橋梁概念設(shè)計(jì)理論與研究方法探討

胡學(xué)民

從現(xiàn)階段橋梁發(fā)展現(xiàn)狀來看，21世紀(jì)將迎來世界橋梁更大規(guī)模的建設(shè)高潮。橋梁具備產(chǎn)品的一般屬性，可以將產(chǎn)生于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)移植于橋梁工程[1-3]?，F(xiàn)在，對(duì)橋梁概念設(shè)計(jì)研究早已引起了世界各國(guó)的關(guān)注，尤其在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，橋梁概念早已成為實(shí)踐的對(duì)象，而在我國(guó)處于初步階段，對(duì)其研究具有顯著理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 橋梁概念設(shè)計(jì)特點(diǎn)

橋梁概念設(shè)計(jì)牽涉多個(gè)學(xué)科，多個(gè)領(lǐng)域，由建筑師、環(huán)境工作者、景觀工程師、地質(zhì)工作者、環(huán)保工作者等相關(guān)專業(yè)人員組成團(tuán)隊(duì)合作的結(jié)果[4，5]。

1)創(chuàng)新性。創(chuàng)新性即橋梁結(jié)構(gòu)體系和造型設(shè)計(jì)的獨(dú)創(chuàng)性和原創(chuàng)性，創(chuàng)新是橋梁設(shè)計(jì)的靈魂，是橋梁發(fā)展的動(dòng)力。設(shè)計(jì)人員不僅應(yīng)具有創(chuàng)新的意識(shí)，還要有創(chuàng)新的能力，要勇于突破定勢(shì)思維，打破傳統(tǒng)觀念和經(jīng)驗(yàn)的束縛，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性和想象力。設(shè)計(jì)人員應(yīng)具有扎實(shí)的力學(xué)知識(shí)，在尋求創(chuàng)新的同時(shí)，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理。除了創(chuàng)造力之外，設(shè)計(jì)者還應(yīng)具備創(chuàng)造精神和創(chuàng)造人格。設(shè)計(jì)者應(yīng)該對(duì)人們不斷變化的觀念有敏銳的洞察力，并能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)橋梁概念設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)。

2)協(xié)調(diào)性。橋梁建設(shè)是一個(gè)多學(xué)科、多領(lǐng)域?qū)I(yè)人士合作的復(fù)雜過程，橋梁與自然或人工環(huán)境、人文環(huán)境等得協(xié)調(diào)一致。因此，設(shè)計(jì)中需要考慮的因素很多，不僅需要考慮橋梁建設(shè)、使用過程中的各種影響因素，還需要考慮橋梁達(dá)到使用年限后的問題，各種因素應(yīng)該在概念設(shè)計(jì)階段就提出來，并協(xié)調(diào)好各因素間的關(guān)系，不能等問題出現(xiàn)后再想解決的辦法。

3)適應(yīng)性。橋梁與環(huán)境相互關(guān)系大致可以分為如下情況:橋梁與環(huán)境相互融合，橋梁成為環(huán)境不可分割的一部分;橋梁凌駕于環(huán)境之上，這種情況適合地勢(shì)平坦、單調(diào)的環(huán)境，或橋梁起路標(biāo)和象征作用的情況;將橋梁隱藏于環(huán)境之中，這種情況適合周圍環(huán)境非常優(yōu)美時(shí)，而橋梁的介入會(huì)破壞優(yōu)美的自然環(huán)境。值得一提的是，當(dāng)橋位附近有已建橋梁時(shí)，新橋概念設(shè)計(jì)必須考慮到已建橋梁，新橋與已建橋梁是相互補(bǔ)充、互為印證的關(guān)系，不能形成彼此獨(dú)立的局面。當(dāng)既有橋梁使用價(jià)值和概念設(shè)計(jì)價(jià)值較高時(shí)，新橋概念設(shè)計(jì)應(yīng)從屬于舊橋，無(wú)論在結(jié)構(gòu)形式、色彩及建設(shè)規(guī)模上都不應(yīng)該有明顯差異。

4)可行性。一座成功的橋梁不僅需要好的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)體系和造型創(chuàng)新，還需要有優(yōu)質(zhì)的建造技術(shù)和施工質(zhì)量。無(wú)論設(shè)計(jì)方案多么美觀，還要考慮所做設(shè)計(jì)是否能由工程實(shí)現(xiàn)，否則概念設(shè)計(jì)只能淪為紙上談兵。因此，保證施工質(zhì)量，使橋梁最終建設(shè)效果與設(shè)計(jì)圖紙相符是成功的關(guān)鍵。選擇一支高素質(zhì)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、勘測(cè)團(tuán)隊(duì)及施工隊(duì)伍，加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè)作用是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 概念設(shè)計(jì)在橋梁工程中的應(yīng)用

由于受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通運(yùn)輸、建筑材料、施工技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論綜合影響，橋梁概念設(shè)計(jì)的發(fā)展在不同歷史階段呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，概念設(shè)計(jì)思想也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)[7]。

