橋式最有設(shè)計(jì)理論研究
2011-11-12
橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論研究
張師定
?。ㄇ嘟瘓F(tuán)股份公司，山東，266071）
【摘要】以系統(tǒng)論為出發(fā)點(diǎn),將橋梁功能分解為跨越功能、交通功能與美觀功能，根據(jù)工程力學(xué)及建筑美學(xué)原理，提出了合理橋式所應(yīng)遵循的20條準(zhǔn)則。本文的分析結(jié)果是對(duì)橋式設(shè)計(jì)理論的貢獻(xiàn)，可應(yīng)用于橋式方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，并供房屋建筑設(shè)計(jì)或其他土木工程設(shè)計(jì)參考。
【關(guān)鍵詞】最優(yōu)設(shè)計(jì)橋式工程力學(xué) 建筑美學(xué) 功能結(jié)構(gòu) 形式
1 引言
1.1橋梁建筑特點(diǎn)
在漫長(zhǎng)的古代和中世紀(jì)，從事建筑營(yíng)造活動(dòng)的工匠，既是建筑師，又是結(jié)構(gòu)工程師。后來，隨著建筑功能的大大增加及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，才出現(xiàn)了建筑師與結(jié)構(gòu)工程師的分工。但是，橋梁就有所不同，直到現(xiàn)在，一位橋梁設(shè)計(jì)師既是建筑師，又是結(jié)構(gòu)工程師。依筆者之見，究其原因大概有三條：
?、贅蛄旱墓δ懿⒉粡?fù)雜，其建筑設(shè)計(jì)可由結(jié)構(gòu)工程師代替；
②橋梁所受荷載較房屋建筑特別大，因而，其造型大多以結(jié)構(gòu)受力合理為重心進(jìn)行選擇，也就是說，橋梁建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聯(lián)系非常緊密；
③橋梁建筑設(shè)計(jì)與施工方法緊密相連，而施工方法與結(jié)構(gòu)受力分析息息相關(guān)，這是橋梁工程的顯著特點(diǎn)之一。
可見，橋梁建筑是以結(jié)構(gòu)為重心的，即主要承重構(gòu)件系統(tǒng)決定其外形。那么，橋梁建筑的藝術(shù)就是一種結(jié)構(gòu)藝術(shù)。
1.2結(jié)構(gòu)藝術(shù)的特點(diǎn)
結(jié)構(gòu)藝術(shù)與建筑藝術(shù)的區(qū)別體現(xiàn)在前者以傳力為重心，后者以賞心為中心。和建筑藝術(shù)相比，結(jié)構(gòu)藝術(shù)在構(gòu)件尺寸、建筑用途和形式三個(gè)方面有其特點(diǎn)：
?、俦仨毘浞至私夤こ虠l件包括工程自然條件（勘察）與工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；
?、跇?gòu)件尺寸相當(dāng)大，需要按工程力學(xué)原理進(jìn)行工程設(shè)計(jì)；
③用途比較簡(jiǎn)單，即功能單一；
④形式本身的設(shè)計(jì)是為了控制應(yīng)力或變形，而非創(chuàng)造空間；
?、萁Y(jié)構(gòu)清晰地標(biāo)明荷載的傳遞與構(gòu)件的連接。
1.3迫切需要橋梁結(jié)構(gòu)藝術(shù)
當(dāng)今世界橋梁飛速發(fā)展，越來越多的橋梁需要我們?nèi)ソㄔ?，尤其是正在醞釀的跨海峽大橋，其迫切需要超大跨徑，于是，人們開始不滿足于現(xiàn)有的橋式，,而是正積極探索其它嶄新的橋式,這就需要對(duì)橋梁建筑學(xué)進(jìn)行研究。
筆者根據(jù)多年橋梁勘察與設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程力學(xué)原理及建筑美學(xué)法則，總結(jié)出合理橋式應(yīng)遵循的若干條規(guī)律，初步形成了橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論。
2 合理橋式所遵循的規(guī)律研究
實(shí)際上，橋梁結(jié)構(gòu)合理型式所遵循的一些規(guī)律已零散地存在于橋梁建設(shè)者的頭腦中，并自覺或不自覺地運(yùn)用于實(shí)踐。，這里將其歸納總結(jié)，并提升，使之系統(tǒng)化、理論化、使其具有邏輯性，有層次感。
2.1 橋梁工程是一個(gè)開放的系統(tǒng)
橋梁的確是一系統(tǒng)工程。其構(gòu)思與規(guī)劃、勘察與設(shè)計(jì)等無不從整體出發(fā)、系統(tǒng)地考慮問題。因此，橋梁建筑設(shè)計(jì)與構(gòu)思應(yīng)該以系統(tǒng)論（還包括控制論、信息論、協(xié)同學(xué)、突變論與耗散結(jié)構(gòu)論、辨證唯物論等）作為理想的思維方式。了解系統(tǒng)論，相信會(huì)對(duì)建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)生潛移默化的作用。
