郝龍 劉智 邵慧 屈振亞

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，西安 710065）

引言

裝配式橋梁工業(yè)化、智能化建造政策導向下，節(jié)段預制拼裝橋梁的設計建造技術是當前研究熱點[1]。一方面，從橋梁工程技術角度看，國內外已經(jīng)有很多針對這種橋型的研究成果[2-5]。我國上海、深圳、南昌等各城市工程項目實踐逐漸增多，尤其是近年來出現(xiàn)了鄭州市四環(huán)線及大河路快速化工程[6,7]、深圳機荷高速公路改擴建立體層高架橋梁[8]等規(guī)模比較大的項目，我們可以認為節(jié)段拼裝箱梁橋當前正處于設計建造高峰期；另一方面，從橋梁工程全生命期數(shù)智化建造需求看，以源頭（即設計階段）的數(shù)字化設計軟件自主研發(fā)為抓手，可以有效支撐橋梁數(shù)字資產(chǎn)的建設。

我國是橋梁大國，相關大學和科研機構對橋梁工程設計軟件的研究積累了很多成果。早在1988 年湖南大學結構工程研究所的何放龍等[9]研發(fā)出了橋梁結構計算機輔助設計系統(tǒng)，可以完成預應力鋼筋混凝土簡支梁橋的設計自動化；1989 年陸楸和徐有光等[10]針對預應力混凝土橋梁兩階段設計工作介紹了研發(fā)成果“PCBRIJ/CC87”系統(tǒng)；1999 年同濟大學的周宗澤等[11]研發(fā)了著名的橋梁博士系統(tǒng)，具有可視化效果比較好的結構設計計算及分析功能；箱梁橋方面，2008 年劉智等[12]介紹了“橋易箱梁設計繪圖系統(tǒng)”的成果及工程應用情況，該系統(tǒng)使用至今完成了大量的現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋設計。但目前市場上缺乏針對節(jié)段拼裝箱梁橋型設計特點研發(fā)的設計軟件。

綜上所述，為解決城市道路基礎設施項目中日益增多的節(jié)段拼裝箱梁橋設計需求，本文圍繞節(jié)段拼裝箱梁橋實際設計生產(chǎn)場景，通過廣泛借鑒設計軟件研發(fā)新范式，積極融合新一代網(wǎng)絡和信息技術思路，提出采用基于云計算的協(xié)同設計系統(tǒng)框架，利用敏捷開發(fā)持續(xù)迭代完善節(jié)段拼裝箱梁橋設計在線設計系統(tǒng)（以下簡稱“節(jié)段梁云設計系統(tǒng)”）。

1 依托工程概述

本研究依托位于深圳市的沈海高速公路深圳機場至荷坳段（簡稱機荷高速）工程，是粵港澳大灣區(qū)東西向的交通中軸線。作為交通部示范工程，機荷高速立體層橋梁上部采用裝配式節(jié)段預制拼裝混凝土箱梁[1]，下部采用裝配化節(jié)段拼裝墩柱，全線實現(xiàn)高度的工業(yè)化、裝配化設計施工。節(jié)段梁采用50m 的標準跨徑，并配合40m、45m 的跨徑一起使用?？鐝浇M合為四孔一聯(lián)，斷面采用單箱雙室截面，結構體系采用主梁與橋墩固結的全剛構體系。節(jié)段拼裝箱梁整體效果及節(jié)段構造細節(jié)示意如圖1(a)～(c)所示，機荷高速立體層主要為節(jié)段預制拼裝混凝土箱梁。節(jié)段預制拼裝箱梁橋總橋梁長度53.768km，占立體層左線橋梁長度的72.6%、右線橋梁長度的68.0%。機荷高速作為大規(guī)模應用的節(jié)段預制拼裝混凝土箱梁設計，施工圖階段節(jié)段總榀數(shù)達到了32 433 榀。橋梁設計繪圖工作體量龐大，靠傳統(tǒng)的人工繪圖或者采用市面上已經(jīng)有的各類現(xiàn)澆箱梁設計軟件先出設計草圖，再進行人工編輯完善均無法保證在設計周期內完成設計工作。

圖1 主體橋梁50m 跨徑節(jié)段拼裝箱梁整體效果及節(jié)段構造細節(jié)示意

2 節(jié)段梁云設計分析

2.1 系統(tǒng)需求分析

調研發(fā)現(xiàn)由于預制節(jié)段拼裝箱梁具有工業(yè)化、標準化的特點，其設計建造精度要求高[1]，屬于橋梁工程設計中典型的“標準化、精細化”需求場景，主要特點為設計文件單位制采用mm、幾何構造尤其是細部構造要求精確表達（鋼束張拉孔、剪力鍵、每根鋼筋）、材料數(shù)量精確統(tǒng)計（混凝土體積、預應力筋、普通鋼筋、結構膠），對設計軟件研發(fā)挑戰(zhàn)巨大。同時，由于機荷項目整體的施工圖設計周期較短，項目組成員多且外業(yè)、內業(yè)設計人員跨地域辦公，這些項目實際需要設計軟件能進行協(xié)同設計，從而提高設計效率保證項目進度要求。

