青島西海岸珊瑚貝橋創(chuàng)意構(gòu)思與總體設(shè)計

俞 雷，李永君，強瑋怡

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 工程概況

青島西海岸中央商務(wù)區(qū)位于黃島開發(fā)區(qū)與原膠南市的交界，是西海岸新區(qū)“一核、兩港、五區(qū)、一帶”的核心部分，名人島通過華山路與濱海大道連接，珊瑚貝橋位于華山路上，是進入名人島的主要橋梁。工程起點為濱海大道- 華山路交叉口，終點名人島連島橋南頭，全長640 m，見圖1。

圖1 華山路平面布置圖

名人島規(guī)劃建設(shè)影視文化和游艇產(chǎn)業(yè)項目，布置游艇產(chǎn)業(yè)園、大劇院、酒店群、部分居住及商業(yè)配套等功能。珊瑚貝橋的功能定位為青島市的濱海標(biāo)志性景觀橋梁，橋梁的創(chuàng)意構(gòu)思和總體設(shè)計均圍繞這一目標(biāo)展開。

2 建設(shè)條件

工程海域范圍內(nèi)水深浪急，橋梁的總體布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計等受風(fēng)、潮汐、潮流、波浪、風(fēng)暴潮等影響大，因此開展了風(fēng)暴潮和潮流數(shù)學(xué)模型試驗及波浪模型試驗研究。通過與相關(guān)單位的反復(fù)研究，最終確定了滿足用海要求的橋梁跨徑布置、梁底標(biāo)高和墩柱尺寸。

工程所處海洋氯化物環(huán)境，對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計提出高要求。設(shè)計根據(jù)構(gòu)件所處的大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動區(qū)及水下區(qū)的不同要求，制定不同的耐久性措施：鋼箱梁采用梁內(nèi)除濕+ 梁內(nèi)外防腐涂裝，橋面以上鋼結(jié)構(gòu)拱采用封閉+梁內(nèi)外防腐涂裝；橋墩和下部結(jié)構(gòu)采用提高原材料要求和砼強度等級、增加保護層厚度及硅烷浸漬等措施。

3 設(shè)計理念

橋梁工程以如下設(shè)計理念為指導(dǎo)，開展創(chuàng)新設(shè)計：

（1）功能性。將大橋建設(shè)成為以交通為主要功能，結(jié)合橋位處的自然、人文風(fēng)貌，構(gòu)筑一座融交通、觀賞于一體的景觀橋梁。

（2）地標(biāo)性。以打造地標(biāo)性橋梁為目標(biāo)，為名人島打造一道亮麗的風(fēng)景線，實現(xiàn)“車在橋上走，人在畫中游”。

（3）原創(chuàng)性。橋梁造型追求原創(chuàng)性，避免與國內(nèi)外橋梁雷同，獲得設(shè)計外觀專利保護。

名人島建成實景鳥瞰見圖2。

圖2 名人島建成實景鳥瞰圖

4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市主干路。

（2）主線車道：6 車道。

（3）設(shè)計車速：40 km/h。

（4）汽車荷載等級：城-A 級。

（5）橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

（6）設(shè)計安全等級：一級。

（7）結(jié)構(gòu)環(huán)境類別：Ⅲ類。

（8）設(shè)計風(fēng)速：100 a 一遇V10=33.9 m/s。

（9）地震基本烈度6 度，地震動峰值加速度0.05g。

（10）設(shè)計洪水頻率：P=1/100。

（11）波浪力：按波浪模型試驗研究報告取值。

5 創(chuàng)意構(gòu)思

“山、河、海、島、灣、礁、灘”是西海岸獨有的資源組合，是建設(shè)世界一流的現(xiàn)代化濱海城市中心區(qū)、打造“未來之城”的自然基礎(chǔ)和景觀優(yōu)勢。珊瑚貝橋（見圖3）作為名人島乃至西海岸的地標(biāo)性橋梁，其景觀特色尤為關(guān)鍵。

圖3 珊瑚貝橋創(chuàng)意構(gòu)思手繪圖

橋型構(gòu)思，如果采用梁橋，景觀過于平淡。如果采用斜拉橋、懸索橋或傳統(tǒng)拱橋，造型容易與國內(nèi)外已建橋梁雷同，無法體現(xiàn)原創(chuàng)性。于是構(gòu)思方向集中于造型可能更豐富的空間異形拱橋，力爭以震撼的空間感受和多變的光影效果，帶給游客過目難忘的出行體驗，同時成為名人島的標(biāo)志，見圖4。

