橋梁設計藝術(shù)

橋梁設計藝術(shù)姓名：王帥學號：2014121106在2002年項海帆院士指出，我國橋梁建設存在的問題:一是橋梁美學方面的考慮欠缺，二是設計創(chuàng)新的短板。在本科生和研究生的學習中，提到橋梁設計往往都直接聯(lián)想到結(jié)構(gòu)設計原理和材料力學中的強度、剛度、穩(wěn)定性，還有橋梁工程中的結(jié)構(gòu)細部要求。橋梁設計在以往的大多數(shù)設計者眼中只是沒有“血肉”的公式和有限元軟件模型。橋梁作為公共建筑物，首先以其實用性極大的滿足了人們的生活需求。同時橋梁自身所具有的固定性和藝術(shù)性使得人們在修建之前就必須考慮橋梁的概念設計與成橋后的美學效應。這里，我們提到了“美”，即橋梁美學。在設計者眼中，似乎談論“美”還為時尚早。它從“美學”母體中脫胎而出并得到藝術(shù)圈子的認可恐怕不是本世紀的事情，美學對于人們雖然仍像在薄霧中披著面紗的少女那樣朦朧又實在。然而，美學本身并不像我們想象的那樣冰冷遙不可及。橋梁之“美”總是客觀存在的，人第一次砍倒大樹，橫跨小溪，緣木過河，“建成”一座橋梁時，那是極美的，湍急的流水上抹上一條彩帶——人征服了河，裝扮了河。從方便生活上，從心理享受上人得到了滿足，這便是美。但這種美并不是靜止的，而是變化的是發(fā)展的。當砍樹過河已成為司空見慣，那時要想重新激起人的感情漣漪則只有“推陳出新”，在認識的基礎上再創(chuàng)造，這個簡單的美的推移程序大概永遠不會停頓。我們可以總結(jié)一句話：美是客觀的，現(xiàn)實的但又是發(fā)展的，變化的。我們必須遵循創(chuàng)造——總結(jié)——再創(chuàng)造的過程去研究橋梁美學?，F(xiàn)代橋梁以其大跨徑的絕對優(yōu)勢取代了古代已到達藝術(shù)巔峰的橋梁，如趙州橋，十七孔橋等。從中國抗日戰(zhàn)爭時期出現(xiàn)的武漢長江大橋，南京長江大橋等大跨橋梁讓當時的國人眼前一亮到現(xiàn)在，一個個的世界第一橋梁僅僅是跨徑上又增添了幾米幾十米，似乎我們的神經(jīng)再很少被觸動。是的，我們進入了一個急需再創(chuàng)造的時代。隨著社會的發(fā)展和進步,人們對于一座橋梁的要求已經(jīng)不僅僅是滿足他們的需求,最好還能將使用橋梁的過程變得更高效、更舒適、更環(huán)保。人們?nèi)找嬖鲩L的審美、環(huán)保、技術(shù)等要求為設計工作提出了新的要求,使得原有的設計理念和方法受到挑戰(zhàn),同時也催生了概念設計。橋梁概念設計蘊含了創(chuàng)新理念，是橋梁設計的“血肉”和“靈魂”;而在橋梁美感創(chuàng)造過程中，工程師所依據(jù)的不僅是科學的真理，還有貫徹和運用科學真理的智慧以及在工程實踐中積累的經(jīng)驗。橋梁概念設計是指選擇滿足橋梁功能，結(jié)構(gòu)，施工，耐久，環(huán)保，經(jīng)濟與美觀要求和設計原則的最佳設計。雖然不需太多投入和太詳細計算，但可明確設計理念，創(chuàng)新點和設計重點和難點;對設計構(gòu)思與總體布局，關鍵力學問題以及創(chuàng)新技術(shù)的認定是概念的設計的關鍵。進入20世紀后，中國的橋梁建設如雨后春筍，在不斷創(chuàng)造新的記錄與滿足公眾生活需求的同時，也應看到我國的橋梁設計面臨的問題:(1)缺少考慮橋梁的可施工性，可養(yǎng)護型和耐久性。(2)缺少采用新結(jié)構(gòu)，新材料的激勵機制和以創(chuàng)新為主的評價標準。