中華建筑理念及其橋梁結構功能預測

施　穎　王榮波　李大華

[摘 要]論文闡述了中華優秀建筑理念--“土木工程”的內涵，回顧了歷史上橋梁結構的使用功能和存在的結構方面的問題，論文提出采用現代無金屬結構建造橋梁，并討論了發揚這一“土木工程”優良傳統的可行性和合理性，同時介紹了采用與現有建成的橋梁結構相類比的方法，用纖維加筋結構可建造跨度8000米，主塔高度可達2000米的斜拉橋，因此，提出了“數字城市”迫切需要的數字通訊與區域大型斜拉橋建筑統籌規劃后續研究的新問題。

[關鍵詞]土木工程 斜拉橋 纖維混凝土 纖維仿木 現代無金屬結構 數字城市

作者簡介：施穎（1963-），男，教授級高級工程師，1984年畢業于西安公路學院橋梁與隧道專業，工學學士。

一、“土木工程”的內涵

“土木”是中華傳統“五行”哲學“金木水火土”中的二個字，這應該是“土木”的哲學淵源。土木：“謂建筑之事也，如筑屋、架橋、筑堤、開路等工事是也（國語晉語九）。”,也就是說，中華大土木工程不僅含有建筑工程，而且還包含著水利工程和交通工程。“土木”一詞是中華特有的，因為外語沒有可以確切表示其內涵的詞，例如，英文：“Civil Engineering”，其本意是為了在英國區別于“軍用工程”而定義為“民用工程”，是較為接近“土木工程”的英文術語而不得以在英譯文中采用了，因此，“土木工程”的正確英文譯法理應是“Tumu Engineering”。

《史記》說“火生土，水生木”，“土木”本意與水、火有關，也就是在“金木水火土”中占了四個字，唯獨與其中的“金”字無關，因此，中華傳統建筑理念下的土木工程結構一定是無金屬結構。但是在近代，西方工業進步極大地改變了東西方的勢力地位，中華在外來列強的侵掠下，當所謂的“鐵甲艦”撞碎了我們的木船時，才深刻認識到鋼鐵的厲害。這不僅使中華民族在建筑上基本放棄了不使用金屬的理念，后來又“大煉鋼鐵”，目前鋼鐵產量已雄踞世界第一位，大量用鋼成為了國家的產業政策之一。在中國古代，幾千年來為什么在土木建筑中不用金屬，最重要的原因之一就是金屬不耐腐蝕，顯然，結構工程的壽命保證是非常重要的，土木工程結構如果使用了金屬必然是短壽的，歷史上無數建筑物的壽命表現都可證明這一點。后來，中國逐漸放棄了“土木”的理念，在建筑結構上開始使用鋼鐵，這顯然是被“打”出來的結果。

盡管如此，中華傳統的“土木”理念經過后人仔細斟酌，并沒有錯，而且可以從中得到各種明確的啟示，獲取眾多的成功經驗。在纖維增強聚合物（FRP）替代鋼材應用于土木工程時，通過這種科技進步可以恢復中華“土木”理念，發揚優良民族傳統。為此，我們提出了現代無金屬結構的概念[1]，包括纖維混凝土結構、纖維砌塊結構和纖維仿木結構三類主要形式。現代無金屬結構在土木工程中的應用，可以很好地解決建筑高強度、大跨度、耐腐、防火、防水、無磁、抗震、抗爆等重要需求，并有益于通風、采光、保溫、抗疲勞、結構智能化等。

二、橋梁結構的功能和問題

橋梁工程是跨越障礙的主要手段與技術，是交通運輸中的生命線，其功能是跨接某個特定的空間以便某些荷載或交通可以運輸過一個自然障礙物或人造街道，上至遠古狩獵時代下至近代和當代，橋的任何形式必須體現這個基本功能。而結構主體有早期的天然材料(木、石、藤、竹乃至皮革之類)，到現代必然以大量鋼鐵為主要材料，但為了延長結構壽命，必須用混凝土包裹起來或噴涂其它金屬和涂料。從而對鋼筋混凝土和預應力混凝土橋梁增加自重，影響跨越能力；對鋼橋，費用太高，日后養護維修工作量又大。

