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作者：肖汝誠楊名冠 單位：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁工程系

概念設(shè)計(jì)概論。概論當(dāng)中，首先整合了橋梁工程的知識(shí)體系，介紹了橋梁的基本組成和分類；然后介紹國內(nèi)外橋梁的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。并從中國橋梁建設(shè)當(dāng)中出現(xiàn)的問題的角度，說明概念設(shè)計(jì)的目的、意義和重要性。最后介紹了《橋梁概念設(shè)計(jì)》中安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、耐久、環(huán)保的原則及其含義，并詳細(xì)闡述了如何建立創(chuàng)新理念。

橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)。美學(xué)是人們對于美和丑的認(rèn)識(shí)，雖然不同人擁有不同的看法，但是美學(xué)還是有其一般性的規(guī)律。在橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先介紹了東西方美學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)，提出了橋梁美學(xué)的五個(gè)基本原則———“多樣與統(tǒng)一”“、比例與勻稱”“、平衡和和諧”以及“韻律與協(xié)調(diào)”。并針對橋梁，提出了概念設(shè)計(jì)中的美學(xué)考慮和處理方法。最后，介紹了橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)例。

設(shè)計(jì)構(gòu)思和總體布置。設(shè)計(jì)構(gòu)思和總體布置是《橋梁概念設(shè)計(jì)》中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是生成概念方案所必須有的過程。設(shè)計(jì)構(gòu)思主要是分析橋位處的自然條件、技術(shù)條件、人文條件、社會(huì)條件，進(jìn)而對橋梁總體設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。①自然條件。自然條件主要包括河勢、水文、氣象氣候、地形地貌、地質(zhì)水質(zhì)和地震這七個(gè)方面。在概念設(shè)計(jì)階段，這些資料的應(yīng)用一般有兩個(gè)方面：一方面，在理解消化這些資料的基礎(chǔ)上，抓住核心要素和控制條件，形成構(gòu)思和布局的雛形；另一方面，用于總體和關(guān)鍵構(gòu)件的宏觀、控制性的計(jì)算和分析，來驗(yàn)證和調(diào)整先前的構(gòu)思和布置。②技術(shù)條件。經(jīng)過近200年的發(fā)展，橋梁的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)已發(fā)展形成了一些較為成熟的形式，在當(dāng)今技術(shù)條件下，這些不同類型的上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)都有著各自的適用范圍，在橋梁概念設(shè)計(jì)的初始階段，我們應(yīng)當(dāng)盡可能地根據(jù)橋梁所處的自然條件，選擇最為合適的上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)。③人文條件。人文條件主要是指橋梁所處地區(qū)的歷史文化背景和該區(qū)域的橋梁使用者對于美的訴求。橋梁作為一種永久建筑物，除了跨越功能之外，其景觀功能也是其功能的一個(gè)重要方面，在某些情況下，尤其是城市橋梁當(dāng)中，橋梁的景觀功能可能是其最為重要的一個(gè)方面。只有在這些準(zhǔn)備工作做好之后，才能夠根據(jù)“變化與統(tǒng)一”、“比例與勻稱”、“平衡與和諧”，“韻律與協(xié)調(diào)”這些基本的美學(xué)基本原則，設(shè)計(jì)出滿足人們?nèi)宋脑V求和美學(xué)要求的美的橋梁。④社會(huì)條件。社會(huì)條件主要是指橋梁的使用功能、橋梁的經(jīng)濟(jì)性。使用功能包括交通功能、航運(yùn)功能。交通功能方面，對于公路橋梁、鐵路橋梁和城市橋梁，其荷載標(biāo)準(zhǔn)和建筑界限不同；不同的航道等級(jí)和通航標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的通航凈空也不相同。經(jīng)濟(jì)性方面，不同的橋型、總體布置、基礎(chǔ)方案和施工方案對于橋梁的經(jīng)濟(jì)性能均有影響。

