桥梁结构计算绘图一体化专业技术研究(DOC).doc

中交第二公路勘察设计研究院有限公司科技项目立项申请书项目名称： 桥梁结构计算绘图一体化技术研究 申报单位： 金思路公司 项目负责人： 刘东升 项目经费： 58万 完成时间： 2009.052010.10 2009年 5月 15日一、立项背景(本项技术的现状分析，开展项目研发的必要性，不超过2500字)2004年12月17日，国家高速公路网规划通过了国务院的审议，标志着中国高速公路发展进入了新的历史阶段。国家高速公路网规划确定国家高速公路网采用放射线与纵横网格相结合的布局形态，构成由中心城市向外放射以及横连东西、纵贯南北的公路交通大通道，包括7条首都放射线、9条南北纵向线和18条东西横向线，可以简称为“7918网”，总规模约8.5万公里。在规划的8.5万公里国家高速公路网中，2007年，已建成4.2万公里，占总里程的近一半，全面完成了“五纵七横”国道主干线系统中的高速公路。 “十一五”期间，我国公路交通发展的总体目标是：国家高速公路网骨架基本形成，总体上实现“东网、中联、西通”的目标。东部地区基本形成高速公路网，长江三角洲、珠江三角洲、环渤海地区形成较完善的城际高速公路网络；中部地区对外连接通道全面建成，地区内部中心城市间实现高速沟通；西部地区实现东西互动、通江达海。国省干线公路等级全面提高，农村公路交通条件得到明显改善。全国公路网总里程达到230万公里，贯通建成国道主干线，全国二级以上公路里程达到45万公里。完成60%以上国家高速公路网建设，全国高速公路通车里程达到5.5万公里。所有具备通车条件的乡镇与建制村通公路，县乡公路达到185万公里，全国95%以上的乡(镇)和80%以上的建制村通沥青(水泥)路。2008年下半年来爆发的全球性金融危机，给全世界的经济带来了沉重的打击。我国政府为了应对严峻的国内外经济形势，采取了宽松的货币政策，制定了4万亿投资计划，确保我国经济的平稳增长。4万亿投资计划中以高速公路和高速铁路建设为主的基础设施建设共计1.5万亿，未来两三年内我国的高速公路建设任务将非常繁重。我国当前公路交通建设事业的高速发展，为公路勘察设计单位提供了更多的机遇和挑战。设计人员必须在更短的设计周期内，完成并提交质量更优的成果文件，并在此前提下最大限度地节约设计成本。桥梁是公路工程中一个极为重要的组成部分。与其它公路设施相比，桥梁所占投资比重大，设计过程复杂且周期长，设计成果质量要求高。在一个公路工程设计项目中，桥梁设计往往是投入人力最多，但设计耗时却最长的部分，亟待进一步提高设计效率。分析目前我国高速公路项目中常规桥梁的设计现状，主要存在三个方面的问题，这些问题的存在降低了桥梁的设计效率，延长了整个桥梁的设计周期。1) 有限元建模过程繁琐高速公路项目中常规桥梁的建模工作没有技术难度，但是建模过程较繁琐。由于常规桥梁在整个项目所占比例大、数量多，设计人员容易因疲劳而犯错，导致计算结果不正确。设计人员又要花费大量的时间和精力来查找计算模型中的错误。同时由于不同设计人员的工作能力参差不齐，对桥梁有限元计算软件的掌握程度也有较大差异，如果设计人员不能合理的划分桥梁的单元节点位置、划分正确合理的施工阶段、考虑必要的温度、不均匀沉降等附加荷载，也就不能保证有限元的计算分析结果是准确可靠的。2) 计算结果的使用出现偏差获得了有限元分析结果后，设计人员需要结合规范体系中的各项条文对结构施工和运营阶段的安全性进行验算。不同的设计人员由于能力的差异，对相同的有限元分析结果可能会得出不同的结论，从而引起结构配筋结果上的偏差。如果缺乏设计经验的设计人员忽视了有限元计算结果中的错误，而直接进行结构配筋，将给结构的安全带来重大的隐患。3) 计算与绘图工作相脱节在桥梁设计过程中，由于目前的桥梁专业软件缺乏统一的标准，从而存在桥梁结构的计算与绘图相脱节的问题，受力分析软件得出的内力分析数据不能直接被配筋设计软件所采用，而工程施工图绘制所需的数据又不能直接从配筋结果数据中得到。