一、概 述

橋梁作為公共建筑物，是人類根據(jù)生活和生產(chǎn)發(fā)展的需要，利用所掌握的物質(zhì)技術(shù)手段，在科學(xué)規(guī)律和美學(xué)法則支配下，通過精心設(shè)計(jì)而創(chuàng)造出的人工構(gòu)造物，是人文科學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。橋梁以其實(shí)用性、巨大性、固定性、永久性和藝術(shù)性極大的影響并改變了人類的生活環(huán)境。橋梁的美如何進(jìn)行創(chuàng)造也是人們關(guān)心的問題。和其他構(gòu)造物有所不同，作為一種結(jié)構(gòu)藝術(shù)，實(shí)際上橋梁的美是可以通過技術(shù)的方式來達(dá)到的。

目前我國在橋梁建設(shè)管理的一些慣例和辦法在一定程度上加劇了橋梁工程的病害問題。其中只注重建設(shè)初期的成本，而忽視橋梁從規(guī)劃、建設(shè)到運(yùn)營、破壞整個(gè)壽命周期的總體成本。各國橋梁使用實(shí)踐證明，如果片面追求較低的建造費(fèi)用而忽視了對結(jié)構(gòu)耐久性的改善，不僅影響運(yùn)輸交通的安全、減少結(jié)構(gòu)使用壽命，同時(shí)投入的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用十分可觀，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建造中節(jié)省的費(fèi)用。

全壽命經(jīng)濟(jì)分析法的基本思想是，在設(shè)計(jì)施工階段，不論是事先采取防護(hù)措施還是以后“壞了再修”，都要做出經(jīng)濟(jì)預(yù)算和比較，設(shè)計(jì)者和承建者要對工程的“全壽命”負(fù)責(zé)到底，目前，美國已強(qiáng)制實(shí)施基建工程管理中的“全壽命經(jīng)濟(jì)分析法”（簡稱LCCA，即Life Cycle Cost Analyze）。

組合結(jié)構(gòu)橋梁今年來得到了飛速的發(fā)展。法國工程界提出的波折腹板組合箱梁橋，是利用波折鋼板抗剪強(qiáng)度大、縱向剛度小的特點(diǎn)，將其設(shè)置在腹板，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)自重、減少腹板承擔(dān)預(yù)應(yīng)力的目的。同時(shí)從抗彎、抗壓的角度來看，使用波折腹板后，頂?shù)装鍐为?dú)受力，減少了干燥收束、徐變、溫差的影響，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)控制設(shè)計(jì)。

本文將通過對日本多多羅斜拉橋和丹麥的大海帶懸索橋等幾座橋梁的造型特點(diǎn)的研究，介紹了使用造型單元設(shè)計(jì)法、整體造型設(shè)計(jì)法、拓?fù)浞治龅确椒ㄈ绾芜M(jìn)行橋梁美的創(chuàng)造；然后通過對國外幾座橋梁所進(jìn)行的全壽命經(jīng)濟(jì)分析，闡述在橋梁設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段進(jìn)行全壽命經(jīng)濟(jì)分析的必要性和基本原理；最后通過對一座典型組合結(jié)構(gòu)橋梁的介紹，來說明組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展和應(yīng)用。這幾個(gè)方面的國外經(jīng)驗(yàn)，無疑是值得我們參考借鑒的。

二、 橋梁的造型設(shè)計(jì)示例    

2.1造型單元設(shè)計(jì)法

急于基本造型元素的基礎(chǔ)上，經(jīng)過簡單的加工（包括加法構(gòu)成和減法構(gòu)成）就形成了造型單元。在橋梁造型設(shè)計(jì)中，以造型單元為基本構(gòu)件進(jìn)行組合，從而產(chǎn)生橋梁整體形態(tài)。造型單元的選取應(yīng)當(dāng)符合結(jié)構(gòu)的要求，并盡量與橋梁的基本構(gòu)件相統(tǒng)一。確定了幾類基本的造型單元，橋梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)組成構(gòu)件就可以以這些造型單元為模板，按具體的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行尺度和比例的變化，并最終構(gòu)成橋梁結(jié)構(gòu)整體。比如，給橋墩選定一個(gè)基本的造型單元，各墩就可將其作為模板進(jìn)行變化來適應(yīng)變化了的平、縱線形，滿足不同的承載能力和穩(wěn)定性要求。以造型單元為基本素材可以廣泛地應(yīng)用于各種體系和形式的橋梁造型設(shè)計(jì)，在強(qiáng)調(diào)各主要功能單元的同時(shí)更好地實(shí)現(xiàn)全橋的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)，降低造型中的盲目性并簡化造型設(shè)計(jì)。