隨著中國改革開放，經濟的騰飛，農村的城市化進程的加快，中國的基礎設施建設前所未有，而中國的橋梁建設者嘔心瀝血，銳意進取，各種各樣的橋梁應運而生，并不斷刷新國內紀錄與世界紀錄，把中國的橋梁科學技術水平提到了一個新的高度。2008年在中國的長江上，豎起一座世界第一高塔（250m）、第一跨度(1088m)的斜拉橋，在杭州灣建造世界最長的跨海大橋（36km），把斜拉橋和跨海大橋的設計、建造、管理的水平提升到一個相當高的高度。

綜觀大跨度橋梁的發展趨勢，橋梁技術的發展將有一個質的飛躍。大跨度橋梁向更長、更大、更柔的方向發展。21世紀橋梁工程師們已向海峽進軍，去征服一個有一個紀錄，跨度越來越大，塔高已越來越高。究之橋梁結構技術往超長、超大、超柔方向的發展趨勢，除自然條件外，多少還存在一些人為的因素，一種人性的體現，下面的一段“關于什么是摩天大廈的起因”也許能剖析橋梁發展的這一趨勢。

從1885美國芝加哥家庭保險公司的世界上第一幢有金屬結構的高層建筑到現在，高層建筑的發展又走過了120年。人類為什么要往高建造呢？菲利普.約翰遜在1996年的《摩天大廈》一書中說“關于什么是摩天大廈的起因，人們有不同的概念，但在文化上的原因只有一個：為宗教信仰和自豪的目的往上升高。可是我們的商業摩天大廈是競爭性商業世界啟動和推進的結果。”“……在商業世界中，在那里是競爭性的。群塔的眾多體量在一起代表一個文化時代，它們為聲望與公認一一站在那里奮斗。我有了一個……比你有的大一點，這是一種天然愿望，……。” “欲窮千里目，更上一層樓”，王之渙站在黃鶴樓上說出了人類往高的愿望、要求、及需要。

綜上所述，目前中國交通、城市基礎設施建設迅猛發展，綜合國力處于大發展時期，就更應該優先選用新技術、新材料建造起更多的世界最大跨度橋梁、最高建筑群體。讓“土木工程”優良傳統發揚光大，中國超跨度、超高層建筑應立于世界土木工程建筑之巔峰。

現代新型建筑材料的應用，會使橋梁跨度越來越大、主塔越來越高，人們對其跨度、高度極限問題很感興趣，同時也會探討和預測這類高橋塔結構在現代城市中的新功能問題。

三、發揚“土木工程”傳統的可行性和合理性

為了恢復和發揚中華“土木工程”的優良傳統，采用現代無金屬結構實現這一目標，就是用復合纖維完全替代鋼材，這是非常合理的和完全可行的。其中纖維混凝土結構是針對替代鋼筋混凝土結構和鋼結構提出的[2]，因而可使其變成無金屬結構。基本方法就是用復合纖維材料替代鋼筋或鋼絲，得到新型結構，且具有更強、更輕、加工更簡便的特點，其中纖維筋的綁扎問題已用尼龍綁扣替代，類似鋼材焊接的問題可用高強環氧樹脂膠粘結解決。純復合纖維結構可以仿制或替代木結構，也可以仿制或替代型鋼、鋼索等結構。因此，這些現代無金屬結構的主要形式一般可以覆蓋替換現有各種有金屬結構形式，使將來結構形式發展到只有無金屬結構一類，完全恢復“土木工程”名符其實的合理面目。

因此，橋梁結構中的鋼筋混凝土或預應力混凝土結構可以用纖維混凝土結構來代替；橋梁工程結構中的鋼結構、鋼纜索可用純復合纖維結構或纖維仿木結構來代替；鋼管混凝土結構可以用碳纖維網管混凝土結構來代替。

（一）高強度、大跨度的問題

現代無金屬結構應用于橋梁結構工程中的明顯優勢就是纖維的自重輕、強度高、對溫度變化不敏感，在結構中所引起的溫度變形很小。我們曾經在天津和北戴河采用了纖維混凝土建造了地下混凝土屋蓋，其碳纖維的抗拉強度為4000Mpa左右，經過環氧樹脂復合成碳纖維棒材的抗拉強度為3000Mpa左右，這抗拉強度約是普通鋼材的10倍。另外碳纖維的比重是1.8噸/立方米，約是鋼材的四分之一，所以，依目前而論，一噸碳纖維可以等效于40噸鋼材，用纖維代體鋼鐵的重量僅為原來鋼鐵的2.5%，在土木工程中顯然這一重量是可以忽略不計的。

