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[原创] 桥梁工程方法与方法论研究 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2017-8-24 16:05:17 |显示全部楼层 |          |
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文/凤懋润  赵正松


- E* x% y+ m; a5 @4 y+ n, i9 t" h9 R       桥梁工程是满足人类 “行”的需求的造物活动之一,是创造出的新的社会资源。我国曾有过灿烂的古代桥梁文明,但在18世纪中期,英国工业革命与炼钢法发明之后的近两个世纪,欧美国家“领跑”了世界桥梁技术的发展,我国被远远地落在了后面。: [, X/ C: c$ L- U# P
       “经济发展,交通先行”,世纪之交的30多年,路桥工程开始了大规模建设。80年代在珠江三角洲、90年代在长江中下游、新世纪前10年在长江三角洲展开了3次桥梁建设高潮。30年前从珠江三角洲4座百米跨径的桥梁建设出发,30年后又回到了珠三角——建设世界瞩目的港珠澳跨海大桥。我国建桥技术实现了跨越式发展,追赶上了国际先进水平。) E/ Q: `9 R, {5 Z) {6 C
       在梁、拱、斜拉、悬索桥4种桥梁类型中,世界跨径前10位的工程中,中国大陆的工程占了20座,媒体在宣传中曾用词——“半壁江山”。近9年来国际桥梁“杰出结构奖”中,有三分之一“花落我国”。
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桥梁工程方法论框架

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       国内外桥梁工程的“全生命周期”大体分为三个阶段: “论证与决策”的“规划阶段”;“设计与施工”的“建造阶段”;“维护与管理”的“运营阶段”。超大规模工程的“规划阶段”有的会延续几十年,而运营期大多要求“百年”或以上。6 i/ P3 j' B9 b- {
       归纳千万种工程方法与方法集,总结工程建设的“共性”规律,凝练出了桥梁工程“三阶段”方法论的9个核心“论点”,即交通需求,权衡比选,辩证统筹,创造性设计,精细化施工,综合集成管理,预防性养生,灾祸社会管理,工程评估。可具体表述如下:
. j2 X$ I% W9 d, J. v/ [+ `       交通需求驱动工程建设供给,是桥梁建设必要性、工程规模、主要技术标准的基础性依据。
$ ~# ^" [" c/ D) u, f8 J       权衡比选是优化工程方案的普适方法,是构建结构、功能、效益合理化概念模型的进路。
' V, ]! w; M8 g* A  ~       辩证统筹是充满技术与非技术性复杂矛盾的问题的工程规划论证与迭代式降解决策的哲学方法,是规划方法论的精髓。; y% k6 \0 h2 v% }, v5 @/ b( [
       创造性设计是工程理念转化为工程实体的关键环节,是满足功能定位,适应千变万化工程现场实况的创造性智力劳作。) C6 C+ Q4 H2 v/ V
       精细化施工是工程分解与重构的核心原则,是锻造精品工程亘古不变的唯一方法,是工程安全和耐久的根本保障。
; ]1 k+ }5 O: ^- w- X       综合集成是桥梁工程活动的哲学方法,是实现工程寿命周期、管理职能、共同体成员间“三位一体”的基本路径。; S% `/ M5 A& ^3 S1 T
       预防性养生是桥梁工程“健康性检查、预防性养护、延续性再造”的过程,是保障工程长期处于良好使用状况的系统维护方法。( Z: t3 Z$ V6 k' @  ~- ]3 g3 P
       社会管理是保障“人-车-桥系统”安全有序运行的管理方法。6 R9 w5 S7 P, L# m; g7 _
       工程评估是对工程价值的再认识,是工程认识提升与再实践的经验源泉。工程对民生的贡献价值最终要由社会和百姓做出评判。
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桥梁方法论基本论点阐述


