在2006年国际桥协布达佩斯年会上，德国柏林工业大学土木系的M.Schlaich教授揭橥了题为“对教诲的寻衅——观点和构造设计”的大会报告，旨在加强对学生创新理念和能力的培养。柏林大学进行了土木工程教诲改革，将原来传统的按材料划分的钢构造教研室和混凝土教研室合并更名为“观点和构造设计”教研室。
2007年起，同济大学桥梁工程系决定为硕士研究生开设一门“桥梁观点设计”的新课，以培养新一代桥梁工程师的观点设计能力，战胜中国桥梁在创新理念、工程质量和美学考虑三方面的不敷。项海帆院士亲自动手并组织年轻西席一起编写教材，亲自开讲第一课。随后，海内其他高校也纷纭开设类似课程。15年来，随着一批批学生投入事情，桥梁观点设计开始在桥梁培植中发挥浸染。工程及其关联行业的创新能力不断加强，创新成果不断呈现。上海卢浦大桥（2008）、江苏泰州长江大桥（2014）、港珠澳大桥（2020）、江苏南京江心洲长江大桥、贵州平塘大桥（2022）等越来越多的工程项目得到国际桥协的精彩构造大奖，得到了国际同行的赞许。
我国桥梁工程取得长足进步的同时仍有不敷，诸如盲目追求大跨度、忽略工程培植经济指标、美学效果欠佳等。本文通过一些精良的工程案例，在方案构思、分孔布局、桥型比选及其体系选择、美学考虑等观点设计过程与方法方面，给出其工程创新理念和创新技能造诣，供同仁参考借鉴。
观点设计创新理念与美学考虑
桥梁观点设计包括“观点天生”和“观点选择”两个阶段的设计过程，以办理桥梁功能、构造、施工、耐久、环保、经济与都雅之间的抵牾，得到最佳知足设计原则的观点方案。
观点天生是指根据需求所产生的多重目标、指标和约束条件，以形成各种合理、可行的办理方案的思考过程。“群策群力”后，天生“多多益善”的方案，调动设计团队的想象力和创造性，尽可能多地收受接管不同个性、不同风格、不同角度和侧重点的设计方案，避免遗漏一些具有独创性的设计观点和构思。观点选择则是对所有可能的备选方案进行评估和比较，从中筛选出少数精良的方案。对精良方案进一步剖析、研究和详细比较，选择知足桥梁功能、构造、施工、耐久、环保、经济与都雅哀求和设计原则的最佳设计。
桥梁观点设计始于对桥址各项专题技能资料的研究剖析，包含分孔布跨、选择桥型及其体系；桥梁美学、合理比例和构件尺寸；构造创新与智能建造和新材料、新工艺等方面的研发运用等多领域、多层次的内容，无须过于详细的打算和太多的投入，但蕴涵了丰富的理念和创新。
分孔布跨
桥型及其体系选择
研究自然条件和功能定位是观点设计的第一步，也是主要一步。包括河势、水文、景象气候、地形地貌、地质、地震、环境等桥址条件。在理解消化的根本上，剖析自然条件和功能定位的特点、难点和要点，捉住核心要素和掌握性条件，形成我们的构思和布局雏形。
希腊里翁-安蒂里翁大桥（Rion-Antirion Bridge），连接希腊大陆和伯罗奔尼撒半岛之间的科林斯海湾，水域宽度约2500m。海床两边都有陡峭的斜坡，在60-70m深处有一个长长的水平台地。桥位处沉积物厚度超过500m，2000年重现期的地震最大峰值加速度达1.2g。且半岛以每年8-11mm速率漂离大陆，因此哀求桥梁必须能够承受两个相邻塔之间任何方向上高达2m的水平或垂直断层位移。桥塔须要能够承受一艘18万载重吨的油轮以16节速率航行的冲击。
