基于數字化建造的我國橋梁建筑的發(fā)展趨勢分析

摘要 橋梁作為現代交通基礎設施的關鍵組成部分，對于促進當地經濟發(fā)展、提高交通運輸效率具有重要意義。文章通過回顧橋梁工程歷史，結合目前先進科學技術應用和生態(tài)文明要求，深入分析了橋梁在結構設計、材料創(chuàng)新、建造技術、智能化監(jiān)測與維護及可持續(xù)發(fā)展等方面的發(fā)展趨勢，為未來橋梁工程的發(fā)展提供了一定的參考和展望。

關鍵詞 橋梁工程；發(fā)展趨勢；結構創(chuàng)新；智能維護；可持續(xù)

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0168-03

0 引言

橋梁的發(fā)展歷程見證了人類文明的演進和科技的進步。從古老的石拱橋到現代的斜拉橋、懸索橋，橋梁的形態(tài)和功能不斷演變，以適應日益復雜的交通和社會需求。橋梁作為交通基礎設施的重要組成部分，在經濟發(fā)展和社會進步中發(fā)揮著關鍵作用。隨著科技的不斷進步和社會需求的變化，橋梁工程正朝著更大跨度、更高性能、更智能化和更注重可持續(xù)性的方向發(fā)展。該文通過對現有研究成果的綜合分析，探討了橋梁工程在未來的主要發(fā)展趨勢，并對相關挑戰(zhàn)和機遇進行了展望。

1 橋梁的大致發(fā)展歷程

1.1 古代橋梁

以石拱橋和木橋為主，依靠工匠的經驗和簡單的力學原理進行建造，跨度和承載能力有限。

1.2 近代橋梁

隨著工業(yè)革命的推進，鋼材和混凝土的應用使得橋梁的規(guī)模和性能得到顯著提升，出現了鋼梁橋和混凝土橋。

1.3 現代橋梁

在力學、材料科學和計算機技術的支持下，大跨度的斜拉橋、懸索橋和拱橋成為主流，橋梁的設計和建造更加精確和復雜。

2 橋梁工程的發(fā)展現狀與前景分析

目前，橋梁工程在設計理論、施工技術和材料應用等方面取得了顯著成就。高強度鋼材、高性能混凝土和新型纖維增強復合材料等的應用，使得橋梁的承載能力和耐久性得到提高。同時，先進的施工方法如預制拼裝技術、頂推法和懸臂施工法等，大幅縮短了施工周期，降低了施工成本。在設計方面，計算機輔助設計和有限元分析等技術的應用，使得橋梁的設計更加精確和合理。橋梁工程作為交通領域的重要支撐，其發(fā)展趨勢對于滿足社會經濟發(fā)展需求、保障交通安全和促進可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義。未來，橋梁工程將在更大跨度、高性能材料、智能化和可持續(xù)性等方面取得更大突破。

3 橋梁工程的發(fā)展趨勢

3.1 高性能材料的應用

新型材料如高性能纖維增強復合材料（FRP）、超高性能混凝土（UHPC）等具有優(yōu)異的力學性能和耐久性，將在橋梁工程中得到更廣泛的應用。這些材料能夠減輕橋梁自重、提高結構的承載能力和抗疲勞性能，延長橋梁的使用壽命。高強度鋼材、碳纖維增強復合材料等高性能材料的出現，為大跨度橋梁的輕量化設計提供了可能。這些材料具有更高的強度和更好的耐久性，能夠減輕結構自重，增加橋梁的跨度和使用壽命。

3.1.1 高強度鋼材

高強度鋼材具有更高的強度和韌性，能夠減小構件尺寸，減輕橋梁自重，增加跨度。

3.1.2 新型纖維增強復合材料（FRP）

新型纖維增強復合材料具有輕質、高強、耐腐蝕等優(yōu)點，可用于橋梁的加固和新建，尤其適用于惡劣環(huán)境下的橋梁工程。

3.2 智能化建造與監(jiān)測

隨著信息技術的發(fā)展，橋梁智能化成為未來的重要趨勢。通過在橋梁中安裝傳感器、監(jiān)測系統(tǒng)和數據分析軟件，可以實現對橋梁結構健康狀況的實時監(jiān)測和評估。智能化技術還可以應用于橋梁的施工過程控制、交通管理和維護決策，提高橋梁的安全性和運營效率。

