數(shù)字技術(shù)在路橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳 坤

（淮安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇淮安 223001）

1 路橋設(shè)計(jì)數(shù)字技術(shù)概念

數(shù)字技術(shù)是指使用數(shù)字化的信息和通信技術(shù)處理、傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的技術(shù)。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)據(jù)處理速度更快、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更便捷、信息交流更便利，同時(shí)也帶來了許多新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用范圍涉及各個(gè)領(lǐng)域，包括通信、娛樂、金融、醫(yī)療、制造業(yè)等[1]。數(shù)字技術(shù)也推動(dòng)了社會(huì)與經(jīng)濟(jì)變革，例如數(shù)字化生產(chǎn)使得制造業(yè)更加智能化和高效化，數(shù)字化醫(yī)療服務(wù)使得醫(yī)療更加精準(zhǔn)和高效。數(shù)字技術(shù)對(duì)生產(chǎn)生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，未來數(shù)字技術(shù)發(fā)展也將繼續(xù)推動(dòng)著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在路橋設(shè)計(jì)中，數(shù)字技術(shù)可發(fā)揮重要的作用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第一，數(shù)字地圖。數(shù)字地圖可為路橋設(shè)計(jì)提供高精度地理信息，包括地形、地貌、地下管線等。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)數(shù)字地圖信息，更好地規(guī)劃和設(shè)計(jì)路橋位置、形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

第二，數(shù)字化建模。數(shù)字化建模技術(shù)可將路橋設(shè)計(jì)方案通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維建模，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行多維度設(shè)計(jì)和模擬分析，預(yù)測和優(yōu)化方案的性能和可行性。

第三，虛擬現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可模擬真實(shí)的路橋場景，設(shè)計(jì)人員可在虛擬環(huán)境中實(shí)時(shí)交互，調(diào)整和優(yōu)化方案，提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

第四，云計(jì)算。云計(jì)算技術(shù)可為路橋設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大計(jì)算和存儲(chǔ)能力，加速設(shè)計(jì)過程和優(yōu)化方案。

第五，智能化監(jiān)測。數(shù)字技術(shù)可實(shí)現(xiàn)路橋智能化監(jiān)測，包括使用傳感器監(jiān)測路橋狀態(tài)、使用情況和健康狀況，通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，提高路橋使用壽命和安全性。

2 路橋設(shè)計(jì)中應(yīng)用數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢

第一，提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的路橋設(shè)計(jì)方式需設(shè)計(jì)師手動(dòng)繪制圖紙，這需花費(fèi)大量的時(shí)間和人力，并且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。數(shù)字技術(shù)可通過軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)和繪圖，極大提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)[2]。

第二，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。數(shù)字技術(shù)可通過數(shù)字化建模和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將路橋設(shè)計(jì)方案進(jìn)行三維建模和模擬分析，以便設(shè)計(jì)師更好地了解設(shè)計(jì)方案性能和可行性，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提高工程效益和經(jīng)濟(jì)性的目的。

第三，提高工程質(zhì)量。數(shù)字技術(shù)可通過智能化監(jiān)測，使用傳感器和互聯(lián)設(shè)備對(duì)路橋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)路橋狀態(tài)、使用情況和健康狀況進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，提高路橋使用壽命和安全性，同時(shí)可減少對(duì)路橋的維護(hù)和修復(fù)費(fèi)用。

第四，加強(qiáng)設(shè)計(jì)和施工的協(xié)同性。數(shù)字技術(shù)可將設(shè)計(jì)師和施工人員的工作緊密結(jié)合起來，可在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)施工過程可視化和模擬，提前預(yù)測施工中存在的問題，從而加強(qiáng)設(shè)計(jì)和施工之間協(xié)同性，減少設(shè)計(jì)和施工中不確定性和錯(cuò)誤。

第五，推動(dòng)工程數(shù)字化和智能化。數(shù)字技術(shù)可推動(dòng)路橋工程的數(shù)字化和智能化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交流，提高工程的協(xié)同性和效率。

3 數(shù)字技術(shù)在路橋設(shè)計(jì)中應(yīng)用

3.1 信息采集

第一，三維激光掃描技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有路橋結(jié)構(gòu)快速、高效非接觸式采集，能夠精確地獲取路橋結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)信息，包括結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀、曲率等信息，可用于建立三維模型或數(shù)字化檔案。

第二，空中無人機(jī)遙感技術(shù)。利用空中無人機(jī)遙感技術(shù)可對(duì)大范圍路橋進(jìn)行快速、全面的高分辨率采集。無人機(jī)可搭載多種傳感器，如光學(xué)相機(jī)、雷達(dá)、激光測距儀等，可獲取路橋結(jié)構(gòu)三維模型、圖像和紅外線數(shù)據(jù)，用于對(duì)路橋結(jié)構(gòu)與環(huán)境的分析和評(píng)估[3]。