桥梁结构计算与绘图相脱节的现状导致设计过程中存在着数据多次重复输入，数据量大、易出错、难复核等问题的出现，进一步导致了整个桥梁设计周期的延长，这种现状已不能满足当前高速公路项目多、常规桥梁设计任务繁重、项目设计周期短的实际要求。桥梁结构计算绘图一体化技术研究工作的开展，有助于解决以上的桥梁设计工作中存在的问题，显著地提高桥梁工作的设计效率，降低桥梁设计人员的劳动强度，有助于提高我院的市场竞争力，树立“中交二公院”的品牌效应，具有深远的技术效益。二、可行性分析(主要描述开展本项目需解决的主要问题、难点、关键技术或创新点等，以及解决上述问题的可行性，不超过2500字)“桥梁结构计算绘图一体化技术研究”项目需要解决的主要问题是目前桥梁设计过程中，结构内力计算、结构配筋方案设计、以及工程施工图绘制等工作相脱节的问题，此问题导致设计人员在使用不同的软件完成桥梁设计时，常常要在不同的软件中多次重复输入相同的数据，降低了设计效率。在桥梁设计过程中，通过结构计算得到内力后，设计人员根据自身的设计经验确定配筋方案，然后在AutoCAD软件中将配筋方案实现出来，形成最后的图纸。本项目的难点在于，从结构计算到配筋方案图的绘制过程中，如何编制合理的算法来模拟设计人员的思考过程，确定合理的配筋方案。以我院独立开发的桥梁智能设计专家系统为平台，最终实现计算绘图一体化。“桥梁结构计算绘图一体化技术研究”项目的关键技术和创新点，主要体现在从桥梁结构的内力计算结果到实际结构配筋方案之间的智能推理。这部分工作通常是由专业的设计人员完成的，是桥梁设计专业知识的体现和桥梁设计经验的总结。目前国内外还没有成熟的研究成果，以及可以参考借鉴的程序和实例。本项目的主要承担单位是武汉金思路科技发展有限公司，本公司是中交二公院下属的全资子公司，软件企业、湖北省高新技术企业、湖北省软件行业协会理事单位。金思路公司长期致力于交通领域的科技进步事业，科研开发力量雄厚，所承担的科研项目多次荣获国家和交通部科技进步奖。通过长期的科研开发工作，公司培养造就了一批优秀的科技人才，积累了丰富的科研与生产实践经验。本项目组成员长期从事桥梁专业软件的研发工作，具有丰富的软件研发和攻关经验，为本项目的顺利实施在技术上提供了保障。目前我院的桥梁综合设计计算程序、简支梁计算程序、盖梁计算程序等计算程序的计算核心经过了多年的实际工程设计项目的应用，已经比较成熟和稳定，可以完成本研究项目中的全部计算功能。桥梁智能设计专家系统已经可以根据用户指定的设计基本资料和分跨信息，完成设计方案的推荐以及大部分工程图纸的绘制等工作。鉴于以上人力、物力以及技术上的保障，本项目的研发、应用是完全可行的。三、项目研发的主要内容及技术经济指标(1.主要研究内容，2.考核目标：提交成果的形式、数量及技术指标等)“桥梁结构计算绘图一体化技术研究”项目将对桥梁结构计算绘图一体化技术展开深入系统的研究。本项目的研究内容和研究方向，是在充分调研了桥梁设计人员实际工作中的需求，认真分析总结现有桥梁计算绘图软件的功能特点后提出的。本项目的主要研究内容是将桥梁设计过程中的结构计算、拟定配筋方案、施工图绘制等工作结合起来，编制核心算法来模拟设计人员的实际工作过程，根据桥梁结构的内力计算结果，通过推理自动推荐合理的配筋方案，以我院研发的桥梁智能设计专家系统为平台，实现计算绘图一体化。本系统的研发将解决桥梁设计过程中多次重复输入相同数据的问题，在尽可能减少用户数据输入的前提下，直接获得满足工程需要的设计图纸。真正实现常规桥梁设计的自动化、智能化、进而提高整个桥梁设计工作的效率。桥梁结构计算绘图一体化技术研究范围包括，梁式桥上、下部结构的内力配筋计算与绘图。上部结构主梁的截面形式包括公路工程中常用的T梁、空心板、小箱梁、现浇箱梁等，下部结构包括盖梁、墩台、承台以及基础的计算与绘图。下部结构桥台类型包括柱式台、轻型台、薄壁台、肋板台和U台，桥墩类型包括柱式墩、轻型墩、实体墩、空心墩。