1988年各竞标公司提交了5个桥型方案设计，3个进入正式阶段，包括两个斜拉桥、一个悬索桥方案。根据现场技能条件，个中主跨1500m的悬索桥方案，由于经济性和安蒂里昂一侧的大规模斜坡稳定性问题，在观点选择阶段就被打消。而在选择斜拉桥时，须要综合考虑限定位于海峡中的桥墩数量，知足通航哀求，造价合理等多方面成分。因此，采取分孔约束航行的原则，形成了由3个长560米的中跨和2个长286米的边跨组成的斜拉桥方案（图1）。
图1 立面支配图
为了欢迎各种寻衅，这样一个分外斜拉桥须要构思一套极具创新的技能设计。
在每个桥墩下用200多根钢管桩对根本土体进行加固（图2），并铺设厚3m砂砾弱连接层，形成条件隔震根本。砂砾层在临界条件下，使墩底的约束状态发生改变，从而肃清地基与根本间的相对位移，办理两千年一遇的地震和横、竖向最大2m的断层位移问题。
图2 桥塔根本设计图
桥塔由大型沉箱塔基、锥形墩身、倒金字塔基座、四条混凝土中塔柱和上塔柱组成（图3），这样的设计，有效办理了船撞问题和多塔斜拉桥桥塔刚度不敷的问题，担保了强震发生时桥塔的安全。
图3 桥塔整体构造图
采取五跨全漂浮体系的连续构造体系提高抗震性能。为了担保主梁横向约束，每个塔梁交界处安装5个固定阻尼器，个中一个中间阻尼器可以在顺桥向位移1.6m，在横桥向则固定不动以担保桥梁在正常利用时的良好事情状态。昔时夜地震发生时，中间阻尼器自动失落效，主梁在其余4个黏滞阻尼器的掌握下缓释梁、塔间横向1.3m的相对摆动。
里翁-安蒂里翁大桥因其独特的设计，高效地办理了一系列超常规的技能难题，2006年获国际桥协“精彩构造奖”提名。
苏丹塞利姆大桥（Yavuz Sultan Selim Bridge）是博斯普鲁斯海峡第三座大桥。2012年设计竞赛由Michel Virlogeux和 Jean-Franois Klein得胜并完成正式设计。
博斯普鲁斯海峡三桥的位置靠近黑海，在桥型比选时，综合了航道的安全通畅宽度和水深限定，确定主跨不小于1275m的悬索桥。为了避免繁芜的水上作业，进一步将主跨跨度增大为1408m。
在主梁形式比选时，虽然大桥须要知足公路双向八车道宽度和双线铁路，考虑到和海峡上其余两座大桥的美学风格保持同等，打消了钢桁梁形式，进而形成了宽度达58.5m的流线型钢箱梁设计，公路与铁路同层支配。在考虑刚度更大的缆索构造体系时，采取了同济大学2006年提出的部分地锚斜拉-悬吊协作体系。这种体系四分之一跨的重负荷和集中荷载直接通报到相应的塔上，将大大减小主梁挠度（图4）。
图4 四分之一跨加载时悬索桥与协作体系桥梁力学行为比拟
与相同跨径、双层桥面的悬索桥比较，它不但能节省材料，且横向刚度增大，主梁挠度减小，在最大荷载浸染下，竖向位移为3.75m，达主跨跨径的1/375。
图5 土耳其苏丹塞利姆大桥立面支配
该桥跨中的1260m采取钢箱梁，别的及两侧边跨308m部分采取混凝土箱梁，边跨为地锚段桥面。拉索系统由主缆、加劲斜拉索及吊杆组成。吊杆设置在主跨中心792m长度范围的悬索区。而加劲斜拉索则支配在两侧的边跨及部分主跨区域。
博斯普鲁斯海峡三桥因其独特的设计，获国际桥协2018年“精彩桥梁构造奖”。
桥梁美学
合理比例和构件尺寸