這里，扼要介紹系統(tǒng)論的一般概念與原理。
既可由若干部分（要素）按一定的規(guī)律、以特定的結(jié)構(gòu)形式組成有機(jī)的整體，并產(chǎn)生不同于各組成部分（要素）功能的特定功能，又可以將有機(jī)的整體分解為若干相互聯(lián)系、相互作用的部分（要素），那么，這個(gè)有機(jī)的整體被稱為系統(tǒng)。
所謂要素，是指系統(tǒng)內(nèi)若干層次內(nèi)或若干層次間相互關(guān)聯(lián)、相互作用的部分、單元或成分。它是系統(tǒng)的基礎(chǔ)與載體，決定著系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)系、結(jié)構(gòu)與功能等，因而也決定著系統(tǒng)的本質(zhì)。
一個(gè)系統(tǒng)的要素，可以成為一個(gè)系統(tǒng)，即子系統(tǒng)；同樣，一個(gè)系統(tǒng)也可看作更大系統(tǒng)的子系統(tǒng)。可見，系統(tǒng)與要素是相對(duì)而言的。
結(jié)構(gòu)與功能、整體與部分是系統(tǒng)的重要參數(shù)。
系統(tǒng)應(yīng)遵循如下原理:
*整體性原理要素與系統(tǒng)不可分割；各要素間要進(jìn)行有機(jī)的聯(lián)系，并相互協(xié)調(diào)，才能發(fā)揮整體功能；系統(tǒng)的功能大于各要素功能之和。它是系統(tǒng)論的基本原理，其科學(xué)地揭示了要素與要素、要素與整體間的關(guān)系問題。
*相關(guān)性原理系統(tǒng)內(nèi)部各要素間具有相關(guān)性；系統(tǒng)與外部環(huán)境具有相關(guān)性；從關(guān)聯(lián)的內(nèi)容上分，有物質(zhì)關(guān)聯(lián)、能量關(guān)聯(lián)與信息關(guān)聯(lián)；從關(guān)聯(lián)的確定性上分，有肯定因果關(guān)聯(lián)、統(tǒng)計(jì)因果關(guān)聯(lián)與模糊因果關(guān)聯(lián)；從關(guān)聯(lián)的方向上分，有單向因果關(guān)聯(lián)與雙向因果關(guān)聯(lián)。另外，筆者認(rèn)為：從系統(tǒng)內(nèi)部各要素間關(guān)性的強(qiáng)弱上分，也可分為強(qiáng)關(guān)聯(lián)、中等關(guān)聯(lián)與弱關(guān)聯(lián)等。
*層次性原理層次性原理認(rèn)為：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由層次或要素按一定的規(guī)律進(jìn)行排列組合而形成的，不同的排列組合就形成不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生不同的系統(tǒng)。
*有序性原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次與諸要素在協(xié)同作用下，其在系統(tǒng)中的位置與排列順序（空間排列的有序性與時(shí)間排列的有序性）總是盡量地適應(yīng)功能的需要（功能決定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)須滿足功能的要求），并使系統(tǒng)功能最大化。
*動(dòng)態(tài)適應(yīng)性原理系統(tǒng)內(nèi)部諸要素的相關(guān)性及系統(tǒng)與外部環(huán)境的相關(guān)性都與時(shí)間密切相關(guān)，都會(huì)隨時(shí)間不斷地變化；系統(tǒng)整體具有方向性和目的性，它控制著各要素的功能，協(xié)調(diào)著各要素之間的比例關(guān)系，控制著各要素協(xié)同作用的進(jìn)行；諸要素之間的協(xié)同作用是系統(tǒng)整體由無序狀態(tài)轉(zhuǎn)向有序狀態(tài)的動(dòng)力；當(dāng)諸要素協(xié)調(diào)適應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)處于整體平衡狀態(tài)；當(dāng)諸要素不協(xié)調(diào)時(shí)，系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)。
*可調(diào)控性原理系統(tǒng)是可控制的，通過負(fù)反饋控制可實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性，通過正反饋控制可適應(yīng)外界環(huán)境的變化。
*最優(yōu)化原理總可以在一定的條件下，通過有效地組織系統(tǒng)各要素，使得系統(tǒng)在某個(gè)方面（如功能、結(jié)構(gòu)、過程等）實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。
2.2 橋梁系統(tǒng)的劃分