承台形式有实体式承台、框架式承台、分离式承台和带系梁承台；基础形式有桩基础、扩大基础、分离式扩大基础。可处理整体式路基、分离式路基或低等级公路的单幅路桥梁，可处理左右幅完全对称或部分不对称的桥型。本项目的研究成果以软件的形式体现，以我院研发的桥梁智能设计专家系统为平台，当桥梁设计人员提供了基本设计资料，指定了桥梁跨径信息后，根据桥梁专家系统推荐的设计方案，自动完成桥梁结构有限元计算模型的建立，调用有限元计算核心完成结构内力计算后，参照桥梁专家库中设计规则，调用本项目的核心研究成果，模拟桥梁设计人员的工作过程，形成一套满足规范要求的预应力钢束及普通钢筋布置方案，最后驱动桥梁智能设计专家系统中的绘图模块，自动生成满足施工图深度要求的设计图纸。本项目的主要技术经济指标为：1）以我院研发的桥梁智能设计专家系统为平台,根据用户输入的桥梁分跨信息，自动实现桥梁的有限元建模、分析、计算等功能；2）根据桥梁结构的内力计算结果自动推荐结构配筋方案，以桥梁智能设计专家系统为平台，自动生成满足施工要求的钢筋布置图；3）本研究项目上部结构主梁的截面形式包括公路工程中常用的T梁、空心板、小箱梁、现浇箱梁等，下部结构包括盖梁、墩台、承台以及桩基础。4）输出成果完全符合我国现行公路桥梁设计行业规范要求；四、项目研发的技术路线（主要说明实施研发的总体思路、技术方案、工作流程或保障措施等）“桥梁结构计算绘图一体化技术研究”项目，是面向不同层次的广大桥梁设计人员的实际工作需要，立足于梁式桥设计全过程而提出的。本项目将突出常规梁式桥梁设计过程中的结构尺寸拟定、结构计算、绘图输出的一体化理念。本研究项目的总体思路，以我院研发的桥梁智能设计专家系统为平台，当桥梁设计人员提供了基本设计资料，指定了桥梁跨径信息后，根据桥梁专家系统推荐的设计方案，自动完成桥梁结构有限元计算模型的建立，调用有限元计算核心完成结构内力计算后，参照桥梁专家库中设计规则，调用本项目的核心研究成果，模拟桥梁设计人员的工作过程，形成一套满足规范要求的预应力钢束及普通钢筋布置方案，最后驱动桥梁智能设计专家系统中的绘图模块，自动生成满足施工图深度要求的设计图纸。本项目涉及到计算机图形学、桥梁设计、有限元结构分析等多个领域的专业知识。主要涉及的关键技术有三个方面：1）自动建模技术本项目的研究以我院研发的桥梁智能设计专家系统为平台，在桥梁设计人员提供了基本设计资料，指定了桥梁跨径信息后，根据桥梁专家系统推荐的设计方案，自动完成桥梁结构有限元计算模型的建立，其中有限元计算模型中的单元节点自动划分将是本技术实现的难点。桥梁结构分析过程中，通常是由用户根据桥梁结构的尺寸变化、结构受力最不利截面位置、以及计算结果的精度要求等因素来综合考虑计算模型中的单元节点的划分。模拟设计人员的思考方式，实现桥梁有限元计算模型单元节点的自动划分是本项目实施的关键技术。2）数据共享技术桥梁结构计算绘图一体化技术研究涉及到桥梁结构计算软件、配筋计算软件、桥梁结构绘图软件等多种不同类型软件的数据交互、数据共享等过程，大部分软件的开发平台都不相同，数据格式也大不相同，如何保证桥梁结构的数据模型能安全、方便、有效地在内存中传递，并正确地使用是本项目能够顺利实施的关键技术。3）配筋（束）方案推荐技术“桥梁结构计算绘图一体化技术研究”项目的技术路线中，在调用有限元计算核心，获得桥梁结构内力计算结果后，需要参照桥梁专家库中的桥梁设计规则，合理运用人工智能专家系统的技术，才能模仿桥梁设计人员制定出合理的配筋方案。专家系统技术的正确应用是保证桥梁结构计算绘图一体化项目研究成功的关键，也是本研究项目的最大难点。因此专家系统技术是本项目的关键技术。五、推广应用前景及经济效益预测（预期取得的效果和效益，技术或成果在公司内外的推广范围与前景,不超过1200字）“桥梁结构计算绘图一体化技术研究”立足于中交第二公路勘察设计研究院四十余年公路桥梁设计的成功经验，针对公路桥梁中最常见的也是比重最大的梁式桥，遵从桥梁设计人员的传统设计习惯，以我院的桥梁智能专家系统为平台，实现梁式桥上部结构和下部结构的设计计算绘图一体化。