圖1  橋梁造型單元設(shè)計(jì)法

大海帶橋突出的是板的概念，可以將一個(gè)向上收的板看作是全橋造型設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要造型單元，橋塔、邊墩以及錨碇都可以看成是以這個(gè)板為基本造型單元，考慮各自的結(jié)構(gòu)要求和受力特點(diǎn)進(jìn)行演變而來的。橋塔可以看作是板件裁切的結(jié)果，屬減法構(gòu)成，與扁箱梁形式協(xié)調(diào)。另外，大海帶橋在引橋墩和梁的造型上也突出了板的特點(diǎn)，全橋統(tǒng)一于一個(gè)“飄帶”的概念:各個(gè)部分有相似的風(fēng)格，又有不同的最終形式，有變化，有統(tǒng)一，從而有機(jī)組織在一起。

圖2  大海橋帶

在多多羅大橋主塔造型確定之后，邊跨的橋墩形狀設(shè)計(jì)為了與主塔下塔柱形狀相協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)成向下收攏的形狀；同時(shí)中間設(shè)空，使其有開放感同時(shí)盡量不妨礙視野，即有橫梁的V形墩的形式。另外與多多羅大橋相接的高架橋的橋墩也采用相同的形狀。從總體上看，依線形和地勢而高低各異的橋墩具有相似的性格，因而有機(jī)統(tǒng)一在一起。

圖3  多多羅橋墩

2.2整體造型設(shè)計(jì)法

如果說造型單元設(shè)計(jì)法源于形的加法構(gòu)成思想，那么橋梁的整體造型設(shè)計(jì)法即源于形的減法構(gòu)成思想。整體造型設(shè)計(jì)法更加強(qiáng)調(diào)的是橋梁形式的整體性。在這里，各構(gòu)件的功能性得到一定的弱化，相互之間沒有明顯的區(qū)分。

圖4  橋梁整體造型設(shè)計(jì)法

2.3利用拓?fù)浞治鰞?yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)造型

拓?fù)鋬?yōu)化的目的就是在單獨(dú)荷載或多個(gè)荷載的作用下，尋求對材料的最佳使用方式，即造型的優(yōu)化（shape optimization or layout optimization）。對材料的最充分使用在拓?fù)鋬?yōu)化中，代表的是最大剛度的設(shè)計(jì)。

從理論上講，拓?fù)鋬?yōu)化尋求的是最小挖空率下最小化結(jié)構(gòu)變形能Uc（minimize the energy of structural compliance），并以此為目標(biāo)函數(shù)。最小化柔度等價(jià)于結(jié)構(gòu)剛度的最大化，故實(shí)際上經(jīng)常是以結(jié)構(gòu)整體剛度和自振頻率為目標(biāo)函數(shù)。下圖是一個(gè)V＝60的例子，其中圖a表示載荷和邊界條件，圖b則以密度云圖形式繪制的拓?fù)浣Y(jié)果。

圖5  體積減少60%的拓?fù)鋬?yōu)化示例

將拓?fù)鋬?yōu)化的方法應(yīng)用于橋梁造型的研究中，特別是對于橋塔，錨碇，墩臺(tái)這些能夠強(qiáng)烈的表現(xiàn)出力感，同時(shí)又對造型要求很高的構(gòu)件來講是非常有意義，也是非常必要的。

圖7是初步設(shè)想的對橋塔進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的示意圖，其中圖a為塔頂兩個(gè)荷載的情況，類似典型懸索橋（圖c）的情況；圖b為塔頂一個(gè)集中荷載的情況，類似斜拉橋倒Y型橋塔（圖d）的情況。拓?fù)鋬?yōu)化中以不同的挖空率為約束條件，以最大剛度或最大基頻為目標(biāo)，按不同的荷載和約束情況進(jìn)行分析。需要指出的是，拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果不可能是最終的設(shè)計(jì)，它還必須經(jīng)過設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性的工作才有可能應(yīng)用于成功的橋梁設(shè)計(jì)。

圖7 橋塔拓?fù)鋬?yōu)化示意

3.4利用彎矩特點(diǎn)優(yōu)化橋梁造型

利用彎矩特點(diǎn)優(yōu)化橋梁整體或主體構(gòu)件也是橋梁造型設(shè)計(jì)中常用的方法，但這一方法不能偏激的理解為結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該和彎矩圖保持完全一致。對于簡支梁的受力特點(diǎn)，人們提出了魚腹梁的形式。但由于這種結(jié)構(gòu)形式只是對彎矩圖的簡單模仿，并沒有從造型和人性化的角度去加以升華，因而漸漸銷聲匿跡了。

圖8是一個(gè)處理比較好的例子，即利用了梁的彎矩特點(diǎn)又使形式上親切輕快。

圖8 利用彎矩特點(diǎn)設(shè)計(jì)主梁造型