橋梁是一工程結(jié)構(gòu)，它以有效地傳遞荷載來組織橋梁各構(gòu)件，并產(chǎn)生可跨越障礙物、使交通便捷等為功能。一般橋梁系統(tǒng)如圖1所示。
橋面系
上部結(jié)構(gòu){ 承重結(jié)構(gòu)
橋梁{
下部結(jié)構(gòu){ 橋墩及橋臺(tái)
基礎(chǔ)
附屬工程
圖1 按結(jié)構(gòu)部位分解的橋梁系統(tǒng)
2.3 橋式規(guī)律研究
橋梁結(jié)構(gòu)合理形式并非有特定的單一的結(jié)構(gòu)形式，因此，研究其特性應(yīng)從總體上把握其規(guī)律，然后，以其為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)所要討論橋式的優(yōu)劣。
正如美國(guó)Harbeson 說：“設(shè)計(jì)師思考的相互關(guān)聯(lián)的范圍越大，他就有可能愈加有效地控制橋梁及其周圍環(huán)境的特性、意義和影響。橋梁是從一橋臺(tái)跨越自然的、人工構(gòu)造的或兩者的組合之間的距離，到達(dá)另一橋臺(tái)，因此，就應(yīng)當(dāng)把橋梁及其周圍環(huán)境的所有元素視為設(shè)計(jì)中互相聯(lián)系的部分，整體考慮。”
【準(zhǔn)則1】良好的結(jié)構(gòu)方案是良好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提。
因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，無論多么完美的結(jié)構(gòu)計(jì)算都無法彌補(bǔ)經(jīng)結(jié)構(gòu)構(gòu)思而形成的結(jié)構(gòu)方案中的不足，相反，良好的結(jié)構(gòu)方案卻能夠部分彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算中的不足。由此可見結(jié)構(gòu)構(gòu)思的重要性。
【準(zhǔn)則2】功能準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足全部功能的要求。
準(zhǔn)則2給出了橋式最基本的要求——功能要求。
【準(zhǔn)則3】功能決定結(jié)構(gòu)。
由準(zhǔn)則2不難得到準(zhǔn)則3。橋梁的跨越功能是橋梁最基本的功能之一，橋梁的跨越功能決定了橋梁必須有橋跨結(jié)構(gòu)，而為了支承橋跨結(jié)構(gòu)，必須有支承結(jié)構(gòu)。橋梁要使其上的車輛或行人等安全、舒適地通過，橋梁須能承受車輛、行人等荷載，且不產(chǎn)生過大的變形而影響使用。正是橋梁功能（包括跨越功能與交通功能）的要求，才使得為滿足橋梁功能要求而修建的結(jié)構(gòu)被稱為橋梁。
對(duì)于一座特定的橋梁，功能要求與橋址工程條件（詳見第4節(jié)）等決定了橋梁結(jié)構(gòu)。
橋梁功能分解與主要影響因素見表1:
功能分解 主要影響因素
跨越功能 橋梁分跨；結(jié)構(gòu)式樣；水文與地質(zhì)；地形與地貌；通航或跨線等跨越障礙物；結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)
交通功能 交通量調(diào)查、分析與預(yù)測(cè)；交通規(guī)劃、效率與安全；流線組織與設(shè)計(jì)；交通道面幾何設(shè)計(jì)(橋面排水)；橋面與車輪的相互作用；交通設(shè)施與標(biāo)線設(shè)計(jì)
美觀功能 建筑造型；裝飾設(shè)計(jì)與景觀設(shè)計(jì)
橋面的基本功能是為車輛提供安全、快速、舒適和經(jīng)濟(jì)的行駛表面。車輛行駛質(zhì)量反映橋面滿足這一基本功能的能力。車輛行駛質(zhì)量的好壞與橋面狀況、車輛懸掛系統(tǒng)的振動(dòng)特性和人對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)或接受能力等因素有關(guān)。從橋面狀況分析來看，影響車輛行駛質(zhì)量的主要因素是橋面的平整度與粗糙度。
橋梁結(jié)構(gòu)形式有梁(簡(jiǎn)支梁/桁架、連續(xù)梁/桁架、連續(xù)剛構(gòu)/框架等）橋、拱（上承式、中承式、下承式等）橋及索橋（斜拉橋、懸索橋、懸?guī)虻龋┑取?br />
橋梁跨越功能分區(qū)沿順橋向串聯(lián),孔跨布置常受地形、河流、地質(zhì)、通航、跨線等障礙物的影響，詳見文獻(xiàn)[5]。
橋面交通分區(qū)沿橫橋向串聯(lián)，而且，往往是通行速度越快的分區(qū)越被布置在靠近道路的中央。
一個(gè)車道寬度為3~3.75m；
一個(gè)自行車道的寬度為1m；
人行道的寬度取為0.75m或1m，當(dāng)所需寬度大于1m時(shí)，按0.5m的級(jí)差增加。
公路凈空高度為4.5m(低等級(jí)公路)或5.0m（高等級(jí)公路）。
電氣化鐵路凈空高度為6.55m（雙線鐵路凈寬8.88m）。