本项目的研究成果能够根据设计人员提供的基本资料与限定条件，将结构的内力分析与桥梁施工图的绘制有机地结合起来，在尽可能地减少用户输入数据的前提下，在AutoCAD平台上自动绘制梁式桥的全部设计图纸。本项目的研发，能充分满足桥梁设计周期短，设计成果质量要求高，设计成本控制严等各诸多方面的要求。同时大大加快梁式桥的设计进程，在保证设计质量的前提下，规范了设计文件，有效缩短桥梁设计周期，减少所需设计人员，节约设计成本，带来巨大的直接与间接经济效益。六、申报单位和协作单位及分工（申报单位开展项目研发的前期工作情况，外部协作单位情况及其在项目研发过程中的工作分工和资金分配）武汉金思路科技发展有限公司是中交第二公路勘察设计研究院有限公司下属的全资子公司，软件企业、湖北省高新技术企业、湖北省软件行业协会理事单位。2007年度中国软件自主创新100家典型企业，2007年度、2008年度连续被评为湖北省优秀软件企业。我公司主要从事企业信息化产品开发与推广应用，计算机软件研发、销售、服务与系统集成，企业网络建设与服务，交通行业相关的技术研发、技术咨询、技术服务及技术转让等业务。公司现有在职员工36人，其中教授级高工2人、高级会计师1人、高级工程师4人。我公司长期致力于交通领域的科技进步事业，科研开发力量雄厚，所承担的科研项目多次荣获国家和交通部科技进步奖。其中，公司主持完成的国家“九五”重点科技攻关项目“GPS、航测遥感、CAD集成技术开发”，成果荣获2002年度中国公路学会科学技术一等奖、2003年度国家科技进步二等奖；主持完成的交通部西部交通建设科技项目“Ikonos卫星影像在西藏墨脱公路中的应用研究”，成果荣获中国路桥集团科学技术一等奖、中国公路学会科技进步二等奖；自主研发的EMP企业管理信息平台的应用2008年获全国工程建设企业管理现代化成果奖。通过长期的科研开发工作，公司培养造就了一批优秀的科技人才，积累了丰富的科研与生产实践经验。我公司开发的软件产品包括桥梁结构分析计算、路线与互通立交CAD、桥梁与涵洞CAD、企业信息管理系统等几大系列。软件产品用户遍及全国各地、众多行业。所有商品化的软件产品均已通过湖北软件测评中心测试，并取得计算机软件著作权登记和软件产品登记，其中金思路路线与互通立交集成CAD系统JSLRoad、金思路桥梁综合设计计算程序JSLBrgCal、金思路梁桥计算程序JSLBeam、金思路盖梁计算程序JSLCap均获得湖北省优秀软件产品称号。金思路公司始终坚持“以科技为根本，以客户为中心，创造一流产品，提供一流服务”的宗旨，愿与广大客户同心合作，为我国基础建设事业的科技进步做出积极的贡献。七、项目进度计划（项目按半年度安排的进度计划、内容及阶段成果考核目标）本研究项目作为我院科技开发的重点项目，预期初步开发周期为一年，后期完善与扩充耗时半年，整个研究项目共计一年半开发完成。本软件是个系统性的软件开发项目，涉及到计算机图形学、桥梁设计、结构分析等多个领域的专业知识，具有很强的研发成分，不同于普通的软件开发。其中有多个关键问题需要解决。要解决这些关键问题，必须要有好的软件开发模式来确定软件开发不同的抽象层次。为了保证软件产品的质量和工期要求，本项目将基于软件工程的思想进行系统设计和开发，按照项目的生命周期将项目分成可行性研究、开发计划、需求分析、总体设计、详细设计、编码、测试、交付、维护等九大阶段。在可行性研究阶段，要确定开发软件系统的总体目标，对这些目标进行可行性论证；需求分析阶段，软件开发组织要建立正确的系统开发模式；软件设计阶段，把已确定的各项需求转换为相应体系结构；程序设计阶段，实际上就是实现代码的转换；这就是贯穿整个软件生存周期的活动。而最终形成一个成熟的软件产品，还需要测试、运行和维护等诸多工作。软件过程模型如上图所示。本项目将从2009年5月开始，至2010年5月完成初步目标，至2010年10月完成本项目全部内容。