王文慧

摘 要：本文基于結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的原理，分析了其應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)的可行性和重要性，并詳細(xì)剖析了其發(fā)揮作用的應(yīng)用原則和應(yīng)用方面，以期能夠?yàn)闃蛄汗こ淘O(shè)計(jì)的改進(jìn)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì);橋梁工程;工程應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

為了適應(yīng)日益上升的交通需求，我國(guó)公路建設(shè)在數(shù)量和體量上都得到了快速的增長(zhǎng)，而橋梁作為公路中重要的組成部分，也呈現(xiàn)出向著復(fù)雜化發(fā)展的趨勢(shì)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)難以滿(mǎn)足橋梁建設(shè)需求，亟需更為高效的技術(shù)、手段來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。近些年，設(shè)計(jì)技術(shù)在不斷地改進(jìn)，實(shí)踐中引入了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)法，并憑借其所具有的諸多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在橋梁設(shè)計(jì)中得以廣泛應(yīng)用，優(yōu)化了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)中的不確定值問(wèn)題有著很好的解決效果，在保障設(shè)計(jì)方案可靠的基礎(chǔ)上，具有突出的經(jīng)濟(jì)效益。

1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)概述

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是一種以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為分析對(duì)象，旨在通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)而完成優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。該方法應(yīng)用于道路橋梁設(shè)計(jì)中，能夠構(gòu)建設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的模型并進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算，以此來(lái)選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。研究表明，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用效果取決于相關(guān)模型的建立以及計(jì)算方法的選擇。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中構(gòu)建分析模型的方法主要有離散化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、荷載結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)等;模型計(jì)算方法的主要方法有圖解法、同態(tài)設(shè)計(jì)法等。在設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)模型構(gòu)建方法、模型計(jì)算方法進(jìn)行合理的組合，以此來(lái)最大程度地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁工程設(shè)計(jì)中的重要性和可行性

2.1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁工程設(shè)計(jì)中的重要性

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是建設(shè)地的地理?xiàng)l件數(shù)據(jù)、橋梁設(shè)計(jì)預(yù)期，并依賴(lài)模型計(jì)算來(lái)分析設(shè)計(jì)方案的可靠性，是一種基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法，能夠?yàn)槿找鎻?fù)雜的橋梁設(shè)計(jì)創(chuàng)造更好的設(shè)計(jì)條件。不同的是，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中對(duì)于建設(shè)材料和建設(shè)工藝的選擇大多是基于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏具體的選擇依據(jù)，方案的準(zhǔn)確性難以得到保障，容易產(chǎn)生偏差。而結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)有著強(qiáng)大的功能性，能夠協(xié)助設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面進(jìn)行可靠的決斷，并增強(qiáng)建設(shè)的施工組織性。此外，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中，通過(guò)方法管控模塊設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒏淖儌鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中的單一模塊形式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄K形式，覆蓋設(shè)計(jì)的多指標(biāo)，有效細(xì)化設(shè)計(jì)。

2.2 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁工程設(shè)計(jì)中的可行性

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的原理是對(duì)多個(gè)方案的指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以此來(lái)找出最優(yōu)的一個(gè)。而結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的主要目的有兩個(gè)：（1）保障橋梁質(zhì)量。確保在規(guī)范施工下，竣工交付后橋梁在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)強(qiáng)度、耐久等多項(xiàng)指標(biāo)能夠滿(mǎn)足國(guó)家相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)預(yù)期。（2）在保障橋梁各項(xiàng)性能符合要求的前提下，縮短建設(shè)工期、降低建設(shè)成本。由此可以看出，在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法在原理上是合理的，具有足夠的可行性。

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)的主要途徑是提高建設(shè)結(jié)構(gòu)的荷載效力和承受力，以此來(lái)改善橋梁的工作性能，這兩方面是結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的渠道和重點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。為盡可能減小客觀(guān)因素對(duì)設(shè)計(jì)方案的影響，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中還要對(duì)擬建橋梁所處的環(huán)境條件進(jìn)行勘測(cè)，并予以充分的考慮。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中一般通過(guò)安全系數(shù)來(lái)反映環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)方案的干擾，并借助計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境影響指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

