之桥的结构与受力分析
摘要:
改革开放以来，中国的桥梁建设以空前的规模和发展速度令世界惊叹。但是，我们匆忙建成的大桥能否给人以美感是一个值得反思的问题。本讲演以20世纪中的国际最美桥梁评选、香港特别行政区昂船洲大桥设计竞赛中的美学评估、以及作者本人心中的十座中国最美桥梁等为内容，介绍了作者对桥梁的初步美学思考，以能促进国内桥梁界在新世纪中对桥梁美学的重视。
“桥是跨越障碍的通道”。这是美国最权威的韦氏大词典对桥梁一词所下的最简短的定义。远古的人类为了狩猎、运输、迁移就需要修建原始的桥梁。今天，桥梁已和人类的生活密切相关。桥梁不仅是交通系统的重要组成部分，而且常常是一种标志性建筑物。人们希望在通过桥梁时发出一声赞叹，得到美的享受。作为一个桥梁工程师有责任在设计中重视桥梁的美学价值和景观功能，满足人们的观赏愿望。
改革开放以来，中国的桥梁建设以空前的规模和发展速度令世界惊叹。但是，我们匆忙建成的大桥是否给人以美感是一个值得反思的问题。同济大学土木工程防灾国家重点实验室为国内大部分大桥进行了抗风研究和风洞试验，1/100的全桥模型展示了大桥的风貌，也引起了我们对大桥美学价值的评论：什么样的桥梁才是美的？我想首先谈一下我的一点学习心得。
我国著名的桥梁美学专家唐寰澄先生在他的文章和专著中多次提到：三个统一性是美的最重要属性，即（1）感性和理性的统一或感觉和意识的统一；（2）客观和主观的统一或人和自然的协调统一，即“天人合一”的思想；（3）形式和内容的统一，即造型和功能的一致。归纳起来的桥梁美学法则是：多样和统一，协调与和谐，以及比例、对称和韵律。另外还有八纲：即刚柔、动静、阴阳、虚实的矛盾和统一。我的理解是，设计要有新意，不要抄袭雷同，要同中有异。要和环境协调，结构要求比例匀称，没有画蛇添足的多余装饰，有动感和韵律美。
德国著名的莱翁哈特教授在他的桥梁美学名著中说：“美可以在变化和相似之间，复杂和有序之间展示从而得到加强”。我想，正如贝多芬的音乐一样，简短的主题不断展开和变奏，既相似又不同，但却十分和谐；既复杂变化，又有序统一，在不雷同和不杂乱之间展现出丰富的层次和内涵，给人以美的享受和心灵的激荡。
日本著名桥梁学者伊藤学教授在他的《桥梁造型》一书中说道：“桥能满足人们到达彼岸的心理希望，同时也是使人印象深刻的标志性建筑，并且常常成为审美的对象和文化遗产”。优美而受人喜爱的桥梁往往是各种文学作品的题材。
国外对桥梁设计也强调“3E”，即功效（Efficiency）、经济（Economy）和优美（Elegance）三要素，这和我国实用、经济、美观的原则是一致的。近年来我国桥梁建设取得了长足的进步，但是，我们在设计中对桥梁的美学要求不够高，缺少建筑师的参与和进行各种比例的多方案比较，留下了不少遗憾。许多缆索承重桥梁的桥塔缺少美学处理，给人以笨拙、呆板和粗糙的感觉。和国外相比，我们的领导决策层和工程界的艺术素养和审美情趣不高。我在多次桥架设计评审会上曾呼吁重视和建筑师的合作。强调结构的美学设计，但收效甚微。如果不从体制上和法规上进行改革，中国桥梁因设计仓促上马和施工层层分包所造成的质量问题（其中也包括美学质量）将会严重阻碍我们前进的步伐。中国大桥的跨度再大，数量再多，如果质量不好，也很难得到国际同行的尊敬。
国际最美桥梁评选介绍在世纪之交的1999年最后一期英国《桥梁设计与工程杂志》（Bridge Design and Engineering）向世界30位著名的桥梁工程师、建筑师和学者，其中包括美国的林同琰和邓文中，德国的Schlaich，法国的Virlogeux，瑞士的Menn和英国的Firth，Flint和Head等，征集对20世纪最美丽的桥梁的意见。虽然二十世纪建成的桥有成千上万，但最后仅有15座桥被提名，得票最多的前三名为：1.瑞士工程师R.Maillart于1930年设计的Salginatobel桥。