结构化设计在道路桥梁设计中的应用研究

时间：2024-04-24

孙渤沅

（石家庄铁路职业技术学院国际交通学院，河北石家庄 050000）

0 引言

结构化设计，主要是指一种面向需求以及功能的设计方法以及设计策略，设计人员可以采用由上而下、逐级分析的方式构建设计方案。设计人员应认识到结构化设计在道路桥梁设计中的重要性，并采取手段与措施对结构化设计理念的应用方向进行针对性的分析，使道路桥梁设计质量以及设计效率得到质的飞跃。

1 结构化设计的优势与应用原则

1.1 结构化设计的优势

基于结构化设计理念以及设计思路，设计人员能够针对差异化的道路桥梁设计方案进行全方位、多角度的比对，突出各个设计方案的特征，实现设计方案的优化选定，有效提升设计工作的成效。此外，通过结构化设计理念的应用，还能基于道路桥梁的建设要求针对各项参数进行进一步的核算，一方面能够为桥梁建设提供准确可靠的参考信息，另一方面还能为后续的维护、保养与加固工作提供支持。

1.2 结构化设计的原则

1.2.1 均衡性原则

均衡性原则是结构化设计应用的首要原则。在道路桥梁的设计与建设过程中，受到其承载负荷、建设环境以及建设用途等因素的影响，桥梁道路内部各个构件的受力情况往往处于动态变化的状态下。因此，设计人员应当遵循均衡性的设计原则，确保道路桥梁构件在不同运行状态下的载荷更加均衡稳定，有效提升道路桥梁的建设安全性，为达成设计预期和建设目标提供支持。

1.2.2 科学性原则

结构化设计方案应立足道桥建设实际参数的基础之上。设计人员在开展方案构建工作之前，应针对目标地域开展全方位的地质信息勘测活动，针对其周边的气候环境、地质状态、地下水条件、道桥建设适宜性以及稳定性进行全面评估，使方案设计工作能够参考的信息更加丰富、多元，进一步提升结构化设计方案的可行性与有效性，推动道桥设计水平不断进步。

1.2.3 综合性原则

在道桥设计与建设工程中，设计人员不仅需要对道桥建设的安全性、稳定性进行考量，还应关注道桥设计的经济适用性、美观性以及耐久性，使设计人员能够从更加多元的角度对道桥设计方案进行优化，使道桥设计与建设工作成为社会发展的动力，为实现我国交通运输服务领域的预定目标提供物质支持。

2 道路桥梁结构化设计的方法

2.1 坐标图解分析法

在对道路桥梁展开设计工作的过程中，应认识到，每一项设计方案都由不同的设计要素构成，设计人员应将这些要素整合到相应的坐标图中，为设计方案的比选工作提供数据参考。例如，针对两个差异化的桥梁设计方案，其中一个设计方案偏向于桥梁的整体美观性，另一个设计方案偏向于桥梁的经济适用性，在对这两者进行比对的过程中，设计人员即可采用坐标图解分析法进行综合评估，找到更优质的设计方案，为道路桥梁设计工作提供方向引领和控制。

2.2 同态计算设计法

在传统的道桥建设方案设计过程中，设计人员需要考虑的设计要素较为复杂和多元，这不仅为设计人员带来了显著的工作压力，同时也降低了方案设计效率。为了进一步提升道路桥梁建设方案设计效率，设计人员可基于结构化设计理念以及设计思路，针对原有的设计指标进行简化，将相关参数指标缩减到一个特定范围内，降低设计人员的工作压力，为提高方案设计效率和设计质量做出显著的贡献。

2.3 规律总结优化法

在道桥建设方案的规划设计过程中，受到设计要求、设计思路、设计策略等客观因素的影响和制约，导致设计人员需要面对的问题较为复杂，方案设计难度较为显著。因此，设计人员可依托坐标分析方式，将不同类型、不同特征的设计问题纳入坐标体系中，方便其找到道桥设计工作需要遵循的客观规律，并针对相关问题予以优化和改进，使最终呈现出的道桥设计方案更加合理可行，为推动道桥设计工作不断发展提供动力。

2.4 函数计算设计法

道桥方案规划设计过程中，设计人员需要面对各种各样的变量，如何提升变量计算的效率与准确性，保证道桥设计方案的适用性已成为设计工作中需要攻克的难题。设计人员以及技术人员应在长时间的规划设计工作中，总结出一套适合道桥方案分析的函数算法，并在方案规划时，将设计工作涉及的相关变量输入函数算法当中，得到形态一致、内容规范统一的设计参数极值，使道桥建设方案设计工作更加完善，使设计与建设工作的经济效益以及社会效益实现同步提升。