【準(zhǔn)則4】幾何不變準(zhǔn)則一般工程結(jié)構(gòu)都必須是幾何不變體系。
為了保證車輛、行人等安全、舒適地通過橋梁，橋梁結(jié)構(gòu)在主要受力面-順橋向鉛垂面內(nèi)應(yīng)保證幾何不變，在次要受力面-橫橋向鉛垂面及水平面內(nèi)亦應(yīng)保證足夠的剛度。這是橋梁成為工程結(jié)構(gòu)的基本條件。
判別一結(jié)構(gòu)是否為幾何不變的過程稱為機(jī)動(dòng)分析[3]。
橋梁結(jié)構(gòu)主要形式之梁橋、拱橋與索橋等均為幾何不變體系。
【準(zhǔn)則5】傳力路徑準(zhǔn)則合理的結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其傳力路徑較短。
傳力路徑——筆者建議將構(gòu)件中主拉（壓）應(yīng)力跡線定義為傳力路徑，將結(jié)構(gòu)在使用荷載（包括桓載）作用于，各主要受力構(gòu)件傳力路徑之和定義為該結(jié)構(gòu)的傳力路徑總長(zhǎng)。
對(duì)于拉（壓）桿，其主應(yīng)力跡線均平行于桿件軸線，因此，傳力路徑等于桿件的長(zhǎng)度。而對(duì)于純受彎桿件，任一橫截面內(nèi)均有拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，其拉（壓）應(yīng)力跡線亦平行于桿件軸線，其傳力路徑等于桿件的長(zhǎng)度。但梁常為彎剪耦合構(gòu)件，梁內(nèi)任意一點(diǎn)均處于二向受力狀態(tài)。其主應(yīng)力跡線呈曲線，可見，其傳力路徑復(fù)雜，此時(shí)可將梁比擬為“桁架”（拉一壓結(jié)構(gòu)），其各構(gòu)件傳力路徑之和可定義為梁的傳力路徑。對(duì)于彎剪扭耦合構(gòu)件，可將其比擬為“空間桁架?？梢姡▔海U件傳力路徑較受彎桿件短得多，它是傳力最簡(jiǎn)捷的構(gòu)件。不論是橋跨結(jié)構(gòu)還是支承結(jié)構(gòu)，不論是橫截面內(nèi)：如受彎箱梁在彎矩平面內(nèi)的傳力路徑主要是沿腹板傳遞，因此，其主筋應(yīng)配置在靠近腹板的范圍內(nèi)為好等；還是細(xì)部構(gòu)造：如拱上立柱與箱拱連接處橫隔板沿立柱豎向設(shè)置較徑向設(shè)置傳力簡(jiǎn)捷；
帶掛孔的懸臂梁橋采用受拉型鉸較傳統(tǒng)受壓型鉸施工吊裝方便、牛腿的受力與梁的受力吻合，細(xì)部構(gòu)造優(yōu)越等；
傳力路徑簡(jiǎn)捷、明快者為較好的形式。
對(duì)于橋梁來說，橋跨結(jié)構(gòu)（水平向）傳力簡(jiǎn)捷是要解決的主要矛盾。
【準(zhǔn)則6】應(yīng)力均勻準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)均勻流暢。
對(duì)于桿系結(jié)構(gòu)，應(yīng)力均勻流暢包括桿件橫截面內(nèi)應(yīng)力均勻，沿桿件長(zhǎng)度方向內(nèi)力均勻及結(jié)點(diǎn)、邊界處應(yīng)力均勻，總之，要求結(jié)構(gòu)應(yīng)力處處均勻流暢。
只有結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻，才能較好地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，取得經(jīng)濟(jì)效益。
準(zhǔn)則5與準(zhǔn)則6是從力學(xué)角度衡量橋式優(yōu)劣的重要準(zhǔn)則。
【準(zhǔn)則7】承受軸向拉力或壓力的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱為“拉／壓結(jié)構(gòu)” 是合理結(jié)構(gòu)。
由于拉/壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻流暢，材料強(qiáng)度得到較好地發(fā)揮，且傳力路徑短，因此，不難由準(zhǔn)則5及準(zhǔn)則6得到準(zhǔn)則7。
諸如桁架、拱、柱、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架、整體張拉式結(jié)構(gòu)（由壓桿群和拉索系組成的空間結(jié)構(gòu)體系）等均為拉/壓結(jié)構(gòu)。
既然拉/壓桿橫截面應(yīng)力均勻，而受彎、壓彎、拉彎等構(gòu)件截面應(yīng)力均勻性較差，那么結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)便是減低結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)變能或構(gòu)件彎矩平方和。對(duì)于大跨結(jié)構(gòu)，常常采用索結(jié)構(gòu)，而通過索力的調(diào)整（如各根斜拉索索力的調(diào)整、各根吊索索力的調(diào)整、各根懸索索力的調(diào)整），使結(jié)構(gòu)成型狀態(tài)之內(nèi)力與線性處于合理狀態(tài)。