制約橋梁極限跨度的兩大因素，一是材料的強度；二是材料的容重。采用纖維混凝土既是高強又能大大減輕自重，顯著地增大橋梁跨越能力，又能為安裝構件帶來方便，可節省大量的安裝費用。更重要的是自重的減輕，可明顯減少地震力，或者在強度不變的條件下顯著提高結構抗震等級與能力。正是由于自重輕、強度高，如果用于橋梁結構補強加固，基本上不改變原結構的內力值，但抵抗外荷載的能力大大提高，因此，這一優點倍受橋梁結構補強加固者的青睞[3]。

在橋梁結構工程中，由于外荷載大，往往配筋率很高，導致混凝土澆注振搗困難，不密實，留下質量隱患。而為了保證不超筋，就要增大截面，加大構件體量，又增大自重內力，甚至會導致惡性循環。而這一切，若采用現代無金屬結構，用復合纖維替代鋼筋，就可以輕而易舉地解決以上問題。

體積小、重量輕、強度高的現代無金屬結構顯然是現代大跨度橋梁的首選結構形式。

（二）結構防腐和耐久性的問題

土木工程結構腐蝕問題是一個很普遍的問題，在地面以上能夠看到的結構中金屬的腐蝕已是觸目驚心，在地面以下或水中的地下結構工程（樁、柱、承臺等）因氯離子和硫酸鹽離子侵入造成鋼筋腐蝕必然會更加嚴重。

倍受世人囑目的杭州灣跨海大橋[4]，全長36Km，目前是世界上最長的橋梁。大橋中設計最難點部分就是（1）鋼管樁防腐性；（2）混凝土結構的耐久性。

（1）鋼管樁防腐性

橋位水域含鹽量較高，并且水流速度快、含砂量較大，所有這些因素將加速鋼管樁的腐蝕速度，對大橋的安全造成很大威脅。因此，合理確定鋼管樁的防腐措施是至關重要的。設計中實際采用樁身表面涂裝、陰極保護及預留鋼板厚度綜合防腐措施。

（2）混凝土結構的耐久性

由于大橋的設計使用壽命是100年，因此在設計時必須采取一定的措施來提高混凝土結構的耐久性。目前歐洲和美國許多混凝土橋梁在使用10～20年之后均出現了一定的破壞，并且其破壞的主要原因是混凝土內鋼筋的銹蝕造成的。

提高混凝土結構的耐久性，現階段做法：首先要提高混凝土本身的密實性，提高混凝土本身的耐久性；其次是混凝土表面涂裝或噴涂封面劑，減少造成鋼筋腐蝕的氯離子和硫酸鹽類進入混凝土內部的通道；另外要加強鋼筋本身的防腐措施，提高鋼筋自身耐腐蝕的性能。

現代無金屬結構中的復合纖維在耐腐性能上具有明顯的優勢，明顯強于混凝土或磚、石。利用現代無金屬結構中的復合纖維可較好解決以上兩個問題，即用纖維棒材代替鋼筋；采用纖維片材包裹來保護鋼管或混凝土；利用鋼管成孔內置纖維加筋混凝土樁成復合樁基，并起雙重保護；最直接就是用纖維卷材加工成管材來代替鋼管。

（三）結構抗震問題

2008年5.12汶川大地震再一次說明，橋梁工程自身是生命線工程，百年大計，因此橋梁結構本身要具有良好的抗震性能。而抗震系側力問題，無疑是橋梁結構最難研究的系列之一。這一問題之所以最難，從荷載方面看，地震荷載是隨機的，而且是非平穩的，地震荷載時間過程不僅在幅值上是非平穩的，而且在相位上也是非平穩的，這就使問題更復雜化了。從抗力上看，結構抗震設計是大變形非線性問題，而且恢復力不僅有變形恢復力，而且還有阻尼恢復力。結構抗震分析中不僅要考慮構件材料的強度蛻化和剛度蛻化問題，而且有時還要考慮臨界倒塌的負剛度問題，不僅要考慮材料內磨擦阻尼問題，還要考慮結構輻射阻尼問題。

什么樣的結構抗震性能最好？當然輕的結構抗震性能自然相對好些，美國西部地區和日本，人們仍然青睞木結構建筑，因為，大家知道木結構輕，抗震性能好，然而，木材資源有限，不可多得。現代無金屬結構提出橋梁仿木結構，就是從材料選擇的根本問題上抗震。