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规划方法论:交通需求

       “区域规划研究”是路桥基础设施建设必要性的基础性研究,是交通需求的依据。20多年来,在全国和区域路网与跨江海通道规划指导下,长江、珠江流域、东部沿海和三角洲地区的桥梁依次建设,促进了经济社会效益的持续释放,是工程与经济社会发展相辅相成关系的范例。  
7 x; X6 z3 x9 d- a, J. V7 u       桥梁作为“点”工程绝不是孤立存在的,通过两端延伸的道路接“线”(路网),实现人类社会活动区域诸“面”的沟通融合,亦“空间”的扩展。从这个意义上说,桥梁工程建设的需求要协调“点、线、面”的关系,要有广域“空间”的统筹性定位。所以,规划工作的核心是:统筹交通与区域经济社会发展,统筹交通与政治、文化、生态、环境等协调发展,统筹公路交通与综合运输系统。对这些非技术要素考量地充分与否,将直接影响桥梁工程的价值。6 V8 v& r; j- U, Z$ d3 b
       长江三角洲是我国经济社会发展最为活跃的区域之一。上世纪90年代初期,南京下游近400公里的长江区段仅靠轮渡沟通南北,成为严重制约经济社会发展的瓶颈。江苏省的苏南、苏北的经济差异很大,形成了土地、人口“南三北七”,经济水平“南六北四”的状况。结合经济社会长远发展规划和路网布局,江苏省确定了在2020年前分期建设江阴桥等5座跨江公路通道。
3 A0 I: @  F& ]" V8 Y       原来计划30年建设5座桥梁,而实际上只用了20年时间建成了8座现代化跨江大桥,基本满足了支撑经济社会发展的“交通需求”。统计表明,2012年“双节假日”期间,江苏已建成的过江通道承载了日均120万标准车辆的过江交通量,这相当于2000艘渡轮不间断往返两岸的运输量。
- k/ e( w! J- M" Q9 G  j- v       目前,长江三角洲地区新一轮多座跨江大桥的建设(包括沪通铁路大桥)也已经展开。同时,我国桥梁建设的第4次高潮又转移回了珠江三角洲。
2 u; C' Y7 I5 r7 E       广东省2012年完成了新的珠江口跨江跨海通道的建设规划,在珠江口南北向95公里范围内,布置了7条公路通道和5条铁路与城际通道。其中,已建成两座——虎门大桥和黄埔大桥,建设中三座——虎门二桥、港珠澳大桥和深中通道,待建7座。以其中在建的港珠澳大桥和深中通道为例,这些通道的建设,必将促进粤港澳“经济一体化”进程,提升“大珠江三角洲”的综合竞争力,促进“泛珠江三角洲”乃至“东盟自由贸易区”的经济发展及广泛联系。3 L4 m6 N' H5 }3 o% b
       2002年,安哥拉结束了27年的内战,该国政府要将飞地与安哥拉国土陆路连接起来。一家阿拉伯-美国合资咨询公司的“预可行研究”推荐了4种改善交通运输的方案:一个是海上渡轮方案,另三个是陆地公路方案。最后经过安哥拉与刚果(金)谈判达成的折衷方案是建设一条长度最短的公路,连接索约与卡宾达。与此同时,由安哥拉出资为刚果(金)将摩安达至博马原有公路提高为道路等级。至此,该项目的技术可行性关键是跨越刚果河口的大桥。为此安哥拉政府邀请若干国际大公司提交各自的项目建议书,中国的桥梁企业也在受邀之列,并给出“中国方案”——建设主跨1600米悬索桥跨越刚果河口。但问题的关键点是,在“预可研”报告中,当前通道交通量仅为每天 3-5 辆。) ~% x+ {/ h. f. {: ~3 z1 N( E$ k
       规划工作的前提是对项目需求的“深度”理解,也即项目的“价值分析”,中国工程师为此做足了功课,挖掘出了油气输送问题可以依靠跨越刚果河的桥梁的得到解决,进而节省再建“能源通道”所需的资金,这是没有被安政府和项目业主想到的桥梁“隐性的”功能。
0 F& S: h* x) @- t       工程师们根据“中国经验”进一步拓展了工程的“潜在的”功能,即在索约桥梁登陆区建设“油气加工区”和“经济特区”(“自由贸易区”、“来料加工区”等)。由此引发了配套的新城镇区建设(商务区,金融区,工业区,居民区,公寓,学校,体育场馆,城市公园等)。
. x6 h6 L' S! n0 U5 D& I5 e       这样的整体规划方案是建立在对当地城市各方面发展分析的基础上,安哥拉此项目的“需求分析”拓展成为“功能设计”,“创新性思维”规划出一项“价值工程”。中国方案一经提出,便引发了安哥拉各方的强烈反响和高度认可,一举中标。
) T+ z3 D' ~! o$ F' t5 s       毫无疑问,“需求分析”是工程造物的前提。但对“需求”理解的站位高度、视野广度、认识深度是决定工程效益的决定性因素。
* z  A+ F" b8 w. o% _/ t! B/ h3 g4 p       安哥拉路桥项目前期工作需求分析不仅看到了“显性”的交通需求,还挖掘出了“隐性”油气传输的需求,更拓展了“潜在”区域经济社会发展的需求。这就是“中国经验”对相对落后国家的分享。   1 f: N( V- K1 k3 J
       与我国“国家力量”指导“自上而下”的规划研究的基本国情不同,许多发展中国家现在没有国家、区域层面的规划。因此,工程项目的需求分析是由“自下而上”的以 “点”工程辐射区域“线与面”的规划,以发挥工程价值和民生效益。  h+ e, u$ |, n
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建造方法论:精细化施工