此外，節(jié)段拼裝箱梁在設計上需要環(huán)環(huán)相扣，從斷面設計、一般構造圖、節(jié)段劃分再到預應力設計和節(jié)段鋼筋設計，最后還有剪力鍵及局部鋼筋構造等細部詳細設計。相較于常規(guī)的懸拼連續(xù)梁和現(xiàn)澆箱而言，圖紙更多、設計要求更高。節(jié)段梁設計中修改和方案調整需要設計軟件系統(tǒng)能夠實現(xiàn)快速設計、快速更新、快速維護的敏捷開發(fā)。

2.2 設計流程分析

在需求分析基礎上經(jīng)過對一線橋梁工程師實際設計工作的流程和具體設計工作內容的調研和反復溝通，梳理出了符合用戶操作習慣的設計流程，并對應確定了設計軟件系統(tǒng)功能模塊。主要流程為：首先，用戶在注冊登錄設計軟件系統(tǒng)后通過“設計組”和“項目”管理權限確認和選擇設計項目及人員角色；其次，通過“橋梁”和“聯(lián)跨”功能進行具體橋梁、橋聯(lián)、橋跨定義；再次，對主要構造進行逐一設計參數(shù)交互輸入和變更，完成節(jié)段拼裝箱梁的一般構造、預應力、普通鋼筋、剪力鍵等具體設計；最后，通過“繪圖”和“預覽”功能完成設計成果的提交及分享。全部節(jié)段梁在線設計流程及系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 節(jié)段梁在線設計流程及系統(tǒng)功能

3 節(jié)段梁云設計系統(tǒng)開發(fā)

3.1 設計系統(tǒng)架構

基于對需求分析和設計流程的梳理，結合國內外相關系統(tǒng)的調研，本文提出一套基于云計算的橋梁協(xié)同設計系統(tǒng)框架（云計算可擴展架構），即采用B/S架構的Web 服務器來集成各種橋梁設計應用，由統(tǒng)一的系統(tǒng)框架和方法進行協(xié)調和組織,圖紙繪制和結構分析等計算任務由外設的云計算服務器集群完成，云計算集群和Web 通過云消息進行通訊[13]。具體系統(tǒng)研發(fā)涉及到傳統(tǒng)的前端開發(fā)、接口設計、后臺接口編碼、數(shù)據(jù)庫配置、云存儲平臺搭建，單元模塊測試、系統(tǒng)測試、版本控制等通用工作，但是最核心的橋梁工程設計繪圖算法利用云計算技術開發(fā)，然后進行系統(tǒng)集成?；谏鲜鱿到y(tǒng)框架，經(jīng)過反復技術研發(fā)實踐調整，最后研發(fā)形成了“節(jié)段梁云設計系統(tǒng)”。當前系統(tǒng)主要包括負載均衡模塊、云服務器集群、任務分發(fā)模塊、計算服務器集群和云存儲服務器[14,15]，利用Django 框架搭建了web 后臺調用部署在云服務器上自主研發(fā)的“DWG 文件生成C++二維圖形庫”來實現(xiàn)設計功能。工程師用戶通過瀏覽器登錄設計系統(tǒng)，負載均衡模塊根據(jù)負載均衡算法把用戶分流到特定的云服務器，實現(xiàn)服務器壓力緩解；云服務器將用戶的設計參數(shù)轉換成任務指令消息，發(fā)送給任務分發(fā)模塊；任務分發(fā)模塊收到指令后通過負荷分擔的模式把指令消息分發(fā)到計算服務器；計算服務器對數(shù)據(jù)進行校驗和拆分，完成結構計算和圖紙繪制等任務作業(yè)，并把圖紙和報告成果上傳至云存儲服務器，返回給用戶。節(jié)段梁在線設計系統(tǒng)架構如圖3 所示。

圖3 節(jié)段梁在線設計系統(tǒng)架構

3.2 協(xié)同數(shù)據(jù)管理

節(jié)段梁在線設計系統(tǒng)利用協(xié)同管理數(shù)據(jù)庫對所有設計參數(shù)進行統(tǒng)一管理，可實現(xiàn)多設計人員協(xié)同設計。相同設計組下用戶可實時查看修改設計組成員共享的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)利用效率和整體工作效率；為數(shù)據(jù)庫配置日志功能，對數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改、查詢記錄進行實時跟蹤；并且數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，減少數(shù)據(jù)冗余，節(jié)約存儲空間。

