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單的結構力學體系(如梁、拱、索結構)或由兩種簡單體系組合而成的結構力學體系(如系桿拱，斜拉懸吊結構，斜拉拱橋等)，初步形成滿足功能要求、符合結構設計原理(受力合理)的橋梁空間結構形式。橋梁造型是指在橋梁選型基本確定之后，基于建筑美學法則，對初步構思成型的橋梁整體或局部進行形狀變換或調整，優(yōu)化結構的空間布局、配置方式和尺度變化，并結合環(huán)境因素對橋梁的造型風格進行定位。
橋梁選型和造型均屬于概念設計范疇，兩者相互關聯、互為影響，是結構設計中最富有創(chuàng)造性的階段，是橋梁力學和美學得以體現的重要環(huán)節(jié)。合理的橋型會使得結構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，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，或因其雜亂無章、呆板單調、與環(huán)境格格不入的外在形象而遭詬病。因此，設計者想要設計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真對待橋梁選型與造型。
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、水文、通航等)、結構體系的受力特性和橋梁美學及景觀的基礎之上因地制宜地選出不僅造型美觀、安全耐久，而且經濟合理、施工方便、技術先進的橋梁結構形式。影響橋梁結構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方面。功能要求主要體現在安全適用、經濟美觀和養(yǎng)護維修要求。橋梁選型與造型的約束條件主要有自然條件、經濟條件、時間條件和技術條件四個方面。
2橋梁選型
橋梁選型取決于功能要求和約束條件，其與傳統的橋型方案的確定過程相同。除自然條件、技術條件等因素外，不同的橋梁結構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、拱肋數量等，斜拉橋的體系因素包括索塔數量、索面數量及布置方式、塔墩梁連接關系等。
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為例分別加以簡單說明。
2.1拱橋選型
作為最古老的橋型之一，拱橋以其剛柔并濟的結構美深得設計者的喜愛。隨著科學技術的進步以及新材料、新工藝的應用，拱橋的結構形式在世界范圍內得到了長足發(fā)展。
影響拱橋選型的體系因素主要包括：
1．結構體系。包括有推力拱(如亨利克大橋)，無推力拱(如費馬恩橋)，組合拱(如菜園壩大橋)。
2．橋面位置。包括上承式(如萬縣長江大橋)，中承式(如盧浦大橋)，下承式(如費馬恩橋)。
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．拱肋數量。包括單肋，雙肋(如盧浦大橋)．三肋(如大勝關大橋)。
2.2斜拉橋選型
斜拉橋以其優(yōu)秀的跨越能力、簡潔有力的結構影式得到人們的青睞，成為現代橋梁，尤其是大橋、標志性橋梁選用最多的一種結構形式。
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)。
按索面內的布置形狀分為輻射形(如法國圣．納澤爾橋)、扇形(如南京長江三橋)、平行形(如阿拉米羅大橋)，空問索面(包括曲索面)、組合索面的應用也越來越多。
3．孔跨布置。雙塔三跨式(如多多羅大橋)，獨塔雙跨式(如閔浦二橋)，獨塔單跨式(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)秀的橋梁設計應具有以下特點：在應用上，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：在技術上，要體現科技和工程的新發(fā)展：在造型上，要與建筑藝術融為一體；在建造上，要合理用材并與施工實際相結合。橋粱設計者應在保證結構合理的基本前提下．考慮當地的社會、歷史、自然環(huán)境，充分運用建筑美學法則。
3.2橋梁美學及造型設計
回顧國內外歷史上的橋梁工程不難發(fā)現，前人對橋粱作為建筑的美學特性極其重視。然而近幾十年來，由于國內基礎建設速度過快，一方面，大部分中小跨度橋梁的美學處理沒有得到足夠重視：另一方面．由于過份強調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、美學效果卻不盡人意的橋粱。
