数字驱动设计——富龙西江特大桥数字设计创新探索与实践

近年来，随着多省市发布关于数字经济发展的“十四五”规划，明确提出“以数据为关键要素，以推动数字技术与实体经济深度融合为主线”发展数字经济产业。其中，数字设计作为“培育数据新要素”的关键内容之一，也首次在政府“十四五”规划中被正式提出。

数字时代，呼唤新的设计方法论。数据已经成为驱动设计行业转型发展的新生产要素，设计业务的数字化重构，也势必推动数字设计发生深刻变革。

内卷一词，是指某个领域中发生过度的竞争，导致人们进入了相互倾轧、内耗的状态。同时也可以指一种社会模式在发展到一定阶段后停滞不前，或者无法转化为更高级模式的现象。

如今，市场萎缩、费率下陷、头部企业聚集的竞争环境，使得工程勘察设计行业面临前所未有的发展压力。

改革开放40多年以来，设计行业发生了数次飞跃性的变迁，这些变迁无一例外都和信息技术的发展息息相关。从计算机辅助绘图（CAD）技术的普及推广，使广大从业者从手工绘图走向电子绘图，实现生产效率的提升，完成第一次信息革命。随后，云计算、大数据以及物联网等底层技术的日趋成熟，使得行业从二维图纸到BIM三维设计和建造的二次信息革命。同时也催生出“三维正向设计”这一概念。三维正向设计是指不同于逆向翻模先建立BIM三维模型，再通过剖切输出二维图表的设计过程。但这样的三维正向设计也还是传统手工设计模式的延续，在多专业协同、可视化应用和质量提升方面有一定效果，但增加三维建模工作量的同时，一直未能解决生产效率问题，成果交付也无法发挥数据资源的优势作用。

随着设计工具的革命性变化，数据成为主要的设计载体，加之人工智能技术的发展，已经开始影响设计平台的基础架构。对工程勘察设计企业而言，数字设计的模式应将参数化与智能化相结合，以数字驱动的设计过程数字化和成果数字化才是设计行业高质量发展的变革方向。

广东交通院数字设计系列软件包括多个专业，目前已发布20余个模块、7个小工具软件。

针对桥梁工程涉及的多专业数据协同特点，在桥梁设计标准化的基础上，基于自主开发平台，实现二三维的同步交付，可输出桥梁一览表、桥型布置图、桥位平面图、桩位坐标表、下部构造图、附属构造图、桩基钻孔地质表，以及全桥BIM模型等成果，并与其他设计模块数据协同。

在预制梁桥的上部结构设计中，基于桥梁上部结构设计标准化开发了小箱梁、T梁、空心板等截面类型，适用范围广泛，可实现非标准跨径、正交/斜交、斜转正、大变宽、裤衩等梁片的智能布设和出图，可一键导出单梁或梁格计算模型，并可接入工程量协同系统，实现工程数量的一键统计汇总。同样，下部结构中的桥台、柱式墩、花瓶墩等，与上部结构类型自适应联动，输出下部结构一般构造图及钢筋布置图，以及生成盖梁计算书。

对于涵洞的设计，基于涵洞设计标准化开发了近100种孔径的箱涵、盖板涵、圆管涵等模型库，通过智能高效的全局参数输入和多种标准化数据库选择，以少量控制性参数，实现智能布设及出图，效率提升了近10倍。

另外，数字勘察出图及报告功能模块，基于勘察外业采集数字化，可实现钻孔布设、节理产状布设、地质剖面图、横断面图、柱状图等自动化出图。按定制的标准化报告模板，实现地质报告智能编写。

佛山富龙西江特大桥为主跨580米的双塔双索面混合梁斜拉桥，桥梁全长1770.6米；大桥景观设计创意灵感来源于白鹭湖风光，桥塔采用白鹭塔方案，为空间异形曲面桥塔。并首创超高性能混凝土(UHPC)应用于大跨斜拉桥的主体结构。

面对空间异形曲面桥塔的美学设计、钢锚箱/UHPC组合钢箱梁的复杂结构设计等挑战，在富龙西江特大桥上利用参数化设计建模软件进行桥梁总骨架模型的建立，其中主梁以道路设计中心线为“骨架”，定位主梁梁段的位置；主塔以外轮廓曲线“骨架”，确定索塔截面尺寸及位置；拉索以锚固点布置原则确定起终点坐标。