       特大型桥梁工程一般“体量硕大、挺拔高耸、纤柔细长”,各类桥梁结构都是先划分成节段筑制(或现场浇筑,或工厂预制),逐节连接成整体。这蕴涵了“分解”与“重构”“还原”及“整体”的哲学方法论。现代桥梁工程演化史就是由“小”单元到“大”构件、由“分体”加工到“整体”建造。为了工程品质的提升,工程演化走向了理念、技术、管理不断追求“精细”的进步过程,其发展将永无止境。
4 D9 j( q! U/ x- a; m8 K4 Q       在港珠澳大桥粤港澳三地共建的30公里工程中,桥梁长度有23公里,共有135孔110米跨径的整体式全钢结构箱梁和74孔(分幅式148片)85米跨径混凝土面板/钢结构梁的组合梁。桥梁梁体全部的用钢总量达到 42.5 万吨,等同于10座“鸟巢”、8座苏通大桥和12座香港昂船洲大桥钢结构的工程量。由于大桥设计使用寿命为120年,因此对钢梁制造质量要求很高。
% ]5 a4 l/ ^3 `! b, y       在工期上,香港昂船洲大桥 3 万吨钢梁制造用时3年,而港珠澳大桥要在同等质量标准要求下,同样在 3 年时间内需完成12倍用钢量的钢箱梁制造。钢结构加工制造的质量一致性、稳定性是前所未有的严峻挑战。唯一的出路就是走“工业化”制造之路,“大型化、标准化、工厂化、装配化”的理念得到实践。由手工劳作到机器加工,从自动化生产到智能化制造,产品质量有了“质”的升级。' m7 W, B/ h& ]6 Z
       大桥钢箱梁制造“工业化”实践的内核是精细化的提升。“精细”是工程安全和耐久的根本保障,是对工程品质的无止境的追求。加工、制造、建造工艺的发展史就是由“粗放”到“精细”的转变过程。% c) R# r  x3 B  ]2 m. }5 j3 ?6 G
       美国旧金山新海湾自锚式悬索桥,设计使用寿命为150年,抗震等级为8级,是世界上标准最高的桥梁工程。因此,钢结构设计与加工制造有着“极高标准、极细程序、极严监控”的要求。# V' Y3 v. Z6 k& ?
       中国企业完成总计4.5万吨的全部钢塔、钢箱梁结构的加工、制造,构件分8批装自备船横渡太平洋先后运往美国西海岸的旧金山湾桥梁工地,由美国工人完成拼装架设。焊缝总计100万条,累计长度超过1000公里,由120名外国检验工程师实施质量监理与监测。' H2 E& X% `6 \3 \/ Y& m
       经历了6年中外合作的“精细化”实践,全部钢结构加工制造提前5个月完成制作;全部钢塔与钢箱梁上的146.6万个螺栓孔实现完美对接,没有一处错孔返工;由16节预制段拼装而成的160米高钢塔的垂直度达到1/2500,远超合同约定的1/1000精度要求。
) E  M+ u. g8 |- D! m7 u/ Q       美国业主、总包方等一致评价:中国能够加工制造海湾大桥的钢结构,就能够加工制造世界上任何复杂的钢结构。4 @1 d1 z  e4 x. ^' L% D) ?! {( a
       “标准、程序、控制”是产品精细化制造的三个管理点。桥梁建设实践升华的建造方法论可以概括为:转变观念是提升精细化管理的前提,用精细化的工作理念规范工程行为。精细化是是降低风险、理清责任、组合创新、优化系统的实践方法。
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运营维护方法论:“社会管理”