系統(tǒng)組織上分為設計組、項目、橋梁和設計聯(lián)跨四級。設計組是實現(xiàn)多人協(xié)同設計的功能的關鍵。項目是一級目錄，橋梁是二級目錄，設計聯(lián)跨是設計的基本單元。設計組是操作設計聯(lián)跨進行具體設計的基本操作單位。多個用戶可以通過創(chuàng)建組和加入已有設計組的方式進行編組。在同一設計組下的所有用戶具有相同的操作權限，均可以對設計聯(lián)跨下的設計參數(shù)進行修改和調整。通過該方法，本文設計的協(xié)同設計管理系統(tǒng)實現(xiàn)了多人協(xié)同的需求，滿足多個設計師同時進行橋梁設計參數(shù)編輯的能力。協(xié)同設計管理組織示意如圖4 所示。

圖4 協(xié)同設計管理組織示意

3.3 系統(tǒng)核心計算繪圖程序

系統(tǒng)計算服務器部署的計算繪圖程序基于云計算技術設計開發(fā)，能夠適應的斷面形式分別為：單箱單室、單箱雙室。適應的路線變化包括：直橋和彎橋。計算繪圖程序具體實現(xiàn)的圖紙種類具有10 種：一般構造圖、端橫梁一般構造圖、中橫梁一般構造圖、剪力鍵一般構造圖、體內預應力鋼束構造圖、體外預應力鋼束構造圖、橋面板橫向預應力鋼束圖、節(jié)段普通鋼筋構造圖、端橫梁鋼筋構造圖及中橫梁鋼筋構造圖。

3.4 系統(tǒng)界面與設計功能實現(xiàn)方法

以單箱雙室大懸臂一般構造圖的界面和繪圖功能開發(fā)為例介紹系統(tǒng)界面與具體設計功能實現(xiàn)方法。云服務器的一般構造圖模塊界面和數(shù)據(jù)管理通過“公共參數(shù)頁面”“路線參數(shù)頁面”和“節(jié)段類型模板參數(shù)”三個頁面對常用的參數(shù)進行歸類。通過預設節(jié)段類型模版參數(shù)的方法，在節(jié)段參數(shù)中，可以對預設節(jié)段進行自由編排，形成一般構造。當所有參數(shù)都編輯好之后，可以通過繪圖預覽按鈕，進行繪圖，如圖5 ～圖7 所示。

圖5 一般構造圖模塊界面框架

圖6 一般構造圖模塊繪圖計算流程圖

圖7 一般構造圖模塊節(jié)段模板參數(shù)

計算服務器部署的一般構造圖繪圖計算程序，通過獲取任務分發(fā)模塊的任務消息指令，在進行消息拆分校驗后，依次進行立面繪制、平面繪制、斷面繪制和表格附注繪制，最終裝框生成圖紙文件返回給用戶。用系統(tǒng)自動生成的節(jié)段箱梁一般構造圖如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)自動生成的節(jié)段箱梁一般構造圖

4 工程應用驗證

4.1 系統(tǒng)應用效果

節(jié)段梁設計系統(tǒng)自2021 年10 月上線發(fā)布以來，在線注冊用戶達到90 人，活躍用戶70 人，同時滿足多人在線協(xié)同設計。施工圖設計期間累計使用本系統(tǒng)生成施工圖共計27 915 張。針對用戶繪圖中遇到的問題和圖紙審查中的修改意見，系統(tǒng)研發(fā)人員通過不斷更新，累計更新的版本號和軟件迭代次數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 模塊迭代情況

4.2 設計圖紙質量

采用本軟件系統(tǒng)設計自動繪制圖紙后，設計參數(shù)、圖面質量和數(shù)量統(tǒng)計均準確無誤。以一般構造圖為例，一跨節(jié)段的數(shù)量表包括梁段長度、梁段預制體積、齒塊或轉向塊體積、預制總體積、現(xiàn)澆體積、吊裝重量、梁高、底板厚度、邊腹板厚度、中腹板厚度和剪力鍵布置等參數(shù)信息，對橋梁工程數(shù)量表自動計算統(tǒng)計精度高。

節(jié)段拼裝箱梁橋當采用懸臂拼裝施工工藝時，體內預應力圖的鋼束斷面繪制是圖紙中最費時費力，且修改率最高的部分。采用本系統(tǒng)后，可以快速繪制所有指定斷面的體內束斷面布置，通過程序測量立面和平面定位信息，鋼束在斷面的位置精度準確。尤其是對于設計過程中需要反復調整鋼束的需求，系統(tǒng)通過全參數(shù)化交互實現(xiàn)了斷面鋼束布置自動更新，避免了傳統(tǒng)人工修改易出錯的設計質量難題。對于體外預應力圖、轉向器參數(shù)圖、鋼筋圖、過渡墩段鋼筋圖、轉向器鋼筋圖以及其它節(jié)段梁圖紙繪制模塊等，通過本系統(tǒng)應用發(fā)現(xiàn)，圖紙質量和精度均得到大幅提升。系統(tǒng)生成的體內預應力鋼束斷面如圖9 所示，其中T 為體內預應力鋼束，Tm 為中腹板位置頂板預應力鋼束，BmB 為中腹板位置底板鋼束，BB 為邊跨底板鋼束，W 為腹板鋼束。