基于三维模型剖切生成二维图纸，实现模型与图纸联动，确保图模一致。但同时，由于定制出图模板的工作量较大，图纸仍需大量手工调整。

基于知识工程模板的参数化批量实例化建模能力，设计师通过调整模板，可批量调整全部结构，也可以通过调整实例化参数，修改单个实例来满足设计需求。

钢箱梁通过“积木式”知识工程模板，实现了钢箱梁数字设计过程，得到了高精细的三维BIM模型，辅助CAD出图，为后续工程量统计、结构有限元分析、优化调整打下了基础。

由于塔冠结构复杂，曲面模板加工难度大，安装困难；塔冠顶部横桥向宽度仅为30cm，钢筋安装难度大，保护层厚度难控制，混凝土浇筑振控空间不够，人洞开口危险系数高。进行优化后，将原异形曲面构造调整为半径为25m的标准圆曲面。同时将塔冠顶宽调整为50cm，以方便塔冠的施工，取消塔冠人洞开口，利用CATIA参数调整，方便快速进行调整。

异形桥塔、上中下横梁模型自带的工程量信息能为混凝土工程量统计提供精确数据，便于下横梁施工时实际硷方量的精准控制。

组合钢锚箱等标准化构件，通过CATIA 装配设计模块 BOM表可直接导出材料明细表。

精准的UHPC组合钢箱梁工程量，可以为施工阶段梁段称重提供准确的参考数据，也能为有限元分析软件中，经模型施工阶段的计算分析，得到准确的梁段重力数据，并且，最终为斜拉索提供更精确的初张力数据。

在三维空间索环境下，由桥梁设计人员直接给路灯定位，保证设计的准确性，解决了路灯空间布设的难题。另外，通过钢锚箱精细化BIM模型，在设计之初发现固定端板肋加劲规则不适用于栓接端，因此提前做了调整。

在深化设计方面，借助CATIA模型直出制造加工图、直出BOM表和下料图，关联预设工艺库，快速编制工艺规程。

在板件下料方面，SigmaNEST系统可以直接接入CATIA模型，板件自动排版套料、切割模拟，并自动生成适配切割设备的数控加工代码。

在板件切割方面，智能切割设备联网，实时接收数控加工代码，自动完成套料、写号划线、切割、报工数据汇总等，而且异形构件也能实现较高的划线精度。

在智能焊接方面，智能焊接机器人系统联网，板件组装后通过接触传感器及电弧跟踪技术，自动定位焊缝位置。焊接时，不同方向、不同位置连续施焊，全自动操作，定位精度高，压紧可靠，定位焊的质量较为稳定。焊缝区域自动打磨、除尘，极大改善作业效率和生产环境。

在智能节段总拼方面，应用轨道式焊接机器人、视频监测系统等配套设备，可以让机器人自动检测坡口尺寸、自动焊接。即便轨道形式多样，也能方便灵活地实现，实用性较强。

在智能喷涂方面，钢箱梁涂装自动化设备组网，上传信息。自动化设备完成喷砂除锈、热喷涂等工序。而且，现场生产作业数据可以传输至总控室服务器，监测现场生产作业状态，总控室的监控系统平台也具备与BIM系统进行数据交互的功能。

最后，通过集成板材切割下料、板单元焊接、节段总拼、涂装等智能生产线，形成“四线一系统”综合管理平台。当各子系统模块中数据变动时，综合看板自动读取数据并整合分类，更新显示，实现数据的互联互通。

由于本项目设计控制因素多，自主研发了三维数字沙盘，基于自研图形引擎的一体化BIM平台，构建了一整套各专业快速建模和融合展示的数字化解决方案，支持国内外主流BIM模型格式，可实现大场景和大体积容量模型的快速加载和显示。

而且，可以实现基于BIM的全项目、车道级交通仿真模拟和展示，也可用交互式三维沙盘进行工作汇报。

通过在富龙西江特大桥上，基于一套数字模型实现工程设计过程和成果数字化，探索出的数字设计技术路径，相较于商业平台推广的全面三维正向设计实施性更强，具有较大的推广意义。

在当前数字经济浪潮下，设计企业的数字化转型势在必行。以数字驱动的设计过程数字化和成果数字化，对内可以提质降本增效，对外可以提供更优质、高效、创新的产品和服务，是设计企业向高质量发展迈进的破局之道。