4.結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)證。在結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)證中，介紹了橋梁的荷載，講解了結(jié)構(gòu)分析的一般方法和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、動(dòng)力特性的驗(yàn)算，然后介紹了橋梁耐久性設(shè)計(jì)的一般原則和耐久性驗(yàn)算的方法。5.工程案例分析。通過分析《橋梁概念設(shè)計(jì)》的工程實(shí)例，來完整的介紹橋梁概念設(shè)計(jì)的流程，以及各個(gè)步驟當(dāng)中應(yīng)當(dāng)注意的問題，使學(xué)生在掌握全局的同時(shí)不忽略細(xì)節(jié)。

概念設(shè)計(jì)教學(xué)特色

同濟(jì)大學(xué)橋梁系在國內(nèi)土木工程專業(yè)首先開展了概念設(shè)計(jì)的課程，作為橋梁工程教學(xué)改革的一部分，這門課程嘗試了一些新的教學(xué)方法。具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。

1.強(qiáng)調(diào)橋梁創(chuàng)新和美學(xué)設(shè)計(jì)。通過概論，首先強(qiáng)調(diào)《橋梁概念設(shè)計(jì)》中創(chuàng)新的重要性，從總體布局、結(jié)構(gòu)體系和局部構(gòu)造三個(gè)層次引入創(chuàng)新理念。并分別配以工程實(shí)例，深入淺出，強(qiáng)化了創(chuàng)新和美學(xué)設(shè)計(jì)在橋梁設(shè)計(jì)中的重要性，引導(dǎo)學(xué)生在創(chuàng)新和美學(xué)方面進(jìn)行思考。如在講解從總體布局的角度創(chuàng)新橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，列舉了某高新區(qū)中央島的橋梁概念設(shè)計(jì)。由于該區(qū)域是交通道路上的重要視覺節(jié)點(diǎn)，連島的兩座橋梁需要表現(xiàn)出磅礴的氣勢和很好的視覺沖擊力，常規(guī)橋梁無法表現(xiàn)這一特征。雖然可以通過大跨度懸索橋、斜拉橋凸顯氣勢，但是橋位處沒有大跨度斜拉橋的要求，同時(shí)，大跨度橋梁經(jīng)濟(jì)上也不合理。通過總體布局的創(chuàng)新，采用建筑學(xué)上借勢造景的技法，將一座常規(guī)大跨度橋梁一分為二，分別放在南北兩個(gè)河道處，中間道路形成虛擬的橋梁中跨，遠(yuǎn)處觀看，如同一座十分宏偉的大跨度懸索橋，既凸顯了氣勢，又滿足了經(jīng)濟(jì)合理的要求。

2.注重講解概念性的原理。傳統(tǒng)的橋梁工程注重從力學(xué)計(jì)算方面推導(dǎo)出一些公式，通過公式里的參數(shù)分析來講解橋梁工程中的基本力學(xué)原理。在《橋梁概念設(shè)計(jì)》的教學(xué)當(dāng)中，復(fù)雜的力學(xué)計(jì)算不是重點(diǎn)，因?yàn)槠渑c概念設(shè)計(jì)注重概念的理念背道而馳。相反，概念性的原理才是重中之重，一方面，概念性的原理便于理解性記憶；另一方面，如果概念設(shè)計(jì)不合理，將直接導(dǎo)致后續(xù)力學(xué)計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)問題，進(jìn)而需要返工或者通過額外措施解決出現(xiàn)的問題。例如，在講解橋梁結(jié)構(gòu)體系對于橋梁受力性能的影響時(shí)，列舉了作者設(shè)計(jì)的昆山玉峰大橋的外部約束、內(nèi)部鏈接和剛度分配處理方法的例子。%%昆山某區(qū)域需建立一座城市橋梁，通過概念分析，擬建立一座斜靠拱橋。由于該區(qū)域?yàn)檐浲恋鼗瑹o法承擔(dān)水平推力。因此，主拱圈采用無水平推力的系桿拱（外部連接），主拱圈承擔(dān)主要的恒載，主拱圈斜靠拱共同承擔(dān)活載（剛度分配），進(jìn)而解決了軟土地基的問題。在講解主拱圈和主梁之間的內(nèi)部連接方式時(shí)，同樣也采用了重視概念、簡化計(jì)算的教學(xué)思路。由于主梁為雙邊箱鋼箱梁主梁，在縱橫梁上搭設(shè)混凝土預(yù)制橋面板，橋面板之間通過現(xiàn)澆段和橫縱梁上的剪力釘連接，因此在拱梁交接處存在著負(fù)彎矩區(qū)段，會(huì)導(dǎo)致橋面板開裂。為了解決這個(gè)問題，主拱圈和主梁之間采用鉸接的連接方式，釋放了負(fù)彎矩；同時(shí)，等主梁支架拆除后再澆筑現(xiàn)澆段，通過讓混凝土橋面板和鋼主梁在不同的階段參與受力，也減小了拱梁連接處的橋面板拉應(yīng)力，防止了橋面板開裂。由于一般的系桿拱橋主梁為混凝土箱梁，可以張拉預(yù)應(yīng)力，因此拱梁交接處主梁拉應(yīng)力不是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，但是在玉峰橋中，在混凝土橋面板中張拉預(yù)應(yīng)力較為困難，因此采用了釋放拱梁之間彎矩的鉸接的連接方式。