在橋梁概念設計中，以既有成熟的概念設計程序作為設計創(chuàng)新的基礎應該是年輕橋梁工程師可供參考的思路:①概念的生成:是為滿足多重目標和約束條件，形成合理，可行方案的思考過程。②方案構(gòu)思:從集思廣益的角度，方案宜多多益善，它不僅體現(xiàn)工程師的洞察力，還有設計者獨特個性和風格。③概念選擇:對可能的備選方案進行評估和比較，從中篩選少數(shù)幾個優(yōu)秀的方案。④方案比選:對優(yōu)秀的方案進行分析，研究和詳細的比較，最終確定最佳概念設計。仿照項海帆院士的說法，在這里將橋梁概念設計劃為兩個部分：橋梁美學和結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新。一、橋梁美學橋梁結(jié)構(gòu)是人類按照實用要求，在對自然界加工改造過程中創(chuàng)造出來的物質(zhì)實體，同時又在加工改造過程中運用美學規(guī)律，注入審美理想，顯示審美價值的藝術(shù)作品。因此，橋梁美學與橋梁概念設計緊密相關，對橋梁美學的研究應該遵循美學的一般屬性:(1)橋梁美的客觀性:橋梁美感的存在是客觀的，它存在于橋梁的形態(tài)，材質(zhì)，結(jié)構(gòu)，技術(shù)和功能等獨立或融合作用于周圍環(huán)境中。(2)橋梁美的主觀性:橋梁結(jié)構(gòu)的美與丑的判斷是與審美主體的主觀意識緊密相聯(lián)系的。(3)美的相對性:美是主客觀的統(tǒng)一，主觀、客觀因素的變化必然導致審美觀念的變化。(4)美的社會性:美具有相對性，但不能否認在一定時期和社會中具有較統(tǒng)一的，為社會公眾普遍接受的審美標準。在橋梁結(jié)構(gòu)的美學評價中，應該遵循的結(jié)構(gòu)設計一般原則1.結(jié)構(gòu)力度美原則建筑結(jié)構(gòu)的力度表現(xiàn)越突出，它帶給人的審美感受就愈強烈。圖1為圣地亞哥—卡拉特拉瓦設計的阿拉米羅橋，這座橋完美詮釋了橋梁結(jié)構(gòu)的力與能量平衡機理及其傳遞途徑:大傾角的橋塔在外部結(jié)構(gòu)力和能量上給人不平衡的印象，利用張拉索平衡橋塔繼續(xù)傾斜的趨勢，蘊含著一種潛藏的運動，將傳統(tǒng)斜拉橋通過自身對稱來追求穩(wěn)定狀態(tài)的基本原理推翻。橋塔似乎暗示著“未完成”的狀態(tài)，頂部尖角處理且飛翔的形態(tài)和張緊的拉索構(gòu)成一幅強勁有力的動力學圖景。圖1阿拉米羅橋2.合理用料，順應力的流向，達到流線美原則優(yōu)越合理的結(jié)構(gòu)，應當根據(jù)最直接的傳力途徑來組織各構(gòu)件，結(jié)構(gòu)力傳遞路徑越直接，其工作效率就越高，所耗材料也就越少。瑞士著名橋梁專家Ｒobert－Maillart對三鉸拱橋的改進就以自然的力流傳遞為依據(jù)，如圖2。圖2三鉸拱的彎矩在重慶朝天門長江大橋美學評價中，重點關注橋梁景觀設計與環(huán)境的幾何協(xié)調(diào)管理在橋梁美學中的作用;通過對瑞士橋梁專家Ｒobert－Maillart幾座橋梁設計思路的變化得出重要建議:遵循最小耗能原理并使結(jié)構(gòu)力以最順暢直接的方式轉(zhuǎn)移是橋梁簡潔明快的重要要求。朝天門長江大橋由552m主跨及兩側(cè)對稱布置的190m邊跨組成。主跨為鋼桁架系桿拱，兩側(cè)邊跨為變高度桁架梁，拱肋上下弦線形采用二次拋物線形，上弦部分線與邊跨上弦間采用圓曲線過渡。橋梁的整體布置如圖3。