其具体进度如下：1）可行性研究、开发计划、需求分析：2009.52009.102）总体设计、详细设计、程序编码：2009.102010.53）测试、维护：2010.52010.10八、项目经费金额单位（万元）（一）项目总经费58原始立项 申请配套资金（二）经费来源申请公司拨款上级拨款地方拨款工程配套其它来源（三）经费支出明细表支 出 科 目总经费公司经费公司经费支出的主要说明一、人员费351.研究费232.劳务费12二、相关业务费211.材料费1.42.燃动费1.63.试验费24.会议费65.调研费16.资料信息费27.出版费2三、软硬件费1.设备费2.软件费四、其它费用2九、主要研究人员序号姓 名单位/部门技术职务项目分工投入本项目工作时间（月）1刘东升金思路公司教授级高工组织计划编写报告52董继恩金思路公司高级工程师技术支持软件测试53陈中治金思路公司工程师系统分析程序编码54彭磊金思路公司工程师系统分析程序编码105王欣南金思路公司工程师软件测试程序编码106张华安金思路公司助理工程师程序编码107钮洪亮金思路公司助理工程师程序编码88黄杰金思路公司助理工程师程序编码89陈金龙金思路公司助理工程师程序编码510徐贤昭金思路公司助理工程师软件测试511吴广金思路公司助理工程师软件测试51213141516十、申请单位、主管部门和公司审核意见申请单位意见：负责人：（盖章）：年 月 日科技发展部初审意见：负责人：（盖章）：年 月 日专家委员会（或评审委员会）评审意见：负责人：（盖章）：年 月 日公司批复意见：负责人：（盖章）：年 月 日16附表1：申请项目基本信息表项目名称桥梁结构计算绘图一体化技术研究项目负责人刘东升项目类型原始立项 申请配套资金项目背景（宏观描述技术现状和研究的必要性）（限300字以内）分析目前我国高速公路项目中常规桥梁的设计现状，在上部结构的主梁设计，以及下部结构中的盖梁、墩台、承台以及桩基础等结构的设计过程中，由于目前的桥梁专业软件缺乏统一的标准，从而存在桥梁结构的计算与绘图相脱节的问题，受力分析软件得出的内力分析数据不能直接被配筋设计软件所采用，而工程施工图绘制所需的数据又不能直接从配筋结果数据中得到。桥梁结构计算与绘图相脱节的现状导致设计过程中存在着数据多次重复输入，数据量大、易出错、难复核等问题的出现，进一步导致了整个桥梁设计周期的延长，这种现状已不能满足当前高速公路项目多、常规桥梁设计任务繁重、项目设计周期短的实际要求。桥梁结构计算绘图一体化技术的研究有助于提高常规桥梁的设计效率，缩短设计周期，保证设计质量，提高我院的市场竞争力。项目概要（宏观描述要解决的问题及实施的可行性）（限300字以内）本项目需要解决的主要问题是目前桥梁设计过程中，结构内力计算、结构配筋方案设计、以及工程施工图绘制等工作相脱节的问题，本项目的研究立足于我院四十余年公路桥梁设计的成功经验和丰富的桥梁设计案例。项目组成员在专业知识上可以得到中交二公院的桥梁技术专家们的支持和指导。本项目组成员长期从事桥梁专业软件的研发工作，具有丰富的软件研发和攻关经验，为本项目的顺利实施在技术上提供了保障。主要研究内容本项目的主要研究内容是将桥梁设计过程中的结构计算和施工图绘制等工作结合起来，编制核心算法来模拟设计人员的思考过程，根据桥梁结构的内力计算结果，通过推理自动推荐合理的配筋方案，以我院研发的桥梁智能设计专家系统为平台，实现计算绘图一体化。本系统的研发将解决桥梁设计过程中，多次重复输入相同数据的问题，进而提高整个桥梁设计工作的效率。考核指标本项目将以软件的方式实现桥梁结构计算绘图一体化。主要技术经济指标为：1）以我院研发的桥梁智能设计专家系统为平台,根据用户输入的桥梁分跨信息，自动实现桥梁的有限元建模、分析、计算等功能；2）根据桥梁结构的内力计算结果自动推荐结构配筋方案，以桥梁智能设计专家系统为平台，自动生成满足施工要求的钢筋布置图；3）本研究项目上部结构主梁的截面形式包括公路工程中常用的T梁、空心板、小箱梁、现浇箱梁等，下部结构包括盖梁