王光辉, 张 博, 唐春燕, 晏高亮

(1. 湖南理工学院 土木建筑学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 长沙理工大学 土建学院, 长沙 410076; 3. 罗田县城乡规划局, 湖北 罗田 438600)

基于计算机仿真的Delphi专家评分法在景观桥梁视觉参数分析中的应用

王光辉1,2, 张 博3, 唐春燕2, 晏高亮1

(1. 湖南理工学院 土木建筑学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 长沙理工大学 土建学院, 长沙 410076; 3. 罗田县城乡规划局, 湖北 罗田 438600)

针对传统视觉参数分析方法有主观性强、不能定量分析等缺陷, 提出了一种比较客观、能进行定量分析的景观桥梁视觉参数分析的方法, 即基于计算机仿真技术, 建立了景观桥梁各参数的视觉分析模型, 引入Delphi专家评分法对模型进行视觉参数分析, 确定出视觉效果较好时的参数值, 得到了景观桥最优造型. 以某景区内的一座九孔拱桥为工程背景, 成功应用该方法进行桥梁视觉参数分析, 取得了良好视觉的效果.

引言

当景观桥桥型确定后有必要对其初步拟定的结构尺寸进行优化, 选出一个漂亮美观、大方、得体及和谐的造型. 此时桥梁的视觉分析主要是针对桥梁的跨径布置、桥梁的线形等进行参数分析, 选出一组最优的视觉参数, 以达到最佳的视觉效果. 以往的视觉分析的方法主要有专家法、社会科学法以及两者的结合. 专家法是以简要绘图方式对景观进行描述与分析的方法, 并由此发现景观的联系关系、排列位置以及顺序. 该方法只是依靠专家个人的感觉、学识水平、社会责任感在总体上对景观的各个组件进行空间位置排列. 对于桥梁结构, 其每部分构件的排列位置基本上是固定的, 唯一可以变动的就是结构尺寸. 此外, 针对同一问题, 专家间的意见不同时, 专家们或碍于情面不便发表自己的真实看法. 因此,仅凭专家法很难达到客观、科学的视觉效果. 社会科学法是力求在环境实质属性与群众反应间找到联系,用此法可以研究环境中的一些特殊状况, 如高层建筑与住户的关系, 绿色植物在城市环境中所扮演的角色等问题. 因此, 用社会科学法进行实现景观桥造型的参数分析时难度大、耗时长及主观性强. 为此,本研究将计算机仿真技术应用到景观桥的视觉分析中, 通过利用计算机软件来建立景观桥视觉分析模型, 然后利用Delphi专家评分法来进行视觉行参数分析, 以找到一个合适的结构尺寸. 以某景区内一座九孔拱桥为工程背景, 利用相关软件建立相应参数的视觉分析模型, 然后聘请若干位相关专家采用Delphi专家评分法进行了参数分析, 挑选出了一个最优的结构尺寸方案, 并应用于工程实际, 取得了不错的工程景观效果.

1 基于计算机仿真Delphi专家评分法的视觉分析理论

基于计算机仿真Delphi专家评分法的视觉分析首先是针对不同的参数利用计算机软件建立各参数不同取值情况下的桥梁视觉分析模型, 然后通过Delphi专家评分法对这些图像进行对比分析, 找到客观、科学、漂亮的方案.

1.1 计算机仿真

计算机仿真在桥梁工程界应用得很广泛, 在桥梁的结构分析中, 应用Midas、Ansys及Sap等软件对结构进行模拟、分析、计算. 然而, 在视觉分析中, 主要是应用3DMAX、Photoshop、AUTOCAD等软件建立视觉分析模型.

1.2 Delphi专家评分法

Delphi专家评分法以匿名的方式通过几轮函询征求专家对同一问题的意见(即打分), 每轮意见由题目组进行汇总分析, 并作为参考资料反馈给每位专家供其分析判断, 在下一轮填表中作出新的论证. 如此反复, 最终获得满意结果, 得到对此问题较为准确的答案.

Delphi法本质上是一种反馈匿名函数法. 其做法是, 在对所要预测的问题征得专家的意见之后, 进行整理、归纳、统计, 再匿名反馈给各专家, 再次征求意见, 再集中, 再反馈, 直至得到稳定的意见. 其过程可简示如下:

匿名征求专家意见——归纳、统计——匿名反馈——归纳、统计……, 至若干轮, 停止.

总之, 它是一种利用函询形式的集体匿名思想交流过程. 它具有三个明显的特征: 匿名性、多次反馈、小组的统计回答.