3 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原則

3.1 簡(jiǎn)單、規(guī)則

該原則的含義即是橋梁設(shè)計(jì)時(shí)在滿(mǎn)足橋梁基本質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，盡可能地選擇形式簡(jiǎn)單、外形規(guī)則的結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@一類(lèi)結(jié)構(gòu)在荷載傳遞路徑上較為明確，便于設(shè)計(jì)的開(kāi)展，且能夠很好地避免應(yīng)力集中等不利影響，將外荷載在結(jié)構(gòu)內(nèi)均勻、合理地分散傳遞，提升結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能。研究表明，簡(jiǎn)單、規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于節(jié)省材料用量、簡(jiǎn)化施工工藝有著積極的影響，可以大大降低建設(shè)成本，提升建設(shè)項(xiàng)目的綜合效益。

3.2 綜合性

橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，其方案水平牽涉到了多個(gè)方面的指標(biāo)，譬如質(zhì)量、成本、工期等，但這些指標(biāo)之間彼此又相互關(guān)聯(lián)，如較高的質(zhì)量往往也意味著更高的成本和更長(zhǎng)的工期。因此在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)就需要對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行綜合考量，提升設(shè)計(jì)的綜合性，在保障質(zhì)量的前提下盡可能地降低成本、縮短工期。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在對(duì)某一指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，也會(huì)帶來(lái)其他指標(biāo)的變動(dòng)，如受力更優(yōu)的結(jié)構(gòu)可以節(jié)省材料，以此達(dá)到降低成本的目的。

3.3 科學(xué)性

橋梁工程在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)、材料、工期進(jìn)行充分的考量，為結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)提供足夠的科學(xué)支撐，減小橋梁建設(shè)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意外在因素的干擾，根據(jù)工程建設(shè)的條件對(duì)風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估并制定好相對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，為橋梁正常工作提供可靠保障。

3.4 前瞻性

目前，我國(guó)的交通運(yùn)輸需求正處于日益上升的階段，且未來(lái)仍具有巨大的發(fā)展空間，橋梁作為交通運(yùn)輸中重要的一環(huán)，其未來(lái)也將承擔(dān)較大的使用壓力。在這樣的發(fā)展背景下，橋梁設(shè)計(jì)就不僅僅需要保障目前的使用需求，更是要在設(shè)計(jì)初期就對(duì)未來(lái)橋梁的使用有一定前瞻性，保障橋梁在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)都具有足夠的適用性。這就需要設(shè)計(jì)人員對(duì)擬建橋梁的運(yùn)輸發(fā)展情況有充分的認(rèn)識(shí)，并在橋梁的設(shè)計(jì)上提高要求，適應(yīng)橋梁使用中可能增大的作用強(qiáng)度、作用密度等。

3.5 目標(biāo)拆解

橋梁設(shè)計(jì)整體的目標(biāo)可以拆解為多個(gè)小的方面來(lái)開(kāi)展，譬如從建設(shè)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面來(lái)進(jìn)行。一方面，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，充分發(fā)揮材料的力學(xué)特性;另一方面依據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式的受力情況來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，提升使用安全性。

4 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的具體方法

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)時(shí)常用的具體方法有圖形法、函數(shù)極值法和同態(tài)設(shè)計(jì)法三種，下面針對(duì)這三種方法進(jìn)行介紹：

4.1 圖形法

圖形法是借助二維坐標(biāo)系建立具有約束邊界的一個(gè)范圍，邊界條件根據(jù)工程實(shí)際情況以及規(guī)范要求來(lái)取得。邊界條件確定后，即可引入目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)在邊界點(diǎn)取得的最大值與最小值即為設(shè)計(jì)范圍。

4.2 函數(shù)極值法

函數(shù)極值法則主要借助數(shù)學(xué)手段來(lái)完成設(shè)計(jì)，一般可通過(guò)求導(dǎo)等方式來(lái)取得目標(biāo)函數(shù)的極大值與極小值，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。

4.3 同態(tài)設(shè)計(jì)法

同態(tài)設(shè)計(jì)法的特點(diǎn)在于其將設(shè)計(jì)中的范圍條件轉(zhuǎn)化為了等價(jià)條件，因此其相較于其他方法更加便于操作，能夠大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，提升設(shè)計(jì)速度，更具備實(shí)際應(yīng)用性。

5 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于橋梁工程設(shè)計(jì)