第三，傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測路橋結(jié)構(gòu)各種參數(shù)，如振動(dòng)、應(yīng)力、變形、溫度等，提供路橋結(jié)構(gòu)健康狀況數(shù)據(jù)支持。數(shù)字技術(shù)可通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲(chǔ)、分析和處理，提供科學(xué)的決策依據(jù)。

第四，數(shù)據(jù)庫和信息共享平臺(tái)。數(shù)字技術(shù)可建立路橋信息數(shù)據(jù)庫和信息共享平臺(tái)，將采集到的信息進(jìn)行整合和管理，實(shí)現(xiàn)信息的共享和交流。這些信息可用于工程建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)中，提高工程效率和質(zhì)量。

第五，模擬和仿真軟件。數(shù)字技術(shù)可通過使用模擬和仿真軟件，對(duì)路橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路橋結(jié)構(gòu)的評(píng)估和優(yōu)化?？蓪?duì)路橋在不同條件下的響應(yīng)進(jìn)行模擬和分析，比如荷載響應(yīng)、自然災(zāi)害響應(yīng)等，為設(shè)計(jì)、運(yùn)營和維護(hù)提供支持。

3.2 模型建立

在路橋設(shè)計(jì)中，數(shù)字技術(shù)可通過建立模型幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行仿真和分析，以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。建立模型的過程包括以下幾個(gè)步驟。

第一，選擇建模軟件。根據(jù)路橋設(shè)計(jì)的需求和特點(diǎn)，選擇合適建模軟件。常用建模軟件包括Autodesk AutoCAD、Bentley MicroStation、Bentley OpenRoads、Autodesk InfraWorks 等。

第二，數(shù)據(jù)采集。使用數(shù)字技術(shù)，如激光掃描、遙感、傳感器監(jiān)測等技術(shù)，采集路橋?qū)嶋H數(shù)據(jù)，包括路面、橋梁、隧道等各種結(jié)構(gòu)和環(huán)境數(shù)據(jù)。

第三，數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換。對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化三維模型或二維圖形。

第四，建立模型。使用選定建模軟件，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，建立路橋的三維模型或二維圖形。建立模型時(shí)，需考慮結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料、荷載等因素，并根據(jù)需要添加細(xì)節(jié)和特征。

第五，優(yōu)化模型。通過對(duì)模型進(jìn)行分析和仿真，優(yōu)化模型設(shè)計(jì)，以滿足設(shè)計(jì)需求。模型優(yōu)化可包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、振動(dòng)響應(yīng)、流體力學(xué)等方面分析和仿真。

第六，導(dǎo)出模型。將優(yōu)化后模型導(dǎo)出合適的文件格式，以供后續(xù)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)使用。常用文件格式包括DWG、DGN、IFC、STEP 等。

3.3 圖紙導(dǎo)存

數(shù)字技術(shù)在路橋設(shè)計(jì)中可幫助設(shè)計(jì)人員將設(shè)計(jì)圖紙以數(shù)字化形式進(jìn)行導(dǎo)出和存儲(chǔ)，以便后續(xù)使用和管理。

第一，導(dǎo)出為CAD 文件。設(shè)計(jì)人員可將設(shè)計(jì)圖紙導(dǎo)出為CAD 文件，如DWG 或DGN 等格式，以便后續(xù)的修改和編輯。CAD 文件具有通用性，可在不同的軟件平臺(tái)上打開和編輯，也可作為輸出格式提供給承包商和建造方。

第二，導(dǎo)出為BIM 模型。在現(xiàn)代化路橋設(shè)計(jì)中，建筑信息模型（BIM）成為一種重要的數(shù)字技術(shù)。設(shè)計(jì)人員可將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為BIM 模型，以便于后續(xù)協(xié)作和管理。BIM 模型可包含設(shè)計(jì)圖紙三維模型、參數(shù)、材料、荷載等信息，可為建造、運(yùn)營和維護(hù)提供更加全面和準(zhǔn)確信息。

第三，選擇合適文件格式。在導(dǎo)出圖紙前，需選擇合適文件格式。常用的文件格式包括DWG、DGN、IFC、STEP 等。不同的文件格式具有不同特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，需根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

第四，存儲(chǔ)圖紙。將導(dǎo)出圖紙保存到指定位置。通常將圖紙保存到電腦硬盤、云盤、U 盤等存儲(chǔ)設(shè)備中。同時(shí)，可根據(jù)需要，設(shè)置文件名、文件路徑和文件標(biāo)簽，以便后續(xù)查找和使用。

