基于云计算的节段拼装箱梁桥设计系统开发与应用研究

郝龙 刘智 邵慧 屈振亚

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710065）

引言

装配式桥梁工业化、智能化建造政策导向下，节段预制拼装桥梁的设计建造技术是当前研究热点[1]。一方面，从桥梁工程技术角度看，国内外已经有很多针对这种桥型的研究成果[2-5]。我国上海、深圳、南昌等各城市工程项目实践逐渐增多，尤其是近年来出现了郑州市四环线及大河路快速化工程[6,7]、深圳机荷高速公路改扩建立体层高架桥梁[8]等规模比较大的项目，我们可以认为节段拼装箱梁桥当前正处于设计建造高峰期；另一方面，从桥梁工程全生命期数智化建造需求看，以源头（即设计阶段）的数字化设计软件自主研发为抓手，可以有效支撑桥梁数字资产的建设。

我国是桥梁大国，相关大学和科研机构对桥梁工程设计软件的研究积累了很多成果。早在1988 年湖南大学结构工程研究所的何放龙等[9]研发出了桥梁结构计算机辅助设计系统，可以完成预应力钢筋混凝土简支梁桥的设计自动化；1989 年陆楸和徐有光等[10]针对预应力混凝土桥梁两阶段设计工作介绍了研发成果“PCBRIJ/CC87”系统；1999 年同济大学的周宗泽等[11]研发了著名的桥梁博士系统，具有可视化效果比较好的结构设计计算及分析功能；箱梁桥方面，2008 年刘智等[12]介绍了“桥易箱梁设计绘图系统”的成果及工程应用情况，该系统使用至今完成了大量的现浇连续箱梁桥设计。但目前市场上缺乏针对节段拼装箱梁桥型设计特点研发的设计软件。

综上所述，为解决城市道路基础设施项目中日益增多的节段拼装箱梁桥设计需求，本文围绕节段拼装箱梁桥实际设计生产场景，通过广泛借鉴设计软件研发新范式，积极融合新一代网络和信息技术思路，提出采用基于云计算的协同设计系统框架，利用敏捷开发持续迭代完善节段拼装箱梁桥设计在线设计系统（以下简称“节段梁云设计系统”）。

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机场至荷坳段（简称机荷高速）工程，是粤港澳大湾区东西向的交通中轴线。作为交通部示范工程，机荷高速立体层桥梁上部采用装配式节段预制拼装混凝土箱梁[1]，下部采用装配化节段拼装墩柱，全线实现高度的工业化、装配化设计施工。节段梁采用50m 的标准跨径，并配合40m、45m 的跨径一起使用。跨径组合为四孔一联，断面采用单箱双室截面，结构体系采用主梁与桥墩固结的全刚构体系。节段拼装箱梁整体效果及节段构造细节示意如图1(a)～(c)所示，机荷高速立体层主要为节段预制拼装混凝土箱梁。节段预制拼装箱梁桥总桥梁长度53.768km，占立体层左线桥梁长度的72.6%、右线桥梁长度的68.0%。机荷高速作为大规模应用的节段预制拼装混凝土箱梁设计，施工图阶段节段总榀数达到了32 433 榀。桥梁设计绘图工作体量庞大，靠传统的人工绘图或者采用市面上已经有的各类现浇箱梁设计软件先出设计草图，再进行人工编辑完善均无法保证在设计周期内完成设计工作。

图1 主体桥梁50m 跨径节段拼装箱梁整体效果及节段构造细节示意

2 节段梁云设计分析

2.1 系统需求分析

调研发现由于预制节段拼装箱梁具有工业化、标准化的特点，其设计建造精度要求高[1]，属于桥梁工程设计中典型的“标准化、精细化”需求场景，主要特点为设计文件单位制采用mm、几何构造尤其是细部构造要求精确表达（钢束张拉孔、剪力键、每根钢筋）、材料数量精确统计（混凝土体积、预应力筋、普通钢筋、结构胶），对设计软件研发挑战巨大。同时，由于机荷项目整体的施工图设计周期较短，项目组成员多且外业、内业设计人员跨地域办公，这些项目实际需要设计软件能进行协同设计，从而提高设计效率保证项目进度要求。

此外，节段拼装箱梁在设计上需要环环相扣，从断面设计、一般构造图、节段划分再到预应力设计和节段钢筋设计，最后还有剪力键及局部钢筋构造等细部详细设计。相较于常规的悬拼连续梁和现浇箱而言，图纸更多、设计要求更高。节段梁设计中修改和方案调整需要设计软件系统能够实现快速设计、快速更新、快速维护的敏捷开发。

