橋梁工程品質提升與技術創新

文

品質的定義：是“質量”還是“質量+”？

“品質”這個詞有狹義和廣義兩種定義。從狹義上看，品質與質量同義，從廣義上看，除質量之外，品質還應包括對社會的貢獻和影響。

以橋梁工程為例，我們對一座橋梁的基本要求是“安全、實用、經濟、美觀”。如果一座橋能滿足這四方面要求，通常認為它的質量是好的。但如果除了上述質量要求之外，我們還要求它對社會做出貢獻，產生積極影響，例如要求它成為一座城市的名片，或者可用來紀念某一歷史事件，或者可促進區域發展能力的提升等，就顯然超出了一般意義上對橋梁質量的要求，變成了廣義上對橋梁品質的要求，這可以簡單表述為“品質=質量+”。在這里，“+”可以涵蓋對一座橋梁在質量之上附加的任何要求，對不同橋梁而言，這些附加要求可能各不相同，而且通常不是橋梁工程師所能決定的。

例如，要確保一座橋對所處區域的貢獻實現最大化，就必須充分考慮橋梁選址、與交通路線的結合、區域發展的趨勢甚至國家發展方針等，這些都屬于城市規劃的命題，并不屬于一般橋梁設計范疇。因此，在本文中，我們暫且把討論的主題限定于狹義上的品質概念，即“品質=質量”。

本刊記者 潘永輝 攝

品質的提升：把每項要求做得更好！

在對橋梁質量的要求上，有些學者認為，除了“安全、實用、經濟、美觀”，還應加上“耐用”和“環保”。當然，一座橋梁必須滿足耐用和環保的要求，才算質量好。但事實上，如果一座橋梁滿足了“安全、實用、經濟、美觀”的要求，就等于滿足了“耐用”和“環保”的要求。

以安全為例，我們評價一座橋梁安全，當然指這座橋在整個設計壽命中都安全。顯然，一座橋不能只在建成之初安全，后期就不安全了。所以，橋梁在滿足安全要求的同時，必須滿足耐久要求。例如，在設計美國舊金山海灣大橋東段時，為滿足業主提出的150年設計壽命的要求，我們把所有鋼管樁可能被海水侵蝕的部位都加厚了，目的就是保證它們即使在海水中被侵蝕150年仍然具備足夠的承載能力，仍能滿足設計要求。如果這座大橋從通車到150年后都足夠安全，它在安全方面當然是耐久的；反之，如果橋梁服役不到150年就變得不安全了，它顯然既不耐久，也沒能滿足安全的基本要求。

同理，一座橋在整個設計壽命中要滿足實用、經濟、美觀的要求，也都必須同時滿足耐久要求。因為只有耐久才稱得上實用，才稱得上經濟，才稱得上美觀。如果一座橋的保養和維護費用過高，就是經濟上“不耐久”；如果一座橋只在剛通車時好看，慢慢就變得難看，就是美觀上“不耐久”。

環保也是如此，它已經被包含在“安全、實用、經濟、美觀”的要求里了。一項不環保的工程，在我看來，肯定不能算是經濟和實用的。

這樣看來，當一項橋梁工程滿足了“安全、實用、經濟、美觀”的要求，我們就可以說它的質量是好的；反之，如果它不能滿足這些要求，我們就會評價它質量不好或者不及格。但滿足這些最基本的要求，其實只是一條“及格線”而已，因為這四項要求，每一項都不是絕對的，而是相對的，都有提升的可能。所以，把工程做到“更安全、更實用、更經濟、更美觀”，就為工程品質提升創造了空間。

此外，每個人對品質的要求也不盡相同，例如公眾可能更注重實用和美觀，工程師更注重安全，藝術家更注重美觀，業主則更注重經濟。

提升的途徑：要么完善，要么創新

通常，提升橋梁品質有兩個主要途徑，一是把現有的建橋技術發揮得更加完善；二是通過創新使建橋技術更加先進。

完善現有的建橋技術

一座橋的全壽命過程可以簡單地分為通車前、使用期間和關閉后三個階段，從通車到關閉這一段時間就是這座橋的使用壽命，設計壽命則是在設計階段假設的橋梁使用壽命。橋梁通車前的工作包括前期計劃、斟察、設計、施工等，這些工作的質量決定一座橋的先天質量。橋梁使用期間的工作包括運營、檢測、保養、維修等，這些工作是為了保障橋梁的健康狀態。當橋梁不再能滿足設計要求時就會被拆除，這意味著一座橋使用壽命的終結。