1)古代橋梁。古代橋梁大致指 19世紀(jì)中葉以前所修建的橋梁，建橋材料以天然的或加工過的木材、石材為主，即竹索、藤索、鐵索、鑄鐵，乃至鍛鐵。這些橋梁的設(shè)計(jì)和施工完全依靠建造者的經(jīng)驗(yàn)，沒有力學(xué)知識(shí)的指導(dǎo)。在橋式方面，有梁、拱和索橋三大類。當(dāng)時(shí)技術(shù)落后，工具簡(jiǎn)陋，不會(huì)修建深水基礎(chǔ)，施工周期也長(zhǎng)。因此，這一時(shí)期的橋梁不存在概念設(shè)計(jì)的問題。

2)近代橋梁。隨著冶煉業(yè)的發(fā)展，18世紀(jì)中期開始采用鑄鐵建造橋梁。由于鑄鐵性脆，受拉強(qiáng)度低而受壓強(qiáng)度高，故鑄鐵主要是用以修建拱橋。在 19世紀(jì)，鋼鐵等高強(qiáng)材料的大規(guī)模使用，導(dǎo)致產(chǎn)生了新的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)原則。在混凝土技術(shù)的應(yīng)用方面，19世紀(jì)60年代法國(guó)園藝家蒙耶發(fā)明了用金屬條加固混凝土制成鋼筋混凝土的方法，后來法國(guó)工程師尤金?弗蘭西涅(1879年 ～1962年)發(fā)明了預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)。隨著鐵路和汽車的相繼出現(xiàn)，陸地交通運(yùn)輸對(duì)橋梁有了更高的要求。橋梁的跨度變大、橋面更寬、承載能力也更大，需要根據(jù)不同的實(shí)際情況選擇建橋材料和跨越體系，于是有了橋梁選型的最初實(shí)踐，從工程技術(shù)角度為橋梁概念設(shè)計(jì)的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3)現(xiàn)代橋梁。近年來，橋梁概念設(shè)計(jì)在標(biāo)志性橋梁方案比選和人行橋的造型設(shè)計(jì)中得到了充分發(fā)揮。隨著橋梁作為建筑的美學(xué)價(jià)值越來越為人們所重視，概念設(shè)計(jì)更加廣泛，作為橋梁前期設(shè)計(jì)的重要階段逐漸得到業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可和應(yīng)用。在國(guó)外，瑞士的圣尼伯格橋、德國(guó)斯圖加特市的內(nèi)森巴赫山谷高架橋、丹麥的大貝耳特橋、澳大利亞墨爾本的韋伯橋、美國(guó)波士頓的邦克山橋、西班牙塞維利亞的Barqueta橋、日本熊本縣的牛深橋等，均經(jīng)歷了橋梁概念設(shè)計(jì)階段。在國(guó)內(nèi)，橋型方案競(jìng)賽已成為許多橋梁招標(biāo)過程中的重要環(huán)節(jié)。如天津的大沽橋、昆明草海大橋等。

3 橋梁概念設(shè)計(jì)趨勢(shì)展望

創(chuàng)新是橋梁設(shè)計(jì)的靈魂，是推動(dòng)橋梁事業(yè)蓬勃發(fā)展的原動(dòng)力。好的橋梁概念設(shè)計(jì)構(gòu)思必須以結(jié)構(gòu)合理為前提[8-10]。

1)耐久性設(shè)計(jì)理念?；诮Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的新概念設(shè)計(jì)理念認(rèn)為橋梁耐久性的保證是需要橋梁設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)各個(gè)階段共同努力的結(jié)果。橋梁的使用期成本一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其初始建設(shè)成本，因此初始建設(shè)費(fèi)用雖然較高，但使用期費(fèi)用較低的設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)被重視。長(zhǎng)期以來，我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)于耐久性僅作構(gòu)造上的考慮，而沒有進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計(jì)，這樣做既與國(guó)際結(jié)構(gòu)工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢(shì)相違背，又不符合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)和綜合經(jīng)濟(jì)性的要求，并且導(dǎo)致了當(dāng)前結(jié)構(gòu)使用性能差、使用壽命短和工程事故頻發(fā)的不良后果。我國(guó)正處于橋梁建設(shè)的高峰期，橋梁耐久性問題必須得到足夠的重視，在生命期內(nèi)的結(jié)構(gòu)必須具有可檢性、可換性、可修性、可控性、可強(qiáng)性和可持續(xù)性。

2)橋梁生態(tài)設(shè)計(jì)理念。橋梁生態(tài)設(shè)計(jì)利用生態(tài)設(shè)計(jì)的思想，在橋梁規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，綜合考慮與橋梁有關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題，設(shè)計(jì)出既滿足人類需求又與環(huán)境和諧共存的橋梁。橋梁生態(tài)設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是運(yùn)用生態(tài)思維，將橋梁的設(shè)計(jì)納入“人—橋—生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并最終得到與環(huán)境成為有機(jī)結(jié)合體且具備可持續(xù)發(fā)展特性的橋梁。