【準(zhǔn)則8】承受軸向拉力的跨越結(jié)構(gòu)可能是大跨優(yōu)越結(jié)構(gòu)，即索結(jié)構(gòu)是大跨優(yōu)越結(jié)構(gòu)。
目前，橋梁用索結(jié)構(gòu)包括懸索橋，斜拉橋及拱橋（吊桿采用柔索者）等。
結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)從本質(zhì)上講，只有拉和壓這兩種互為相反的狀態(tài)；而受彎是拉與壓的組合?？缭襟w系的受力狀態(tài)可以是受拉、受壓或受彎，而單純受扭或受剪的結(jié)構(gòu)是不能充當(dāng)跨越結(jié)構(gòu)的。
?、偈軓澋臉蚩缃Y(jié)構(gòu)不方便施工，應(yīng)力不夠均勻，材料強(qiáng)度不能很好地發(fā)揮，傳力路徑長(zhǎng)，現(xiàn)有的受彎材料比強(qiáng)度不高，因此，受彎的橋跨結(jié)構(gòu)不適宜于大跨。
?、谑軌旱臉蚩缃Y(jié)構(gòu)雖應(yīng)力較均勻，材料強(qiáng)度能較好的發(fā)揮（但存在失穩(wěn)問題），傳力路徑較短，但不方便施工，且受壓材料比強(qiáng)度不高，對(duì)于大跨橋梁，幾何非線性的影響使其所受內(nèi)力聚增，因而不經(jīng)濟(jì)，可見，受壓橋跨結(jié)構(gòu)還算不上較好的結(jié)構(gòu)體系。
?、凼芾臉蚩缃Y(jié)構(gòu)，雖存在振動(dòng)、腐蝕、疲勞及大變形等問題，但其架設(shè)方便，應(yīng)力均勻，材料強(qiáng)度能得到很好地發(fā)揮，傳力路徑較短，材料（索）比強(qiáng)度高，當(dāng)考慮幾何非線性影響時(shí)，其內(nèi)力大大減小，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，因此，索結(jié)構(gòu)適宜于大跨。
【準(zhǔn)則9】預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)是大跨理想結(jié)構(gòu)。
在預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力使索系處于張緊與穩(wěn)固狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)體系具有承載能力及剛度（而不是降低或調(diào)整內(nèi)力）。這種不以增加自重為代價(jià)而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度及承載能力的特點(diǎn)正是預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的優(yōu)越所在。如雙曲懸索結(jié)構(gòu)及筆者提出的全索橋新橋式便屬于預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)。
【準(zhǔn)則10】結(jié)構(gòu)連續(xù)準(zhǔn)則合理的結(jié)構(gòu)整體性好，構(gòu)件體形變化平順。
這不僅是美觀的要求，更是準(zhǔn)則6的要求，因?yàn)闃?gòu)件體形變化平順、結(jié)點(diǎn)處或邊界處過渡平滑、結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)是力流平順的必要條件，同時(shí)，也可提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。
【準(zhǔn)則11】合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量使其各構(gòu)件承受均布荷載，如受彎構(gòu)件承受橫向均布荷載，而拉/壓構(gòu)件承受軸向均布荷載等。
這是應(yīng)力均勻、傳力簡(jiǎn)捷之要求。
可見，優(yōu)越的跨越結(jié)構(gòu)排序如下：
第一位：受拉結(jié)構(gòu)
第二位：拉-壓結(jié)構(gòu)
第三位：受壓結(jié)構(gòu)
第四位：受彎結(jié)構(gòu)
【準(zhǔn)則12】均衡與穩(wěn)定準(zhǔn)則一般工程結(jié)構(gòu)必須保持靜力平衡，即結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
處于地球重力場(chǎng)內(nèi)的一切物體,只有當(dāng)其重心最低且左右均衡時(shí),才會(huì)給人穩(wěn)定的感覺。從力學(xué)與美學(xué)角度上講，要求結(jié)構(gòu)均衡。保持靜力平衡（空間結(jié)構(gòu)靜力平衡方程，詳見理論力學(xué)）是橋梁結(jié)構(gòu)安全與美觀的前提條件。
【準(zhǔn)則13】韻律感與節(jié)奏感準(zhǔn)則合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)有韻律感和節(jié)奏感。