圖9 系統(tǒng)生成的體內預應力鋼束斷面圖

4.3 設計效率

以體內預應力和體外預應力圖為代表，采用手工繪制的周期為7 天，其中不含修改變更。采用節(jié)段梁設計系統(tǒng)后，當設置好參數(shù)模板，包括后期圖面修圖改圖工作在內，2 天可以完成。后期有設計變更時，手工改圖不亞于重新設計，而對于軟件系統(tǒng)而言，僅是個別參數(shù)的變化調整。

本依托工程項目中，節(jié)段梁設計通用參考圖共17冊，其中13 個圖冊軟件可全程參與。另外的4 個變截面節(jié)段梁通用參考圖冊，軟件可以部分參與。經(jīng)過評估，17 個圖冊按照手工繪制，預計6 個月時間能夠完成。采用軟件后，周期壓縮為不到2 個月完成第一版施工圖圖冊。傳統(tǒng)設計與采用節(jié)段梁設計系統(tǒng)設計周期對比如圖10 所示。

圖10 傳統(tǒng)設計與采用節(jié)段梁設計系統(tǒng)設計周期對比

4.4 經(jīng)濟效益

本文開發(fā)的節(jié)段梁設計系統(tǒng)在項目中的經(jīng)濟效益主要通過減少設計人員數(shù)量、縮短設計周期和提高設計圖紙質量的方式，最終以設計費節(jié)約的方式得到體現(xiàn)。通過綜合估算，在依托工程項目應用中實際產(chǎn)生的經(jīng)濟效益如下：

2021 年4 月大規(guī)模施工圖設計（招標版本）中，采用軟件生成圖紙達到27 915 張，按照本企業(yè)設計合同額內部工作量統(tǒng)計方法推算出節(jié)約成本約1 670 萬元。根據(jù)咨詢單位和專家組審查意見至少20%設計圖紙修改后，可再節(jié)約330 萬元。機荷項目應用本系統(tǒng)輔助設計，共計節(jié)約成本約2 000 萬元。

該系統(tǒng)不僅在本項目經(jīng)濟效益可觀，且軟件完善更新后可持續(xù)為設計企業(yè)帶來長期經(jīng)濟效益，進而促進企業(yè)創(chuàng)新驅動核心設計業(yè)務的發(fā)展。

5 結論

本文依托機荷高速改擴建工程高架橋設計周期短、質量要求高、設計繪圖工作量巨大的實際工程需求，針對橋梁工程設計中的節(jié)段拼裝箱梁施工圖設計的痛點和難點，整理了設計協(xié)同流程和系統(tǒng)研發(fā)需求，探索了基于云計算技術的橋梁設計系統(tǒng)開發(fā)與工程應用。主要完成了三方面工作：

（1）創(chuàng)新性地提出了基于云計算技術的橋梁協(xié)同設計系統(tǒng)框架，并在此框架上自主研發(fā)了節(jié)段拼裝箱梁在線設計系統(tǒng)，系統(tǒng)能適應直橋和彎橋中單箱單室、單箱雙室兩種橫斷面形式；

（2）系統(tǒng)核心計算繪圖程序實現(xiàn)的設計圖紙種類有10 種：節(jié)段梁一般構造圖、橫梁（端、中）一般構造圖、剪力鍵一般構造圖、預應力（體內、體外）鋼束構造圖、節(jié)段普通鋼筋構造圖、橫梁（端、中）鋼筋構造圖、橋面板橫向預應力鋼束圖；

（3）基于對系統(tǒng)上線應用后的在線設計人數(shù)、交互使用情況統(tǒng)計，對比了應用本系統(tǒng)和傳統(tǒng)設計之間在圖紙質量、設計效率、經(jīng)濟效益方面對工作效率的實際促進情況。

利用本研究開發(fā)的節(jié)段拼裝箱梁設計系統(tǒng)，橋梁工程師可以只借助瀏覽器進行協(xié)同設計工作，但是實際工程應用中不同的網(wǎng)絡條件、高協(xié)同并發(fā)等因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性仍有影響，適應變寬及變高節(jié)段拼裝箱梁橋梁及其它橋型設計功能也是下一步研發(fā)的方向。