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这里,我们提到了“美”,即桥梁美学。
在设计者眼中,似乎谈论“美”还为时尚早。
它从“美学”母体中脱胎而出并得到艺术圈子的认可恐怕不是本世纪的事情,美学对于人们虽然仍像在薄雾中披着面纱的少女那样朦胧又实在。
然而,美学本身并不像我们想象的那样冰冷遥不可及。
桥梁之“美”总是客观存在的,人第一次砍倒大树,横跨小溪,缘木过河,“建成”一座桥梁时,那是极美的,湍急的流水上抹上一条彩带——人征服了河,装扮了河。
从方便生活上,从心理享受上人得到了满足,这便是美。
但这种美并不是静止的,而是变化的是发展的。
当砍树过河已成为司空见惯,那时要想重新激起人的感情涟漪则只有“推陈出新”,在认识的基础上再创造,这个简单的美的推移程序大概永远不会停顿。
我们可以总结一句话:
美是客观的,现实的但又是发展的,变化的。
我们必须遵循创造——总结——再创造的过程去研究桥梁美学。
现代桥梁以其大跨径的绝对优势取代了古代已到达艺术巅峰的桥梁,如赵州桥,十七孔桥等。
从中国抗日战争时期出现的武汉长江大桥,南京长江大桥等大跨桥梁让当时的国人眼前一亮到现在,一个个的世界第一桥梁仅仅是跨径上又增添了几米几十米,似乎我们的神经再很少被触动。
是的,我们进入了一个急需再创造的时代。
随着社会的发展和进步,人们对于一座桥梁的要求已经不仅仅是满足他们的需求,最好还能将使用桥梁的过程变得更高效、更舒适、更环保。
人们日益增长的审美、环保、技术等要求为设计工作提出了新的要求,使得原有的设计理念和方法受到挑战,同时也催生了概念设计。
桥梁概念设计蕴含了创新理念,是桥梁设计的“血肉”和“灵魂”;
而在桥梁美感创造过程中,工程师所依据的不仅是科学的真理,还有贯彻和运用科学真理的智慧以及在工程实践中积累的经验。
桥梁概念设计是指选择满足桥梁功能,结构,施工,耐久,环保,经济与美观要求和设计原则的最佳设计。
虽然不需太多投入和太详细计算,但可明确设计理念,创新点和设计重点和难点;
对设计构思与总体布局,关键力学问题以及创新技术的认定是概念的设计的关键。
进入20世纪后,中国的桥梁建设如雨后春笋,在不断创造新的记录与满足公众生活需求的同时,也应看到我国的桥梁设计面临的问题:
(1)缺少考虑桥梁的可施工性,可养护型和耐久性。
(2)缺少采用新结构,新材料的激励机制和以创新为主的评价标准。
在桥梁概念设计中,以既有成熟的概念设计程序作为设计创新的基础应该是年轻桥梁工程师可供参考的思路:
①概念的生成:
是为满足多重目标和约束条件,形成合理,可行方案的思考过程。
②方案构思:
从集思广益的角度,方案宜多多益善,它不仅体现工程师的洞察力,还有设计者独特个性和风格。
③概念选择:
对可能的备选方案进行评估和比较,从中筛选少数几个优秀的方案。
④方案比选:
对优秀的方案进行分析,研究和详细的比较,最终确定最佳概念设计。
仿照项海帆院士的说法,在这里将桥梁概念设计划为两个部分:
桥梁美学和结构技术创新。
一、桥梁美学
桥梁结构是人类按照实用要求,在对自然界加工改造过程中创造出来的物质实体,同时又在加工改造过程中运用美学规律,注入审美理想,显示审美价值的艺术作品。
因此,桥梁美学与桥梁概念设计紧密相关,对桥梁美学的研究应该遵循美学的一般属性:
(1)桥梁美的客观性:
桥梁美感的存在是客观的,它存在于桥梁的形态,材质,结构,技术和功能等独立或融合作用于周围环境中。
(2)桥梁美的主观性:
桥梁结构的美与丑的判断是与审美主体的主观意识紧密相联系的。
(3)美的相对性:
美是主客观的统一,主观、客观因素的变化必然导致审美观念的变化。
(4)美的社会性:
美具有相对性,但不能否认在一定时期和社会中具有较统一的,为社会公众普遍接受的审美标准。