圖4 珊瑚貝橋創(chuàng)意效果圖

最終橋梁創(chuàng)意構(gòu)思以海洋中獨具魅力的珊瑚造型為靈感來源，橋梁整體造型采用珊瑚拱形鋼結(jié)構(gòu)，將寓意吉祥、智慧、平安、美麗的珊瑚精神植入景觀橋梁的形象特質(zhì)中。橋梁的景觀創(chuàng)意理念為“夢幻珊瑚”。

車輛從橋上通過時，穿過尺度巨大的拱門，空間感帶來視覺沖擊和心理震撼，仿佛進入一個新的世界——名人島。行人在橋上漫步，透過靈動的拱肋“窗洞”，可欣賞海景（見圖5）。從空中俯瞰橋梁，形似蝴蝶浮在海面。從濱海大道和名人島上遠眺橋梁，原創(chuàng)的拱肋造型，實現(xiàn)地標(biāo)功能。

圖5 珊瑚貝橋行人視角建成實景

6 總體設(shè)計

6.1 總體布置

橋梁工程為分為主橋及引橋，橋梁全長290 m，雙向六車道規(guī)模，機動車道兩側(cè)各布置4 m 人非混合道，橋面標(biāo)準(zhǔn)斷面全寬36 m。主橋為40 m+70 m+70 m+40 m 鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁，梁上設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)空間曲面異形拱，引橋為35 m+35 m 鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁，見圖6。

6.2 主體結(jié)構(gòu)

（1）主梁

主橋上部結(jié)構(gòu)采用40 m+70 m+70 m+40 m 等高度連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，梁高3.0 m，正交異性鋼橋面板。頂板厚16～25 mm（人非共板處厚14 mm），腹板厚12～16 mm，底板厚14～25 mm。

（2）橋面以上鋼結(jié)構(gòu)拱

橋面以上鋼結(jié)構(gòu)拱為復(fù)雜的空間多肢拱形結(jié)構(gòu),橫橋向?qū)挾?.2 m。拱肋和拱枝均采用鋼箱結(jié)構(gòu)，鋼箱表面鋼板板厚14 mm（拱底局部加強為20 mm），頂、腹、底板均設(shè)板式加勁肋。拱肋和拱枝的圓弧倒角采用8 mm 外包鋼板現(xiàn)場焊接安裝。

優(yōu)美的造型對橋梁設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。鋼結(jié)構(gòu)空間曲面異形拱與鋼箱梁剛接，整體參與結(jié)構(gòu)二期恒載和活載受力，橫向風(fēng)作用下鋼拱需滿足強度和剛度要求。設(shè)計通過建立全橋板單元模型對各種工況下拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形進行了精細化分析，見圖7。

圖7 珊瑚貝橋三維有限元分析圖

（3）橋墩

橋墩采用空心薄壁墩，橋墩外形為光滑三維曲面。中主墩墩身底部8.9 m×9.8 m（順橋向×橫橋向），頂部25.8 m×22 m（順橋向×橫橋向）；邊主墩墩身底部8.9 m×9.7m（順橋向×橫橋向），頂部23.8 m×20.9 m（順橋向×橫橋向）。橋墩內(nèi)部設(shè)水平、豎直向隔板，支座處壁厚2.5 m，外壁厚0.6 m，隔板厚0.4 m。橋墩橫斷面端部設(shè)R=2 m 圓角。

承臺尺寸10.44 m×14.5 m（順橋向×橫橋向），端部設(shè)R=2 m 圓角，厚度2.5 m，承臺頂面周邊設(shè)0.3 m×0.3 m 倒角。承臺封底厚1.5 m。主橋中墩基礎(chǔ)為10 根φ1.5 m 鉆孔灌注樁，主橋邊墩基礎(chǔ)為8根φ1.5 m 鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設(shè)計。

6.3 附屬結(jié)構(gòu)