3 结构化理念在道路桥梁设计当中的应用

3.1 在宏观结构设计中的应用

宏观结构设计是结构化理念在道路桥梁设计工作当中的关键应用路径。在长期的设计实践工作中，能够发现，道路桥梁的宏观结构设计方案往往是由一个个差异化的受力和载荷构件共同组成的，为了更加准确地把握道路桥梁设计过程中其每一项关键性结构的受力特点以及受力形态，设计人员需要针对这些受力与载荷构件进行细化分析，得出设计结论，为后续的设计工作提供参考。因此，设计人员可以采用结构化理念针对道桥结构构件的受力情况以及受力状态进行分析，使方案设计更具针对性。具体来说，相关设计人员可采取以下几个方面措施进行设计参数的获取以及设计框架的构建：

首先，设计人员应采取同态计算设计法将道桥结构进行简化，提升方案设计的直观性。由上文得知，道桥结构设计工作的内容较为复杂，可能给方案规划与设计工作带来一定的难度和挑战。因此，设计人员可基于结构化设计理念当中的同态计算设计模式对宏观结构的受力状态进行简化，使设计人员能够更加直观地分析出道桥设计方案的受力情况以及载荷要求，使道路桥梁的规划设计目标得到充分的满足，为确保方案设计的质量和水平奠定坚实的基础。

其次，设计人员应采用规律总结优化法对方案当中涉及的各项道桥受力构件状态进行总结与归纳。在一定的外加载荷作用下，道路桥梁中的受力结构会呈现出一种较为规律化的受力状态，技术人员应从简化的方案当中找到受力结构件的规律，并将其更加灵活地应用到道路桥梁设计方案的构建工作中，有效提升道桥设计方案的安全性与稳定性。

最后，设计人员还应当针对道路桥梁当中的动态荷载情况以及建材进行规律归纳与简化。提升道桥结构设计的合理性和设计工作效率，设计人员可将道路桥梁的动态载荷情况以及建材性能进行理想化设定，一方面能够有效降低多元化变量对方案规划和设计的影响，降低方案设计难度，另一方面还能强化道桥建设方案的可行性，使道路桥梁结构特点与外加荷载乃至道桥建设材料更加契合，为实现方案设计工作的不断推进提供支持和帮助。

3.2 在主梁设计中的应用

作为直接在桥梁中接触外加载荷的部件和结构，主梁设计工作在桥梁设计方案的构建当中具有关键性作用。现阶段常见的主梁形态包括箱梁与T 型主梁两种类型，技术人员可按需进行选择。在传统的桥梁设计模式中，技术人员的主梁选定策略较为单一，设计效率较为低下，难以充分有效地满足现代社会桥梁设计与建设工作的相关要求，因此设计人员可基于结构化设计的理念和角度对主梁设计思路进行分析和探讨，使主梁设计能够与桥梁建造用途以及建造要求更加契合，使桥梁建设水平得到显著的提升。为了确保结构化设计理念在桥梁主梁设计工作当中的应用成效，技术设计人员应关注以下几个方面内容：

首先，设计人员应采用同态计算设计或函数计算设计方式明确主梁的基本类别以及主要形态。通过对桥梁设计要求乃至桥梁建设现场相关数据参数的整合、简化与理想化分析，能够使桥梁形态更加直观地展现在设计人员面前，并由设计人员基于箱梁或T型梁的主要特征以及主要优势进行选定，一方面使主梁设计工作的效率得到进一步提升，另一方面还能全面强化桥梁设计方案的可行性与稳定性，为后续施工提供明确的参考。

其次，设计人员还应基于均衡性设计的原则针对主梁高度、尺寸等关键性设计参数进行明确。受到桥梁设计与建设特点的影响，设计人员应充分认识到主梁是外加载荷与桥梁墩台之间的力矩传输渠道，同时也是桥梁承载外加载荷的关键性构件，因此确保主梁各部位所承载的载荷与力矩相一致，是提升桥梁整体稳定性与安全性的关键所在。技术人员应采用同态计算设计法，针对不同载荷形态下的主梁形态展开相应的受力分析，全面提升主梁受力的均衡性，为确保桥梁整体承载稳定性与安全性提供支持。