2.2 设计流程分析

在需求分析基础上经过对一线桥梁工程师实际设计工作的流程和具体设计工作内容的调研和反复沟通，梳理出了符合用户操作习惯的设计流程，并对应确定了设计软件系统功能模块。主要流程为：首先，用户在注册登录设计软件系统后通过“设计组”和“项目”管理权限确认和选择设计项目及人员角色；其次，通过“桥梁”和“联跨”功能进行具体桥梁、桥联、桥跨定义；再次，对主要构造进行逐一设计参数交互输入和变更，完成节段拼装箱梁的一般构造、预应力、普通钢筋、剪力键等具体设计；最后，通过“绘图”和“预览”功能完成设计成果的提交及分享。全部节段梁在线设计流程及系统功能如图2所示。

图2 节段梁在线设计流程及系统功能

3 节段梁云设计系统开发

3.1 设计系统架构

基于对需求分析和设计流程的梳理，结合国内外相关系统的调研，本文提出一套基于云计算的桥梁协同设计系统框架（云计算可扩展架构），即采用B/S架构的Web 服务器来集成各种桥梁设计应用，由统一的系统框架和方法进行协调和组织,图纸绘制和结构分析等计算任务由外设的云计算服务器集群完成，云计算集群和Web 通过云消息进行通讯[13]。具体系统研发涉及到传统的前端开发、接口设计、后台接口编码、数据库配置、云存储平台搭建，单元模块测试、系统测试、版本控制等通用工作，但是最核心的桥梁工程设计绘图算法利用云计算技术开发，然后进行系统集成。基于上述系统框架，经过反复技术研发实践调整，最后研发形成了“节段梁云设计系统”。当前系统主要包括负载均衡模块、云服务器集群、任务分发模块、计算服务器集群和云存储服务器[14,15]，利用Django 框架搭建了web 后台调用部署在云服务器上自主研发的“DWG 文件生成C++二维图形库”来实现设计功能。工程师用户通过浏览器登录设计系统，负载均衡模块根据负载均衡算法把用户分流到特定的云服务器，实现服务器压力缓解；云服务器将用户的设计参数转换成任务指令消息，发送给任务分发模块；任务分发模块收到指令后通过负荷分担的模式把指令消息分发到计算服务器；计算服务器对数据进行校验和拆分，完成结构计算和图纸绘制等任务作业，并把图纸和报告成果上传至云存储服务器，返回给用户。节段梁在线设计系统架构如图3 所示。

图3 节段梁在线设计系统架构

3.2 协同数据管理

节段梁在线设计系统利用协同管理数据库对所有设计参数进行统一管理，可实现多设计人员协同设计。相同设计组下用户可实时查看修改设计组成员共享的数据，提高数据利用效率和整体工作效率；为数据库配置日志功能，对数据的增加、删除、修改、查询记录进行实时跟踪；并且数据统一管理，减少数据冗余，节约存储空间。

系统组织上分为设计组、项目、桥梁和设计联跨四级。设计组是实现多人协同设计的功能的关键。项目是一级目录，桥梁是二级目录，设计联跨是设计的基本单元。设计组是操作设计联跨进行具体设计的基本操作单位。多个用户可以通过创建组和加入已有设计组的方式进行编组。在同一设计组下的所有用户具有相同的操作权限，均可以对设计联跨下的设计参数进行修改和调整。通过该方法，本文设计的协同设计管理系统实现了多人协同的需求，满足多个设计师同时进行桥梁设计参数编辑的能力。协同设计管理组织示意如图4 所示。

图4 协同设计管理组织示意

3.3 系统核心计算绘图程序

系统计算服务器部署的计算绘图程序基于云计算技术设计开发，能够适应的断面形式分别为：单箱单室、单箱双室。适应的路线变化包括：直桥和弯桥。计算绘图程序具体实现的图纸种类具有10 种：一般构造图、端横梁一般构造图、中横梁一般构造图、剪力键一般构造图、体内预应力钢束构造图、体外预应力钢束构造图、桥面板横向预应力钢束图、节段普通钢筋构造图、端横梁钢筋构造图及中横梁钢筋构造图。

3.4 系统界面与设计功能实现方法

以单箱双室大悬臂一般构造图的界面和绘图功能开发为例介绍系统界面与具体设计功能实现方法。云服务器的一般构造图模块界面和数据管理通过“公共参数页面”“路线参数页面”和“节段类型模板参数”三个页面对常用的参数进行归类。通过预设节段类型模版参数的方法，在节段参数中，可以对预设节段进行自由编排，形成一般构造。当所有参数都编辑好之后，可以通过绘图预览按钮，进行绘图，如图5 ～图7 所示。

图5 一般构造图模块界面框架

图6 一般构造图模块绘图计算流程图

图7 一般构造图模块节段模板参数

计算服务器部署的一般构造图绘图计算程序，通过获取任务分发模块的任务消息指令，在进行消息拆分校验后，依次进行立面绘制、平面绘制、断面绘制和表格附注绘制，最终装框生成图纸文件返回给用户。用系统自动生成的节段箱梁一般构造图如图8 所示。

