橋梁概念設計理論與研究方法探討

胡學民

從現階段橋梁發展現狀來看，21世紀將迎來世界橋梁更大規模的建設高潮。橋梁具備產品的一般屬性，可以將產生于工業產品設計的概念設計移植于橋梁工程[1-3]。現在，對橋梁概念設計研究早已引起了世界各國的關注，尤其在歐美等發達國家，橋梁概念早已成為實踐的對象，而在我國處于初步階段，對其研究具有顯著理論意義和實踐價值。

1 橋梁概念設計特點

橋梁概念設計牽涉多個學科，多個領域，由建筑師、環境工作者、景觀工程師、地質工作者、環保工作者等相關專業人員組成團隊合作的結果[4，5]。

1)創新性。創新性即橋梁結構體系和造型設計的獨創性和原創性，創新是橋梁設計的靈魂，是橋梁發展的動力。設計人員不僅應具有創新的意識，還要有創新的能力，要勇于突破定勢思維，打破傳統觀念和經驗的束縛，充分發揮主觀能動性和想象力。設計人員應具有扎實的力學知識，在尋求創新的同時，還應實現結構的合理。除了創造力之外，設計者還應具備創造精神和創造人格。設計者應該對人們不斷變化的觀念有敏銳的洞察力，并能較準確預測橋梁概念設計發展趨勢。

2)協調性。橋梁建設是一個多學科、多領域專業人士合作的復雜過程，橋梁與自然或人工環境、人文環境等得協調一致。因此，設計中需要考慮的因素很多，不僅需要考慮橋梁建設、使用過程中的各種影響因素，還需要考慮橋梁達到使用年限后的問題，各種因素應該在概念設計階段就提出來，并協調好各因素間的關系，不能等問題出現后再想解決的辦法。

3)適應性。橋梁與環境相互關系大致可以分為如下情況:橋梁與環境相互融合，橋梁成為環境不可分割的一部分;橋梁凌駕于環境之上，這種情況適合地勢平坦、單調的環境，或橋梁起路標和象征作用的情況;將橋梁隱藏于環境之中，這種情況適合周圍環境非常優美時，而橋梁的介入會破壞優美的自然環境。值得一提的是，當橋位附近有已建橋梁時，新橋概念設計必須考慮到已建橋梁，新橋與已建橋梁是相互補充、互為印證的關系，不能形成彼此獨立的局面。當既有橋梁使用價值和概念設計價值較高時，新橋概念設計應從屬于舊橋，無論在結構形式、色彩及建設規模上都不應該有明顯差異。

4)可行性。一座成功的橋梁不僅需要好的設計理念、設計方案、結構體系和造型創新，還需要有優質的建造技術和施工質量。無論設計方案多么美觀，還要考慮所做設計是否能由工程實現，否則概念設計只能淪為紙上談兵。因此，保證施工質量，使橋梁最終建設效果與設計圖紙相符是成功的關鍵。選擇一支高素質的設計團隊、勘測團隊及施工隊伍，加強施工監控量測作用是保證施工質量的關鍵。

2 概念設計在橋梁工程中的應用

由于受到經濟發展、交通運輸、建筑材料、施工技術和結構設計理論綜合影響，橋梁概念設計的發展在不同歷史階段呈現出不同的特點，概念設計思想也應該與時俱進[7]。

1)古代橋梁。古代橋梁大致指 19世紀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。這些橋梁的設計和施工完全依靠建造者的經驗，沒有力學知識的指導。在橋式方面，有梁、拱和索橋三大類。當時技術落后，工具簡陋，不會修建深水基礎，施工周期也長。因此，這一時期的橋梁不存在概念設計的問題。

2)近代橋梁。隨著冶煉業的發展，18世紀中期開始采用鑄鐵建造橋梁。由于鑄鐵性脆，受拉強度低而受壓強度高，故鑄鐵主要是用以修建拱橋。在 19世紀，鋼鐵等高強材料的大規模使用，導致產生了新的設計方法和設計原則。在混凝土技術的應用方面，19世紀60年代法國園藝家蒙耶發明了用金屬條加固混凝土制成鋼筋混凝土的方法，后來法國工程師尤金?弗蘭西涅(1879年 ～1962年)發明了預應力混凝土技術。隨著鐵路和汽車的相繼出現，陸地交通運輸對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，需要根據不同的實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踐，從工程技術角度為橋梁概念設計的產生和發展奠定了基礎。

3)現代橋梁。近年來，橋梁概念設計在標志性橋梁方案比選和人行橋的造型設計中得到了充分發揮。隨著橋梁作為建筑的美學價值越來越為人們所重視，概念設計更加廣泛，作為橋梁前期設計的重要階段逐漸得到業內的普遍認可和應用。在國外，瑞士的圣尼伯格橋、德國斯圖加特市的內森巴赫山谷高架橋、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，均經歷了橋梁概念設計階段。在國內，橋型方案競賽已成為許多橋梁招標過程中的重要環節。如天津的大沽橋、昆明草海大橋等。