至今國內未有保險公司設立“地震保險”險種，顯然，地震安全社會保障體系尚無法在中國建立。現代無金屬結構將從強度高和重量輕出發，可根本解決橋梁結構抗側力問題，使無金屬結構充滿活力。對于橋梁抗震的耐倒塌問題，主要靠提高鋼筋混凝土結構的延性來解決，鋼筋混凝土結構的延性系數一般為4～6，而纖維混凝土結構的延性可達到10～12。如用纖維混凝土替代鋼筋混凝土建造橋梁結構，則具有成倍的抗倒塌能力儲備。

綜上所述，現代無金屬結構可以在不增加工程造價的前提下，明顯提高結構抗震能力，并使橋梁抗震設計標準有明顯提高，地震保險可在現代無金屬結構技術基礎上實施，兩者相互促進，結構物地震安全分級管理不再有大的障礙，橋梁結構的壽命會更加延長。

（四）結構耐疲勞問題

橋梁在車輛荷載、風雨振作用下，振動疲勞問題將是非常明顯的，尤其是鋼結構、纜索、吊桿等接頭部位的疲勞破壞，直接關系到橋梁的壽命。這是因為金屬材料會有缺陷，即使在很小荷載的反復作用下也會在缺陷面發生應力集中，有裂紋擴展，逐漸出現疲勞破壞。而現代無金屬結構中的復合纖維材料往往是由碳納米管組成的，也就是說該材料在原子量級上都是較為均勻的，因此具有奇異的強度，同時也有優越的抗疲勞能力。

（五）結構智能控制問題

結構智能控制是現代建筑的又一研究熱點。橋梁建成交付使用后，將通過自動監測和管理系統保證橋梁的安全與正常運行，一旦發生故障或損傷，將自動報告損傷部位和養護對策。這一橋梁智能控制新技術，如采用現代無金屬結構將很容易實現，即利用導電FRP既作為無金屬材料，又作為結構性能監測傳感器。

（六）結構造型藝術問題

橋梁是人類最杰出的建筑之一，世界上很多著名的橋梁都是一件件寶貴的空間藝術品，成為陸地、江河、海洋和天空的景觀，成為城市標志性建筑。因此說建筑藝術的魅力是無價的，現代建筑創新必然會推出綜合反映時代風貌的新的橋梁建筑造型，采用傳統的結構材料和施工工藝將很難完成這樣的任務。現代無金屬結構的可塑性強、施工簡便，必將為橋梁建筑造型藝術的發揮提供了新的生命力。在現代無金屬結構應用研究過程中，新的結構形式和構造藝術風格會層出不窮，必將突破結構造型的多年沉寂。橋梁結構在新材料、新結構的滋潤下將會更加重視建筑藝術造型，重視橋梁美學和景觀設計，重視環境保護，達到人文景觀同環境景觀完美結合。

四、橋梁結構的極限跨度問題

現代無金屬結構中纖維的抗拉和抗壓強度都很高[5]，且材料又輕，正如前面所言。但在現代無金屬結構橋梁設計建造時，結構變形的剛度控制是十分關鍵的指標，為此，可采用預應力技術來實現。我們提出預應力的施加可以分為兩級：第一級為制作復合碳纖維筋時施加的預應力，這種預應力當環氧樹脂固結后才釋放回彈，環氧樹脂承受壓力，預應力施加不會很大，根據我們做的無膠纖維布混凝土板承載力實驗，估計這種預應力強度目前最大為纖維強度的10℅，采用先進的自動化制作工藝預應力會有明顯提高。第二級為建造碳纖維構件時施加的預應力，這種方法與預應力鋼筋混凝土構件的制作相似，即對碳纖維絲施加預應力，所不同的可能還在于采用的卡固和張拉方法。對碳纖維施加預應力的結果是不容忽視的，這將大大提高材料的實際抗拉伸強度，且使結構的抗力又具有了一定的儲備量。

有了超常的強度和剛度后，天津城市建設學院99級學生李鑫在其畢業論文中以南京長江二橋南汊主橋為例進行分析討論：南汊主橋為雙索面鋼箱梁斜拉橋，橋長2938米，主跨為628米，南北索塔高為195.41米，橋面寬32米，梁高3.5米，基頻0.0757Hz。