3.教學(xué)結(jié)合工程實(shí)際。以上兩個(gè)例子，只是《橋梁概念設(shè)計(jì)》課程教學(xué)當(dāng)中所舉的眾多例子的一個(gè)縮影。為了改變傳統(tǒng)橋梁工程教學(xué)時(shí)，學(xué)生只知其然，不知其所以然的狀況，在《橋梁概念設(shè)計(jì)》教學(xué)中加入了眾多的工程實(shí)例，講解出原因，讓學(xué)生加深理解，加深印象。例如，在介紹懸索橋抗風(fēng)問題時(shí)，列舉了著名的“塔科馬大橋風(fēng)毀”事故，并從懸索橋的計(jì)算理論發(fā)展的角度，解釋了塔科馬大橋發(fā)生風(fēng)毀的背景。在線彈性理論當(dāng)中，不考慮結(jié)構(gòu)變形對于平衡的影響，因此主梁高度很大；隨著撓度理論的誕生，人們發(fā)現(xiàn)主梁的剛度對于懸索橋的整體剛度貢獻(xiàn)不大，最終，從曼哈頓橋到金門大橋，懸索橋主梁高度越來越小。到塔科馬大橋時(shí)，主梁高跨比只有1/350，主梁形式為抗扭性能差的雙邊主梁開口斷面，最終導(dǎo)致主梁發(fā)生風(fēng)致顫振破壞。這種結(jié)合工程事故發(fā)生的理論發(fā)展背景的講解思路，讓學(xué)生的理解更為深入。

4.整合知識(shí)體系。通過一個(gè)完整的橋梁概念設(shè)計(jì)流程，學(xué)生明白了本科所學(xué)課程在橋梁概念設(shè)計(jì)中的作用以及各個(gè)課程之間的關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到了整合學(xué)生的知識(shí)體系的目的；同時(shí)，概念設(shè)計(jì)當(dāng)中歷史文化、美學(xué)訴求方面的人文內(nèi)涵需要學(xué)生提高綜合素質(zhì)，耐久性、環(huán)保以及全壽命設(shè)計(jì)思想要求學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，從這個(gè)角度來說，概念設(shè)計(jì)也起到了引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)方向的目的。

5.注重學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合。讓學(xué)生更深入地理解《橋梁概念設(shè)計(jì)》，最好的方式是讓學(xué)生參與到真實(shí)的橋梁概念設(shè)計(jì)當(dāng)中。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生參加橋梁方案競賽是一個(gè)很好的方式。從同濟(jì)大學(xué)橋梁系開設(shè)《橋梁概念設(shè)計(jì)》課程以來，歷屆學(xué)生分別參加了廣東省虎門二橋、北京長安街西延永定河橋、北京通州運(yùn)河區(qū)北運(yùn)河橋和通惠河橋的國際方案競賽。在參與競賽的過程中，學(xué)生對橋梁概念設(shè)計(jì)的流程有了更深入地理解，同時(shí)也增強(qiáng)了實(shí)踐能力。下面介紹了長安街西延永定河橋梁的概念設(shè)計(jì)。橋位位于首鋼工業(yè)改造區(qū)，該區(qū)域規(guī)劃功能定位為北京西部綜合服務(wù)中心和后工業(yè)文化創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)區(qū)。橋位北部為被譽(yù)為“燕都第一仙山”的石景山，西岸為門頭溝濱水商務(wù)區(qū)，功能以商業(yè)服務(wù)，文化娛樂為主。

