改建工程桥台、桥墩设计自动化的研究
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【摘要】分析了在改建工程中依托实际项目的桥涵设计，研究桥涵下部构造任意路幅、不同交角时，结合原桥涵的标高、位置自动化的完成合理设计。
【关键词】桥涵；下部；自动化；语言
1、前言
自上个世纪九十年代起，我区高速公路建设迅猛发展，至“十一五”末期，国道主干线公路基本建成高等级公路，在尽量不扩张现有路网规模的前提下，对原有公路进行改建、扩建，提高交通路网的通行能力和道路等级在公路建设中逐渐开展。在改、扩建工程中，桥涵因结构完好、数量多、工程量大、比重大，其改建设计是否得当，对整体工程造价和结构使用效果有很大的影响。因此，在进行改建设计时，尽可能地考虑利用原有桥涵，这样既可以简化设计，又可以节约建设资金。在安全、经济、实用、美观、环保等的设计理念下，如何结合地形、地质、设计出跟现有桥涵融为一体的新的桥涵构造物，摆在了广大公路设计者面前。我区第一批高等级公路“吐鲁番～乌鲁木齐～大黄山高等级公路”现在进入改建期，如何做好桥涵构造物的改扩建设计，我们做了设计自动化方面的研究。
2、桥涵现状
吐鲁番～乌鲁木齐～大黄山高等级公路全线桥涵设计洪水频率：大、中、小桥、涵洞1/100，设计荷载等级：汽车-超20级，挂车-120。桥梁宽度：吐鲁番至小草湖段：分离式2×12.0m，小草湖至达阪城段：整体式21.5m，达阪城至乌鲁木齐以后段落：整体式26.0m。
桥梁上部结构主要有：6m钢筋混凝土矩形板、8m钢筋混凝土空心板、10m、13m、16m、20m预应力空心板、30m、40m预应力混凝土Ⅰ型组合梁、30m预应力混凝土箱梁、现浇箱梁（立交跨线桥）以及60m中承式吊杆拱桥。
桥梁下部结构形式主要为柱式墩、薄壁墩；桥台采用轻型桥台、肋板式桥台、重力式台；基础主要采用桩基础、扩大基础。
“吐～乌～大”高等级公路为连云港至霍尔果斯国家高速公路网中关键段落，如何保证快速施工、快速通车？设计中采用标准化，设计过程采用自动化。“吐～乌～大”高等级公路桥梁上部结构当时全部采用标准化设计，改扩建比较有利，各种结构的上部成熟图纸比较多，可以直接应用，设计中反复变化的，关乎到安全、经济、实用、美观的主要是桥梁下部。如何设计出任意路幅的加宽、任意路拱横坡的桥台、桥墩，又便于快速施工的构造物？根据老路十五年的运营养护情况，我们建议桥梁下部结构形式采用盖梁柱式墩：桥台采用轻型埋置式桥台、重力式U型桥台；基础主要采用桩基础、扩大基础。为此研制自动化程序软件。
3、模块功能
3.1盖梁柱式墩
根据盖梁柱式墩的三维特性，提取如下公共数据：盖梁宽度、交角、桥墩高度、盖梁厚度、盖梁高度、斜坡高度、桥墩直径、桩基直径、两桩距离、挡块宽度。由这些参数任意组合，完成盖梁柱式墩设计，由道路基本设计参数和盖梁尺寸通过稳定性验算后自动绘出设计图。可以完成任意路幅、任意斜度的桥墩。如下图
3.2轻型埋置式桥台
根据轻型埋置式桥台的三维特性，提取如下公共数据：路幅宽度、桥台坡度、交角（度）、桥台宽度、耳墙长度、桥台厚度、背墙高度、桥墩直径、桩基直径、两桩距离、挡块宽度。
由这些参数任意组合，完成轻型埋置式桥台的设计，由道路基本设计参数和桥台尺寸通过稳定性验算后自动绘出设计图。可以完成任意路幅、任意斜度的桥台。如下图
3.3重力式U型桥台
根据重力式U型桥台的三维特性，提取如下公共数据：前进方向标高参数、左边标高1、左边标高2、右边标高1、右边标高2、中心标高、基础标高、U台角度（度）、U台宽度、侧墙顶宽、台帽背墙高度、台帽厚度、台帽顶宽度、台帽搭接宽度、基础埋深、基础厚度、桥台侧墙帽高、桥台前墙和侧墙背坡比例、台尾墙背坡比例、桥台前缘襟边宽度、桥台两侧及后部襟边宽度。由这些参数任意组合，完成重力式U型桥台的设计，由道路基本设计参数和桥台尺寸通过稳定性验算后自动绘出设计图。可以完成任意路幅、任意斜度的U型桥台。如下图
4、设计语言
根据桥台、桥墩设计中数据成分、运算成分、控制成分和输出成分等特性，合理分析选择计算机程序语言和开发方式。