3.2.1 數字化設計與施工

借助建筑信息模型（BIM）、計算機模擬和優(yōu)化算法等數字化技術，橋梁的設計和施工過程更加精確和高效。從設計階段的方案比選到施工階段的進度控制和質量監(jiān)測，數字化手段能夠實現全過程的精細化管理。

（1）預制拼裝技術

工廠化預制構件，現場拼裝，提高施工質量和效率，減少對交通和環(huán)境的影響。

（2）3D打印技術

在橋梁小型構件制造和復雜結構成形方面具有潛在的應用前景，為橋梁建造帶來新的可能性。

（3）多級預應力裝置

以窄空間的預應力鋼束多級張拉工藝為例，通過設計多級活塞縮短前卡式千斤頂張拉作業(yè)所需要的軸向空間，并使其能在窄空間下進行預應力鋼束的張拉作業(yè)，滿足新建橋梁后張法預應力梁端部、伸縮縫處和已建橋梁的維護、改造等軸向張拉空間受限的施工作業(yè)要求。具體如下：

1）節(jié)約工期

多級張拉工藝與特制前卡式千斤頂可解決橋梁預應力鋼束張拉空間窄、無法進行張拉工作的難題。根據以往施工經驗與現場施工反饋情況，以某分離立交橋為例，一座T梁的預應力鋼束為3束，左右兩幅的T梁數量均為8片，采用傳統(tǒng)工藝進行張拉，工期為10 d，需要15～18名作業(yè)人員；采用多級張拉工藝，工期為6 d，需要10～12名工作人員。采用多級張拉工藝對分離立交橋進行張拉作業(yè)，節(jié)約工期4 d，可節(jié)省5名勞動力，降低了施工成本，提高了施工效率[1]。

2）節(jié)約造價

橋梁使用特制前卡式千斤頂和多級張拉工藝進行預應力鋼束的張拉作業(yè)。采用特制前卡式千斤頂進行張拉作業(yè)時，由于千斤頂軸向長度短，張拉時預留的鋼絞線也較短，以某項目7座橋梁為例，平均一座橋梁可節(jié)約鋼絞線50 m，7座橋梁共計節(jié)約2.0萬元。

3.2.2 智能監(jiān)測系統(tǒng)

通過在橋梁結構中布置各類傳感器，實時采集結構的應力、變形、振動等數據，并運用大數據分析和人工智能算法進行處理和評估。智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時發(fā)現結構的損傷和潛在風險，為橋梁的維護和管理提供科學依據。

（1）傳感器網絡

在橋梁關鍵部位安裝各類傳感器，實時采集結構的受力、變形、溫度等數據。

（2）數據分析與評估

利用大數據和人工智能技術對監(jiān)測數據進行分析處理，實現對橋梁健康狀況的準確評估和預測，及時發(fā)現潛在問題并采取針對性的維護措施。

（3）機器人測量技術

機器人測量技術在超大跨徑拱橋、斜拉橋及連續(xù)剛構橋的工程建設中得到廣泛應用，與現有測量技術相比，該技術能夠將多點位控制測量的效率提高10倍以上，線形控制精度遠高于規(guī)范要求，為實際工程節(jié)約工期至少10%以上。

1）開發(fā)基于測量機器人的拱肋線形自動化監(jiān)測裝備

基于0.5 s萊卡測量機器人，開發(fā)集測量系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)于一體的智能型拱肋線形自動化測量儀器，可實現遠程控制多點自動實時跟蹤測量且24 h不間斷的連續(xù)監(jiān)測。同時，創(chuàng)新性地開發(fā)了DTU數據無線傳輸模塊，可實現儀器與系統(tǒng)平臺之間的信息遠程交互與指令觸發(fā)，解決了傳統(tǒng)技術多測量效率低、時效性不足及無法連續(xù)跟蹤測量的問題，將多點位控制測量的效率提高10倍以上，顯著提高了測量的工作效率及質量[2]。

2）開發(fā)拱肋線形自動化監(jiān)測系統(tǒng)

拱肋線形自動化監(jiān)測系統(tǒng)中可設置多個監(jiān)測點、監(jiān)測頻率、監(jiān)測時間。系統(tǒng)結合自動化監(jiān)測裝備，可循環(huán)、快速、精準的監(jiān)測超過50個點的位移，解決拱肋線形測量慢、測試精度低的問題，使拱肋線形測量真正實現無人化。