1.3 基于计算机仿真Delphi专家评分法的视觉参数分析步聚

1) 确定景观桥梁视觉参数及参数的取值;

2) 利用计算机仿真技术, 针对各参数不同的取值建立相应的视觉分析模型;

3) 利用2)中建立的视觉分析模型, 建立Delphi专家评分法问卷;

4) 采用Delphi专家评分法对不同参数分别进行视觉分析.

2 工程应用

2.1 工程概况

有一座九跨拱桥, 该桥面朝山, 背朝居民生活区. 该拱桥建成后将成为景区的一个景点, 桥梁平面位置如图1所示.

2.2 视觉参数设置

由于该桥建成后定位为一个景点, 且已确定了采用上承式拱桥, 为此只能对桥梁跨径大小、矢跨比、竖曲线等参数进行优化, 确定出较美观的桥梁的参数.

图1 九孔拱桥桥平面位置示意图

2.2.1 跨径

桥梁跨径的设置直接影响桥梁的立体视觉效果, 通常分为等跨布置和不等跨布置. 本文提出了三种跨径布置方式, 方式一是等跨布置, 方式二与方式三为不等跨布置. 方式一采用9跨跨径为13m的拱桥;方式二的跨径布置为6.8+8.8+10.8+12.8+16+12.8+10.8+8.8+6.8; 方式三的跨径布置为: 8.8+9.8+10.8+11.8+ 12.8+11.8+10.8+9.8+8.8. 为此, 建立了桥梁的不同跨径视觉模型, 如图2所示.

图2 不同跨径的视觉模型

对于拱桥来说, 采用等跨径布置, 视觉效果感觉略显单调; 如果采用不等跨径, 则桥梁的立面效果就比较美观. 如果相邻跨径相差过大, 利于坡度设置, 但对矢跨比较小的拱桥来说, 相邻跨径相差越大, 拱脚水平推力就越大.

2.2.2 矢跨比

当矢跨比大于1/5时, 称之为陡拱, 反之称之为坦拱. 矢跨比越大, 拱桥拱得越厉害. 对于矢跨比的选择, 提出了两种布置方式: 方式一是采用1/8+1/7+1/6+1/5+1/5+1/5+1/6+1/7+1/8; 方式二是采用半圆拱, 矢跨比为1/2. 为此, 建立两种方式的视觉模型, 如图3所示.

图3 不同矢跨比的视觉模型

如果按方式一设置矢跨比, 如图3中1)所示, 则拱桥显得漂亮、轻巧(使用于软基)、有生机, 但拱脚有角度的水平推力. 如果矢跨比为1/2, 如图3中2)所示, 桥梁显得非常漂亮、而且厚重, 但是上构自重大(对基础要求高), 拱脚水平推力较小.

2.2.3 纵坡坡度

桥梁设置纵坡, 一方面利于桥面排水, 另一方面可改善桥梁的视觉效果. 对于纵坡的大小,提出了三个值进行参数分析, 分别为3.9%、5.6%及10%. 采用绘图软件模拟出桥梁的实际纵坡设置, 如图4所示.

从图4可以看出, 坡度越大, 桥梁的视觉效果越好, 但是考虑到桥上行人的舒服程度及观光电瓶车的爬坡能力, 桥梁的坡度不能没有“度”的大下去.

2.2.4 竖曲线半径

桥梁坡度通常对称设置, 如果不设置竖曲线的话, 桥梁里面就会出现尖点, 严重影响美观;如果竖曲线半径过大的话, 桥梁的实际有效坡度就达不到要求. 该桥为景区人行桥, 竖曲线采用圆曲线. 建立了竖曲线半径分别为100m、200m、300m和400m的视觉分析模型, 如图5所示. 可以看出R=400m与R=300m的视觉效果相差不大, 但R=400m时拱上填料的厚度及主拱圈的厚度不满足要求. 为此, 本文对圆曲线半径设置提出了三个值进行参数分析, 分别为R=100m、R=200m、R=300m.

图4 不同坡度的视觉模型

图5 不同竖曲线半径的视觉模型

从图5中可见, 竖曲线半径过小, 桥梁的立面视觉效果会形成“尖角”, 不是很美观; 当竖曲线半径超过300m时, 线形已经很平顺, 桥梁线形很美观.

2.3 视觉参数分析

2.3.1 确定视觉参数指标的评分标准

按照五级评分法[5], 即各初选方案在每个评价指标上的相对好坏以1～5作为评价分数, 分别表示差、较差、一般、较好、好. 详见表1.