3)橋梁全壽命機(jī)制。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以橋梁在施工和成橋狀態(tài)時(shí)的安全性為設(shè)計(jì)依據(jù)，而忽視其正常使用壽命的保證，即耐久性、可修性和可換性。全壽命設(shè)計(jì)理念將設(shè)計(jì)的時(shí)間參數(shù)拓展到橋梁的整個(gè)生命周期(規(guī)劃→設(shè)計(jì)→施工→使用→拆除)。使橋梁的全壽命性能(安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)、美觀、生態(tài)等)達(dá)到最優(yōu)或優(yōu)化。壽命周期理論的核心思想是:在實(shí)施具體的工程措施之前，將后續(xù)壽命周期中可能出現(xiàn)的各種問題和工程內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和全盤考慮，以達(dá)到預(yù)期的最優(yōu)目標(biāo)。該設(shè)計(jì)理念對(duì)于提高橋梁的耐久性和使用性能、降低全壽命總成本、促進(jìn)橋梁技術(shù)水平的進(jìn)步，具有現(xiàn)實(shí)意義。

4)多目標(biāo)優(yōu)化在橋梁概念設(shè)計(jì)中應(yīng)用。變厚度法其基本思想是以基結(jié)構(gòu)中單元厚度為設(shè)計(jì)變量，以結(jié)果中的厚度分布確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，是尺寸優(yōu)化方法的直接推廣。優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，一般用于處理平面彈性體、受彎薄板、殼體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題，但不能用于三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。均勻化法基本思想是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的材料中引入微結(jié)構(gòu)，其形式和尺寸參數(shù)決定了宏觀材料在此點(diǎn)處的彈性性質(zhì)和密度，利用Bensous-an等人發(fā)展的一套基于攝動(dòng)理論周期性結(jié)構(gòu)分析方法，來建立材料微結(jié)構(gòu)尺寸與材料宏觀彈性性質(zhì)之間的關(guān)系，具有較嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。變密度法基本思想是人為地引入一種假想的密度可變的材料，材料物理參數(shù)與材料密度間的關(guān)系也是人為假定的。該方法在多工況應(yīng)力約束下平面體結(jié)構(gòu)、二維連續(xù)體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)碰撞、汽車車架設(shè)計(jì)等問題上得到成功應(yīng)用。優(yōu)化時(shí)以材料密度為設(shè)計(jì)變量，這樣結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化問題被轉(zhuǎn)換為材料最優(yōu)分布問題。

4 結(jié)語(yǔ)

橋梁造型和選型同時(shí)受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和美學(xué)影響，是創(chuàng)新性的集中體現(xiàn)，也是橋梁概念設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。橋梁概念設(shè)計(jì)是具體設(shè)計(jì)的先導(dǎo)，是對(duì)橋梁構(gòu)思的總體把握，其可行性建立在經(jīng)驗(yàn)積累、定性分析和合理估算的基礎(chǔ)之上。總結(jié)了橋梁設(shè)計(jì)概念，并且引入耐久性設(shè)計(jì)、生態(tài)設(shè)計(jì)、全壽命設(shè)計(jì)、多目標(biāo)優(yōu)化等橋梁概念設(shè)計(jì)理念，提出以下幾點(diǎn)建議:

1)在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想指導(dǎo)下，吸收橋梁生態(tài)設(shè)計(jì)和全壽命設(shè)計(jì)等全新的橋梁設(shè)計(jì)理念，并以此為概念設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想在全行業(yè)范圍內(nèi)將橋梁概念設(shè)計(jì)制度化，規(guī)范化，全面推進(jìn)概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展。2)橋梁作為公共建筑承載著越來越豐富的文化心理需求，做好橋梁造型和景觀的設(shè)計(jì)顯得尤為重要和緊迫。由于絕大多數(shù)橋梁由政府投資建造，其消費(fèi)者往往不是某些人，而是社會(huì)大眾，因此橋梁概念設(shè)計(jì)理論需要更新。3)需要橋梁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，在橋梁概念設(shè)計(jì)階段邀請(qǐng)建筑師的加入是目前最為有效的方法。4)目前，橋梁概念設(shè)計(jì)的重要性還沒有得到廣泛重視，全面、合理、切實(shí)可行的橋梁概念設(shè)計(jì)理論體系還沒有建立，在資料搜集和整理，對(duì)新橋梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行探索和實(shí)驗(yàn)，為橋梁概念設(shè)計(jì)的可視化開發(fā)軟件等方面有待進(jìn)一步研究。

隨著時(shí)代的進(jìn)步、橋梁技術(shù)的高速發(fā)展、橋梁規(guī)模的擴(kuò)大，橋梁設(shè)計(jì)的全過程中必須提倡概念設(shè)計(jì)，只有做好概念設(shè)計(jì)才能出精品，才能立于不敗之地。

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