       公路交通运输系统有别于铁路交通运输系统,前者系统开放性高,引致的管理复杂度更高。( G, q: {9 C/ h' S2 t% h! T9 |2 Q
       桥梁工程投入运营后就进入了“人(使用者)-车(辆)-桥(梁)系统”的管理模式,这一管理工作中加入了桥梁工程自身之外的使用者及驾驶的车辆,这就使得运营维护管理工作要涵盖社会人在内。若没有对“人-车-桥系统”的特定管理,系统活动就会陷于混乱状态。" i( F  L0 u0 Z' _' P; E
       近年来,不断出现严重超载车辆压垮桥梁、违规行驶密集重车压翻桥梁、船舶偏航撞塌非通航孔桥梁、危险品运输车辆桥上爆炸摧毁桥梁、非法采砂挖空桥墩基础导致坍塌等恶性安全事故。事故的发生能够带来深刻的教训,无论是路桥的使用者还是运输管理的执法者,存在有法不依、有章不循的现象,法规成为一纸空文,运输处于“无序”状态,“乱象”丛生,基础设施的“生存”环境恶劣。" _1 k/ |$ v9 `& d) T/ @" s7 ^
       发展中国家的社会发展实践表明,在交通基础设施不断完善,对经济社会发展发挥越来越大支撑作用的同时,加强“社会管理”以创造有序环境,是交通安全畅通、社会长治久安的根本保障。3 C1 r9 Y" B9 U# }* a1 Y
       人的因素是软件建设的核心,提高社会人的科学素养、守法意识、社会责任感等综合素质已经成为构建“人-车-桥系统”社会管理的基础。* n+ @5 d# P" L# R& W" q4 Q

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桥梁工程的导向与路径

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创造“价值工程”

       “价值工程”是世界范围近百年来工程领域追求的目标 。# ^3 d" b" X4 X' T
       诸多桥梁工程的价值实现,都遵循技术要素和非技术要素的统筹原则,在约束和发展之间充分博弈,规划阶段是工程价值的统筹阶段,而“辩证统筹”则是该阶段的核心方法论。应该说,在实践和认识的基础上,战略性、前瞻性、创造性思维能够生成“价值工程”。实现的“路径”是规划工作中的“交通需求、权衡比选、辩证统筹”。
5 i' ^, B0 b; y( @/ m0 e% k9 m       工程效益要经受得住时间的考验,对民生的贡献价值要由社会和百姓做出评判。大规模工程实践表明,桥梁工程建设的规划工作质量的优劣与工程成败、社会效益好坏等密切相关。 ( H# @" Y! C8 _& N- D/ R* \
       江苏省跨江大桥群的建设使得两岸经济得到了快速的发展,实现了苏南、苏北经济社会“一体化”。公路沿海大通道(G15沈阳-海口公路)在苏通长江大桥和杭州湾跨海大桥通车后,使长江三角洲与环渤海区域、珠江三角洲三个全国最发达的经济区域连通起来,区域联动产生了质的飞跃。舟山连岛工程使舟山本岛与陆地连通,不但融入了长三角都市圈,还促进舟山成为了首个以“海洋经济”为主题的“国家级新区”。" @5 I- [) r3 ]. x" R7 \9 g

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建造“品质工程”

       2016年度交通运输重点任务中明确提出:在公路水运工程建设领域以打造“品质工程”为抓手,不断提升交通基础设施建设质量安全管理水平。 + ^" k: l5 k& f4 {, G! t
       工程“品质”是“大质量”的概念。是工程实体质量与和谐自然的人文品位的集合;是技术要素与非技术要素的集合;是自然科学与人文社会科学的集合。 品质是质量的二次革命,也是质量的哲学。' _8 B- x4 p# J# N' O: g
       质量控制是品质工程之“重器”,人的主观能动性与诚信则是品质工程之“大道”。实现的“路径”是“创造性设计、精细化施工、建设集成管理”。
: X6 h# u: I. b" x( r       以卢浦大桥、苏通大桥、泰州大桥等为代表的一批桥梁工程,近十几年来荣获了国际土木工程类杰出工程的奖项,说明我国桥梁工程在 “品质工程”理念与内涵方面可见一斑。. p' k0 ^  Z7 M6 q0 P, E
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实现“平安交通”

       2014年全国交通运输提出:加快推进“四个交通(综合,智慧,绿色,平安)”发展,“平安交通”是基础。
# n+ s; c, x: y# P! P/ K       桥梁长达“百年运营”服务期间将背负着“百亿次车辆”通行和桥下“万艘船舶”穿梭,开放度高、所处环境极其复杂,安全保障重中之重。“平安交通”既来自工程自身“健康性检查,预防性养护,延续性再造”的维护,还通过“人车桥系统”社会管理规范运营实现。 引入信息化手段、制度化社会管理方法等带有“负熵”和“引导社会行为的慢变量”的方法,是创造“平安交通”的主要路径。
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       我国已成为世界桥梁大国,桥梁工程实践者秉承唯物主义世界观,坚持工程实践与工程哲学理论相统一,探索与应用先进的辩证统筹决策、综合集成构建、养生增寿维护和系统社会管理方法,以及逐步实现“智能化”决策、建造、维护等工程方法,在桥梁发展征程中,不断增进认识、适应新环境、创新工程方法。
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作者单位:交通运输部、交通运输部科学研究院

编辑:王晓彤


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