基于壓迫感分析的城市高架橋美學(xué)設(shè)計(jì)研究

陳昊凡 ，寧華晶

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院 安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué) 建筑健康檢測(cè)與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601 3.合肥學(xué)院 建工系 安徽 合肥 230000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與城市規(guī)模的迅速擴(kuò)大，城市交通需求快速增長，近年來越來越多的城市相繼建設(shè)城市高架橋來緩解交通壓力。城市高架橋是城市快速路的一種形式，是架空的城市道路，其體量較大、占地較多，因此對(duì)城市的景觀產(chǎn)生了一定的影響，其中城市高架橋?qū)τ趦蓚?cè)地塊產(chǎn)生的壓迫感較強(qiáng)這一問題比較突出。

橋梁的壓迫感即人的心理感受，其研究屬于建筑美學(xué)范疇。在建筑學(xué)上，目前對(duì)建筑所產(chǎn)生壓迫感問題的研究理論模型有形態(tài)率理論模型、立體角理論模型等，未形成統(tǒng)一的理論體系，但多數(shù)研究傾向于立體角理論模型[1-7]。該理論模型多應(yīng)用于房屋建筑，且計(jì)算較為復(fù)雜，工程適用性不強(qiáng)，因此有其局限性；而國內(nèi)對(duì)于城市高架橋美學(xué)方面的研究多數(shù)從宏觀角度出發(fā)，雖有提及壓迫感這一因素，但多數(shù)研究過于概括，未對(duì)壓迫感因素做系統(tǒng)的研究[8-14]；在工程方面，由于缺乏有效的理論作為支撐，在對(duì)城市高架的規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)偏重于其交通功能而忽視其人文美學(xué)方面的考慮，致使橋梁影響了城市景觀。

根據(jù)目前的問題和研究狀況，對(duì)城市高架橋的壓迫感的研究就具有了現(xiàn)實(shí)意義。本文就城市高架橋?qū)Φ孛娴缆芳爸苓叺貕K產(chǎn)生的壓迫感做初步研究，從人的視角探尋其結(jié)構(gòu)尺寸與影響點(diǎn)的壓迫感的關(guān)系，以期對(duì)城市高架橋的規(guī)劃和設(shè)計(jì)有借鑒作用。

1 壓迫感主要影響因素分析

壓迫感是建筑通過人的視覺對(duì)其心理產(chǎn)生的消極感受，因此研究應(yīng)從人的角度展開。人眼的視野在受到限制時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的消極心理感受，如壓迫感、緊張感等，限制程度的大小決定了其消極心理感受的強(qiáng)弱[15-18]。視野又可分為水平視野和垂直視野[19]，因此建筑對(duì)人眼的視野限制分為水平方向和豎直方向。根據(jù)人眼的視野透視特性[17-18]即“遠(yuǎn)小近大”，建筑在視野中的視角即觀察物體時(shí)從物體兩端如上、下或左、右引出的光線在人眼光心處所成的夾角[19]決定了其在人視野中的大小，從而影響了視野的限制程度，即視角越大，視野受限程度越高，所產(chǎn)生的消極心理感受（如壓迫感）越強(qiáng)，反之則越弱。因此，觀察的視角決定了視野的受限程度，是影響壓迫感強(qiáng)弱的主要因素。

2 研究理論模型優(yōu)化

2.1 現(xiàn)有理論模型適用性分析

根據(jù)視角是影響壓迫感的最主要因素這一推斷，多數(shù)對(duì)建筑所產(chǎn)生壓迫感問題的研究傾向于立體角理論模型，立體角表示所觀察的建筑表面所有微小面積dA與其距觀察點(diǎn)距離r平方的比值積分，Ω則作為壓迫感的評(píng)價(jià)指標(biāo)反映了建筑在水平視野和垂直視野中的綜合視角[2-8]。

筆者認(rèn)為該理論多應(yīng)用于房屋建筑壓迫感的研究，若運(yùn)用于橋梁類似的大體量走廊式建筑則計(jì)算過于繁瑣，工程實(shí)用性不強(qiáng)。一般房屋建筑隨著與視點(diǎn)距離的不同，其水平視角和垂直視角均有變化，但城市高架橋一般平行于兩側(cè)地塊，在其兩側(cè)觀察時(shí)，橋梁始終貫穿水平視野，則其對(duì)視野的限制在水平方向恒定即水平視角恒定，僅在垂直方向?qū)σ曇暗南拗齐S著視點(diǎn)與橋梁的距離改變而改變，即垂直視角為變量，則僅需要考慮最不利點(diǎn)即視點(diǎn)與橋梁邊緣垂點(diǎn)處的垂直視角即可，因此針對(duì)本文所研究的問題，其研究方法可對(duì)立體角理論進(jìn)行優(yōu)化，將空間角轉(zhuǎn)化為平面角簡化計(jì)算。

