”向“建養(yǎng)并重”的關鍵轉型期。在橋梁建造期考慮運營期維養(yǎng)并努力提升智能化管理水平，是橋梁強國建設不可或缺的內涵。應以“為用戶提供優(yōu)質服務、需求引導設計、以人為本”理念為指導，確立先進的運營管養(yǎng)設施設備的設置原則，滿足各部位“可到達、可檢查、可維護、可持續(xù)性”，做到易檢、易維護、易修、易換。同時，應不斷研發(fā)升級主梁內外、橋塔內外、橋墩、纜索系統(tǒng)、錨碇等橋梁構件的管養(yǎng)設施設備，做到全自動、全覆蓋、人性化。對于運營期，持續(xù)研發(fā)提升橋梁管養(yǎng)、監(jiān)測、檢測及評估技術和裝備水平[1，12，15]。

2.5 高質量發(fā)展體制機制創(chuàng)新

2.5.1 建設管理評價機制

橋梁強國必然是體制機制強國。傳統(tǒng)的單階段、少要素、唯績效、重建輕養(yǎng)的橋梁工程建設管理評價機制已不能適應橋梁高質量發(fā)展要求。應盡快建立健全“設計使用壽命 + 全壽命周期成本 + 職業(yè)經理人 + QHSE”的建設管理評價機制。未來橋梁建設應在確保使用功能和壽命的基礎上，更加注重質量、安全、創(chuàng)新、綠色、環(huán)保、節(jié)約、高效、和諧、文化表達、職業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展等要素的評價。

2.5.2 規(guī)范對標與編制修編機制

在我國大規(guī)模橋梁工程建設取得各方面發(fā)展進步的同時，我國橋梁標準化工作也得到了快速發(fā)展，但仍然處于比較粗放、不精不細、寬泛不嚴、質量不高的狀態(tài)。現有橋梁標準規(guī)范落后于橋梁技術和產業(yè)化的快速發(fā)展，亟需制訂/修訂適應綠色、信息化、智能化、工業(yè)化高質量發(fā)展的橋梁標準規(guī)范體系，發(fā)揮其在推進橋梁產業(yè)發(fā)展中的基礎性和戰(zhàn)略引領性作用。在國際上，我國標準規(guī)范的國際認可度還有待提高，亟需建立對標國際先進規(guī)范的編制修編機制，提升中國橋梁標準規(guī)范體系技術水平[12]。

2.5.3 自主知識產權軟件研發(fā)應用機制

軟件是信息技術的基礎，是橋梁工業(yè)化、信息化、智能化的重要支撐，涵蓋了包括橋梁勘察、結構分析、輔助設計、防災減災、智能生產、施工管理、運營養(yǎng)護及一體化平臺建設等全產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)。多年來，雖然我國橋梁在該領域軟件的研發(fā)和應用取得了積極進展，但橋梁信息化技術水平仍然較低，對國外軟件的依賴程度較高。應建立機制倡導大力突破原創(chuàng)性橋梁工程理論與分析方法，開發(fā)應用具有自主知識產權的核心軟件，實現新一代信息技術和橋梁建養(yǎng)技術的深度融合[12，16-17]。

2.5.4 產業(yè)協(xié)同創(chuàng)新機制

產業(yè)化為橋梁建設提供了完整的產業(yè)體系，實現了橋梁設計、建造全過程的管理標準化。應建立以企業(yè)為主體、產學研用深度融合的技術創(chuàng)新機制，鼓勵行業(yè)內外各類創(chuàng)新主體建立創(chuàng)新聯盟和關鍵核心技術攻關機制。按照共享與協(xié)同發(fā)展理念，對重點企業(yè)、知名高校、科研院所以及橋梁和相關領域的國家和行業(yè)重點實驗室與技術中心等優(yōu)勢資源進行整合。協(xié)同創(chuàng)新機制以創(chuàng)新發(fā)展的內在需求和相關方的共同利益為基礎，遵循市場經濟規(guī)律，通過具有法律約束力的合同對各成員形成有效的行為約束和利益保護[12]。

2.5.5 造價服從建設目標機制

“錢不是萬能的，沒有錢是萬萬不能的”。在短缺經濟時代的快速發(fā)展階段“少花錢多辦事”具有一定的合理性，但是，今天這一觀念阻礙了高質量發(fā)展戰(zhàn)略。應摒棄“少花錢多辦事”“低造價方案”“最低價中標”的陳舊觀念，為創(chuàng)新研發(fā)和裝備購置保有必要資金，以合理的造價和投資保障橋梁建設高質量發(fā)展。

2.5.6 通用圖推廣應用機制

通用圖是標準化的重要載體。為實現我國橋梁建設的高品質、綠色、長壽命目標，推行通用圖設計技術是一個必須堅持的方向，是解決設計水平良莠不齊、地域地區(qū)差距的有效途徑。推廣優(yōu)秀的通用圖設計技術，是我國橋梁工程項目享有優(yōu)質設計資源和落實高質量發(fā)展的必要途徑。

2.5.7 職業(yè)經理人機制

人是生產力的第一要素，推行業(yè)主、施工、監(jiān)理及設計從業(yè)人員的職業(yè)經理人體制機制，有利于工匠型人才長期服務于工程建設，有利于工程“財富”的沉淀，確保人才的穩(wěn)定性、精益性，是高質量發(fā)展的重要保障條件[18]。橋梁建設各方企業(yè)單位建立職業(yè)經理人機制是發(fā)展的必然趨勢。通過聘任職業(yè)經理人，引進優(yōu)秀專業(yè)人才，做好相關決策流程建設，以制度形式明確各崗位職業(yè)經理人的權責利，建立市場化的薪酬和獎懲機制，形成獎罰分明氛圍，可激發(fā)內部人才潛力，促進我國橋梁高質量發(fā)展。

3 結 語

中國橋梁已走出了一條自主建設和創(chuàng)新發(fā)展的成功道路，為未來將我國建設成為世界橋梁強國奠定了堅實基礎。

筆者介紹了港珠澳大橋的建設背景、目標、橋梁結構和景觀文化設計方案；總結了港珠澳大橋建設成就及經驗；概述了在“大型化、工廠化、標準化、裝配化”建設理念下開展的橋梁工程新材料、新結構、新技術、新工藝、新設備等創(chuàng)新成果；指出了今后我國橋梁建設的工業(yè)化技術路徑及要點；提出了體制機制創(chuàng)新方向，以期推動我國橋梁建設高質量可持續(xù)發(fā)展，更好地支撐交通強國發(fā)展戰(zhàn)略，早日實現中國橋梁強國偉大夢想。