大橋跨越永定河蓮石湖，該湖注水后，形成湖濱綠色生態(tài)走廊。概念設(shè)計(jì)當(dāng)中，石景山、永定河和首鋼是不可或缺的三個(gè)元素，橋梁應(yīng)當(dāng)與這三個(gè)元素相互融合，構(gòu)建出“一山、一水、一橋，一部鋼鐵史”的和諧篇章。①跨徑布置。橋位處控制橋梁跨徑的主要因素有：路線與河道及兩側(cè)道路斜交53度；東側(cè)跨越豐沙鐵路和東濱河路（紅線寬度40米）；西側(cè)跨越河堤路（紅線寬度30米）；河堤處不能設(shè)置橋墩。因此，采用東側(cè)一跨跨越豐沙鐵路、東濱河路和東河堤，西側(cè)采用一跨跨越西河堤及西河堤路，最小跨徑均為120米。河道中橋墩設(shè)置不受通航影響，但需要考慮排洪的作用，橋位處上下游橋梁跨徑均為40米左右。②橋型選擇。

橋型選擇考慮結(jié)構(gòu)的外形與周邊環(huán)境相符，控制結(jié)構(gòu)的高度，是的結(jié)構(gòu)與石景山和山下的首鋼廠區(qū)高度協(xié)調(diào)，不遮擋永定河自南向北的視覺走廊。根據(jù)跨徑布置，梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋都是可行的。③橫斷面布置。橋位處道路規(guī)劃紅線寬度為80米，若采用單層橋面布置，橋面寬度約為60米；若采用雙幅橋面布置，橋型選擇限制較多，如采用橫向四片拱肋的拱橋，景觀效果不佳；如采用雙層橋邊，可以使橋?qū)捵優(yōu)?0米左右，同時(shí)具有許多優(yōu)點(diǎn)。非機(jī)動(dòng)車道、人行道和車行道分離，為互通立交的實(shí)現(xiàn)提供了很好的條件；雙層橋面的下層人行道、非機(jī)動(dòng)車道可以與東濱河路實(shí)現(xiàn)平交，方便了行人。④概念生成圖3創(chuàng)新總體布局的懸索橋效果

（a）效果圖

（b）結(jié)構(gòu)簡圖

圖4玉峰橋與選擇。梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋都是可選橋型，根據(jù)上述分析，概念生成了十四個(gè)比選方案。從安全適用、結(jié)構(gòu)布置的合理性與經(jīng)濟(jì)性、與環(huán)境的協(xié)調(diào)和美觀、可設(shè)計(jì)性和可施工性、耐久環(huán)保五個(gè)方面進(jìn)行綜合比選打分，最終概念選擇了五跨連續(xù)桁架拱橋方案、斜拉橋和梁橋組合方案、斜拉橋和拱橋組合方案，進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)。以下為三個(gè)方案———錦繡河山（五跨連續(xù)桁架拱橋方案）、日月同輝（斜拉橋和梁橋組合方案）、龍鳳呈祥（斜拉橋和拱橋組合方案）的效果圖。⑤概念設(shè)計(jì)。下面簡略介紹錦繡河山方案極其概念設(shè)計(jì)。

美學(xué)處理方面，五跨連續(xù)桁架拱橋方案主梁和拱肋均采用鋼桁架形式，厚實(shí)的金屬質(zhì)感讓人們感受到首鋼改造區(qū)曾經(jīng)輝煌的鋼鐵文化。橋面以上主拱圈的高度近似按照黃金分割比設(shè)計(jì)，猶如連綿起伏的山巒，突出了錦繡河山的主題。橋頭堡外形也同樣進(jìn)行了美學(xué)優(yōu)化，參照石景山上寶塔的形象進(jìn)行了處理。主橋?yàn)椴捎秒p層橋面的梁拱組合體系，各跨拱腳均采用固定鉸支座約束。主梁寬度為32.6m，高度為6.5m。上下橋面每隔6m設(shè)置一道橫梁，梁高1.5m。采用正交異性鋼橋面板，主梁上吊桿間距為6m。除拱肋的風(fēng)撐與弦桿，腹桿與弦桿采用高強(qiáng)螺栓連接外，其他鋼構(gòu)件采用焊接連接。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

