吳孫堯

（上海同豪土木工程咨詢有限公司，上海市200092）

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)化是一項(xiàng)技術(shù)成熟的重要標(biāo)志。近20年來，我國修建了大量高速公路橋梁，積累了豐富的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，也形成了很多標(biāo)準(zhǔn)化的成果。在橋梁設(shè)計領(lǐng)域，交通部頒布2008版標(biāo)準(zhǔn)圖，而各地區(qū)在其基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r得到了差異化應(yīng)用，形成了各地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)圖。但標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)并沒有徹底解決工程師繁重的施工圖設(shè)計和繪圖工作，除了橋梁設(shè)計專業(yè)領(lǐng)域本身的復(fù)雜性外，另一個關(guān)鍵原因是數(shù)字化技術(shù)沒有得到充分的應(yīng)用。本文對常規(guī)橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并提出其解決思路和關(guān)鍵技術(shù)，最后介紹了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。

1 常規(guī)橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計現(xiàn)狀分析

從體量來看，在高速公路項(xiàng)目中，常規(guī)橋梁數(shù)量往往占到所有沿線橋梁的80%甚至更多，而常規(guī)橋梁施工圖設(shè)計占大部分設(shè)計院業(yè)務(wù)量的70%以上。從技術(shù)成熟度來看，省部級院基本具備了一定的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計水平，在部頒通用圖基礎(chǔ)上發(fā)展出了院級或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)圖，如各種路基寬度、跨徑、交角的T梁、小箱梁標(biāo)準(zhǔn)圖等。此外，常規(guī)橋梁設(shè)計經(jīng)過了大量的生產(chǎn)實(shí)踐，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。

從生產(chǎn)工藝來看，設(shè)計師對標(biāo)準(zhǔn)圖的利用基本停留在套圖的水平。對于沒有標(biāo)準(zhǔn)圖的構(gòu)件，則以手工繪圖并配合院內(nèi)開發(fā)的或市場上的一些輔助設(shè)計繪圖軟件，但均不夠系統(tǒng)。對于常規(guī)橋梁領(lǐng)域，設(shè)計效率仍然很低，且由于存在大量人工控制，甚至還會出現(xiàn)很多低級錯誤。設(shè)計人員70%的工作在繪圖算量等低級重復(fù)勞動，而非設(shè)計本身。

2 問題分析

橋梁設(shè)計參數(shù)繁多。相比初步設(shè)計來說，施工圖設(shè)計細(xì)部參數(shù)至少是初步設(shè)計的10倍以上，且施工圖階段所有構(gòu)造、筋束的參數(shù)必須做到精確無誤。由于參數(shù)總量的增加，參數(shù)間的關(guān)系呈級數(shù)膨脹。設(shè)計院通過頒布院級標(biāo)準(zhǔn)圖從一定程度上減少了參數(shù)數(shù)量，但沒有徹底解決。

橋梁設(shè)計的過程是反復(fù)的。主要表現(xiàn)為制作過程反復(fù)、多輪意見反復(fù)、上下游的反復(fù)。設(shè)計人員在制作設(shè)計文件的過程中，要面對大量的設(shè)計參數(shù)，且設(shè)計人員的認(rèn)識水平也參差不齊，導(dǎo)致設(shè)計文件在制作階段就做大量的反復(fù)排錯、優(yōu)化；各級別的校審流程、專家意見，以及這些意見本身的不統(tǒng)一，也是導(dǎo)致反復(fù)的必然過程；此外，上游的路線、地勘、水文等專業(yè)提資也存在迭代更新，施工圖提交以后，施工方也會針對現(xiàn)場提出一些變更需求。

材料數(shù)量表控制難度大。由于制作工藝多樣，設(shè)計材料數(shù)量的來源很雜，有來手工圖紙、制圖軟件圖紙以及手工直接算量。在不斷反復(fù)的修改過程中，材料數(shù)量統(tǒng)計也是不斷反復(fù)制作、校核，容易出現(xiàn)脫節(jié)導(dǎo)致錯誤。

根據(jù)以上分析發(fā)現(xiàn)，對于一個具有數(shù)萬參數(shù)的橋梁設(shè)計過程，面向結(jié)果控制不斷迭代一定會導(dǎo)致結(jié)果失控。這也是一些參數(shù)開放程度很高的智能設(shè)計與繪圖軟件較難被設(shè)計人員充分應(yīng)用的主要原因之一。

3 解決思路

根據(jù)以上分析，提出一種面向輸入控制的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計思路。具體從設(shè)計資料、設(shè)計過程、設(shè)計成果三個方面實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