图8 系统自动生成的节段箱梁一般构造图

4 工程应用验证

4.1 系统应用效果

节段梁设计系统自2021 年10 月上线发布以来，在线注册用户达到90 人，活跃用户70 人，同时满足多人在线协同设计。施工图设计期间累计使用本系统生成施工图共计27 915 张。针对用户绘图中遇到的问题和图纸审查中的修改意见，系统研发人员通过不断更新，累计更新的版本号和软件迭代次数统计如表1所示。

表1 模块迭代情况

4.2 设计图纸质量

采用本软件系统设计自动绘制图纸后，设计参数、图面质量和数量统计均准确无误。以一般构造图为例，一跨节段的数量表包括梁段长度、梁段预制体积、齿块或转向块体积、预制总体积、现浇体积、吊装重量、梁高、底板厚度、边腹板厚度、中腹板厚度和剪力键布置等参数信息，对桥梁工程数量表自动计算统计精度高。

节段拼装箱梁桥当采用悬臂拼装施工工艺时，体内预应力图的钢束断面绘制是图纸中最费时费力，且修改率最高的部分。采用本系统后，可以快速绘制所有指定断面的体内束断面布置，通过程序测量立面和平面定位信息，钢束在断面的位置精度准确。尤其是对于设计过程中需要反复调整钢束的需求，系统通过全参数化交互实现了断面钢束布置自动更新，避免了传统人工修改易出错的设计质量难题。对于体外预应力图、转向器参数图、钢筋图、过渡墩段钢筋图、转向器钢筋图以及其它节段梁图纸绘制模块等，通过本系统应用发现，图纸质量和精度均得到大幅提升。系统生成的体内预应力钢束断面如图9 所示，其中T 为体内预应力钢束，Tm 为中腹板位置顶板预应力钢束，BmB 为中腹板位置底板钢束，BB 为边跨底板钢束，W 为腹板钢束。

图9 系统生成的体内预应力钢束断面图

4.3 设计效率

以体内预应力和体外预应力图为代表，采用手工绘制的周期为7 天，其中不含修改变更。采用节段梁设计系统后，当设置好参数模板，包括后期图面修图改图工作在内，2 天可以完成。后期有设计变更时，手工改图不亚于重新设计，而对于软件系统而言，仅是个别参数的变化调整。

本依托工程项目中，节段梁设计通用参考图共17册，其中13 个图册软件可全程参与。另外的4 个变截面节段梁通用参考图册，软件可以部分参与。经过评估，17 个图册按照手工绘制，预计6 个月时间能够完成。采用软件后，周期压缩为不到2 个月完成第一版施工图图册。传统设计与采用节段梁设计系统设计周期对比如图10 所示。

图10 传统设计与采用节段梁设计系统设计周期对比

4.4 经济效益

本文开发的节段梁设计系统在项目中的经济效益主要通过减少设计人员数量、缩短设计周期和提高设计图纸质量的方式，最终以设计费节约的方式得到体现。通过综合估算，在依托工程项目应用中实际产生的经济效益如下：

2021 年4 月大规模施工图设计（招标版本）中，采用软件生成图纸达到27 915 张，按照本企业设计合同额内部工作量统计方法推算出节约成本约1 670 万元。根据咨询单位和专家组审查意见至少20%设计图纸修改后，可再节约330 万元。机荷项目应用本系统辅助设计，共计节约成本约2 000 万元。

该系统不仅在本项目经济效益可观，且软件完善更新后可持续为设计企业带来长期经济效益，进而促进企业创新驱动核心设计业务的发展。

5 结论

本文依托机荷高速改扩建工程高架桥设计周期短、质量要求高、设计绘图工作量巨大的实际工程需求，针对桥梁工程设计中的节段拼装箱梁施工图设计的痛点和难点，整理了设计协同流程和系统研发需求，探索了基于云计算技术的桥梁设计系统开发与工程应用。主要完成了三方面工作：

（1）创新性地提出了基于云计算技术的桥梁协同设计系统框架，并在此框架上自主研发了节段拼装箱梁在线设计系统，系统能适应直桥和弯桥中单箱单室、单箱双室两种横断面形式；

（2）系统核心计算绘图程序实现的设计图纸种类有10 种：节段梁一般构造图、横梁（端、中）一般构造图、剪力键一般构造图、预应力（体内、体外）钢束构造图、节段普通钢筋构造图、横梁（端、中）钢筋构造图、桥面板横向预应力钢束图；

（3）基于对系统上线应用后的在线设计人数、交互使用情况统计，对比了应用本系统和传统设计之间在图纸质量、设计效率、经济效益方面对工作效率的实际促进情况。

利用本研究开发的节段拼装箱梁设计系统，桥梁工程师可以只借助浏览器进行协同设计工作，但是实际工程应用中不同的网络条件、高协同并发等因素对系统稳定性仍有影响，适应变宽及变高节段拼装箱梁桥梁及其它桥型设计功能也是下一步研发的方向。