2.2 優(yōu)化模型及參數(shù)的確定

根據(jù)以上內(nèi)容分析，選擇視點(diǎn)與橋梁邊緣垂點(diǎn)處的垂直視角作為切入點(diǎn)構(gòu)建模型，由于橋墩對(duì)人眼視野限制程度與支座以上結(jié)構(gòu)相比可忽略，則主要對(duì)支座以上結(jié)構(gòu)的視角進(jìn)行分析，如圖1所示，支座以上結(jié)構(gòu)高度、橋梁寬度、橋梁與視點(diǎn)的相對(duì)高度及距離四個(gè)因素共同決定了垂直視角的大小，因此該四個(gè)因素為研究的重要參數(shù)。

定義橋梁寬度W、支座以上結(jié)構(gòu)高度h、橋梁邊緣與視點(diǎn)距離D、橋梁與視點(diǎn)的相對(duì)高度H，視角a，根據(jù)幾何關(guān)系可得視角與四參數(shù)的關(guān)系式(1)：

對(duì)此分析，當(dāng)H、h及W確定時(shí)，D與a為負(fù)相關(guān)。

圖1 橋梁壓迫感研究模型圖

2.3 研究思路

已確定視角a與橋梁4參數(shù)的關(guān)系，但視角a與壓迫感的關(guān)系并未明確，需通過調(diào)查研究確定。因壓迫感為人的心理感受，對(duì)其進(jìn)行量化較為困難，則以壓迫感接受率（即某一視角對(duì)應(yīng)的壓迫感可接受的人數(shù)/接受調(diào)查的總?cè)藬?shù)）作為衡量壓迫感大小的指標(biāo)。研究以調(diào)查統(tǒng)計(jì)的形式，確定不同視角對(duì)應(yīng)的壓迫感接受率，再通過數(shù)據(jù)處理，確定兩者的關(guān)系。

3.研究調(diào)查及結(jié)果分析

根據(jù)上述研究思路，為確定合理視角a進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。調(diào)查前明確幾點(diǎn)：

(1)選擇周邊較為空曠的橋梁進(jìn)行調(diào)查，避免因其他環(huán)境因素的干擾影響結(jié)果；

(2)調(diào)查采用激光測(cè)距儀，其誤差對(duì)于視角a的影響很小，故可忽略；

(3)忽略墩柱對(duì)視野的限制，前文已分析，墩柱對(duì)視野的限制程度相對(duì)于梁可忽略不計(jì)；

(4)忽略因縱坡及觀察者身高不同而導(dǎo)致橋梁與視點(diǎn)相對(duì)高度H的差異，因?yàn)樵搩蓚€(gè)因素的影響與H不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，其對(duì)視角a的影響很小，故可忽略。

(5)由于壓迫感影響的對(duì)象為隨機(jī)人群，則調(diào)查對(duì)象的選取為隨機(jī)選取，現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)調(diào)查點(diǎn)處隨機(jī)調(diào)查一定數(shù)量的行人，忽略年齡、職業(yè)、性別、身高等個(gè)體差異的影響。

(6)在每個(gè)調(diào)查點(diǎn)處，詢問被調(diào)查者是否能接受該點(diǎn)處橋梁所產(chǎn)生的壓迫感，統(tǒng)計(jì)可接受的人數(shù)。

3.1 調(diào)查統(tǒng)計(jì)

選擇調(diào)查地A為合肥市方興大道與蓮花路交口高架處，橋下凈空約5.5 m，支座以上結(jié)構(gòu)高度約3.3 m，觀察者視點(diǎn)距地面高度取1.7 m，則橋梁與視點(diǎn)相對(duì)高度H約為7.1 m，分離式雙向六車道，其寬度W約27.5 m，則以5 m為單位間隔，選取在距離橋梁北側(cè)邊緣5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m處及南側(cè)邊緣2 m、7 m、12 m、17 m、22 m、27 m、32 m、37 m處作為調(diào)查點(diǎn)，分別隨機(jī)選取100人的樣本對(duì)橋梁壓迫感是否可接受進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 北側(cè)調(diào)查結(jié)果匯總表

表2 南側(cè)調(diào)查結(jié)果匯總表

選擇調(diào)查地B為合肥市包河大道與錦繡大道交口高架處，橋下凈空越為10.5 m，支座以上結(jié)構(gòu)高度約3.3 m，視點(diǎn)距地面高度取1.7 m，則橋梁與視點(diǎn)相對(duì)高度H約為12.1 m，橋面為雙向6車道，橋梁寬度為25 m，則以5 m為單位間隔，選取在距離橋梁東側(cè)邊緣8 m、13 m、18 m、23 m、28 m、33 m、38 m、43 m處及西側(cè)邊緣10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m處作為調(diào)查點(diǎn)，分別隨機(jī)選取100人的樣本對(duì)橋梁壓迫感是否可接受進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 東側(cè)調(diào)查結(jié)果匯總表