最后，在针对主梁进行设计的过程中，设计人员还应认识到主梁也是影响桥梁外观形态美观度的重要因素之一。

为了尽可能提升桥梁设计质量，确保桥梁设计达到预定目标，设计人员可在确保桥梁整体稳定性与耐久性的前提下，将主梁结构以及相关尺寸参数进行优化，使其与盖梁、桥墩、桥台等重要构件之间更加契合与匹配，使整体设计效果得到显著提升。

3.3 在混凝土施工设计中的应用

在现代社会道路桥梁的设计工作当中，混凝土已成为至关重要的建材类型之一，其以耐久性强、整体性好、可塑性好、施工流程简洁以及施工成本低廉等优势得到了广泛的应用。因此，优化混凝土施工设计同样也是设计人员需要解决的重要课题。具体来说，设计人员应关注以下两个方面内容：

第一，混凝土结构的形态参数。作为影响结构整体强度与稳定性的重要因素之一，混凝土结构的形态和参数在道桥设计方案当中具有关键性意义。设计人员应当结合现场勘测信息、国家相关设计标准、桥梁建设要求等重点内容对混凝土形态的参数进行优化，进一步减少混凝土结构施工过程中可能出现的各类安全问题或质量问题。

第二，应针对混凝土材料进行合理化选定。由于道路桥梁设计要求较为多元，其运行过程中所面临的环境也不同，因此设计人员应当从混凝土水灰配比角度出发，开展优化和调整工作，使浇筑后的结构形态更加稳定，为提高道路桥梁建设水平起到推动作用。

3.4 在防水设计中的应用

由上文得知，现阶段的道路桥梁设计与建设大多采用混凝土作为主要材料，而受到混凝土建材物化特性的影响和制约，一旦发生水害，可能对道桥混凝土结构的稳定性与耐久性产生严重的影响，因此在开展道路桥梁方案设计工作的过程当中，技术人员应采取针对性措施和手段开展防水设计工作，确保道桥结构的质量能够达到预期要求。

首先，技术人员应针对防水结构进行优化设计，综合考量当地年均降水量、日均降水量、雨季持续时间以及空气湿润程度等指标，针对桥头搭板、桥墩、栏杆底座等容易产生积水的部位进行调节，结合导水渠、排水槽等设计使淤积在道桥表面的积水排出，为提升道路桥梁稳定性与耐久性做出贡献。

其次，技术人员应结合坐标图解分析法，对道路桥梁防水设计当中常用的几种防水涂料进行选择。常见的防水涂料包括JS 防水涂料、聚氨酯防水涂料以及水泥基渗透结晶防水涂料等几种类型，技术人员应综合涂料防水性能、涂料耐久性以及涂料使用成本等多项指标构建相应的坐标系，使设计人员以及技术人员能够直观地针对不同防水涂料的特点开展比对工作，使道路桥梁防水工作的开展效果得到全面提升。

3.5 在稳定性设计中的应用

受到地基沉降、荷载设计失误、混凝土应用失误等因素的影响，可能导致道桥施工过程中出现混凝土崩裂现象，这不仅会使道桥结构发生碳化、腐蚀或渗漏现象，还可能对其稳定性造成一定的影响。为了尽可能减少道桥建造过程中出现的混凝土崩裂现象，设计人员应基于函数计算设计方式对道桥结构高度、桥梁合龙段高差以及桥梁底板钢筋布设情况进行详细计算，并将原有的稳定性设计进行全面强化，尽可能排除掉道桥设计过程当中可能出现的各类风险与隐患，使桥梁设计的稳定性不断提升。

3.6 在后续维护设计中的应用

在长期的运行和使用过程中，道路桥梁可能产生一定的耐久性问题，其结构强度逐渐无法满足道路交通运输相关要求，阻碍了交通运输工作的不断发展。因此，相关单位需要定期开展道路桥梁的维护与加固工作，针对道路桥梁运行过程当中可能出现的各类耐久性问题和结构强度问题进行优化和解决。在这一过程当中，严谨科学的加固与维护设计方案是十分必要的。维护设计人员应当遵循结构化设计理念开展方案规划设计工作，结合同态计算设计法以及函数计算设计法，将道桥加固与维护要求进行全面量化，针对道桥结构运行过程当中所产生的各项薄弱点进行全面梳理和分析，使加固维护方案更具针对性与可行性，延长道桥使用寿命。