一座橋的全壽命

目前，大部分橋梁規范要求橋梁設計壽命為100年，對特別重要的橋梁會要求其設計壽命更長一些，例如港珠澳大橋的設計壽命是120年，舊金山海灣大橋的設計壽命是150年。我個人認為150年還是太短了，對世界可持續發展影響太大，以目前的技術水平，把橋梁設計壽命提高到300年、甚至500年都是完全可能的。

顯然，要提高橋梁壽命，就要提升橋梁質量。目前，世界各國的橋梁技術都是相當公開的，要建造一座高質量的大橋應該不是太困難的事情，那么為何有些橋梁工程還是達不到應有的質量呢？我認為有三方面原因：“不知”“不能”和“不為”。

既然橋梁技術基本上是公開的，“不知”和“不能”就顯得很不合理，所以，橋梁質量不及格最主要的原因還是“不為”，即“可為而不為”——這是最令人痛心的事情，因為即使設計和技術的標準都提升了，如果執行者“不為”，質量還是無法達標。這不是一個新問題，也不是中國特有的問題。要避免“不知”“不能”“不為”的發生，最簡單、直接的方法就是加強監理力度，因為，嚴格的監理既可以禁止“不知、不能”的人上崗，也可以禁止不及格的產品通過驗收，這樣一來，所有能通過監理驗收的工程，理論上都能達到業主要求的質量水平。而且對質量水平的要求還可以根據需要進行調節，監理負責對調節后的質量要求把關。在這方面，目前國內還是比較欠缺的。

通過創新使技術更先進

創新可以增加我們的建橋技術實力，讓我們的橋梁質量比人家好；創新還可以讓我們做到人家做不到的事情，提升我們橋梁的質量。

什么是創新？我認為，創新包括“發明”“改良”和“組合”。

“發明”就是引進一個新的理念，使當時沒有的變成有，或者使從前不能的變成可能，例如電燈泡，從無到有，改變了人們照明的方式，又如用以建造預應力混凝土橋梁的現澆懸臂施工方法，是Ulrich Finsterwalder的發明，其主要技術是一個專為剛度較大的梁橋設計的掛籃，它使建造大跨度混凝土大橋變成可能，也打破了鋼橋在大跨度橋梁領域的壟斷地位。1955年至今，使用該方法建造的大跨度混凝土大橋已有千余座。

現澆懸臂施工方法與掛籃的結構

美國但點大橋（Dames Point Bridge）

這一方法也被成功用于剛性斜拉橋，但是還有一些斜拉橋的主梁并不是剛性的箱形梁，而是很柔軟的板梁，對于這些橋梁，上述掛籃因為太重就不能勝任了。在建造馬來西亞第一檳城大橋的時候，我創造了一個兩段式的掛籃，用來建造這一世界首座柔性主梁斜拉橋，雖然工程順利完成，但我覺得施工速度比較慢。在建造世界第二座柔性主梁斜拉橋——1985年建成的美國但點大橋（Dames Point Bridge）時，我又發展了一種新的掛籃，命名為索輔掛籃（Cable-supported Traveler），利用前端的拉索把掛籃吊起來，減少澆筑新一段主梁時引起已建成主梁的彎距。這座大橋建成后，基本上所有柔性主梁斜拉橋都采用這種掛籃建造。

在建造加拿大溫哥華的ALRT Skytrain捷運橋的時候，這種索輔掛籃又不適用了，因為這座主跨340米的斜拉橋主梁只有1.1米高，跨高比達到309，幾乎堪稱世界上最柔的主梁了。為了建造這座大橋，我又發展出一種新的建橋方法，用一條鋼纜把整個安裝預制節段的吊機吊起來，這樣一來，大部分吊機和預制塊的重量都沒有傳到主梁上。

上述幾個連續創新的例子，讓很多當時大家認為不可能的事情都變成了可能。

再談談“改良”，即把現有的理念和方法變得更好。例如鋼筋混凝土，我開始工作的時候，混凝土的強度大約相當于今天的C20。幾十年間，經過不斷改良，混凝土強度從C20到C30、C35、C40、C50、C60，今天，我們已經常用到C70，在特殊結構中甚至可以用到C200。在這過程中，每一步都是創新！

“組合”是把已經有的、不同的東西組合起來成為一樣新的東西。最典型的例子就是智能手機，它里面的零件或者App大多不是智能手機廠商自己的發明，而是集成市場上的已有部件組合而成。