桥梁美学的考虑应贯穿于观点设计的全过程中。一方面，地形、环境、桥型、分孔布跨、主桥与引桥衔接、紧张构件及墩梁尺寸和截面形式等，都要在方案构思、比选的过程中予以充分考虑。如主通航孔跨度与高度的合理比例，立面支配的对称性，双塔斜拉桥的边中跨合理比例，斜拉桥边跨中的赞助墩支配，塔形选择及比例，悬索桥的边跨支配，主梁梁高与形式的合理选择等。另一方面，桥梁美学法则为我们在考虑这些充满着感性成分的美学问题上，供应一些理性的把控办法，例如多样与统一(变革与统一) (Varied & Unified) 、比例与平均(Ratio & Well-proportioned)、平衡与和谐(Balance & Harmony)、韵律和折衷(Charm & Coordinated)。当然，实践中创造作品也不能完备依赖法则，要有想象力和聪慧，更须要我们学习桥梁美学事理及其哲学思想根本，节制桥梁美学的真谛，转化为工程师的美学感悟和创作技能。
这方面的经典案例要数丹麦大带桥(Great Belt Bridge) (图6，1997年)，经典但不失落新颖的门式桥塔，创新设计的三角形镂空的锚碇以及引桥的板式桥墩，构造中不同构件因形式上高度的折衷性，而使全桥给人印象深刻的整体感。
图6 丹麦大带桥(Great Belt Bridge)
罗丝·菲茨杰拉德·肯尼迪桥（Rose Fitzgerald Kennedy Bridge）超过巴罗河（River Barrow），桥址处河宽300m。除了要知足巴罗河宽度117m、高度36m的通航净空哀求外，桥址位于拟建的国家遗址区和珍稀植物保护区，并在桥址区附近已确定了大量考古遗址。因此，桥梁的景不雅观和美学哀求成为培植者必须重视的成分。
在起初的8个方案中，选择了4个方案进行更详细的剖析，分别为连续箱梁桥（图7）、带V字形桥墩单跨拱桥（图8）、三跨拱桥（图9）和三塔矮塔斜拉桥方案（图10）。从功能和美学的角度来看，4个方案都被证明是得当的，都将对SAC（特殊保护区）的影响降至最低。在当时已知的园地限定条件下，4个方案的施工都是可行的。但拱桥方案的施工周期估量将比箱梁或矮塔斜拉桥方案长约30%，后者须要大约30个月的施工韶光。与连续梁方案比较，矮塔斜拉桥方案的本钱略高，但它被认为具有更好的美学效果。终极确定矮塔斜拉桥方案为推举方案。
图7 连续箱梁桥
图8 单跨拱桥方案
图9 三跨拱桥方案
图10 矮塔斜拉桥方案
矮塔斜拉桥跨径支配为36+45+95+230+230+95+70+50
+36m，分孔布跨时，桥梁各构造的比例包括各桥塔支撑的主跨长度比、引桥段各跨长度比、桥墩与桥塔高度比等符合黄金分割比（图11、12）。2021年获国际桥协“精彩桥梁构造奖”。
图11 罗丝·菲茨杰拉德·肯尼迪桥
图12 各构件长度之间的比例示意图
对付景不雅观哀求较高的桥梁，美学与景不雅观是多方案选择时的一项主要考量成分。例如美国旧金山奥克兰新海湾大桥，针对主桥桥型比选，设计咨询团队（EADP）综合了五个方面的考量：（1）新东跨和改造后的西跨将按震后仍能供应“生命线做事”进行设计；（2）新东跨包括一个缆索承重主跨，主塔横向有单腿或多腿、一个或多个支撑缆索的塔柱；（3）新东跨不做成双层桥面；（4）东跨的桥塔不能高于西跨的悬索桥塔；（5）新东跨应设自行车道和人行道。
综合以上考虑，四种主桥设计方案如图13。
图13 旧金山奥克兰新海湾大桥主桥方案比选
显而易见，选择独塔悬索桥的紧张缘故原由是都雅性。它的魅力在于，它将为海湾地区供应一个天下上其他地方所没有的独特构造。它的悬链线主缆与金门大桥和旧金山奥克兰海湾大桥的西跨产生了呼应，该桥2015年获国际桥协“精彩构造奖”。
