浅析结构化设计在土木工程路桥设计中的应用.docxVIP

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浅析结构化设计在土木工程路桥设计中的应用

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摘要：土木工程领域的路桥设计是现今土建行业工程建设的重要环节，而随着经济发展、技术进步，传统的设计理念和手段越来越多地体现出了其自身不足与发展疲态，更安全、精准、耐久且具有较好经济性的路桥设计是时下所急需的。本文在介绍结构化设计背景、概况和主要特点的基础上，论证了结构化设计的应用价值和优势，并结合具体道桥工程来阐述结构化设计在路桥设计中的实际应用，得出其对于理论计算优化、结构质量把控、施工进度管理、后期在线监测与维护评估等多方面都有极高应用价值的结论。

一、我国路桥设计现状

土木工程领域的建设产物，多表现为宏观体量巨大、社会经济价值较高或与民生紧密相关的建筑工程，故科学合理的设计是决定一项工程正式投入使用后工作效率和耐久性能否满足要求的最主要影响因素。其中，被称为“生命线工程”的公路桥涵亦是时下加强地域经济往来、促进物流与旅游交通大趋势下的重要工程，其设计应用已经经历了数代更迭，从早先的经验法、工程样板法发展到了现在的基于概率的极限状态设计方法。目前的路桥设计主要沿用传统的设计原则，即在综合考量结构安全性、适用性和耐久性的大前提下，通过各力学参量的设计值来进行初步设计，逐步调整优化，以期满足规范要求。但随着人们对建筑材料的广泛研发与引入、不断衍进的CAD、BIM等技术手段的应用加之投资、规划等多方面因素的制约，传统的设计方法在经济性和适用性上逐渐显现出诸如难以进行定量描述与刻画、过于保守、对于建设过程和结构构件的针对性欠佳等方面的劣势。具体而言，传统的桥梁设计流程首先是根据经验判断制定初始的设计方案，包括材料的选择、总体的布置、制造的工艺和结构尺寸等方面；接着是对结构进行分析；最后进行力学分析，检验设计结构是否可行，并根据不同情况进行修改。虽然可以从最低的设计需求来满足人们的需求，但是对于道路桥梁结构的布局中的不确定因素就不能较好的描述，也不能有效的提高施工安全和施工质量，导致国内发生桥梁由于结构受损造成局部损害或者坍塌的事故。这种设计方法，只是对施工方案的可行性与安全性进行检验，不能够做到最优的设计，很难满足对桥梁结构设计需求日益复杂的要求，因此，结构化设计变得尤为必要。由此，在时下的路桥设计中引入结构化设计原则，在方案设计、建设过程、工程质量把控等各个环节都可以起到明显的优化和改进作用。

二、结构化设计概要

2.1结构化设计主要原则

结构化设计的概念移植自计算机程序架构，其主要体现自顶而下、逐步细分的设计理念，在土木工程领域的结构化设计，特指对于结构设计进行纵向设计流程和横向设计模块的细分，旨在将设计本身划分为单一功能、彼此独立而功能或概念同时集成的模块结构，其本身包含如下设计原则：

1、科学性：保证构件设计的有效、合理，完成既定设计目标的基础上需进行优化；

2、连续性：结构的受力方式、传力路径需要进行合理配置，主要针对工程地位重要或对工作度要求较高的结构；

3、简化性：一方面在理论模型建立过程中，根据实际需要和设计依据进行模型的化简，同时使得结构受力简明、构件承担的力学功能划分明晰。另一方面使得工程材料的开销的得以降低；

4、整体性：结构是作为一个构件集成体进行工作的，各部的协同受力、合理的材料与构件几何形式的应用是该原则强调的主要内容；

5、综合性：对结构设计全周期的各个环节、结构整体的工作状态进行综合设计与优化。

2.2结构化设计主要方法

在上述原则下，目前已经形成比较成体系的结构化设计方法有：

1、模型化设计

模型化设计是基于力学原理，利用工程相关算法或软件（有限元分析软件、建筑信息模型软件等）对给定设计工程进行抽象表达，所表达的核心部分均是进行各部块模型理论分析的必要内容，模型化设计的一大优势就在于针对不同受力特性和工作状态可以对结构各部进行基于不同理论算法的受力和模态分析，这使得理论计算和前期设计的精确性大大提高。对于质量评估和结构安全监测，模型化设计不仅表现为移植采用计算机、数理统计领域的已有模型，还体现在许多等级评价、结构健康监测和预警系统的体系建立上。对于实际结构的模型化处理，对于实际问题的模型化分析，对于实际结果的模型化推演，是模型化的三重表征。

2、离散化设计

离散化设计和模型化设计实质上是对结构化设计母题不同角度的阐述和体现，离散化包括广义和狭义两个角度。广义而言，指对于结构进行构件细分和功能细分，从理论设计角度看，这样一来将结构整体的复杂受力模态离散为对各部件六个自由度方向的受力分析和变形分析，减少了设计者的工作难度和工作量，对业主而言，有利于缩短建设周期；从建设过程角度讲，离散化的设计原则带来的优势更加明显。结合BIM360或其他工程管理软件，整个建设过程，大到每日、每季