如何評價創新的價值？ 厘清了什么是創新，我們還應該思考為什么要創新？創新的目的是創造價值，沒有創造價值就不是創新，而只是拿出了一些不同的替代方案而已。所以，評價一件事是不是創新，標準就是看它能不能增加價值。

以橋梁為例，我們可以根據對一座橋的要求來評價其創新的價值。上文說過，我們對一座橋的基本要求是“安全、實用、經濟、美觀”，雖然每個人對這四項要求的評分權重不同，但我們對每一項要求總會有一定的“定價”，即安全的價值、實用的價值、經濟的價值、美觀的價值。一座橋的“總價值”就是這四個價值的總和，如果一個新理念或者新方法能夠增加橋梁的總價值，它就是創新，反之則不是創新。按照這一評價標準，把橋建得長一些、把樓蓋得高一些、把雕塑造得大一些，諸如此類，只要肯多花錢，誰都可以做到，這樣的做法并沒有增加工程實際價值，顯然都算不上創新。

斜拉橋拉索的創新歷程 斜拉橋拉索的發展是通過技術創新提升橋梁質量的經典案例。利用斜拉索來代替部分橋墩的理念其實早已有之，但由于沒有適當的拉索，早期的斜拉橋都以失敗告終。世界公認的第一座成功建造的斜拉橋是瑞典的Stromsunde Bridge，這座橋由德國教授Dischinger設計，由德國DEMAG公司施工，建成后因適逢德國二戰后重建，德國相繼建造了很多座大跨度斜拉橋。

值得一提的是，在早期的斜拉橋設計中，斜拉索一直是一個弱點。我在1965年到1968年間先后設計了兩座當時世界最大跨度的斜拉橋，分別是德國杜塞爾多夫城的格尼大橋（Knie Bridge，跨度320米）和杜伊斯堡的紐安坎大橋（Neuenkamp Bridge，跨度350米），當時我就一直在考慮拉索的問題，作為唯一的可選項，封閉式鋼纜原本是為登山纜車設計的，用在斜拉橋上并不十分恰當，除了價格高，安裝和保養也都很困難，而且不防火。但在沒有更好產品可用的情況下，確實別無他選。

1968年，我移居美國。美國第一座大跨度斜拉橋是Pasco Kennewick Bridge（國內一般稱之為“P-K橋”），于1978年通車。該橋由德國教授萊昂哈特（Fritz Leonhardt）設計，采用了他本人發明的平行鋼絲索，拉索被放置在PVC套管內，套管里的空間用水泥砂漿填充，從而避免了封閉式鋼纜存在的部分問題，堪稱一項創新。然而，1983年美國通過了《買美國貨條例》（Buy American Act），要求所有聯邦政府資助的橋梁上的鋼材都必須產自美國，而美國并不生產斜拉橋拉索使用的平行鋼絲，所以，P-K橋上的拉索無法繼續在美國其他斜拉橋上使用。

格尼大橋（Knie Bridge）

紐安坎大橋（Neuenkamp Bridge）

為了提高拉索的技術標準，國際上一群致力于斜拉橋技術研究的工程師和學者在美國Post Tensioning Institute（PTI）內成立了“斜拉橋拉索設計委員會”，我也是該委員會的發起人之一。我們成立“斜拉橋拉索設計委員會”的目的，就是編寫斜拉索規范，從而推進斜拉索技術的發展創新，在這過程中，有幾段比較重要的創新歷程值得回顧：

首先，我們要求拉索有足夠的抗疲勞性能，并經過不斷地創新和改進拉索結構滿足了這一要求；之后，我們要求拉索具備高度防銹蝕的性能，經過創新鍍鋅方法，滿足了高效防銹能力的要求；發現PVC會引起拉索腐蝕后，我們又開始改用PVF套管，并為了增加保險系數為拉索提供了三層保護層；期間，大家發現有些拉索在微風和微雨共同作用下可能產生強烈振動，這個問題一度讓業內專家非常頭疼，經過全世界許多工程師和學者不斷研究，終于給出了解決方案：現在的拉索多會在表面加一條螺旋線，或通過一些其他形式的表面處理，防止或大大降低風雨引起的振動。此外，研究期間，“斜拉橋拉索設計委員會”共發表了7版《斜拉索的設計和測試推薦書》，以幫助橋梁工程師設計斜拉索。

經過不斷創新，今天的斜拉索質量比20世紀80年代有了極大進步，針對可能出現的問題都能拿出可靠的解決方法，斜拉橋質量也因此得到明顯提升。