設(shè)計資料標(biāo)準(zhǔn)化。解決設(shè)計資料反復(fù)更新迭代時，橋梁專業(yè)和上游專業(yè)之間的聯(lián)動。建立設(shè)計資料標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，包括：標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式、標(biāo)準(zhǔn)的存放路徑等，實(shí)現(xiàn)橋梁專業(yè)與上游專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化對接，見圖1。路線的標(biāo)準(zhǔn)格式如緯地、鴻業(yè)、BID-Road等，地勘的標(biāo)準(zhǔn)格式主要有理正、橋梁大師[1]等，對沒有成熟軟件數(shù)據(jù)格式的，也可用約定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式的excel、txt等實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目設(shè)計資料的存放路徑應(yīng)采用與項(xiàng)目關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)存放路徑。

圖1 設(shè)計資料標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè)計過程標(biāo)準(zhǔn)化。將設(shè)計的過程簡化為一個標(biāo)準(zhǔn)化組裝的過程，即搭積木的過程。設(shè)計的過程要做到標(biāo)準(zhǔn)化，就要將構(gòu)件內(nèi)部的參數(shù)或算法全部封裝，即通過數(shù)字化的手段，將院標(biāo)準(zhǔn)圖專業(yè)思想通過參數(shù)化的形式入庫，形成智能工程族庫。標(biāo)準(zhǔn)化后，設(shè)計過程只剩下分孔、構(gòu)件選型、必要的調(diào)整（如樁長調(diào)整），見圖2。

圖2 設(shè)計過程標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè)計成果標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計成果包括總體圖紙、構(gòu)件詳圖、材料統(tǒng)計表等，其標(biāo)準(zhǔn)化主要表現(xiàn)為制圖標(biāo)準(zhǔn)、表達(dá)風(fēng)格等。設(shè)計成果的表達(dá)要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，就要借助計算機(jī)自動繪圖技術(shù)，達(dá)到成果全部數(shù)控，成套施工圖表由計算機(jī)自動生成。當(dāng)設(shè)計發(fā)生變更時，重新執(zhí)行繪圖即可完成變更圖表成果。

4 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)以上分析，提出一種面向輸入控制的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計思路。具體從設(shè)計資料、設(shè)計過程、設(shè)計成果三個方面實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

實(shí)現(xiàn)面向輸入控制的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計技術(shù)，重點(diǎn)就是要最大限度的減少輸入。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)需要攻克以下三個關(guān)鍵技術(shù)，即系統(tǒng)性的自動出圖出圖、標(biāo)準(zhǔn)化庫技術(shù)、自動計量技術(shù)，分別闡述如下：

系統(tǒng)性的自動出圖技術(shù)。只要輸入正確，全部圖紙由程序自動出圖且保證正確。計算機(jī)自動制圖經(jīng)過十幾年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模，其思想是通過描述結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵可變參數(shù)，自動生成工程圖紙[2]?？山柚延械臉蛄航Y(jié)構(gòu)參數(shù)化制圖平臺實(shí)現(xiàn)。

標(biāo)準(zhǔn)化庫技術(shù)。將絕大部分參數(shù)取值規(guī)則、設(shè)計經(jīng)驗(yàn)入庫，大幅度降低輸入數(shù)據(jù)。將橋梁設(shè)計理解為由若干參數(shù)化的零件庫、構(gòu)件庫通過設(shè)計流程將這些零部件有機(jī)組裝的過程。零件庫主要包括工程材料、橋面系、附屬結(jié)構(gòu)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、制圖標(biāo)準(zhǔn)等，通過參數(shù)化的方式描述，并在設(shè)計過程中被調(diào)用，見圖3、圖4。

圖3 零件庫示例（HRB400）

圖4 零件庫示例（板式支座）

構(gòu)件庫通過標(biāo)準(zhǔn)件庫、設(shè)計方法庫和經(jīng)驗(yàn)表描述一個構(gòu)件。標(biāo)準(zhǔn)件庫是將標(biāo)準(zhǔn)圖通過數(shù)字化的常參數(shù)形式表達(dá)[3]，包括構(gòu)造、鋼筋等所有參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)件庫是一個構(gòu)件全部參數(shù)的表達(dá)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度的不同，標(biāo)準(zhǔn)件庫的參數(shù)被實(shí)際調(diào)用的程度存在差異。

設(shè)計方法庫則負(fù)責(zé)解決構(gòu)件在實(shí)際橋梁上標(biāo)準(zhǔn)件庫的調(diào)用、構(gòu)造的布置原則，見圖5、圖6。