圖3朝天門大橋橋梁景觀建設是一種反映城市特色、體現(xiàn)地域文化、展示時代風貌的建設活動，這給橋梁景觀設計提供了廣闊空間，同時也對橋梁設計提出了新的要求。怎樣利用橋梁與環(huán)境的幾何協(xié)調(diào)理念對朝天門大橋進行景觀設計成為重中之重，整橋在景觀設計與美學方面有以下幾個特點:(1)兩江交匯處的朝天門大橋是重慶“門”戶景觀區(qū)重要的組成部分，拱橋的巨大跨徑與江面在空間上形成“城市之門”的效果，橋梁的尺寸與江面寬度在幾何上是協(xié)調(diào)統(tǒng)一的，弱化了傳統(tǒng)拱橋的實腹印象，而重點突出主拱肋的承力主體性。二次拋物線形在主邊跨間的圓潤過渡消除了上弦桿與橋面系連接時造成的突兀感。(2)為了讓軌道交通乘客過江時有較好的視覺感受和舒適感，選擇了開敞的桁架梁，并盡量減少桿件數(shù)量以減少桿件對視角的干擾。(3)在拱橋結(jié)構(gòu)中，拱肋是主要的心理引導線。設計者選擇個性粗獷的桁梁拱橋作為主選方案，整體上恢宏大氣，充分體現(xiàn)了技術(shù)美學特征;夜景亮化的光影效果通過變幻奔放的深色調(diào)配合更加強這種效果(如圖4)，使橋梁與周圍環(huán)境相互協(xié)調(diào)。圖4朝天門大橋景觀設計科學的事實是三鉸拱的最大彎矩發(fā)生在1/4跨中(圖2)，而創(chuàng)造性的勞動是他將這一彎矩形式實體化，橋梁的截面由1/4跨中至拱腳處逐漸縮小，保證了結(jié)構(gòu)形式與受力要求的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。在Maillart三鉸拱的設計中，“力走捷徑”的力學理論是結(jié)構(gòu)形式更加簡潔明快的基礎，在薩爾瓦多．穆勒《建筑結(jié)構(gòu)》中對屈曲現(xiàn)象的解釋將這一理論加以拓展:每當在不同路線之間存在著一個選擇的時候，一個物理現(xiàn)象將按照最容易的路線發(fā)生，這是一個基本的自然規(guī)律。這一規(guī)律即是最小耗能理論:任何耗能過程都將在與其相應的約束條件下，以最小耗能的方式進行，最小耗能原理是對能量守恒定律這一能量傳遞規(guī)律的最一般描述。在橋梁概念設計中，對結(jié)構(gòu)物中關鍵力學問題的處理是結(jié)構(gòu)成功的關鍵。最小耗能原理是聯(lián)系結(jié)構(gòu)力內(nèi)外能量平衡與構(gòu)造穩(wěn)定措施的紐帶，這一規(guī)律已在在電能消耗問題，塑性力學增量理論問題和力學強度理論等問題中得到驗證，并在橋梁耐久性設計理念，生態(tài)設計理念，全壽命機制中得到廣泛應用。在橋梁概念設計中，橋梁工程師應該從工程實踐中思考各橋梁優(yōu)缺點，從相互比較中理解橋梁概念設計中結(jié)構(gòu)力學與美學的雙重考慮下的經(jīng)典橋梁所遵循的原則:二、結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新橋梁技術(shù)創(chuàng)新的目的是在滿足使用功能條件下，提高橋梁建設質(zhì)量，節(jié)約建設費用，縮短建設工期，做到工期短、安全、耐久、美觀。創(chuàng)新是根據(jù)橋梁建設時間的需要提出來的，是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的弊病經(jīng)行改造的過程，不能為了創(chuàng)新而創(chuàng)新。隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，大跨徑橋梁的建設在20世紀末進入了一個高潮時期。