2.3.2 对各方案评分

按照Delphi专家评分法的工作步骤, 由于视觉分析中的参数已经确定, 为此只需确定各参数的权重. 具体方法为: 邀请11名有经验的专家召开咨询会, 要求与会专家根据自己的知识和经验, 对跨径、矢跨比、桥梁纵坡及竖曲线半径等4项评价指标发表自己的看法和修改补充意见. 当其中一位专家发言时, 其他10名专家不能打断发言, 但可借鉴他的意见. 根据会上专家意见, 上述四项指标没有修改. 之后请与会的专家对4项指标所取的参数值不同开始参数分析. 参数分析的过程主要是专家依据表1中的评价等级分别对各参数不同的取值条件下的视觉效果进行打分. 对于同一参数, 专家可以同时评定所有多个取值为一个等级. 然后确定某个特定参数的每一取值的评定等级权重, 通过权重与得分之积就可得出参数各种取值条件下视觉效果的权值. 依据权值的大小我们就可以选出较优的视觉参数值. 在Delphi专家评分法使用过程中假定跨径、矢跨比、桥梁纵坡及竖曲线半径是相互独立的.

表1 各项指标的评分等级与分值

上述聘请的11位专家, 按照各项评价指标的评分等级与分值, 对同一指标中不同的方案进行比较和评分, 得出各方案的相对好坏.

采用加权法模型为

其中Si为第i个方案的综合评分值;wj为第j项评价等级的相对权重,wj=专家选择同一方案中第j等级的人数/专家的总人数;Sij为第i个方案中第j项等级的评分值.

计算各方案综合评分值见表2～5.

表2 不同跨径的视觉分析

表3 不同矢跨比的视觉分析

表4 不同纵坡的视觉参数分析

表5 不同竖曲线半径的视觉参数分析

2.3.3 最佳视觉参数的确定

从表2～5可见, 对于跨径, 方式三(8.8+9.8+10.8+11.8+12.8+11.8+10.8+9.8+8.8)的权值最大, 为3.727, 故采用该种桥跨布置;对于矢跨比, 方式二权值最大, 为3.818, 故采用主拱圈线形采用半圆拱; 对于纵坡, 坡度为10%时的权值最大, 为4.455; 对于竖曲线半径, 当半径为300m时的权值最大, 为3.818.于是, 就确定了各参数的最优视觉效果下的取值, 最优取值下的效果图如图6所示.

图6 四个参数最优取值情况下效果图

3 结论

视觉分析就是从视觉心理出发, 对空间线形及其与周围自然景观和沿线建筑的协调等进行研究分析,以保持视觉的连续性、舒适性、协调性和安全感. 景观桥作为一个景点的价值集中体现是桥梁与周围环境的一个连续性、协调性, 桥梁结构布局在空间上的拥挤度等方面. 本文在建立视觉分析模型的基础上利用Delphi专家评分法对景观桥梁进行视觉效果的参数分析, 可以得到客观、科学及连续、舒服的视觉效果.

1) 利用3DMAX、Photoshop、AUTOCAD等软件能简单方便建立各个参数不同取值情况下的视觉分析模型, 为Delphi专家评分法的实施提供了便利;

2) 利用Delphi专家评分法进行景观桥梁的视觉参数分析, 具有思路清晰、简洁适用、结果直观及科学客观的特点;

3) Delphi专家评分法也有一些缺点需要改进, 比如所需时间较长和评价指标的选择及其权重难以避免夹杂一些主观因素等等;

4) 为了分析方便, 本文在视觉分析中假定了桥梁的跨径、矢跨比、纵坡及竖曲线半径等四个参数是相互独立的, 而在实际视觉中是存在一定的相关性, 以致会带来视觉上的少许偏差, 但通过最后的效果图可以对视觉效果进行修正.

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Application of Delphi Experts Grading Method Based on The Computer Simulation in Visual Parameter Analysis of Bridge Landscape

WANG Guang-hui1,2, ZHANG Bo3, TANG Chun-yan2, YAN Gao-liang1
(1. College of Civil Engineering and Architecture，Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China 2. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China; 3. Urban and Rural Planning Bureau of Luotian County, Luotian County, 438600, China)

According to the defects of subjectively and disability of quantitative analysis of the traditional visual parameter analysis method, this article presents a method of visual parameter analysis of Landscape Bridge, which is more objective and quantitative. Based on computer simulation technology, the visual parameter analysis models for Landscape Bridge were established, and the Delphi expert scoring method for visual parameters analysis model which is achieved the visual parameters and optimal modeling of Landscape Bridge was introduced. With the engineering background of a 9 spans arch bridge at one scenic spot, successfully apply the method in the parameters analysis of bridge’s sense, and an excellent visual effect was achieved.

bridge engineering; computer simulation; Delphi expert scoring method; visual parameters analysis

U442.5+4

A

1672-5298(2014)03-0076-06

2014-07-11

湖南省教育厅青年项目(12B056); 长沙市科技计划项目(K1309003-11)

王光辉(1979− ), 男, 湖北英山人, 湖南理工学院土木建筑学院讲师. 主要研究方向: 桥梁结构评定与加固