3 橋梁概念設計趨勢展望

創新是橋梁設計的靈魂，是推動橋梁事業蓬勃發展的原動力。好的橋梁概念設計構思必須以結構合理為前提[8-10]。

1)耐久性設計理念。基于結構耐久性設計的新概念設計理念認為橋梁耐久性的保證是需要橋梁設計、施工、運營和維護各個階段共同努力的結果。橋梁的使用期成本一般遠遠高于其初始建設成本，因此初始建設費用雖然較高，但使用期費用較低的設計方案應當被重視。長期以來，我國橋梁設計中對于耐久性僅作構造上的考慮，而沒有進行專門的耐久性設計，這樣做既與國際結構工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢相違背，又不符合結構動態和綜合經濟性的要求，并且導致了當前結構使用性能差、使用壽命短和工程事故頻發的不良后果。我國正處于橋梁建設的高峰期，橋梁耐久性問題必須得到足夠的重視，在生命期內的結構必須具有可檢性、可換性、可修性、可控性、可強性和可持續性。

2)橋梁生態設計理念。橋梁生態設計利用生態設計的思想，在橋梁規劃和設計階段，綜合考慮與橋梁有關的生態環境問題，設計出既滿足人類需求又與環境和諧共存的橋梁。橋梁生態設計的本質就是運用生態思維，將橋梁的設計納入“人—橋—生態環境”系統，進行優化設計并最終得到與環境成為有機結合體且具備可持續發展特性的橋梁。

3)橋梁全壽命機制。傳統設計方法以橋梁在施工和成橋狀態時的安全性為設計依據，而忽視其正常使用壽命的保證，即耐久性、可修性和可換性。全壽命設計理念將設計的時間參數拓展到橋梁的整個生命周期(規劃→設計→施工→使用→拆除)。使橋梁的全壽命性能(安全、適用、耐久、經濟、美觀、生態等)達到最優或優化。壽命周期理論的核心思想是:在實施具體的工程措施之前，將后續壽命周期中可能出現的各種問題和工程內容進行系統規劃和全盤考慮，以達到預期的最優目標。該設計理念對于提高橋梁的耐久性和使用性能、降低全壽命總成本、促進橋梁技術水平的進步，具有現實意義。

4)多目標優化在橋梁概念設計中應用。變厚度法其基本思想是以基結構中單元厚度為設計變量，以結果中的厚度分布確定最優結構形式，是尺寸優化方法的直接推廣。優點是方法簡單，一般用于處理平面彈性體、受彎薄板、殼體結構的拓撲優化問題，但不能用于三維連續體結構拓撲優化。均勻化法基本思想是在拓撲結構的材料中引入微結構，其形式和尺寸參數決定了宏觀材料在此點處的彈性性質和密度，利用Bensous-an等人發展的一套基于攝動理論周期性結構分析方法，來建立材料微結構尺寸與材料宏觀彈性性質之間的關系，具有較嚴格的數學基礎。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，材料物理參數與材料密度間的關系也是人為假定的。該方法在多工況應力約束下平面體結構、二維連續體結構、結構碰撞、汽車車架設計等問題上得到成功應用。優化時以材料密度為設計變量，這樣結構形式優化問題被轉換為材料最優分布問題。

4 結語

橋梁造型和選型同時受技術、經濟和美學影響，是創新性的集中體現，也是橋梁概念設計的核心內容。橋梁概念設計是具體設計的先導，是對橋梁構思的總體把握，其可行性建立在經驗積累、定性分析和合理估算的基礎之上。總結了橋梁設計概念，并且引入耐久性設計、生態設計、全壽命設計、多目標優化等橋梁概念設計理念，提出以下幾點建議:

1)在可持續發展戰略思想指導下，吸收橋梁生態設計和全壽命設計等全新的橋梁設計理念，并以此為概念設計的指導思想在全行業范圍內將橋梁概念設計制度化，規范化，全面推進概念設計的應用和發展。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計顯得尤為重要和緊迫。由于絕大多數橋梁由政府投資建造，其消費者往往不是某些人，而是社會大眾，因此橋梁概念設計理論需要更新。3)需要橋梁工程師提高自身的美學修養，肩負起建筑師和結構工程師的雙重責任，在橋梁概念設計階段邀請建筑師的加入是目前最為有效的方法。4)目前，橋梁概念設計的重要性還沒有得到廣泛重視，全面、合理、切實可行的橋梁概念設計理論體系還沒有建立，在資料搜集和整理，對新橋梁結構形式進行探索和實驗，為橋梁概念設計的可視化開發軟件等方面有待進一步研究。

隨著時代的進步、橋梁技術的高速發展、橋梁規模的擴大，橋梁設計的全過程中必須提倡概念設計，只有做好概念設計才能出精品，才能立于不敗之地。

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