充分重視橋梁附屬工程與細節(jié)設(shè)計，注重橋梁的遠觀和近看效果。橋梁的人行護欄作為鋼結(jié)構(gòu)曲面拱的延伸與整個橋梁造型自然過渡；通過鋼結(jié)構(gòu)加工工藝的反復(fù)調(diào)研，論證了曲面鋼結(jié)構(gòu)拱圓弧倒角的施工可行性，通過優(yōu)化構(gòu)造設(shè)計舍棄了鋼箱拱斷面直倒角的常規(guī)做法，明顯提高了橋梁的近景效果；鋼箱梁內(nèi)部和橋墩支座的檢修人孔設(shè)計與人行護欄和橋墩造型巧妙結(jié)合，做到了景觀與功能的統(tǒng)一。通過反復(fù)推敲細節(jié)設(shè)計，使得橋梁建成后的實景效果超越了方案階段的效果圖，得到了廣泛好評，見圖8。

圖8 珊瑚貝橋附屬設(shè)施建成實景

7 夜景亮化

夜景亮化是珊瑚貝橋的重要亮點，夜晚在五彩的燈光映照下珊瑚貝橋宛如絢麗的彩貝殼（見圖9）。全橋采用了地面、護欄、殼壁、外面等四維受光方式，亮化出珊瑚貝橋拱造型的立體空間形象，玲瓏剔透；內(nèi)白外彩出光，白光集中，彩光縹緲，實現(xiàn)扇貝含珠的效果，體現(xiàn)海上拾珍的理念；外立面通過彩色光的變化，流光溢彩，體現(xiàn)海洋多變的顏色；橋內(nèi)通道滿足功能照明同時，實現(xiàn)幕墻投影。

圖9 珊瑚貝橋夜景亮化實景

8 BIM 設(shè)計

本項目橋梁造型獨特，曲面復(fù)雜多變，二維圖紙很難清晰表達構(gòu)造尺寸，因此開展了BIM 正向設(shè)計工作。應(yīng)用CATIA 軟件，采用參數(shù)化方法，對全橋鋼結(jié)構(gòu)進行實體建模，推敲結(jié)構(gòu)尺度，進行碰撞檢查，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。BIM 三維模型直接用于三維有限元分析、鋼結(jié)構(gòu)加工深化設(shè)計和施工放樣（見圖10）。實踐證明，對于復(fù)雜景觀橋梁，BIM 正向設(shè)計可以極大提高設(shè)計效率和施工精度，是高效的設(shè)計手段。

圖10 珊瑚貝橋BIM 模型

9 施工過程

橋位平均水深約4 m，平均潮差2.5 m，橋梁西側(cè)設(shè)置臨時施工鋼便，橋樁基承臺采用圍堰法施工。根據(jù)現(xiàn)場條件，鋼箱梁采用工廠加工板單元，現(xiàn)場在鋼管支架平臺上拼裝焊接工藝，鋼箱梁形成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)后拆除梁底支架平臺。鋼結(jié)構(gòu)拱采用工廠加工節(jié)段，現(xiàn)場預(yù)拼裝確認無誤后運至橋面，在橋面臨時支架上吊裝焊接，見圖11、圖12。

圖11 珊瑚貝橋鋼結(jié)構(gòu)拱現(xiàn)場預(yù)拼裝施工

圖12 珊瑚貝橋鋼結(jié)構(gòu)橋面拼裝施工

10 結(jié)語

橋梁造型構(gòu)思放棄了景觀橋梁的常規(guī)設(shè)計手法，大膽采用空間曲面的構(gòu)形，在造型藝術(shù)及表現(xiàn)方式上有所創(chuàng)新。設(shè)計過程中，聯(lián)合景觀、建筑、雕塑、視覺藝術(shù)及夜景亮化等各領(lǐng)域的專家對橋梁的造型、尺度和色彩等細節(jié)，仔細推敲優(yōu)化。設(shè)計和施工期間，橋梁BIM 正向設(shè)計的成功運用收到了良好效果。

珊瑚貝橋于2015 年3 月開工，經(jīng)過20 個月的建設(shè)，于2016 年10 月順利建成通車。項目建成后，獲得社會各界的廣泛好評，作為西海岸的網(wǎng)紅打卡地和東方影都的影視外景地，珊瑚貝橋成為青島市的新一代標(biāo)志性景觀橋梁，如期實現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)。希望本項目的設(shè)計和工程實踐能為國內(nèi)城市景觀橋梁的建設(shè)提供有益的參考和借鑒。