橋梁選型與橋梁選型探究
2015-04-03
橋梁選型是指選用一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)力學(xué)體系(如梁、拱、索結(jié)構(gòu))或由兩種簡(jiǎn)單體系組合而成的結(jié)構(gòu)力學(xué)體系(如系桿拱，斜拉懸吊結(jié)構(gòu)，斜拉拱橋等)，初步形成滿足功能要求、符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(受力合理)的橋梁空間結(jié)構(gòu)形式。橋梁造型是指在橋梁選型基本確定之后，基于建筑美學(xué)法則，對(duì)初步構(gòu)思成型的橋梁整體或局部進(jìn)行形狀變換或調(diào)整，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的空間布局、配置方式和尺度變化，并結(jié)合環(huán)境因素對(duì)橋梁的造型風(fēng)格進(jìn)行定位。
橋梁選型和造型均屬于概念設(shè)計(jì)范疇，兩者相互關(guān)聯(lián)、互為影響，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最富有創(chuàng)造性的階段，是橋梁力學(xué)和美學(xué)得以體現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。合理的橋型會(huì)使得結(jié)構(gòu)本身不僅能夠滿足使用功能，還能在不做或少做裝飾的情況下呈現(xiàn)出力感和美感，給人以精神上的享受。反之，一旦橋梁選型不合理，造型不當(dāng)，橋梁建成后雖然能夠滿足使用功能，但或因投資過大而造成浪費(fèi)，或因其雜亂無章、呆板單調(diào)、與環(huán)境格格不入的外在形象而遭詬病。因此，設(shè)計(jì)者想要設(shè)計(jì)出一座既能滿足使用功能又能給人以美感的橋梁就必須認(rèn)真對(duì)待橋梁選型與造型。
1影響橋梁選型與造型的主要因素
橋梁選型與造型要求在綜合考慮橋址處的客觀條件(包括地形、地物、地質(zhì)、水文、通航等)、結(jié)構(gòu)體系的受力特性和橋梁美學(xué)及景觀的基礎(chǔ)之上因地制宜地選出不僅造型美觀、安全耐久，而且經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、技術(shù)先進(jìn)的橋梁結(jié)構(gòu)形式。影響橋梁結(jié)構(gòu)選型與造型的主要因素可歸納為功能要求和約束條件兩個(gè)方面。功能要求主要體現(xiàn)在安全適用、經(jīng)濟(jì)美觀和養(yǎng)護(hù)維修要求。橋梁選型與造型的約束條件主要有自然條件、經(jīng)濟(jì)條件、時(shí)間條件和技術(shù)條件四個(gè)方面。
2橋梁選型
橋梁選型取決于功能要求和約束條件，其與傳統(tǒng)的橋型方案的確定過程相同。除自然條件、技術(shù)條件等因素外，不同的橋梁結(jié)構(gòu)體系本身也存在著影響橋梁選型的若干因素。例如，拱橋的體系因素包括橋面位置、主拱型式、拱肋數(shù)量等，斜拉橋的體系因素包括索塔數(shù)量、索面數(shù)量及布置方式、塔墩梁連接關(guān)系等。
在橋梁選型中，可借助“窮舉法"的思路，先確定影響橋梁選型的體系因素和材料因素等，然后把各因素進(jìn)行組合，再加以甄別，從中選擇出符合約束條件的若干合理橋型。下面以拱橋和斜拉橋?yàn)槔謩e加以簡(jiǎn)單說明。
2.1拱橋選型
作為最古老的橋型之一，拱橋以其剛?cè)岵?jì)的結(jié)構(gòu)美深得設(shè)計(jì)者的喜愛。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及新材料、新工藝的應(yīng)用，拱橋的結(jié)構(gòu)形式在世界范圍內(nèi)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。
影響拱橋選型的體系因素主要包括：
1．結(jié)構(gòu)體系。包括有推力拱(如亨利克大橋)，無推力拱(如費(fèi)馬恩橋)，組合拱(如菜園壩大橋)。
2．橋面位置。包括上承式(如萬縣長(zhǎng)江大橋)，中承式(如盧浦大橋)，下承式(如費(fèi)馬恩橋)。
3．拱軸線形式。包括圓弧拱橋(如趙州橋)，拋物線拱橋(如悉尼港大橋)，懸鏈線拱橋(如丫臀沙大橋)等。
4．拱肋數(shù)量。包括單肋，雙肋(如盧浦大橋)．三肋(如大勝關(guān)大橋)。
2.2斜拉橋選型
斜拉橋以其優(yōu)秀的跨越能力、簡(jiǎn)潔有力的結(jié)構(gòu)影式得到人們的青睞，成為現(xiàn)代橋梁，尤其是大橋、標(biāo)志性橋梁選用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。
影響斜拉橋選型的體系因素主要包括：
1．索塔的布置。獨(dú)柱式(如昂船洲大橋)，倒v形(如米盧大橋)，倒Y形(如蘇通大橋)，人字形(如南京長(zhǎng)江三橋)．鉆石形(如杭州灣大橋)等。
2．拉索的布置。拉索按組成的平面分為單索面(如東海大橋)、雙索面(如鄂東長(zhǎng)江太橋)、三索面(如天興洲大橋)、四索面(如香港汀九橋)。