ACAD是一通用的绘图平台，基于ACAD常用的三种开发方式分析如：
4.1ObjectARX
ARX（AutoCAD Runtime eXtension）是在ADS基础上发展的面向对象的开发环境，使用C++语言，现在ARX进化为ObjectARX技术，它是完全面向对象，并且是以动态链接库（dll）的形式共享CAD的地址空间。用ARX技术编出的程序运行时和AutoCAD在同一代码区，能共享ACAD的数据库，但C++语言有复杂的程序调试，再配上ObjectARX库，要做许多技术准备，开发周期长。
4.2VBA
VBA（Visual Basic for Application）是一个引入了对象的程序设计环境。VBA通过AutoCAD Active Automation接口将信息传送给AutoCAD，而AutoCAD VBA也允许VBA环境与AutoCAD同时执行Active Automation与VBA的结合方式，提供了功能极强大的接口，不仅可以操作AutoCAD的内部对象件，更可以在其它的应用程序之间传送或接收数据。AutoCAD ActiveX提供了我们可以从AutoCAD内部或外部以程序设计的方式来定义AutoCAD的结构。
VBA的优点：语法为易学的Visual Basic语言；VBA同时提供与其它应用程序的整合；VBA与AutoCAD执行于同一处理程序，执行速度快；在VBA中可以快捷设计对话框；项目可以独立或内嵌在图面中，这种功能在提供开发者应用程序上有很大的用处与灵活性。
4.3VisualLISP
Visual LISP是一个功能强大的整合开发环境，它整合了AutoLISP程序开发期间所需的几大主要工具和功能。Visual LISP采用Compile-during-Load（随载即编译）技术，来达到与AutoLISP完全兼容的境界。Visual LISP采用可支持LISP与DCL色彩编码以及其他语法的全屏幕文本编辑器。Visual LISP支持多种检查器，其中语法检查器可以用来检查程序结构错误和内部函数中的变量错误，综合检查器可以提供对数据结构中变量和表达式的浏览和编辑功能。Visual LISP先进的原始程序编译器可以将Autolisp的源程序编译成二进制文件，这样极大改善程序的执行速度与安全性，Visual LISP的原始程序文件可以利用系统提供的Application Wizard软件将之包装成一个单一的模块。Visual LISP增加了专门处理ActiveX对象的函数，ActiveX的导入使访问AutoCAD图元更简单直接。虽然Visual LISP的图形处理功能非常强大，但Visual LISP语言的语法结构注定该语言的计算功能比较繁琐。
通过上述三种开发技术方式的比较，结合桥台、桥墩设计的特性，桥台、桥墩有大量的稳定性数据计算，为了更好的完成程序的开发，采用Visual LISP、VBA、ActiveX技术联合开发，最后整合打包。利用VBA的计算功能，利用Visual LISP、ActiveX技术的图形处理功能，极大的简化了开发步骤，使程序代码变短，软件运行效率更高。
5、稳定性因素
桥台、桥墩稳定性计算基本相似，根据荷载及建筑材料验算台身、盖梁、桩柱截面强度、地基应力以及墩台稳定性，在受力上，桥台、桥墩不同的是桥台要承受后台填土的侧压力，而且这种土侧压力对桥台的尺寸影响很大。设计时拟定合适的尺寸，稳定性验算通过后，立刻绘出设计构造图。
6、结束语
在改建工程中桥梁的下部结构墩、台的设计具有很大的变数，往往影响设计周期和质量，不同的工程师设计出不同的构造物，有时设计效果出来后，不是最优、最经济的，繁于来回手工改动，也就交付施工了，设计自动化软件将设计人员从重复、繁琐的手工设计工作中解放出来，使技术人员集中于创造性的劳动，控制设计的全过程。设计尺寸的合理关乎到构造物的安全、经济、美观，该自动化软件结合三维效果图可以反复修改设计图纸，使设计达到最优。
参考文献
[1]江祖铭，王崇礼主编.《公路桥涵设计手册・墩台与基础》.北京：人民交通出版社，1994年