桥梁选型与桥梁选型探究
2015-04-03
桥梁选型是指选用一种简单的结构力学体系(如梁、拱、索结构)或由两种简单体系组合而成的结构力学体系(如系杆拱，斜拉悬吊结构，斜拉拱桥等)，初步形成满足功能要求、符合结构设计原理(受力合理)的桥梁空间结构形式。桥梁造型是指在桥梁选型基本确定之后，基于建筑美学法则，对初步构思成型的桥梁整体或局部进行形状变换或调整，优化结构的空间布局、配置方式和尺度变化，并结合环境因素对桥梁的造型风格进行定位。
桥梁选型和造型均属于概念设计范畴，两者相互关联、互为影响，是结构设计中最富有创造性的阶段，是桥梁力学和美学得以体现的重要环节。合理的桥型会使得结构本身不仅能够满足使用功能，还能在不做或少做装饰的情况下呈现出力感和美感，给人以精神上的享受。反之，一旦桥梁选型不合理，造型不当，桥梁建成后虽然能够满足使用功能，但或因投资过大而造成浪费，或因其杂乱无章、呆板单调、与环境格格不入的外在形象而遭诟病。因此，设计者想要设计出一座既能满足使用功能又能给人以美感的桥梁就必须认真对待桥梁选型与造型。
1影响桥梁选型与造型的主要因素
桥梁选型与造型要求在综合考虑桥址处的客观条件(包括地形、地物、地质、水文、通航等)、结构体系的受力特性和桥梁美学及景观的基础之上因地制宜地选出不仅造型美观、安全耐久，而且经济合理、施工方便、技术先进的桥梁结构形式。影响桥梁结构选型与造型的主要因素可归纳为功能要求和约束条件两个方面。功能要求主要体现在安全适用、经济美观和养护维修要求。桥梁选型与造型的约束条件主要有自然条件、经济条件、时间条件和技术条件四个方面。
2桥梁选型
桥梁选型取决于功能要求和约束条件，其与传统的桥型方案的确定过程相同。除自然条件、技术条件等因素外，不同的桥梁结构体系本身也存在着影响桥梁选型的若干因素。例如，拱桥的体系因素包括桥面位置、主拱型式、拱肋数量等，斜拉桥的体系因素包括索塔数量、索面数量及布置方式、塔墩梁连接关系等。
在桥梁选型中，可借助“穷举法"的思路，先确定影响桥梁选型的体系因素和材料因素等，然后把各因素进行组合，再加以甄别，从中选择出符合约束条件的若干合理桥型。下面以拱桥和斜拉桥为例分别加以简单说明。
2.1拱桥选型
作为最古老的桥型之一，拱桥以其刚柔并济的结构美深得设计者的喜爱。随着科学技术的进步以及新材料、新工艺的应用，拱桥的结构形式在世界范围内得到了长足发展。
影响拱桥选型的体系因素主要包括：
1．结构体系。包括有推力拱(如亨利克大桥)，无推力拱(如费马恩桥)，组合拱(如菜园坝大桥)。
2．桥面位置。包括上承式(如万县长江大桥)，中承式(如卢浦大桥)，下承式(如费马恩桥)。
3．拱轴线形式。包括圆弧拱桥(如赵州桥)，抛物线拱桥(如悉尼港大桥)，悬链线拱桥(如丫臀沙大桥)等。
4．拱肋数量。包括单肋，双肋(如卢浦大桥)．三肋(如大胜关大桥)。
2.2斜拉桥选型
斜拉桥以其优秀的跨越能力、简洁有力的结构影式得到人们的青睐，成为现代桥梁，尤其是大桥、标志性桥梁选用最多的一种结构形式。
影响斜拉桥选型的体系因素主要包括：
1．索塔的布置。独柱式(如昂船洲大桥)，倒v形(如米卢大桥)，倒Y形(如苏通大桥)，人字形(如南京长江三桥)．钻石形(如杭州湾大桥)等。
2．拉索的布置。拉索按组成的平面分为单索面(如东海大桥)、双索面(如鄂东长江太桥)、三索面(如天兴洲大桥)、四索面(如香港汀九桥)。
按索面内的布置形状分为辐射形(如法国圣．纳泽尔桥)、扇形(如南京长江三桥)、平行形(如阿拉米罗大桥)，空问索面(包括曲索面)、组合索面的应用也越来越多。
3．孔跨布置。双塔三跨式(如多多罗大桥)，独塔双跨式(如闵浦二桥)，独塔单跨式(如阿拉米罗大桥)，多塔多跨式(如米卢大桥)。
3桥梁造型
3.1影响桥粱造型的基本因素
优秀的桥梁设计应具有以下特点：在应用上，要充分满足功能的需求；在安全上，要符合承载和耐久的需要：在技术上，要体现科技和工程的新发展：在造型上，要与建筑艺术融为一体；在建造上，要合理用材并与施工实际相结合。桥粱设计者应在保证结构合理的基本前提下．考虑当地的社会、历史、自然环境，充分运用建筑美学法则。
3.2桥梁美学及造型设计