自1956年瑞典建成世界上第一座現(xiàn)代斜拉橋—Stromsund橋（主跨182.6m）以來，斜拉橋經(jīng)過了短短50多年的發(fā)展，跨度不斷攀升，由200m左右已躍進到l000m以上，見圖1和表1。1883年建成的位于紐約跨越伊斯特河的Brooklyn橋（主跨486m）是近代懸索橋的開端，在20世紀20年代懸索橋的建造達到了一個高峰。自1931年主跨為1066米的跨越哈得遜河的GeorgeWashington橋成為第一座主跨長度達到1000m的橋梁以來，世界上已建成了幾十座超千米的懸索橋。蘇通大橋位于長江下游，是國家高速公路網(wǎng)中跨越長江口的咽喉工程，是國家科技支撐計劃支持的首個重大公路交通工程，是我國自主設計和建造的世界首座突破千米跨徑的斜拉橋。蘇通大橋主孔跨徑1088米，水文條件復雜、地質(zhì)條件差、氣象環(huán)境惡劣、航運密度大，千米級斜拉橋其技術(shù)要求超越了國內(nèi)外現(xiàn)行標準、規(guī)范規(guī)定，工程建設面臨著極大的挑戰(zhàn)。通過長達18年的研究與實踐，建設者博采眾長、自主創(chuàng)新，開展了100多項科研專題攻關，研究了結(jié)構(gòu)抗風、抗震、防船撞、防沖刷等技術(shù)，攻克了千米級斜拉橋結(jié)構(gòu)體系、深水急流中施工平臺搭設及群樁基礎施工、基礎沖刷防護和高塔、長索、大跨結(jié)構(gòu)施工控制等十余項世界級關鍵技術(shù)難題，發(fā)展了基于壽命周期和性能設計的橋梁設計理論與方法，創(chuàng)新了靜力限位和動力阻尼組合的橋梁結(jié)構(gòu)體系，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設計軟件，編制了千米級斜拉橋設計指南，形成了千米級斜拉橋設計核心技術(shù)，創(chuàng)造了1088米的最大跨徑、300.4米的最高橋塔、131根直徑2.8米120米深的最大群樁基礎、577米的最長拉索等四項世界紀錄。目前已獲得15項省部級科技進步獎、29項授權(quán)專利、22項工法。蘇通大橋的建設關鍵技術(shù)和自主創(chuàng)新成果已在國內(nèi)外多座橋梁工程中推廣應用，科技部原部長徐冠華院士贊譽“以蘇通大橋為代表的中國橋梁建設是我國自主創(chuàng)新的一面旗幟”。從世界橋梁的發(fā)展來看，橋梁在向跨度更長、規(guī)模更大，向跨越海峽工程、外海海洋工程的方向發(fā)展。目前世界范圍內(nèi)規(guī)劃或在建或建成的大型跨海通道有意大利墨西拿海峽通道工程、日本津輕海峽通道工程、土耳其伊茲米特海灣通道工程、印尼蘇門答臘海灣通道工程、直布羅陀海峽通道工程、白令海峽通道工程等；國內(nèi)目前規(guī)劃或在建或建成的大型跨海通道有港珠澳大橋、瓊州海峽跨海通道工程、渤海灣跨海通道工程、臺灣海峽跨海通道工程等。隨著橋梁建設環(huán)境越來越復雜，技術(shù)難度越來越高，需要解決的技術(shù)問題非常多，為了保證橋梁的可靠性、耐久性、行車舒適性和施工簡易性，有大量的工作要做，需要研究者繼續(xù)努力，博采眾長，共同攻克這些技術(shù)難題?？