作為橋梁設計人員，不僅要具有廣泛的科學技術知識和工程設計能力，還要具有一定的美學藝術素養(yǎng)和創(chuàng)造構思能力，才能根據現代社會的需要，較好地實現技術與藝術的結合。創(chuàng)造出從功能到形式均能符合時代要求的設計。
①橋梁造型設計的內容
力學性能和形式構成是橋梁造型設計的兩大基本出發(fā)點。橋梁造型設計更加具有實踐性和可操作性。從整體布置到細部構造，橋梁造型設計力求在不同層次上達到形式與功能的融合，表現力與美的統一。橋梁造型應該與橋位的地理特征、景觀特性及區(qū)域風俗文化相適應，并在結構形式上符合比例均衡、韻律、節(jié)奏等技術美學的基本原理要求。造型設計的內容包括造型概念設計、整體造型設計、構件造型設計、色彩設計、燈光設計、綠化與裝飾等。造型設計的內容和深度應根據橋梁建設的規(guī)模、橋梁區(qū)域特點、橋梁建設目的等有所區(qū)別。
②橋梁造型設計的基本方法
設計概念的建立和豐富必須是在對環(huán)境情況和結構性能的準確把握的基礎之上，同時融入設計師創(chuàng)造性的勞動。在橋梁造型的設計過程中，應根據設計概念和環(huán)境的特點、橋梁設計條件確定主要構型，其他構型以之為基調進行配合，做到重點突出。通過必要的整合形成造型單元后，即可進一步在全橋范圍內結合結構性能進行變化擴展。基本的造型設計方法包括單元造型法、整體造型法、線性設計法、比例設計法、拓撲優(yōu)化法等。橋梁仿生造型設計是實現橋梁建筑造型創(chuàng)新的一種常用手段。
3.3橋梁仿生造型設計
當人類創(chuàng)造力的發(fā)展受到限制時，不要忘了回歸到靈感的最初來源，那就是自然。經過數十億年的殘酷淘汰，只有那些能適應惡劣外部環(huán)境的物種才得以保存和進化。不難發(fā)現，大自然中生物不僅種類繁多，許多物種在其結構和功能上都具備精煉、高效的特點，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)造美的原動力。設計向自然學習并獲得靈感的過程。
仿生學是生物學、數學和工程技術學相互滲透結合成的一門模仿生物系統，具有生物系統特征或類似特征的新興邊緣學科。作為應用生物學的一個分支，仿生學是生物進化對人類在仿生概念領域研究與實踐的啟發(fā)。仿生學研究生物系統的結構和性質，為工程技術提供新的設計思想及工作原理，廣泛應用于工業(yè)設計、建筑設計等領域。
長久以來，橋梁領域秉持著結構決定造型的設計原則。然而設計師們掌握的橋梁結構形式種類有限，有限的橋梁結構形式限制了橋梁造型的創(chuàng)新，“千橋一面”的尷尬現象也就在所難免了。橋梁造型的發(fā)展迫切需要設計師們?yōu)槠渥⑷胄碌撵`感和創(chuàng)意。鑒于仿生學設計方法在建筑設計中的出色表現，我們將其引入橋梁設計。
創(chuàng)造性思維和對生物結構特征的認知能力是進行橋梁仿生設計的基本要求。雖然仿生設計的研究領域非常廣泛，但可應用于橋梁仿生設計中的主要有仿自然現象的設計、仿生物形態(tài)的設計和仿生物結構的設計三方面內容。
（1）仿自然現象的橋粱設計。如波浪、彩虹等呈現出曲線的自然現象對每個人來說都不陌生，這些自然狀態(tài)不僅造型美觀，結構受力也相當合理，是橋梁造型設計的靈感來源。
（2）仿生物形態(tài)的橋梁設計。仿生物形態(tài)的設計強調對生物外部形態(tài)美感的感受和靈活運用。橋梁設計中恰當地模仿生物外部形態(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）仿生物結構的橋梁設計。人類社會一切結構的存在都是直接或間接地來源于自然，只有對生物結構進行理性的認識才能將其合理地運用到橋梁造型設計中來。生物想生存，就必須有一定強度、剛度和穩(wěn)定性的結構來支撐。一株草、一個蜂窩、一面蜘蛛網、一只貝殼看上去顯得非常弱小，卻能夠抵御強大的外力，這就是一個科學合理的結構在生物體身上發(fā)揮的作用?，F有的結構仿生設計中，設計師主要針對植物結構和動物結構進行研究。
結束語
橋梁選型和造型是結構設計中最富有創(chuàng)造性的階段，是橋梁力學和美學得以體現的重要環(huán)節(jié)。隨著人們對建筑承載文化心理需求的要求越來越高，公路橋梁設計中也必須適應這種需求。公路橋梁設計工程師提高自身的美學修養(yǎng)，肩負起建筑師和結構工程師的雙重責任。