回顾国内外历史上的桥梁工程不难发现，前人对桥粱作为建筑的美学特性极其重视。然而近几十年来，由于国内基础建设速度过快，一方面，大部分中小跨度桥梁的美学处理没有得到足够重视：另一方面．由于过份强调桥粱造型的重要性或曲解误用造型原则，也建造了一些投资巨大、美学效果却不尽人意的桥粱。
作为桥梁设计人员，不仅要具有广泛的科学技术知识和工程设计能力，还要具有一定的美学艺术素养和创造构思能力，才能根据现代社会的需要，较好地实现技术与艺术的结合。创造出从功能到形式均能符合时代要求的设计。
①桥梁造型设计的内容
力学性能和形式构成是桥梁造型设计的两大基本出发点。桥梁造型设计更加具有实践性和可操作性。从整体布置到细部构造，桥梁造型设计力求在不同层次上达到形式与功能的融合，表现力与美的统一。桥梁造型应该与桥位的地理特征、景观特性及区域风俗文化相适应，并在结构形式上符合比例均衡、韵律、节奏等技术美学的基本原理要求。造型设计的内容包括造型概念设计、整体造型设计、构件造型设计、色彩设计、灯光设计、绿化与装饰等。造型设计的内容和深度应根据桥梁建设的规模、桥梁区域特点、桥梁建设目的等有所区别。
②桥梁造型设计的基本方法
设计概念的建立和丰富必须是在对环境情况和结构性能的准确把握的基础之上，同时融入设计师创造性的劳动。在桥梁造型的设计过程中，应根据设计概念和环境的特点、桥梁设计条件确定主要构型，其他构型以之为基调进行配合，做到重点突出。通过必要的整合形成造型单元后，即可进一步在全桥范围内结合结构性能进行变化扩展。基本的造型设计方法包括单元造型法、整体造型法、线性设计法、比例设计法、拓扑优化法等。桥梁仿生造型设计是实现桥梁建筑造型创新的一种常用手段。
3.3桥梁仿生造型设计
当人类创造力的发展受到限制时，不要忘了回归到灵感的最初来源，那就是自然。经过数十亿年的残酷淘汰，只有那些能适应恶劣外部环境的物种才得以保存和进化。不难发现，大自然中生物不仅种类繁多，许多物种在其结构和功能上都具备精炼、高效的特点，自然界的生物为人类的创新提供了天然宝库。多姿多彩的自然景观也一直是人类创造美的原动力。设计向自然学习并获得灵感的过程。
仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透结合成的一门模仿生物系统，具有生物系统特征或类似特征的新兴边缘学科。作为应用生物学的一个分支，仿生学是生物进化对人类在仿生概念领域研究与实践的启发。仿生学研究生物系统的结构和性质，为工程技术提供新的设计思想及工作原理，广泛应用于工业设计、建筑设计等领域。
长久以来，桥梁领域秉持着结构决定造型的设计原则。然而设计师们掌握的桥梁结构形式种类有限，有限的桥梁结构形式限制了桥梁造型的创新，“千桥一面”的尴尬现象也就在所难免了。桥梁造型的发展迫切需要设计师们为其注入新的灵感和创意。鉴于仿生学设计方法在建筑设计中的出色表现，我们将其引入桥梁设计。
创造性思维和对生物结构特征的认知能力是进行桥梁仿生设计的基本要求。虽然仿生设计的研究领域非常广泛，但可应用于桥梁仿生设计中的主要有仿自然现象的设计、仿生物形态的设计和仿生物结构的设计三方面内容。
（1）仿自然现象的桥粱设计。如波浪、彩虹等呈现出曲线的自然现象对每个人来说都不陌生，这些自然状态不仅造型美观，结构受力也相当合理，是桥梁造型设计的灵感来源。
（2）仿生物形态的桥梁设计。仿生物形态的设计强调对生物外部形态美感的感受和灵活运用。桥梁设计中恰当地模仿生物外部形态可以使造型更加新颖活泼，也可增加桥梁功能(如观光、休闲等)。
（3）仿生物结构的桥梁设计。人类社会一切结构的存在都是直接或间接地来源于自然，只有对生物结构进行理性的认识才能将其合理地运用到桥梁造型设计中来。生物想生存，就必须有一定强度、刚度和稳定性的结构来支撑。一株草、一个蜂窝、一面蜘蛛网、一只贝壳看上去显得非常弱小，却能够抵御强大的外力，这就是一个科学合理的结构在生物体身上发挥的作用。现有的结构仿生设计中，设计师主要针对植物结构和动物结构进行研究。
结束语
桥梁选型和造型是结构设计中最富有创造性的阶段，是桥梁力学和美学得以体现的重要环节。随着人们对建筑承载文化心理需求的要求越来越高，公路桥梁设计中也必须适应这种需求。公路桥梁设计工程师提高自身的美学修养，肩负起建筑师和结构工程师的双重责任。