3）開發(fā)塔架結構響應自動化監(jiān)測及預處理系統(tǒng)

塔架結構響應自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有自動測量、點位測量、跟蹤測量等功能，可實現24h不間斷的連續(xù)監(jiān)測，大幅提升監(jiān)測效率。同時，針對自動監(jiān)測數據含噪、缺失、跳點等問題開發(fā)了數據預處理程序，降低了數據預處理技術的應用門檻，方便工程測量人員上手操作，提高數據預處理的效率且可直觀可視化展示預處理結果，實現數據采集、存儲、展示的全過程自動化[3]。

3.3 新型結構體系

隨著交通需求的增長和工程技術的進步，橋梁的跨度不斷增加。超大跨度橋梁如懸索橋和斜拉橋，成為跨越江河湖海的重要選擇。為實現更大跨度，需要研發(fā)更高強度的材料、更先進的結構體系和更精確的計算分析方法。為實現更大的跨越能力，橋梁工程師們不斷探索新型的結構體系，如多塔多跨懸索橋、部分地錨式懸索橋等。這些創(chuàng)新結構在提高橋梁承載能力的同時，優(yōu)化了力學性能，降低了建造成本。

3.3.1 新型橋梁體系

新型橋梁體系如自錨式懸索橋、矮塔斜拉橋等的出現，結合了不同橋型的優(yōu)點，適應更復雜的地形和交通需求。

3.3.2 組合結構

鋼-混凝土組合結構、混合梁結構等的應用，能夠充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢，提高橋梁的經濟性能和力學性能。

3.4 綠色環(huán)保理念的融入

在全球可持續(xù)發(fā)展的背景下，橋梁工程也越來越注重環(huán)境友好和資源節(jié)約。從橋梁的規(guī)劃設計到施工運營，都需要考慮減少對生態(tài)環(huán)境的影響、降低能源消耗和提高材料的回收利用率。例如，采用綠色施工技術、優(yōu)化橋梁的結構形式，以減少材料用量等。

3.4.1 生態(tài)友好型設計

在橋梁規(guī)劃和設計階段，充分考慮對周邊生態(tài)環(huán)境的影響，采取措施減少橋梁建設對動植物棲息地的破壞。例如，采用生態(tài)護坡、設置野生動物通道等，以保護生物多樣性。

3.4.2 可再生能源利用

在橋梁上安裝太陽能板、風力發(fā)電裝置等，為橋梁的照明、監(jiān)測設備等提供清潔能源，降低橋梁運營過程中的能源消耗和碳排放。

3.4.3 生命周期評估

在橋梁設計、施工和運營全過程中考慮能源消耗、環(huán)境影響和資源利用，選擇最環(huán)保和經濟的方案。

3.4.4 生態(tài)友好型設計

注重橋梁與周邊生態(tài)環(huán)境的融合，減少對生物多樣性的破壞，打造綠色生態(tài)橋梁。

3.5 多用途橋梁的興起

3.5.1 交通與城市功能融合

一些橋梁不再僅僅是交通通道，還融入了商業(yè)、休閑、觀光等城市功能。例如，在橋面上設置步行街、觀景平臺、商業(yè)店鋪等，使橋梁成為城市公共空間的一部分，提升城市的活力和品質。

3.5.2 綜合交通樞紐的構建

隨著交通方式的多樣化，綜合交通樞紐的一體化設計能夠提高交通效率，減少土地占用，實現資源的優(yōu)化配置。

3.6 未來橋梁發(fā)展方向

3.6.1 跨學科合作將更加緊密

橋梁工程將與材料科學、計算機科學、生態(tài)學等多個學科深度融合，共同推動橋梁技術的創(chuàng)新發(fā)展。

（1）科技創(chuàng)新。新的材料、技術和方法的不斷涌現為橋梁工程的發(fā)展提供了強大的動力，如3D打印技術、智能機器人在橋梁施工中的應用等。

（2）政策支持。政府對基礎設施建設的重視和可持續(xù)發(fā)展的推動，為橋梁工程的創(chuàng)新發(fā)展提供了有利的政策環(huán)境和資金支持。

