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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、每季度的施工成果模拟，小到每片预制板的进场、入库，都可以在计算机里得到表征，“宏观整合，细部离散”也是结构化设计里最能体现其优势的一环。从狭义角度讲，离散化更可以精确模拟出结构细部单元的受力模态，而模型化设计某种程度上来说是对于该原则的抽象、提炼、实现和计算。
3、合理的简化设计
其实目前的设计规范中已经有对于路桥相关荷载与材料参数的简化使用设计的规定，但在结构化设计的命题下，针对具体工程，所面对的实际材料使用（局部高强材料、复合材料、组合结构的材料等效简化）和结构在工作状态下的环境作用与荷载是多样、复杂的，因而需要进行合理简化，以使设计施工变得方便和高效。譬如对于桥面铺装荷载与桥面板的处理，如果需要更加精确的受力分析，则针对吊杆拱桥和悬臂桥的处理办法就完全不同。
实际的材料形式与配比很难完全进行模拟和分析，所以也需要进行简化。分析目标和计算内容不同，同一构件所进行的简化也不尽相同。例如在振型分析和受力分析时，悬索桥的索构件就处于完全不同的影响地位。在受力分析时，进行初始索力和几何刚度的设定时也要根据具体结构的具体工作环境来进行简化计算。很多情况下，将钢筋混凝土构件完全简化为混凝土材料而进行结构整体混凝土容重的适当调整，可以减少很多模型建立和工况分析时的工作量。
值得一提的是，上述的结构化设计实现手段几乎在某项工程的设计中均会同时应用，相辅相成，彼此互为前提和手段，而非孤立划分，这样才能实现优势最大化和效率最佳的目标。
2.3 结构化设计常用解法
在理论计算层面，结构化设计的常见解法有：
1、图解法
图解法的应用原理是分别将某两个设计变量作为横纵坐标，依据变量的影响情况作出坐标系中的图形，根据变量的函数不等式得到两种变量在坐标系内的约束区域，并作出目标函数的等值线，确定其切点，得出目标函数值。图解法在道路桥梁的二维结构设计中应用比较普遍，最简单的应用形式即体现为各力学参量的云图生成，其主要的显示生成算法即采用了本方法。
2、函数极值法
函数极值的求解需要将结构化设计中的设计变量函数不等式变为等式，求解出变量的大小，进而求出函数的极值。函数极值法实质上已经在基于概率的极限状态设计公式中得到了充分的体现。结合上述模型建立的方法而言，该方法其实还可应用与方案寻优、参数校验等。
3、同态设计法
同态设计法仍然需要将函数不等式变为等式，其目的是缩小设计空间，使计算更容易进行。但要注意的是，同态设计法所得到的值是比不上原值的，但由于其将结构化设计的解法变得容易了，因此仍然得到了广泛的应用。
4、网络搜索法
网络搜索是一种较为原始的方法，其优点是比较直观，能够找到道路桥梁结构化设计的最优解，缺点是计算较为麻烦，一般操作步骤是将所遇到的问题划分成网格点，按照一定的规律从某个点开始，固定某个变量，逐步进行验算，依照一定的顺序进行搜索，直到找到最优解为止。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆网络搜索的思路实质上属于数理统计的范畴，而它属于较为初步的解法，经过衍进后的算法可以很好的完成中心复合实验以实现寻优设计和最优解导出。
结构化设计的诸多解法，譬如层次分析、加权分析、样本组和等，更多的还体现在SHMS系统、结构在线安全监测与评估、构件损伤识别分析、结构频谱分析等方面。同样，具体到某一实际问题上，其解法往往不能单一的划分为某个固定类型，而是在结构化概念指导下的理论综合实践的应用。
三、结构化设计在路桥设计的应用
3.1 模型设计阶段：基于响应面法的有限元模型修正
我国实际工程中引入响应面法的道桥计算模型修正还比较少，但国内几所著名高校开展的相关课题已经进行了很多的工作。对于建立好的初步模型，其各项参数与实际结构往往存在差异，导致理论计算结果的可靠性存疑。为了尽可能精确的修正计算模型，根据结构化设计原则，使用响应面法，以网络搜索法和寻优设计为原则，建立一种输入量与输出量之间的函数关系，通过采用多次重复试验设计方法得到响应面（二维或多维面），即通过一系列样本实验所得结果，拟合出目标响应值与模型参数之间的非线性多项式关系，通过合理设计样本实验，可得出响应最优值（即极值点或驻点）或目标响应值处的实验条件。优点是仅需在计算样本数据时调用有限元软件计算，迭代优化时不需要有限元软件参与。
结构化设计原则下，进行模型修正的过程变得更加简明、可视。利用响应面修正法，对宏观参数进行修正，比如桥面混凝土弹性模量，钢构件阻尼比，路桥整体材料容重等等。之所以采用这种简化的宏观修正的手段是考虑到各结构参数对结构振型、自振频率、桥面跨中挠度等的实际贡献所得出的方法，具体做法为，在根据设计依据和既有工程的建造信息上建立有限元初始模型，接下来确定最适宜的待修正结构参数和特征量，即为实现整体结构力学特性的基于宏观参数的离散化刻画。然后在合理区间内进行样本点试验，得到响应值，通过建立待修正参数和响应值的显性函数关系得到响应面模型。最后用实测响应值建构目标函数，通过对其多重迭代修正来确定待修正参数最优解，完成对有限元模型的修正。
3.2 构件安全监测设计：构件损伤识别