5.1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的原則

（1）結(jié)構(gòu)截面、建設(shè)材料的選擇。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行橋梁的設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮橋梁運(yùn)營(yíng)中可能受到的各種荷載和作用，盡可能選擇對(duì)稱(chēng)、均勻、規(guī)則的截面形狀。同時(shí)，在對(duì)建設(shè)材料的選擇上，也要考慮到材料自身的性質(zhì)，譬如材料自重導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)荷載增加，優(yōu)先選用比強(qiáng)度大的材料。（2）設(shè)計(jì)方案中結(jié)構(gòu)受力應(yīng)當(dāng)均勻，要盡可能地避免結(jié)構(gòu)外形突變等不利情況，以此來(lái)減小應(yīng)力集中的影響。（3）明確結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的受力情況與傳力路徑，特別是節(jié)點(diǎn)處的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)尤為注意，必要時(shí)要進(jìn)行加固處理。（4）充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)中不同部位的構(gòu)件，其往往有著不同的受力狀態(tài)，這就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體受力情況選取合適的材料類(lèi)型，來(lái)最大化發(fā)揮材料性能。

5.2 橋梁過(guò)程設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

5.2.1 完善混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混凝土結(jié)構(gòu)作為橋梁工程的主要組成部分，其工程性能對(duì)橋梁有著重大的影響。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，能夠優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)組成，使其更加適應(yīng)于使用需要，并抑制使用中病害的發(fā)生，具備更長(zhǎng)的使用壽命?；炷潦且环N復(fù)合材料，由水泥、砂石、外加劑等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)就是通過(guò)對(duì)各組分的配比、位置進(jìn)行控制，以此來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)受力開(kāi)裂等問(wèn)題進(jìn)行控制，并且確定最優(yōu)的配筋率、配筋位置、鋼筋種類(lèi)，以此來(lái)減輕結(jié)構(gòu)自重并改善抗裂性能。

5.2.2 改善防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁的防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從整體入手，在橋梁結(jié)構(gòu)具備足夠強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性的基礎(chǔ)之上，對(duì)橋面結(jié)構(gòu)與材料進(jìn)行優(yōu)化，并采取適當(dāng)?shù)墓こ淌侄蝸?lái)改善橋梁面層的平整程度。橋梁防水材料、防水結(jié)構(gòu)的選擇也應(yīng)當(dāng)與其他結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，來(lái)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料消耗。為保證防水結(jié)構(gòu)具有足夠的耐久性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用變形性能和力學(xué)性能優(yōu)異的材料，并在合理的位置配備集水管、排水管等輔助防水設(shè)施，以便積水的及時(shí)排泄。特別地，在結(jié)構(gòu)的連接處要做好防滲措施，以免雨水侵入導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到腐蝕，影響其正常使用。

5.2.3 增強(qiáng)鋼筋保護(hù)設(shè)計(jì)

鋼筋作為混凝土結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其耐腐蝕性較差，使用時(shí)需要做好防腐處理，特別對(duì)于修復(fù)難度較大的橋梁工程，需要在設(shè)計(jì)上做出相應(yīng)的措施。在結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)境條件進(jìn)行充分的勘測(cè)和考慮，對(duì)于腐蝕性環(huán)境、易腐材料等風(fēng)險(xiǎn)較高的情況要加設(shè)防護(hù)措施，譬如增加混凝土保護(hù)層厚度、涂抹隔離劑等，來(lái)防止材料的腐蝕，增加結(jié)構(gòu)的耐久性。

5.2.4 優(yōu)化防崩施工設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)于防崩施工設(shè)計(jì)的優(yōu)化主要是在以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)施工預(yù)拋高值進(jìn)行有效的預(yù)估，減小后期因工程修整而帶來(lái)的成本投入和工期延誤。（2）對(duì)于橋梁的合攏段設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制影響其施工高度的因素，原則上其高差應(yīng)在3 cm以?xún)?nèi)，以此保障工程質(zhì)量。（3）對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)附屬管道間的連接，要通過(guò)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)防止連接點(diǎn)的崩脫，使其能夠正常發(fā)揮功能。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，橋梁工程已然成為了一個(gè)與百姓出行、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)緊密相連的領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化也得到了行業(yè)內(nèi)越來(lái)越多的重視。實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的引入對(duì)于橋梁工程的設(shè)計(jì)不僅有著性能、質(zhì)量上的提升，也在一定程度上改善了建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益。合理、有效地利用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)于我國(guó)橋梁工程的發(fā)展有著重大意義，保障人們安全、高效的出行，也為橋梁建設(shè)提供更多的可能。

參考文獻(xiàn)：

[1]張光遠(yuǎn).研究結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在道路橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].城市建筑，2020，17（12）：189-190.

[2]李申惠.橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的分析與應(yīng)用[J].中國(guó)公路，2020（05）：94-95.

[3]張淼.基于結(jié)構(gòu)化方法的公路橋梁設(shè)計(jì)策略探析[J].公路工程，2019，44（05）：67-70+129.