第五，管理圖紙。對(duì)存儲(chǔ)圖紙進(jìn)行管理，包括整理、分類、命名、備份、歸檔等操作?？墒褂脭?shù)字技術(shù)中的圖紙管理軟件，如AutoCAD、Bentley ProjectWise 等，方便管理圖紙，以提高效率和準(zhǔn)確性[4]。

3.4 工量計(jì)算

數(shù)字技術(shù)在路橋設(shè)計(jì)中可應(yīng)用于工程量準(zhǔn)確計(jì)算。通過數(shù)字技術(shù)，可自動(dòng)獲取設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)尺寸、材料規(guī)格、施工工藝等信息，快速地進(jìn)行工程量計(jì)算和分析。具體實(shí)現(xiàn)過程包括以下幾個(gè)步驟。

第一，建立模型。在數(shù)字技術(shù)的支持下，可建立精確的三維模型，包括結(jié)構(gòu)物的幾何形狀、材料屬性、荷載情況等。這些模型可基于CAD、BIM 等軟件平臺(tái)進(jìn)行建模，也可使用其他模擬軟件進(jìn)行模擬分析。

第二，設(shè)定參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)物尺寸、材料規(guī)格、施工工藝等。這些參數(shù)可通過軟件工具進(jìn)行設(shè)置，也可手動(dòng)輸入。

第三，進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)建立模型和設(shè)定參數(shù)，利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行工程量計(jì)算。具體可采用有限元分析、數(shù)值計(jì)算等方法，計(jì)算結(jié)構(gòu)物的荷載、應(yīng)力、變形等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出工程量。

第四，分析結(jié)果。分析計(jì)算結(jié)果，檢查工程量的準(zhǔn)確性和可行性。如果發(fā)現(xiàn)問題，可對(duì)模型和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，重新進(jìn)行計(jì)算和分析，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 協(xié)同設(shè)計(jì)

在路橋設(shè)計(jì)中，數(shù)字技術(shù)可幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)。協(xié)同設(shè)計(jì)是指多個(gè)設(shè)計(jì)師、工程師和技術(shù)人員共同參與一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程，利用各自專業(yè)知識(shí)和技能進(jìn)行合作，從而達(dá)到更好的設(shè)計(jì)效果。數(shù)字技術(shù)在路橋設(shè)計(jì)中應(yīng)用于協(xié)同設(shè)計(jì)的例子如下。

第一，BIM 技術(shù)。建筑信息模型（BIM）是一種數(shù)字技術(shù)，可幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)。BIM 技術(shù)可將設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的不同專業(yè)（如結(jié)構(gòu)、土木、給排水、電氣等）的模型集成在一起，形成一個(gè)整體模型，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)[5-7]。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員可對(duì)模型進(jìn)行修改、更新、共享和討論，以實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)計(jì)效果。

第二，云計(jì)算技術(shù)。云計(jì)算技術(shù)可提供基于云端設(shè)計(jì)平臺(tái)，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可隨時(shí)隨地進(jìn)行設(shè)計(jì)，不受地理位置限制。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員可使用云平臺(tái)上協(xié)同設(shè)計(jì)工具，進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)共享和討論?？煽焖龠M(jìn)行設(shè)計(jì)，減少溝通成本，提高設(shè)計(jì)效率。

第三，項(xiàng)目管理軟件。項(xiàng)目管理軟件可幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)協(xié)同管理設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員可使用項(xiàng)目管理軟件，實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配、進(jìn)度追蹤、成員協(xié)作、問題跟蹤等功能。保證項(xiàng)目的進(jìn)度和質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率。

4 結(jié)語

數(shù)字技術(shù)在路橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可極大地提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，為路橋工程建設(shè)和發(fā)展提供有力支持。同時(shí)，數(shù)字技術(shù)應(yīng)用也面對(duì)一些挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)質(zhì)量保障、技術(shù)應(yīng)用復(fù)雜性、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)協(xié)同難度等。因此，在應(yīng)用數(shù)字技術(shù)的過程中，需不斷學(xué)習(xí)、創(chuàng)新、實(shí)踐，不斷完善技術(shù)體系和管理體系，以確保數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用能夠?yàn)槁窐蛟O(shè)計(jì)帶來真正的效益。隨著技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用深入推進(jìn)，數(shù)字技術(shù)在路橋設(shè)計(jì)中應(yīng)用會(huì)越來越成熟和普及，為路橋設(shè)計(jì)行業(yè)的未來發(fā)展開創(chuàng)更加廣闊的空間和前景。