（3）國際合作。全球化的趨勢使得國際的技術交流和合作更加頻繁，有助于共同攻克橋梁工程領域的難題，推動行業(yè)的進步。

3.6.2 極端條件下的橋梁建設

隨著極地、深海等極端環(huán)境開發(fā)的需求增加，將研發(fā)適應極端條件的橋梁設計和施工技術。積極推進產業(yè)數字化和數字產業(yè)化轉型發(fā)展。積極探索創(chuàng)新發(fā)展新質生產力取得的應用成果，分享試點建設智能工廠和數字化車間，打造鋼材數字化加工基地和智慧梁廠的實踐經驗，包括鋼材數字化加工配送基地要實現區(qū)域性鋼材數字加工基地對傳統(tǒng)鋼材加工、運輸、安裝的創(chuàng)新實踐，相較于傳統(tǒng)的鋼材加工廠能夠減少人員投入60%，降低鋼材損耗率50%。梁板預制數字化、智能化生產是以“自動化+機械化+數字化+工業(yè)化+智慧化”為導向，通過引入先進的自動化機械設備，建設智能數控中心，優(yōu)化全流程施工工藝，建設工廠化運行，實現梁板預制的全方位智能化管控。充分利用信息技術、智能制造、人工智能等前沿科技，賦能工程建設的智慧建造、綠色生產模式。

3.6.3 個性化與定制化設計

根據不同地區(qū)的文化特色、地理條件和交通需求，進行個性化和定制化的橋梁設計，使橋梁不僅具有實用功能，還成為城市或地區(qū)的標志性景觀。

（1）技術難題。實現更大跨度和更復雜結構的橋梁設計和施工，需要解決一系列技術難題，如結構的穩(wěn)定性、風振和地震響應等。

（2）經濟成本。高性能材料和先進技術的應用往往伴隨著較高的成本，如何在保證橋梁性能的前提下控制建設成本是一個重要挑戰(zhàn)。

（3）維護管理。隨著橋梁數量的增加和使用年限的增長，橋梁的維護管理任務日益繁重，需要建立高效的維護管理體系和技術手段。

4 結束語

綜上所述，橋梁工程的發(fā)展趨勢反映了人類對更高效、更安全、更環(huán)保和更美觀交通設施的追求。未來，隨著科技的不斷進步和創(chuàng)新理念的融入，橋梁工程將繼續(xù)在結構、材料、建造技術和管理維護等方面取得突破，為社會的發(fā)展和進步發(fā)揮更加重要的作用。

（1）縱向分析方面。橋梁的建設歷史悠久，從古代的簡單石橋到現代的復雜大型橋梁，其發(fā)展見證了人類社會的進步和工程技術的不斷革新。隨著科技的飛速發(fā)展和社會需求的日益多樣化，橋梁工程正面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇，呈現出一系列令人矚目的發(fā)展趨勢。

（2）橫向分析方面。橋梁工程的發(fā)展趨勢反映了人類對交通基礎設施更高性能、更智能化、更綠色環(huán)保和更多功能的追求。在未來的發(fā)展中，我們應積極應對挑戰(zhàn)，充分利用科技創(chuàng)新成果，推動橋梁工程的可持續(xù)發(fā)展，為人類社會創(chuàng)造更加便捷、安全和美好的交通環(huán)境。

（3）宏觀分析角度。結合當前技術進步和社會需求的變化，橋梁在結構設計、材料創(chuàng)新、建造技術、智能化監(jiān)測與維護以及可持續(xù)發(fā)展等方面的發(fā)展趨勢是良好的。橋梁工程正朝著更大跨度、更高性能、更智能化和更注重可持續(xù)性的方向發(fā)展。

（4）微觀分析角度。隨著科技的迅猛發(fā)展和社會需求的不斷變化，橋梁工程在設計理念、建造技術、材料應用和功能拓展等方面經歷了顯著的變革，包括大跨度橋梁的創(chuàng)新、智能化建造與監(jiān)測、綠色環(huán)保理念的融入及多用途橋梁的興起，橋梁的設計和建造技術不斷創(chuàng)新。在當今時代，社會經濟的快速發(fā)展對橋梁的性能和功能提出了更高要求，促使橋梁工程不斷探索新的發(fā)展方向。

參考文獻

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[3]申鐵軍.梁板預制標準化在工程中的應用[J].山西交通科技， 2013（4）：78-79+109.

收稿日期：2024-07-18

作者簡介：馬啟斌（1992—），男，本科，工程師，主要從事道路橋梁建設管理工作。

通迅作者：申鐵軍（1980—），男，本科，正高級工程師，主要從事混凝土工程研究工作。