假設南汊主橋的塔柱，其自重為W，強度為P，又有一個與它條件相同的碳纖維塔柱，因為碳纖維的比重是鋼的1/4倍，強度是鋼的18倍，所以，碳纖維的自重等于(1/4)W，強度等于18P。從這些對比中，我們就可以看出這兩種材料的根本區別。現在就按碳纖維的抗拉，抗壓強度等于10倍鋼來考慮，1噸碳纖維=40噸鋼，那么，相對與這個195.41米高的鋼結構來說，采用碳纖維為建筑材料，其高度可以達到近8000米。考慮到橋梁的經濟跨度、結構、施工難度等問題，我們可以把斜拉橋主塔的高度提高一個數量級即2000米，相應的主梁跨度也可以做到8000米。你可能對這樣的高度和跨度感到震驚，但它確實是可以實現的。

五、橋梁結構的新功能預測[5]

橋梁結構除了上述使用功能外，還可以看到斜拉橋主塔結構頂部有觀光旋轉餐廳或帶有各國宗教色彩的飾物作為某個地方或城市的標志等功能。但是，這里將重點討論利用現代無金屬結構建造巨型主塔配合其他超高層建筑物來進行城市通訊規劃基礎研究問題。

（一）城市通訊的現狀迫切需要相應的建筑規劃

1998年，數字地球概念的提出標志著人類已逐步進入數字地球時代。數字城市必然是數字地球的主體，數字通訊是數字化傳播的媒體。而建筑物尤其高層建筑是數字通訊的重要載體，若不對其進行規劃，必然造成無畏的損失與危害，如通訊器材裸露、有線通訊網絡雜亂無章、建筑林立阻礙無線通訊信道、建筑物金屬電磁屏蔽帶來大量通訊弱區、盲區等。這將導致通訊隱私泄露，電視重影，有線電視網耗資過大。人們總是依靠增強無線通訊信號來緩解這些問題，然而無線通訊信號的增強必然對人體造成一定的危害。

（二）城市通訊建筑規劃的原則

一個原則是無線與有線統籌規劃的原則，就是使無線通訊的距離盡可能長，有線通訊的距離盡可能短，無線與有線相結合，各司其職、各顯其能。室外以無線為主，室內以有線為主，在重要位置可采用雙信道或多信道。為了實現上述原則，城市通訊建筑規劃還要采用多制高點原則，為了克服建筑物造成的通訊信道障礙，采用制高點是必然的，然而單制高點是不可取的，現代無金屬結構將使超高結構成為可能。另一原則是通訊建筑結構無磁原則，即要利用現代無金屬結構的無磁特性，不僅可以解決鋼材對通訊電磁波的干擾和屏蔽問題，而且更重要的是為了防止導彈對金屬的精確制導襲擊。

城市數字通訊建筑規劃可解決無線通訊設施的合理分布問題，實際上是克服信道建筑障礙問題。城市超高建筑規劃應該與城市通訊規劃相結合，從而解決多制高點問題、取消露天通訊塔問題、城市建筑資源通訊共享問題等，從而實現超高建筑的通訊功能，這一新功能顯然是非常重要的。

為了明顯緩解經濟發達城市無線通訊和有線通訊建設的壓力，擬規劃采用現代無金屬結構在經濟發達城市內每個區各建一座高于600米的天宮，就是構想在每個區各建一座世界最高建筑，各區的黨、政機關盡可能與區內大的經濟集團共處一高樓，可大大提高經濟建設管理和運營效率。天宮頂端都設置無線數字通信設備，并互相聯網，實際上起到了城市超低空同步衛星的作用，這將使數字城市信道產生質的飛躍，同時也要求每座天宮地理分布更符合城市實際需求，其他各區縣也會效仿建天宮，這就可以形成覆蓋整個城市的高空數字通信網絡。市內與遠郊縣之間，城市與城市之間，可以依靠平川河上的斜拉橋高橋塔來接續高空數字通信網絡，目前較大型斜拉橋的橋塔高度可超過200米，在平川斜拉橋因此壯觀，同時應該考慮利用這種難得的高度，使其與天宮的通訊功能匹配起來。

參考文獻

[1]李大華，羅兆輝，論現代無金屬結構，《新世紀地震工程與防震減災學術研討論文集》，北京：地震出版社，2002，10

[2]李大華，郎虹，閆熙臣， 纖維混凝土結構相對地磁觀測室研究，《第八屆混凝土結構學術會議》，重慶，2004，10

[3]施穎，王勁，李大華，現代無金屬結構在橋梁工程中應用的核心問題及解決方法探討，《重慶交通學報》，2004，4

[5]施穎，徐曉穎等，關于我國經濟發達地區城市通訊的建筑規劃，《電子與信息學報》2003增刊