由準(zhǔn)則3可知，功能決定了結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)構(gòu)并非由雜亂的構(gòu)件拼湊而成，而是按功能要求有機(jī)地結(jié)合起來，這樣形成的合理結(jié)構(gòu)必然具有韻律感和節(jié)奏感。
準(zhǔn)則13是衡量橋式美觀的重要準(zhǔn)則。橋梁孔徑的變化、墩高的變化、式樣的變化、橋面的起伏、斜拉索的輻射、大纜優(yōu)美的曲線及拱的彎曲等等都形成了韻律與節(jié)奏。和諧的韻律與節(jié)奏使美麗的橋梁看上去如無聲而美妙的音樂。
有關(guān)橋梁輪廓尺寸的協(xié)調(diào)比例關(guān)系見如下準(zhǔn)則14：
【準(zhǔn)則14】橋梁輪廓尺寸協(xié)調(diào)準(zhǔn)則
?、倭簶蚧蚬皹蛳噜徔缍鹊谋戎担ㄐ】绫却罂纾┮嗽凇?.4，1】?jī)?nèi)，接近0.618(黃金分割比例)時(shí)，橋跨變化會(huì)顯得平順、流暢、有韻律感與節(jié)奏感。
?、诹簶蚨崭吲c跨度之比宜在【0.25,0.85】?jī)?nèi)，接近0.618時(shí)，橋高與跨度的比例最為和諧。
③拱橋之矢跨比宜在[1/8，1/4]內(nèi)。
?、苄崩瓨蛩魉叨龋ㄗ詷蛎嫠闫穑┡c中跨之比宜在[1/7，1/4]內(nèi)，邊跨與中跨之比宜在[1/3，1/2]內(nèi)。
?、輵宜鳂虼罄|矢跨比宜在[1/7，1/11]內(nèi)，邊跨與中跨之比宜在[1/4，1/2]內(nèi)。為保證大纜散索的穩(wěn)定,在散索鞍處,大纜的豎向轉(zhuǎn)角應(yīng)大于最大水平散索角的1.57倍.
⑥帶單懸臂的簡(jiǎn)支梁，懸臂長(zhǎng)與簡(jiǎn)支跨長(zhǎng)之比宜取0.41左右。
?、邘щp懸臂的簡(jiǎn)支梁，懸臂長(zhǎng)與簡(jiǎn)支跨長(zhǎng)之比宜取0.35左右。
?、鄮щp懸臂的兩等跨連續(xù)梁，當(dāng)施工過程中未發(fā)生體系轉(zhuǎn)換時(shí)，其懸臂長(zhǎng)與跨度之比宜取1/3左右。
⑨三跨連續(xù)梁，當(dāng)施工過程中未發(fā)生體系轉(zhuǎn)換時(shí)，其邊跨長(zhǎng)與中跨之比宜取0.8左右。
?、庵虚g跨為等跨的多跨連續(xù)梁，其邊跨與中跨跨度之比宜在[0.65,0.70]內(nèi)。
準(zhǔn)則14是橋梁美觀、經(jīng)濟(jì)、受力合理三者統(tǒng)一協(xié)調(diào)的典型表現(xiàn)。
【準(zhǔn)則15】形式感與量感準(zhǔn)則合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)有形式感和量感。
形式感是指藝術(shù)領(lǐng)域中形式因素本身對(duì)于人的精神所產(chǎn)生的某種感染力。如：
?、偎骄€條給人的感受是親切、委婉，它使人聯(lián)想到平靜的水面、一望無際的平原；
?、诖怪本€條給人的感受是莊嚴(yán)、高昂，它使人聯(lián)想到向上生長(zhǎng)的樹木、挺立蒼穹的高山。
?、坌本€具力感、動(dòng)感和方向感；
?、懿ㄐ尉€條可以產(chǎn)生流動(dòng)感、跳躍感；
?、輵姨艟€條可以產(chǎn)生靈巧感、騰越感；
⑥半圓曲線會(huì)使人聯(lián)想到掛在空中的彩虹；兩個(gè)半圓曲線的組合會(huì)使人聯(lián)想到展翅飛翔的海鷗；
?、哒诺娜切谓o人以穩(wěn)定、安全的感覺，而倒放的三角形會(huì)使人感到危險(xiǎn)與不安；
?、鄨A形給人以純情、圓潤(rùn)、完美的感受，而球體及橢球體被認(rèn)為是完美的物體；
⑨矩形給人以理性、中規(guī)中矩的感受。
正是有規(guī)律的幾何圖形（可用函數(shù)表達(dá)，常見的幾何線、面、體詳見有關(guān)數(shù)學(xué)手冊(cè)），才激發(fā)起人們的美感。
【準(zhǔn)則16】橋梁特有的美學(xué)特征
橋梁有別于其它結(jié)構(gòu)的美學(xué)特征有：
*通達(dá)之美、
*凌空之美、
*流暢之美、
*剛?cè)嶂?br />
*裸露之美。
橋梁由此岸到達(dá)彼岸，使道路通達(dá)，因而有其功能美-通達(dá)之美。
橋梁為一跨越結(jié)構(gòu)，其騰空飛架的梁索讓人感受到了凌空之美，因此較路基有通透感。
橋梁為一帶狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)大橋中的豎曲線設(shè)置使橋面看上去連續(xù)流暢、纖細(xì)輕快。
橋梁結(jié)構(gòu)兼顧了剛?cè)嶂?。梁、拱之纖細(xì)、親切、委婉，墩塔之雄壯、莊嚴(yán)、高昂，斜索之力感、動(dòng)感、方向感，大纜之起伏、飄動(dòng)、流暢、張力感等。
橋梁結(jié)構(gòu)，除基礎(chǔ)外，大部分暴露于大氣中，其形態(tài)、色澤、質(zhì)感、傳力途徑等均一目了然，毫無遮掩，給人以親切感與美感。橋梁的這種少裝飾性，也使得有別于其他建筑的橋梁，其結(jié)構(gòu)與其外在形式非常接近。