这是一座跨谷的镰刀型上承式拱桥。建筑师们说：“在桥上漫步是一种真正的精神上的享受。你和高山、白云、蓝天那么靠近，它构成了阿尔卑斯山的一幅美妙的风景画。”“该桥所有部分都恰到好处，无可挑剔，”“这是真正的艺术和桥梁结合的精品”。2.瑞士工程师O.Ammann设计的美国旧金山的金门大桥（1937）名列第二。“它造型优美，比例协调，是桥梁工程的一颗明珠，以致于本世纪的设计师们已无法超越了。”3.法国工程师J.Muller设计的Brotonne桥（1974）位居第三。“尽管世界上有那么多美丽的斜拉桥，但这座跨度仅320米的单索面混凝土斜拉桥以其简洁、明快、协调的造型和刚柔相济的风范得到了一致的赞赏。”以下依次是：4.德国Kirchleim跨线桥，J.Schlaich设计，1993，“梁体的流线型外形和弯矩图相似，给人以力度感。”5.法国Orly桥，S.Fregssinet设计，1958，“它那细致和优美的曲线给人以强烈的感受。”6.土耳其博思波罗斯海峡一桥，F.Fox设计，1973，“这座由英国人设计的欧亚大桥是一座难忘的结构物。”7.瑞士Sunniberg桥，C.Menn设计，1997，“是一道优美的彩虹，桥梁建筑的精品。”8.法国Normandie桥，M.Virlogeux设计，1994，“一座和当地景观完美协调的斜拉桥。”9.日本多多罗桥，本四桥梁工团，1998，“20世纪最大跨度斜拉桥，具有东方神秘的美感。”10.德国Severins桥，G.Lohmer设计，1959，“最早的独塔斜拉桥，造型简洁优美，和科隆大教堂遥相辉映。”
值得一提的还有以下五座桥：11.香港汀九桥，J.Schlaich设计，1998，“混合结构的杰作，艺术和技术的统一。”12.瑞士Ganter桥，C.Menn设计，1980，“一件真正的艺术品，一种创新的体系。”13.澳大利亚悉尼港湾桥，F.Fox设计，1932，“一座能征服视觉，从任何角度都能带来美感的拱桥。”14.德国Fehmarnsund桥，1963，“优美的提篮式拱和交叉的斜吊杆给人以空间稳定感。”15.丹麦大海带桥，COWI，1997，“虽然不是20世纪最大跨度的悬索桥，但独特的桥塔和锚碇设计给人以深刻的印象。”
以上15座美丽的桥梁中计有：悬索桥三座：金门大桥、博思波罗斯海峡一桥、大海带桥。斜拉桥五座：Brotonne桥、Normandie桥、多多罗桥、Severins桥、汀九桥。拱桥三座：Salgonatobel桥、悉尼桥、Fehmarnsund桥。梁桥（板拉桥）四座：Kirchleim桥、Orly桥、Sunniberg桥、Ganter桥。
从设计人的国籍看：瑞士4座，德国4座，法国3座，英国2座，日本1座和丹麦1座。由此可反映出各国对桥梁美学的贡献和艺术素养。 香港昂船洲大桥设计竞赛介绍
1999年，香港政府为主跨超千米的昂船洲大桥举行了桥梁设计竞赛。我应邀作为评委参加了这一活动。共有16家国际知名的集团（每个集团都有几家公司联合）参与了竞赛。共提交了27个桥型方案。技术评定委员会和美学评定委员会分别进行打分。有五个方案进入了第二轮竞赛。通过更详细的评比，最后决出了前三名获奖者。
技术评定委员会通过的前12名方案中依次为：
＃15A塔斜拉桥＃24倒丫型塔斜拉桥＃18“天人合一”斜拉桥＃1螺旋形塔顶A塔斜拉桥＃4圆形独柱分离双箱斜拉桥＃11单索面悬索桥＃27人字型塔分离箱斜拉桥＃12开孔塔柱斜拉桥＃2分叉索斜拉桥＃14花瓶型塔斜拉桥＃7无风撑双柱斜拉桥＃22斜拉悬索协作体系。
一些技术上不可行的方案，如帆式、起重机式和怪异的塔型，受力不利的弯角型和斜塔以及只适合小跨人行桥的体系都遭到了淘汰。12个方案提交给美学评定委员会进行讨论，入围的五个方案都是斜拉桥。它们是：＃18，＃1，＃4，＃2和＃7。