在桥梁结构的美学评价中,应该遵循的结构设计一般原则
1.结构力度美原则
建筑结构的力度表现越突出,它带给人的审美感受就愈强烈。
图1为圣地亚哥—卡拉特拉瓦设计的阿拉米罗桥,这座桥完美诠释了桥梁结构的力与能量平衡机理及其传递途径:
大倾角的桥塔在外部结构力和能量上给人不平衡的印象,利用张拉索平衡桥塔继续倾斜的趋势,蕴含着一种潜藏的运动,将传统斜拉桥通过自身对称来追求稳定状态的基本原理推翻。
桥塔似乎暗示着“未完成”的状态,顶部尖角处理且飞翔的形态和张紧的拉索构成一幅强劲有力的动力学图景。
图1阿拉米罗桥
2.合理用料,顺应力的流向,达到流线美原则
优越合理的结构,应当根据最直接的传力途径来组织各构件,结构力传递路径越直接,其工作效率就越高,所耗材料也就越少。
瑞士著名桥梁专家Robert-Maillart对三铰拱桥的改进就以自然的力流传递为依据,如图2。
图2三铰拱的弯矩
在重庆朝天门长江大桥美学评价中,重点关注桥梁景观设计与环境的几何协调管理在桥梁美学中的作用;
通过对瑞士桥梁专家Robert-Maillart几座桥梁设计思路的变化得出重要建议:
遵循最小耗能原理并使结构力以最顺畅直接的方式转移是桥梁简洁明快的重要要求。
朝天门长江大桥由552m主跨及两侧对称布置的190m边跨组成。
主跨为钢桁架系杆拱,两侧边跨为变高度桁架梁,拱肋上下弦线形采用二次抛物线形,上弦部分线与边跨上弦间采用圆曲线过渡。
桥梁的整体布置如图3。
图3朝天门大桥
桥梁景观建设是一种反映城市特色、体现地域文化、展示时代风貌的建设活动,这给桥梁景观设计提供了广阔空间,同时也对桥梁设计提出了新的要求。
怎样利用桥梁与环境的几何协调理念对朝天门大桥进行景观设计成为重中之重,整桥在景观设计与美学方面有以下几个特点:
(1)两江交汇处的朝天门大桥是重庆“门”户景观区重要的组成部分,拱桥的巨大跨径与江面在空间上形成“城市之门”的效果,桥梁的尺寸与江面宽度在几何上是协调统一的,弱化了传统拱桥的实腹印象,而重点突出主拱肋的承力主体性。
二次抛物线形在主边跨间的圆润过渡消除了上弦杆与桥面系连接时造成的突兀感。
(2)为了让轨道交通乘客过江时有较好的视觉感受和舒适感,选择了开敞的桁架梁,并尽量减少杆件数量以减少杆件对视角的干扰。
(3)在拱桥结构中,拱肋是主要的心理引导线。
设计者选择个性粗犷的桁梁拱桥作为主选方案,整体上恢宏大气,充分体现了技术美学特征;
夜景亮化的光影效果通过变幻奔放的深色调配合更加强这种效果(如图4),使桥梁与周围环境相互协调。
图4朝天门大桥景观设计
科学的事实是三铰拱的最大弯矩发生在1/4跨中(图2),而创造性的劳动是他将这一弯矩形式实体化,桥梁的截面由1/4跨中至拱脚处逐渐缩小,保证了结构形式与受力要求的统一协调。
在Maillart三铰拱的设计中,“力走捷径”的力学理论是结构形式更加简洁明快的基础,在萨尔瓦多.穆勒《建筑结构》中对屈曲现象的解释将这一理论加以拓展:
每当在不同路线之间存在着一个选择的时候,一个物理现象将按照最容易的路线发生,这是一个基本的自然规律。
这一规律即是最小耗能理论:
任何耗能过程都将在与其相应的约束条件下,以最小耗能的方式进行,最小耗能原理是对能量守恒定律这一能量传递规律的最一般描述。
在桥梁概念设计中,对结构物中关键力学问题的处理是结构成功的关键。
最小耗能原理是联系结构力内外能量平衡与构造稳定措施的纽带,这一规律已在在电能消耗问题,塑性力学增量理论问题和力学强度理论等问题中得到验证,并在桥梁耐久性设计理念,生态设计理念,全寿命机制中得到广泛应用。
在桥梁概念设计中,桥梁工程师应该从工程实践中思考各桥梁优缺点,从相互比较中理解桥梁概念设计中结构力学与美学的双重考虑下的经典桥梁所遵循的原则:
二、结构技术创新
桥梁技术创新的目的是在满足使用功能条件下,提高桥梁建设质量,节约建设费用,缩短建设工期,做到工期短、安全、耐久、美观。
创新是根据桥梁建设时间的需要提出来的,是针对现有技术存在的弊病经行改造的过程,不能为了创新而创新。
随着世界经济的快速发展,大跨径桥梁的建设在20世纪末进入了一个高潮时期。
自1956年瑞典建成世界上第一座现代斜拉桥—Stromsund桥(主跨182.6m)以来,斜拉桥经过了短短50多年
的发展,跨度不断攀升,由200m左右已跃进到l000m以上,见图1和表1。
1883年建成的位于纽约跨越伊斯特河的Brooklyn桥(主跨486m)是近代悬索桥的开端,在20世纪20年代悬索桥的建造
达到了一个高峰。
自1931年主跨为1066米的跨越哈得逊河的GeorgeWashington桥成为第一座主跨长度达到1000m的桥梁以来,世界上已建成了几十座超千米的悬索桥。
苏通大桥位于长江下游,是国家高速公路网中跨越长江口的咽喉工程,是国家科技支撑计划支持的首个重大公路交通工程,是我国自主设计和建造的世界首座突破千米跨径的斜拉桥。
苏通大桥主孔跨径1088米,水文条件复杂、地质条件差、气象环境恶劣、航运密度大,千米级斜拉桥其技术要求超越了国内外现行标准、规范规定,工程建设面临着极大的挑战。
通过长达18年的研
究与实践,建设者博采众长、自主创新,开展了100多项科研专题攻关,研究了结构抗风、抗震、防船撞、防冲刷等技术,攻克了千米级斜拉桥结构体系、深水急流中施工平台搭设及群桩基础施工、基础冲刷防护和高塔、长索、大跨结构施工控制等十余项世界级关键技术难题,发展了基于寿命周期和性能设计的桥梁设计理论与方法,创新了静力限位和动力阻尼组合的桥梁结构体系,研发了具有自主知识产权的设计软件,编制了千米级斜拉桥设计指南,形成了千米级斜拉桥设计核心技术,创造了1088米的最大跨径、300.4米的最高桥塔、131根直径2.8米120米深的最大群桩基础、577米的最长拉索等四项世界纪录。
目前已获得15项省部级科技进步奖、29项授权专利、22项工法。
苏通大桥的建设关键技术和自主创新成果已在国内外多座桥梁工程中推广应用,科技部原部长徐冠华院士赞誉“以苏通大桥为代表的中国桥梁建设是我国自主创新的一面旗帜”。
从世界桥梁的发展来看,桥梁在向跨度更长、规模更大,向跨越海峡工程、外海海洋工程的方向发展。
目前世界范围内规划或在建或建成的大型跨海通道有意大利墨西拿海峡通道工程、日本津轻海峡通道工程、土耳其伊兹米特海湾通道工程、印尼苏门答腊海湾通道工程、直布罗陀海峡通道工程、白令海峡通道工程等;
国内目前规划或在建或建成的大型跨海通道有港珠澳大桥、琼州海峡跨海通道工程、渤海湾跨海通道工程、台湾海峡跨海通道工程等。
随着桥梁建设环境越来越复杂,技术难度越来越高,需要解决的技术问题非常多,为了保证桥梁的可靠性、耐久性、行车舒适性和施工简易性,有大量的工作要做,需要研究者继续努力,博采众长,共同攻克这些技术难题。
总的来说,现代桥梁面临的挑战主要有:
一、超深水基础的结构形式和施工技术研究;
二、超大跨径桥梁的结构体系和特殊力学问题;
三、轻质、高强、耐腐蚀、高性能材料的研究,材料的进步决定了桥梁技术发展的水平;
四、大跨径桥梁如何解决减灾抗灾以及途径的问题;
五、超大跨径桥梁的施工控制,如们保证建成后的设计线形、受力状态能够达到设计的要求;
六、超大跨径桥梁的经济性问题。
优化管养,耐久性,人性化设计,管养规划,优化管养技术,降低全寿命周期的成本,如何保证可检、可修、可维护、可更换,对这些要求的考虑和实现将是对现有设计技术的革命。
科学研究可以数百
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