橋梁的造型美是第一位的，而色彩美是第二位的。
【準(zhǔn)則17】橋梁與環(huán)境協(xié)調(diào)準(zhǔn)則工程結(jié)構(gòu)的造型與體量應(yīng)與環(huán)境（包括自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、人文環(huán)境、建筑環(huán)境等），如江河、湖泊、海洋、峽谷、山巒、房屋建筑、塔亭、道路、大型雕塑、森林或公園、農(nóng)田或曠野、農(nóng)舍或廟宇等，相協(xié)調(diào)。
【準(zhǔn)則18】地形與橋式準(zhǔn)則一般來說，山區(qū)地形宜修建拱橋或吊橋；平原地形宜修建梁橋或斜拉橋。
一般來說，橋梁與周圍環(huán)境相比會(huì)顯得較小，在人們的視線里，就只看到其輪廓，因此，橋梁以其輪廓美為主。考慮到行人上橋觀光，近距離看橋，因此，橋梁美應(yīng)兼顧細(xì)部美。橋梁造型及體量與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)的類型有以下幾種：
?、佼?dāng)橋梁規(guī)模較大、氣勢(shì)宏偉時(shí)，突出橋梁之美；
②當(dāng)橋梁較小或影響其他重要物體之美時(shí)，橋梁順從他物之美；
?、郛?dāng)橋梁與周圍景觀相當(dāng)且協(xié)調(diào)時(shí)、選擇橋梁與他物爭(zhēng)奇斗妍。
【準(zhǔn)則19】造型與受力準(zhǔn)則
筆者以為，當(dāng)跨度不大時(shí)，由于橋梁受力不大，其造型發(fā)揮的余地就大，能夠很好地供人觀賞；而當(dāng)跨度較大時(shí)，由于橋梁受力較大，其造型當(dāng)以結(jié)構(gòu)受力合理為重心進(jìn)行選擇，而這種造型并不是不美。這是技術(shù)與藝術(shù)的統(tǒng)一。
準(zhǔn)則3表明：功能決定結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)與裝飾形成外形（形式）,即外形=結(jié)構(gòu)+裝飾。而橋梁裝飾很少，或即使裝飾，但很少改變其外形或輪廓。因此，對(duì)于橋梁建筑而言，其功能也就決定了其外在形式。
【準(zhǔn)則20】可靠性準(zhǔn)則
合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)使結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)安全可靠，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及耐久性均應(yīng)滿足要求。
如果說前面的準(zhǔn)則是從力學(xué)角度及美學(xué)角度等探討結(jié)構(gòu)構(gòu)思的話，那么，本準(zhǔn)則20則是驗(yàn)證構(gòu)思是否成立。
如前所述，由于橋梁建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算聯(lián)系緊密，因此，在橋梁的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，方案構(gòu)思與結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)交叉進(jìn)行、相互協(xié)作。
3 規(guī)則的運(yùn)用
筆者認(rèn)為，機(jī)械地或孤立地使用準(zhǔn)則是不可取的，因?yàn)楦鳒?zhǔn)則之間是有相互聯(lián)系的、有相互制約的。整體地使用準(zhǔn)則、對(duì)特定對(duì)象能夠權(quán)衡各準(zhǔn)則的輕重等均需建筑師或工程師實(shí)踐的磨練。
這里,我們借用均衡理論。數(shù)學(xué)家約翰.納什（John Nash）提出了均衡理論,其要義在于：有相互制約(即對(duì)抗條件下)的雙方可以通過向?qū)Ψ教岢鐾{或要求，找到雙方都能夠接受的解決方案,而不至于因?yàn)楦髯宰非笞晕依娑鵁o法達(dá)到妥協(xié)，甚至兩敗俱傷。穩(wěn)定的均衡點(diǎn)建立在找到各自的“占優(yōu)策略”(dominant strategy)，即無論對(duì)方作何選擇，這一策略優(yōu)于其他策略。
對(duì)于橋梁建筑設(shè)計(jì)來說,均衡理論是設(shè)計(jì)師的信條之一，即相信：矛盾是可以解決的。在解決矛盾的過程中，建筑師是裁判長(zhǎng),提出仲裁的一方是人及其主觀要求（建筑師為代理）,而另一方是自然及其客觀條件.筆者認(rèn)為，整體地使用準(zhǔn)則、對(duì)待特定對(duì)象時(shí)能夠權(quán)衡各準(zhǔn)則的輕重等均需裁判長(zhǎng)，即建筑師或工程師實(shí)踐的磨練。
4 橋式方案研究[4]
橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論豐富了橋梁科學(xué)，為橋式方案設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。橋式方案設(shè)計(jì)包括