众所周知，吊杆拱桥的吊杆安全性是该类结构形式拱桥常年以来为人所关注的主要问题焦点，主要矛盾点有二，其一是对于短杆的张力测量往往不够精确，部分老桥甚至难以进行实测；其二是杆件的损伤难以实时测得，导致后期监管部门对极端事故的预警和处理能力低下。应用结构化设计，以结构动力指纹识别理论为依据，单独建立吊杆（索）的损伤识别模型。目前在国内已有学者提出了基于张力和杆件刚度关系的计算模型，通过合理布置拾振器或者磁通量传感器，利用频率法或磁通量法等手段得到吊杆张力，即可通过该计算模型与前期理论结果对比识别指认出受损杆件。该设计流程完全解决了传统目视巡检缺乏时效性、可靠性以及受主观经验影响较大的弊端，巧妙的以杆件实测频率为依据，构建“指纹模型”，实现了构件离散、模型建立的目的。
3.3 钢筋混凝土道路桥梁：结构设计优化
基于有限元模型的分析结果，在路桥设计时，可以基于结构化设计原则进行方案优化与改进。以钢混拱桥为例，拱在平面内的安全冗余度很高，故部分桥梁设计中会在受力较小处采用中空截面设计，以求节约材料。路面或桥面非结构构件简化为板面或线布荷载，而对于不设置连系纵梁的悬索桥或者桥面整体现浇的悬臂桥，则需要通过薄板或厚板模型来模拟桥面板，同时考虑折算部分桥面板的厚度加到与之刚接的下部拱肋或者横梁翼缘上，以求接近真实的受力模态。变截面的设计理念已经十分普遍，结构化设计下，针对不同受力特点的构件还可采用不同的节点设计和材料选择，以求避免超静定结构中的“刚者过劳，柔者多无用”的现象。
3.4 结构细分、逐层分析：使用层次加权法的桥梁维护评估体系
长周期的正常工作过程中，老化和损伤是缓慢增叠的过程，故基于桥梁既得监测数据进行安全评估，以期作为指导维修养护或拆换工作的依据。考虑到需要用测点数据为纲，综合考虑全桥构件对安全评估等级的贡献，可以采用层次分析和加权集成的思路来建立评价体系模型。以吊杆公路桥为例，路桥构件诸多，由细部至宏观林林总总，吊杆、剪刀撑、锚具等都对安全程度起贡献，同时不同构件或构件组（桥面系、拱圈、吊杆系）对于整体工作状态的影响又有差异，所以由上至下分构件层级考虑，不同层级依据贡献或影响程度的大小来赋予各自的权重，权数可由专家经验法得出，也可经判断矩阵得出，在此不再赘述。
全桥分为：
1、目标层：桥面系、拱圈、吊杆系
2、准则层：【桥面系】各部纵梁、各部横梁、桥面板、铺装层；
【拱圈】主拱、侧拱、剪刀撑、横撑、拱脚、墩台；
【吊杆系】锚具、钢绞线、外包管、PE材料
3、指标层：挠度、应变、加速度、吊杆索力、温度
参考规范和实际安全要求，设计指标层指标项的百分值对应关系，指标层的各项经此无量纲化过程后便可同一而论，可以表征准则层各项的能力水平，然后以下层对上层进行加权总和为原则，由各构件组的百分值求出准则层的百分值，最终得到目标层之上全桥的安全等级评价指数，再对应《城市桥梁养护技术规范》中的评价等级来得出最终的安全评估结果，以此来对应不同的后期工作。
这种评价体系的建立将桥梁整体的健康、安全状态通过自上而下的逐级拆解划分、参数表征，划分为一个个可以定量表达的子模块进行分析评价，很好的体现了结构化设计对于路桥设计的实际指导作用，也是对路桥安监领域的一个很好的方法补充。
四、总结与展望
结构化设计方法在目前的路桥设计中已经有了相当规模应用。可以看到，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，结构化设计都有极高应用价值和出色的表现。首先，它规避了传统设计思路中过于保守和一概而论的弊端，在细分和重组的设计分析中将模型尽可能实际化、将冗杂步骤尽可能简化；其次，结构化设计的优势直观体现在道桥工程质量的提高、结构特性的有效保障、建设周期的高效管理和由此而来带来的直接经济效益，具有极高的工程利好性；再者，结构化设计使得材料的应用更加合理和节约，对于业主来说是具有非常高经济性的设计方案，具有相当可观的正外部性。
更高效、更科学、更合理的路桥设计是今后土建工程的发展大势，这就要求设计者在设计环节不断进行优化、改进和创新，毫无疑问，结构化设计是最值得进行深层应用的理论工法。尽管既有的设计应用已经取得了不凡的成果，但本文论述的设计原则可以指导更多设计环节的优化和改善，其提供的思路是结构设计的不竭动力源泉。
可以预见，未来结构化设计的应用方向主要有：
1、更集成、更简明的计算模拟软件开发。譬如对混凝土框架结构的建筑信息模型与有限元模型的耦合。
2、各个模块的设计工作细分。例如，吊杆拱桥的吊索可以单独进行结构设计，以减小短杆效应、端部电化腐蚀效应的影响，提高结构耐久性和安全冗余度。
3、结构几何尺寸和材料的不断优化。这一优化需要在保证安全性的前提下进行材料择优选取、变截面设计、中空设计等等。这对于钢筋混凝土结构而言具有提高工程经济效益的作用。
总之，对道路桥梁进行结构化设计时，要根据项目的具体情况和特点，改进项目设计方案中存在的问题，保证其针对性和可靠性的提高。结构化设计在道路桥梁工程中的应用。推动了路桥设计方式的改变，因此，要加强其在道路桥梁设计中的应用，从而推动我国道路桥梁行业的进步。
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论文作者:王铭
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/20
标签：结构化论文; 模型论文; 结构论文; 构件论文; 吊杆论文; 桥梁论文; 桥面论文; 《防护工程》2018年第23期论文;