表4 西側(cè)調(diào)查結(jié)果匯總表

3.2 研究結(jié)果分析

用origin Pro9.0對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)以最小二乘法進(jìn)行擬合，如圖2所示，視角a-壓迫感接受率y基本符合函數(shù)關(guān)系式(2)，

擬合效果R2=0.984。

圖2 視角-壓迫感接受率關(guān)系曲線圖

根據(jù)該函數(shù)分析，當(dāng)視角約在45°～13°范圍內(nèi)，隨著視角的變化，其壓迫感變化較為明顯，而當(dāng)視角大于45°時(shí)，壓迫感接受率趨近于0，視角小于13°時(shí)，壓迫感接受率接近于1。

根據(jù)確定的視角a-壓迫感接受率y的關(guān)系式(2)，結(jié)合橋梁四參數(shù)與視角a的關(guān)系式(1)，則橋梁對(duì)周邊產(chǎn)生的壓迫感可以用如下關(guān)系式(3)表示：

根據(jù)式(3)及以上分析，因橋面寬度、橋梁高度、梁高及防撞墻高度均以滿足結(jié)構(gòu)或交通功能為主，調(diào)整的空間有限，則控制橋梁所產(chǎn)生的壓迫感主要通過調(diào)整地面道路的紅線寬度來實(shí)現(xiàn)，使之在道路兩側(cè)地塊所產(chǎn)生的壓迫感在合理的范圍以內(nèi)，即通過調(diào)整距橋梁邊緣的距離D而控制壓迫感接受率y。當(dāng)W、h、H為確定參數(shù)時(shí)，D與y為正相關(guān)，如調(diào)查點(diǎn)A：W=27.5，H=7.1，h=3.3，則D與y的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 D-y關(guān)系曲線示意圖

根據(jù)圖3分析，當(dāng)D超過一定范圍后隨著D的增加y的增幅逐漸減小，即超過一定的范圍，通過增加地面道路紅線寬度或兩側(cè)地塊退紅距離而減小壓迫感的效果逐漸減弱。按照接受人數(shù)比例不小于60%的原則，將壓迫感接受率進(jìn)行劃分如表5所示。

表5 壓迫感等級(jí)劃分表

4 實(shí)例應(yīng)用

確定橋梁的結(jié)構(gòu)尺寸可計(jì)算橋梁范圍外任一點(diǎn)的壓迫感接受率，因此該經(jīng)驗(yàn)公式可用于現(xiàn)有橋梁對(duì)地面道路及周邊地塊的壓迫感分析；亦可通過控制觀察點(diǎn)距橋梁邊緣的距離或調(diào)整橋梁的高度而使某處壓迫感大小達(dá)到既定的范圍，則在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，可以確定合理的橋梁下方地面道路紅線寬度及兩側(cè)地塊與橋梁的凈距等。

咸陽市城西快速路（高架橋）設(shè)計(jì)項(xiàng)目，選取K0+650～K1+300段為例，其梁高為一般段約2.1 m、跨線段約2.6 m，防撞墻高度為1.1 m，則支座以上結(jié)構(gòu)總高度約為3.2 m～3.7 m，其橋梁斷面寬度25 m，橋梁設(shè)計(jì)高程與地面道路設(shè)計(jì)高程高差為9.855 m～9.891 m，視點(diǎn)距地面高度以1.7 m計(jì)，則橋梁與視點(diǎn)相對(duì)高度為9.255m～9.291 m，地面道路紅線寬度60 m。

若分析高架橋?qū)Φ孛娴缆芳t線邊緣處的壓迫感接受率，如表6在Excel中輸入特征點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的H、W、h及D根據(jù)計(jì)算即可得出y。

圖4 橋梁壓迫感接受率影響線圖

表6 壓迫感計(jì)算表

通過計(jì)算，該段壓迫感接受率小于0.6，即不到60%的人認(rèn)為其壓迫感大小可以接受，因此若調(diào)整地面道路紅線寬度或兩側(cè)地塊的退紅凈距時(shí)，可在excel中做如下計(jì)算，如表7的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)結(jié)果在c a d中繪制壓迫感接受率范圍線，如圖4繪制出壓迫感接受率的范圍線，可結(jié)合用地要求，通過合理選擇紅線寬度或退紅凈距。

表7 影響點(diǎn)距離計(jì)算表

5.結(jié)論

城市高架橋?qū)τ诘孛娴缆坊騼蓚?cè)地塊的壓迫感影響可用以上經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，該公式構(gòu)建了橋梁結(jié)構(gòu)尺寸與影響點(diǎn)處人所受壓迫感的關(guān)系，其壓迫感大小以壓迫感接受率表征，該公式可應(yīng)用于城市高架橋的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，使之在滿足交通功能和用地要求的基礎(chǔ)上兼顧人文美學(xué)考慮。