?、倨矫嬖O(shè)計(jì)，即平面線形（交通功能）選取及橋梁平面布置等；
?、诹⒚嬖O(shè)計(jì)，即孔跨布置（跨越功能分區(qū)）及式樣選擇等
?、蹤M斷面設(shè)計(jì)，即橋面布置（交通功能分區(qū)）及橋梁橫向布置等。
橋梁方案設(shè)計(jì)主要受橋址自然條件如：*地形、 *地貌、*地質(zhì)、 *地震、*水文、 *氣象、 *通航、 *跨線或其他障礙物等）、
橋梁功能或設(shè)計(jì)要求（即設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)）如：*交通量、*路線等級(jí)、*設(shè)計(jì)荷載、*交通分區(qū)布置、*設(shè)什壽命
等及施工方法等（還包括防洪、動(dòng)植物環(huán)境保護(hù)、水土環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)環(huán)境保護(hù)等）的制約。交通量等決定了橋梁寬度；通航凈寬決定橋跨下限；通航凈高、通航孔跨決定橋梁建筑高度；橋面縱坡及起橋高度、橋梁建筑高度三者決定了橋長(zhǎng)。一般情況下，地質(zhì)越差或下部結(jié)構(gòu)投資越大，就越宜采用較大的跨度，以減少支承結(jié)構(gòu)的工程量，從而節(jié)省投資。
此外，橋式方案設(shè)計(jì)尚應(yīng)考慮統(tǒng)一性或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與施工。橋式候選方案應(yīng)以橋式理論為基礎(chǔ)，結(jié)合橋址工程條件提出（跨度、橋式及施工方法三者緊密聯(lián)系），對(duì)于明顯較差的方案應(yīng)及時(shí)舍去。橋式方案比選應(yīng)從以下四個(gè)方面進(jìn)行比較：適用（功能）、經(jīng)濟(jì)（投資與效益）、耐久與美觀；比較的項(xiàng)目應(yīng)包括
?、倏卓绮贾?、式樣、建筑高度、橋梁高度、橋長(zhǎng)及起橋高度；
?、跇蛄簷M截面形式（包括橋面布置）及主要尺寸；
?、酃こ虜?shù)量、施工方法、工期及造價(jià)（勘察設(shè)計(jì)費(fèi)、建筑安裝費(fèi)、養(yǎng)護(hù)管理費(fèi)等）；
?、芄δ?、可靠性及耐久性；
?、輽C(jī)動(dòng)分析、靜力平衡、傳力路徑及受力均勻性分析；
?、揄嵚膳c節(jié)奏感、輪廓尺寸比例、體量及造型與地形、地物等的協(xié)調(diào)；
?、咂渌容^項(xiàng)目及優(yōu)缺點(diǎn)。
等七大項(xiàng)。
5 結(jié)語
橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論是對(duì)橋梁各構(gòu)件組成規(guī)律的研究，為橋式方案設(shè)計(jì)、乃至橋梁建筑學(xué)提供了理論基礎(chǔ)，減少了橋式探索中的盲目性。以其為指南，必將對(duì)未來大型橋梁的建設(shè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)
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【4】鐵三院，鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范(TB10002.1-99)【S】，北京，中國(guó)鐵道出版社， 2000。
【5】張師定著,橋梁建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)思與設(shè)計(jì)技巧【M】.北京.人民交通出版社,2002。
Study on Optional Design Theory of Bridge Types
Zhang Shiding
(The Architectural Research & Design Institute of Qingdao)
[Abstract] According to the principle of architectural aesthetics and engineering mechanics, the 20 rules for justified design of bridge types/shapes are presented in this paper. The result of analysing the principle can constitute the design theory of bridge types(shapes) and provide reference for practice of optional design.
[Keywords] optional design ; bridge type(shape); engineering mechanics; architectural aesthetics; function; structure; shape.