圖5 設(shè)計方法示例（蓋梁）

圖6 設(shè)計方法示例（立柱）

最后，通過經(jīng)驗(yàn)表將構(gòu)造和鋼筋中的常參數(shù)擴(kuò)展為經(jīng)驗(yàn)表，該技術(shù)可極大的減少構(gòu)件數(shù)量。經(jīng)驗(yàn)表由條件和值兩部分組成，通過對跨徑、橋?qū)?、墩高等條件進(jìn)行篩選，給出相應(yīng)情況下的參數(shù)取值，見圖7、圖8。

圖7 鋼筋經(jīng)驗(yàn)表示例（立柱）

圖8 構(gòu)造經(jīng)驗(yàn)表（蓋梁柱式墩）

構(gòu)件庫的參數(shù)存在優(yōu)先級，從低到高依次為標(biāo)準(zhǔn)件庫、設(shè)計方法庫、經(jīng)驗(yàn)表。即標(biāo)準(zhǔn)件庫中的參數(shù)可能被設(shè)計方法庫替換，設(shè)計方法庫和標(biāo)準(zhǔn)件庫中的參數(shù)最終也會被經(jīng)驗(yàn)表中的參數(shù)強(qiáng)制替換。對于常規(guī)裝配式橋梁，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度的不同，不同構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)件庫、設(shè)計方法庫、經(jīng)驗(yàn)表三者的參數(shù)權(quán)重分布存在顯著差異?？傮w來說，裝配式構(gòu)件比現(xiàn)澆構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度更高，因此裝配式構(gòu)件大部分參數(shù)直接用標(biāo)準(zhǔn)件庫即可表達(dá)，而現(xiàn)澆構(gòu)件則更多的需要借助設(shè)計方法和經(jīng)驗(yàn)表來補(bǔ)充描述。舉例見表1。

表1 不同構(gòu)件的參數(shù)權(quán)重分布示例

自動計量技術(shù)。計量規(guī)則需預(yù)置到程序中，每個構(gòu)件的材料數(shù)量將通過運(yùn)算法則送入材料數(shù)量表矩陣中去，自動完成計量。計量過程全封閉，原則上不得人工干預(yù)。當(dāng)然，對于附屬結(jié)構(gòu)和臨時結(jié)構(gòu)，可通過給定計量算法公式，直接調(diào)用設(shè)計模型中的參數(shù)進(jìn)行計量，也可通過人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)。對于常規(guī)裝配式橋梁，可考慮按表2方式處理。

表2 不同構(gòu)件的參數(shù)權(quán)重分布示例

5 應(yīng)用

常規(guī)橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)已在某省實(shí)施落地并應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果。該系統(tǒng)主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)等寬裝配式橋梁一鍵圖表。上下部構(gòu)件共計10大類，考慮上構(gòu)類型、橋?qū)?、路基類型、斜交角、墩臺高度、抗震等級等情況，共計構(gòu)件圖紙580套。通過應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化庫技術(shù)后，只需20個構(gòu)件庫，見圖9。工程師在做常規(guī)橋梁設(shè)計時，只需要完成分孔、構(gòu)件選型、調(diào)好樁長即可完成設(shè)計，通過自動出圖技術(shù)和自動計量技術(shù)完成所有圖表。

圖9 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化庫技術(shù)后構(gòu)件庫的效果

常規(guī)橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵流程見圖10。

圖10 常規(guī)橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)的流程圖

6 結(jié)語

經(jīng)過以上分析，結(jié)合系統(tǒng)在實(shí)踐中的效果，可以得出以下結(jié)論：

（1）在現(xiàn)有橋梁自動化制圖軟件基礎(chǔ)上，結(jié)合各設(shè)計院的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及院標(biāo)準(zhǔn)化圖紙的技術(shù)積累，實(shí)現(xiàn)面向輸入控制的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計技術(shù)是完全可行的。

（2）系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，在設(shè)計資料、設(shè)計過程、設(shè)計成果均實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計水平、設(shè)計效率大幅提升，常規(guī)橋梁的設(shè)計重心大幅度向設(shè)計本身轉(zhuǎn)移，解放工程師雙手的同時，通過標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)提高了設(shè)計成果的質(zhì)量。

（3）等寬常規(guī)橋梁作為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)的先期有益嘗試，為變寬復(fù)雜橋梁、現(xiàn)澆梁橋的標(biāo)準(zhǔn)化積累了基礎(chǔ)，也為其他同類型設(shè)計院提供了標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)定制研發(fā)的借鑒。