永定河大橋概念設(shè)計(jì)是國際方案競賽，有六家國際知名設(shè)計(jì)單位的十八個(gè)方案參加競爭，最終有六個(gè)方案入圍。作者指導(dǎo)學(xué)生所完成的三個(gè)方案均得以入選。部分競爭者的方案因采用大跨、奇異的造型來標(biāo)新立異而被淘汰，而學(xué)生們所完成的方案思路清晰、考慮的因素較為全面，創(chuàng)新性、經(jīng)濟(jì)性均較好，設(shè)計(jì)方案外形也比較優(yōu)美，因此得以入圍。在前面提到的另外兩個(gè)國際比賽中，學(xué)生們的方案也獲得了第二和第一名。參加比賽既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也達(dá)到了《橋梁概念設(shè)計(jì)》的教學(xué)目的。

學(xué)生反應(yīng)

本文第二作者作為《橋梁概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的學(xué)生，也切身體會(huì)到了《橋梁概念設(shè)計(jì)》不同于傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)。傳統(tǒng)的橋梁教學(xué)思路只重視結(jié)構(gòu)計(jì)算，而《橋梁概念設(shè)計(jì)》重概念、重視原理、重視講解思路，重視用實(shí)例說明抽象的問題。這些教學(xué)思路對于學(xué)生的理解十分有益。同時(shí)，提高了創(chuàng)新和美學(xué)考慮在橋梁設(shè)計(jì)中地位，讓聽課的學(xué)生認(rèn)識(shí)到，新的橋梁設(shè)計(jì)理念需要工程師從傳統(tǒng)的橋梁計(jì)算工程師轉(zhuǎn)變到橋梁創(chuàng)新設(shè)計(jì)工程師甚至是橋梁建筑師，讓其更為重視自身的人文修養(yǎng)和綜合素質(zhì)發(fā)展。

《橋梁概念設(shè)計(jì)》的學(xué)習(xí)就是一個(gè)橋梁概念設(shè)計(jì)訓(xùn)練的過程，本科學(xué)習(xí)的知識(shí)經(jīng)過梳理后成為了一個(gè)體系。在進(jìn)行本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生拿到一個(gè)橋梁基本信息后，處理更為得心應(yīng)手。最后，參與方案競賽的實(shí)踐幫助學(xué)生從理論性的知識(shí)當(dāng)中走出來，進(jìn)行實(shí)際的概念設(shè)計(jì)操作，加深了學(xué)生對概念設(shè)計(jì)本身的理解，對概念設(shè)計(jì)流程也更加熟悉。我們國家的橋梁在過去的三十年當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，但是，這種高速發(fā)展的背后也隱藏著很多問題，創(chuàng)新理念不足、橋梁不夠優(yōu)美以及經(jīng)濟(jì)性能不好是眾多問題中比較突出的幾個(gè)方面。

高校學(xué)生是未來青年工程師中的骨干力量，是未來橋梁設(shè)計(jì)的中堅(jiān)。同濟(jì)大學(xué)橋梁系率先開展《橋梁概念設(shè)計(jì)》這一課程，希望能夠通過這門課程，加強(qiáng)學(xué)生對橋梁概念構(gòu)思的重視，將創(chuàng)新思維和美學(xué)優(yōu)化的理念貫穿橋梁設(shè)計(jì)始終。希望通過這種形式，在橋梁界中倡導(dǎo)一個(gè)重視概念設(shè)計(jì)、重視創(chuàng)新、重視美學(xué)優(yōu)化的氛圍，為中國橋梁的進(jìn)步貢獻(xiàn)出一份力量。