偟膩碚f，現(xiàn)代橋梁面臨的挑戰(zhàn)主要有：一、超深水基礎的結(jié)構(gòu)形式和施工技術(shù)研究；二、超大跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)體系和特殊力學問題；三、輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、高性能材料的研究，材料的進步?jīng)Q定了橋梁技術(shù)發(fā)展的水平；四、大跨徑橋梁如何解決減災抗災以及途徑的問題；五、超大跨徑橋梁的施工控制，如們保證建成后的設計線形、受力狀態(tài)能夠達到設計的要求；六、超大跨徑橋梁的經(jīng)濟性問題。優(yōu)化管養(yǎng)，耐久性，人性化設計，管養(yǎng)規(guī)劃，優(yōu)化管養(yǎng)技術(shù)，降低全壽命周期的成本，如何保證可檢、可修、可維護、可更換，對這些要求的考慮和實現(xiàn)將是對現(xiàn)有設計技術(shù)的革命?？茖W研究可以數(shù)百次失敗，只要最后成功就行了，但是橋梁建設不允許失敗，因此用在橋梁建設上的技術(shù)創(chuàng)新也不允許失敗。我們在采用技術(shù)創(chuàng)新成果上必須十分慎重，或者常說的要采用成熟的技術(shù)。如果我們對一項技術(shù)不能精確評價，而又不得不用時，則要設大包圍圈，要能框住它，也就是要加大安全儲備，確保萬無一失。橋梁技術(shù)創(chuàng)新中，設計是首要的，但規(guī)避施工風險也是設計要遵循的一個重要原則，施工風險常常決定著結(jié)構(gòu)方案的取舍。蘇通長江大橋斜拉橋主塔墩采用鉆孔灌注樁群樁基礎，放棄沉井方案的主要原因是前者比后者施工風險小，既使群樁基礎一根樁失敗，可以補樁。但是巨型沉井在局部沖刷嚴重的長江就位時，如果發(fā)生傾斜、移位就很難處理，顯然選擇樁基是正確的，主塔墩基礎的施工實踐也證明了這種選擇是成功的。設計是一種創(chuàng)造性的勞動，它博采眾長，緊密結(jié)合橋址實際，對所用可能的方案進行比較，推選最優(yōu)方案。尤其是一些特大型橋梁，設計者要深入了解環(huán)境，構(gòu)思出的橋梁要融入環(huán)境，甚至為環(huán)境增色；要了解全國乃至世界可能提供的新材料及材料的性價比；要了解全國乃至世界的施工技術(shù)，結(jié)合承包商特長篩選施工工法；要謹慎建模，選用多種軟件進行結(jié)構(gòu)分析，必要時通過試驗驗證，弄清結(jié)構(gòu)在施工運營階段的力和變形，不留疑問和盲點；要小心處理好細部構(gòu)造；要認真研究充分吸取相似工程的經(jīng)驗和教訓力求每做一個工程有一個進步。這個艱苦過程就是技術(shù)創(chuàng)新。因為受設計周期、經(jīng)費的限制和設計必須采用成熟技術(shù)的原則，一般情況下，不能要求一個設計項目產(chǎn)生一種新結(jié)構(gòu)、新工藝。精心施工要努力降低物耗，合理的工期、安全、高質(zhì)量的按設計圖紙建成大橋，這必然會有許多的技術(shù)創(chuàng)新。我國已經(jīng)是一個橋梁強國，無論從橋梁的數(shù)量、跨徑的大小，建設規(guī)模都進入了世界先進行列，在橋梁的計算水平上、經(jīng)濟指標上、建設速度上與國外無多大的差異。我們與國外技術(shù)水平的差距主要在施工質(zhì)量、橋梁耐久性、橋梁美學上。我們應該在這些方面展開技術(shù)創(chuàng)新活動。超前開展研究工作，是橋梁技術(shù)創(chuàng)新必須的。一個待建的工程項目，因為受時間、經(jīng)費的限制，一般不可能開展大的項目研究，但是針對一些重大工程，提早安排研究工作是應該的，更是必須的。比如瓊州海峽大橋工程，用現(xiàn)有的技術(shù)還不能完全有把握建設，世界