按索面內(nèi)的布置形狀分為輻射形(如法國(guó)圣．納澤爾橋)、扇形(如南京長(zhǎng)江三橋)、平行形(如阿拉米羅大橋)，空問索面(包括曲索面)、組合索面的應(yīng)用也越來越多。
3．孔跨布置。雙塔三跨式(如多多羅大橋)，獨(dú)塔雙跨式(如閔浦二橋)，獨(dú)塔單跨式(如阿拉米羅大橋)，多塔多跨式(如米盧大橋)。
3橋梁造型
3.1影響橋粱造型的基本因素
優(yōu)秀的橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：在應(yīng)用上，要充分滿足功能的需求；在安全上，要符合承載和耐久的需要：在技術(shù)上，要體現(xiàn)科技和工程的新發(fā)展：在造型上，要與建筑藝術(shù)融為一體；在建造上，要合理用材并與施工實(shí)際相結(jié)合。橋粱設(shè)計(jì)者應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)合理的基本前提下．考慮當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)、歷史、自然環(huán)境，充分運(yùn)用建筑美學(xué)法則。
3.2橋梁美學(xué)及造型設(shè)計(jì)
回顧國(guó)內(nèi)外歷史上的橋梁工程不難發(fā)現(xiàn)，前人對(duì)橋粱作為建筑的美學(xué)特性極其重視。然而近幾十年來，由于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)速度過快，一方面，大部分中小跨度橋梁的美學(xué)處理沒有得到足夠重視：另一方面．由于過份強(qiáng)調(diào)橋粱造型的重要性或曲解誤用造型原則，也建造了一些投資巨大、美學(xué)效果卻不盡人意的橋粱。
作為橋梁設(shè)計(jì)人員，不僅要具有廣泛的科學(xué)技術(shù)知識(shí)和工程設(shè)計(jì)能力，還要具有一定的美學(xué)藝術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)造構(gòu)思能力，才能根據(jù)現(xiàn)代社會(huì)的需要，較好地實(shí)現(xiàn)技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合。創(chuàng)造出從功能到形式均能符合時(shí)代要求的設(shè)計(jì)。
①橋梁造型設(shè)計(jì)的內(nèi)容
力學(xué)性能和形式構(gòu)成是橋梁造型設(shè)計(jì)的兩大基本出發(fā)點(diǎn)。橋梁造型設(shè)計(jì)更加具有實(shí)踐性和可操作性。從整體布置到細(xì)部構(gòu)造，橋梁造型設(shè)計(jì)力求在不同層次上達(dá)到形式與功能的融合，表現(xiàn)力與美的統(tǒng)一。橋梁造型應(yīng)該與橋位的地理特征、景觀特性及區(qū)域風(fēng)俗文化相適應(yīng)，并在結(jié)構(gòu)形式上符合比例均衡、韻律、節(jié)奏等技術(shù)美學(xué)的基本原理要求。造型設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括造型概念設(shè)計(jì)、整體造型設(shè)計(jì)、構(gòu)件造型設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)、燈光設(shè)計(jì)、綠化與裝飾等。造型設(shè)計(jì)的內(nèi)容和深度應(yīng)根據(jù)橋梁建設(shè)的規(guī)模、橋梁區(qū)域特點(diǎn)、橋梁建設(shè)目的等有所區(qū)別。
②橋梁造型設(shè)計(jì)的基本方法
設(shè)計(jì)概念的建立和豐富必須是在對(duì)環(huán)境情況和結(jié)構(gòu)性能的準(zhǔn)確把握的基礎(chǔ)之上，同時(shí)融入設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性的勞動(dòng)。在橋梁造型的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)概念和環(huán)境的特點(diǎn)、橋梁設(shè)計(jì)條件確定主要構(gòu)型，其他構(gòu)型以之為基調(diào)進(jìn)行配合，做到重點(diǎn)突出。通過必要的整合形成造型單元后，即可進(jìn)一步在全橋范圍內(nèi)結(jié)合結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行變化擴(kuò)展?；镜脑煨驮O(shè)計(jì)方法包括單元造型法、整體造型法、線性設(shè)計(jì)法、比例設(shè)計(jì)法、拓?fù)鋬?yōu)化法等。橋梁仿生造型設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)橋梁建筑造型創(chuàng)新的一種常用手段。
3.3橋梁仿生造型設(shè)計(jì)