构造创新与“四新技能”研发运用
在一项工程的观点设计中能有1～2项真正的打破性创新和3～5项技能改进便是很了不起的造诣。开展人工智能赋能的设计、建造、管养等领域的创新构思，该当从观点设计开始。
南京江心洲长江大桥为三塔斜拉桥，跨径支配为80+218+600+600+218+80=1796m。
传统的钢桥塔抗压抗弯刚度和经济性不如混凝土桥塔，但混凝土桥塔自重大，施工韶光长。南京江心洲长江大桥采取了钢箱混凝土桥塔，战胜了上述两种传统桥塔的缺陷。该桥塔不仅承载能力大，构造韧性强，并且施工速率快，构造耐久性好。凭借其精良的力学性能，在主梁附近桥塔的横向宽度仅4.6～5.8m，远远小于同跨径的Forth海湾三桥，节省了桥面宽度和材料。
对付组合梁，主梁截面的内力分布紧张取决于钢和混凝土截面的轴向刚度比Es As/Ec Ac，由于钢与混凝土的模量比约5～6，传统的混凝土板厚度需达到250mm～300mm才能得到足够的截面面积和刚度，这导致主梁自重很大，这是限定组合梁斜拉桥跨径的紧张缘故原由。为了减轻主梁自重，提高其超过能力，南京江心洲长江大桥采取了超高性能粗骨料活性粉末混凝土(CA-RPC)制造桥面板，板厚仅为17cm。经养护，该材料比传统混凝土的紧缩徐变量更小，弹性模量更大，抗开裂能力更强。此外，为了掌握CA-RPC桥面板的生产质量，该工程还打造了天下上第一条数控自动化CA-RPC桥面板生产线，实现了桥面板制造过程标准化、自动化和智能化，有效提高了生产质量和效率。一条完全的生产线包括数字化搅拌系统、模具平台系统、自动化分配设备、数字化列阵插入式振捣系统和数字化平板振捣压实设备等。南京江心洲长江大桥荣获国际桥协2022年“精彩桥梁构造奖”。
创新理念和高强材料还有助于我们奥妙地办理一些传统桥梁构造的技能难题，例如罗丝·菲茨杰拉德·肯尼迪桥采取多种标号的混凝土浇筑主梁，知足全桥不同受力区段材料强度的哀求。高强度混凝土C80/95仅用于特殊不利的区域，其他区域采取C60/70或C50/60，经优化后混凝土分布如图14。这些方法也是我们在观点设计阶段值得借鉴的。
图14 桥梁各型号混凝土构件分布
小结
（1）根据通航需求确定主通航孔的大小和位置是桥梁观点设计的紧张事情，主孔的大小也是桥型选择的决定性成分。桥梁跨径的确定，须由设计者结合水深、地质等建桥条件和设计原则综合确定。如果能通过约束航行的分孔通航，减小主跨跨度，采取多塔斜拉桥或悬索桥桥型，有助于大大提高桥梁方案的经济性和竞争力。
（2）创新技能的形成和关键技能的稳妥办理是桥梁观点设计的核心事情，创新桥型、构造体系，高强度钢材、混凝土材料的研发运用，韧性构造与体系，预制安装构造，人工智能赋能的设计、建造、管养等领域的创新构思等，都须要在观点设计阶段酝酿并形成系统性成果，用以支撑后续详细设计阶段的事情。
（3）美学考虑贯穿观点天生、观点选择全过程。桥型选择和布局与地形环境的关系，桥型支配的空间各维度的合理比例，桥型构造各构件尺度和形状的美学考虑等。这些都是桥型与构造的美学考虑的根本性问题，个中既有美学法则、合理比例等偏理性的美学剖析问题，也有工程师艺术素养的美学感悟觉得问题。须要工程师和建筑师反复考虑、几易其稿，精益求精，才能形成美学方面经得起各方评头论足的观点方案。
本文刊载 / 《桥梁》杂志 2023年 第5期 总第115期
作者 / 徐利平 肖汝诚
作者单位 / 同济大学