技术评定委员会惊异地发现，原排名一、二的两个技术上最成熟稳妥的A塔和倒丫形塔被否决了，据说美学评定委员会的建筑师们不喜欢已建成桥梁的类似造型。＃2和＃7虽然是结构上有缺点需要改进的方案，但被认为美学上有创意而入围。
经过第二轮的评审，在五个入围方案中评出了三个获奖方案。技术评定委员会的结果依次是：＃18，＃4，＃7。
技术评定委员会一致认为：对于超千米的斜拉桥，＃18的A形塔仍然是受力最合理和有稳定感的方案。 然而，最终揭晓的综合结果是：＃4，＃18，＃7。＃4独柱分离流线形双箱的方案以其新颖的结构造型获得了美学评定委员会的高分。尽管从技术角度看，它并不是最合理的，而且造价也可能是最贵的。 从以上关于昂船洲大桥设计竞赛的评审过程中可以看到，桥梁的美学价值已成为国际桥梁竞赛的重要因素，有时甚至会超过技术指标。因为建造桥梁不仅是为了解决交通问题，而且更重要的是为了满足人们对环境的要求和艺术享受。
我心目中的十座中国最美桥梁
看到国际上对20世纪最美丽的桥梁的评选后，很自然地想到在中国众多的桥梁中，哪些是最美丽的？如果要评选中国当代美丽桥梁的十佳，根据我对桥梁美学标准的理解，以下十座桥梁已在我心目中占据重要位置。
悬索桥二座：1.江阴长江大桥中交公规院/江苏省交通设计院/同济大学2.香港青马大桥香港万隆公司（MottConnell）
斜拉桥四座：3.上海南浦大桥上海市政工程设计院/同济大学4.汕头石大桥大桥局设计院5.青洲闽江大桥大桥局设计院6.杭州钱江三桥同济大学
拱桥二座：7.万县长江大桥四川省交通设计院8.广州丫髻沙大桥铁道部专业设计院 梁桥二座：9.南京长江大桥大桥局设计院10.福州乌龙江大桥福建省交通设计院
对于美学评价，完全是见仁见智。我对自己参与设计的大桥有一点偏爱，这也是难免的。各人评选的结果也会完全不同。然而，相对于许多外形粗笨和不匀称的桥，结构受力不合理的桥，过于刚性，过于稳定的浪费，以及多余的装饰，以上十座桥梁的确给我一种合理、匀称和欢愉的感觉。
我衷心希望年轻的桥梁工程师要提高自己的审美情趣和艺术素养，要和建筑师紧密合作，重视桥梁的美学设计。使每一座桥梁成为美化环境，给人民带来欢愉的艺术品。
我也建议中国桥梁学会能举办美丽桥梁的评选活动。以促进工程界和各级领导对桥梁美学的重视，使中国的大桥成为世人称道的美景。
文章出处：桥梁与隧道工程网站 文章作者：项海帆
结合二期课改新教材中关于“拱形框架结构的设计与制作”（普陀区版本），为探索拱桥模型，本人特构思了一套活动方案，让学生既通过演示实验对拱桥有一个总体的感性认识，又亲身体验制作的乐趣——一种创作思路，制作木质拱桥。 一、背景资料 （一）问题背景
拱桥是我们祖先的重大发明之一，它的造型体现了实用和艺术的融合，是刚与柔的完美结合，它的结构与形式之简练，体现了曲线柔和的形式美。通过对拱桥模型的构思、设计与制作，可以了解相关的综合力学基本原理，从中探索拱桥的奥秘，亲身体验制作乐趣，从而培养学生的发散性思维，创造性能力，提高学生的素质，发扬祖国的优良传统文化艺术之精华。 （二）计划背景
根据上述提出问题的思索，为了引导学生思考、设计、动手和创造制作成高质量的拱桥模型，对此整个活动拟从以下四方面着手。 1、探索活动过程
通过纸片演示模拟拱桥活动等实验，对拱桥有一个初步的认识和了解。(详见活动一、活动二、活动三) 2、考察活动过程
通过对卢浦大桥等拱桥的实地考察，在感性认识的基础上，激发创作灵感。(详见活动四) 3、制作活动过程
通过对拱桥的制作，初步养成科学探究的习惯，培养创新意识和实践能力，亲身体验制作乐趣的过程。(详见活动五) 4、拓展活动过程
能设计并制作更多的符合科学性、合理性拱桥。同时探索弓形结构在其他领域的应用。(详见活动六) （三）知识背景 1、目的：
让学生初步了解对拱桥的结构原理，即对拱形中弧形结构能对力进行分散的特点，达到减少正压力的作用，而提高它的承受能力。