當(dāng)人類創(chuàng)造力的發(fā)展受到限制時(shí)，不要忘了回歸到靈感的最初來源，那就是自然。經(jīng)過數(shù)十億年的殘酷淘汰，只有那些能適應(yīng)惡劣外部環(huán)境的物種才得以保存和進(jìn)化。不難發(fā)現(xiàn)，大自然中生物不僅種類繁多，許多物種在其結(jié)構(gòu)和功能上都具備精煉、高效的特點(diǎn)，自然界的生物為人類的創(chuàng)新提供了天然寶庫。多姿多彩的自然景觀也一直是人類創(chuàng)造美的原動(dòng)力。設(shè)計(jì)向自然學(xué)習(xí)并獲得靈感的過程。
仿生學(xué)是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)學(xué)相互滲透結(jié)合成的一門模仿生物系統(tǒng)，具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的新興邊緣學(xué)科。作為應(yīng)用生物學(xué)的一個(gè)分支，仿生學(xué)是生物進(jìn)化對(duì)人類在仿生概念領(lǐng)域研究與實(shí)踐的啟發(fā)。仿生學(xué)研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。
長(zhǎng)久以來，橋梁領(lǐng)域秉持著結(jié)構(gòu)決定造型的設(shè)計(jì)原則。然而設(shè)計(jì)師們掌握的橋梁結(jié)構(gòu)形式種類有限，有限的橋梁結(jié)構(gòu)形式限制了橋梁造型的創(chuàng)新，“千橋一面”的尷尬現(xiàn)象也就在所難免了。橋梁造型的發(fā)展迫切需要設(shè)計(jì)師們?yōu)槠渥⑷胄碌撵`感和創(chuàng)意。鑒于仿生學(xué)設(shè)計(jì)方法在建筑設(shè)計(jì)中的出色表現(xiàn)，我們將其引入橋梁設(shè)計(jì)。
創(chuàng)造性思維和對(duì)生物結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)知能力是進(jìn)行橋梁仿生設(shè)計(jì)的基本要求。雖然仿生設(shè)計(jì)的研究領(lǐng)域非常廣泛，但可應(yīng)用于橋梁仿生設(shè)計(jì)中的主要有仿自然現(xiàn)象的設(shè)計(jì)、仿生物形態(tài)的設(shè)計(jì)和仿生物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)三方面內(nèi)容。
（1）仿自然現(xiàn)象的橋粱設(shè)計(jì)。如波浪、彩虹等呈現(xiàn)出曲線的自然現(xiàn)象對(duì)每個(gè)人來說都不陌生，這些自然狀態(tài)不僅造型美觀，結(jié)構(gòu)受力也相當(dāng)合理，是橋梁造型設(shè)計(jì)的靈感來源。
（2）仿生物形態(tài)的橋梁設(shè)計(jì)。仿生物形態(tài)的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)對(duì)生物外部形態(tài)美感的感受和靈活運(yùn)用。橋梁設(shè)計(jì)中恰當(dāng)?shù)啬７律锿獠啃螒B(tài)可以使造型更加新穎活潑，也可增加橋梁功能(如觀光、休閑等)。
（3）仿生物結(jié)構(gòu)的橋梁設(shè)計(jì)。人類社會(huì)一切結(jié)構(gòu)的存在都是直接或間接地來源于自然，只有對(duì)生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行理性的認(rèn)識(shí)才能將其合理地運(yùn)用到橋梁造型設(shè)計(jì)中來。生物想生存，就必須有一定強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)來支撐。一株草、一個(gè)蜂窩、一面蜘蛛網(wǎng)、一只貝殼看上去顯得非常弱小，卻能夠抵御強(qiáng)大的外力，這就是一個(gè)科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)在生物體身上發(fā)揮的作用?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師主要針對(duì)植物結(jié)構(gòu)和動(dòng)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。
結(jié)束語
橋梁選型和造型是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最富有創(chuàng)造性的階段，是橋梁力學(xué)和美學(xué)得以體現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。隨著人們對(duì)建筑承載文化心理需求的要求越來越高，公路橋梁設(shè)計(jì)中也必須適應(yīng)這種需求。公路橋梁設(shè)計(jì)工程師提高自身的美學(xué)修養(yǎng)，肩負(fù)起建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的雙重責(zé)任。
