1 引言
在漫長的古代和中世紀(jì)，從事建筑營造活動的工匠，既是建筑師，又是結(jié)構(gòu)工程師。后來，隨著建筑功能的大大增加及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，才出現(xiàn)了建筑師與結(jié)構(gòu)工程師的分工。但是，橋梁就有所不同，直到現(xiàn)在，一位橋梁設(shè)計(jì)師既是建筑師，又是結(jié)構(gòu)工程師。依筆者之見，究其原因大概有三條：
①橋梁的功能并不復(fù)雜，其建筑設(shè)計(jì)可由結(jié)構(gòu)工程師代替；
②橋梁所受荷載較房屋建筑特別大，因而，其造型大多以結(jié)構(gòu)受力合理為重心進(jìn)行選擇，也就是說，橋梁建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聯(lián)系非常緊密；
③橋梁建筑設(shè)計(jì)與施工方法緊密相連，而施工方法與結(jié)構(gòu)受力分析息息相關(guān)，這是橋梁工程的顯著特點(diǎn)之一。
當(dāng)今世界橋梁飛速發(fā)展，越來越多的橋梁需要我們?nèi)ソㄔ欤绕涫钦卺j釀的跨海峽大橋，其迫切需要超大跨徑，于是，人們開始不滿足于現(xiàn)有的橋式，,而是正積極探索其它嶄新的橋式,這就需要對橋梁建筑學(xué)進(jìn)行研究。筆者根據(jù)多年橋梁設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程力學(xué)原理及建筑美學(xué)法則，總結(jié)出合理橋式應(yīng)遵循的若干條規(guī)律，初步形成了橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論。
2 合理橋式所遵循的規(guī)律
橋梁結(jié)構(gòu)合理形式并非有特定的單一的結(jié)構(gòu)形式，因此，研究其特性應(yīng)從總體上把握其規(guī)律，然后，以其為標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)所要討論橋式的優(yōu)劣。
實(shí)際上，橋梁結(jié)構(gòu)合理型式所遵循的一些規(guī)律已零散地存在于橋梁建設(shè)者的頭腦中，并自覺或不自覺地運(yùn)用于實(shí)踐。，這里只不過將其歸納總結(jié)，使之系統(tǒng)化、理論化、使其具有邏輯性，有層次感。這些規(guī)律難以定量化，而只能用語言描述的形式來表達(dá)。
【準(zhǔn)則1】良好的結(jié)構(gòu)方案是良好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提。
因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，無論多么完美的結(jié)構(gòu)計(jì)算都無法彌補(bǔ)經(jīng)結(jié)構(gòu)構(gòu)思而形成的結(jié)構(gòu)方案中的不足，相反，良好的結(jié)構(gòu)方案卻能夠部分彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算中的不足。由此可見結(jié)構(gòu)構(gòu)思的重要性。
【準(zhǔn)則2】功能準(zhǔn)則 結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足全部功能的要求。
準(zhǔn)則2給出了橋式最基本的要求——功能要求。
【準(zhǔn)則3】功能決定結(jié)構(gòu)。
由準(zhǔn)則2不難得到準(zhǔn)則3。橋梁的跨越功能是橋梁最基本的功能之一，橋梁的跨越功能決定了橋梁必須有橋跨結(jié)構(gòu)，而為了支承橋跨結(jié)構(gòu)，必須有支承結(jié)構(gòu)。橋梁要使其上的車輛或行人等安全、舒適地通過，橋梁須能承受車輛、行人等荷載，且不產(chǎn)生過大的變形而影響使用。正是橋梁功能的要求，才使得為滿足橋梁功能要求而修建的結(jié)構(gòu)被稱為橋梁。
【準(zhǔn)則4】幾何不變準(zhǔn)則 一般工程結(jié)構(gòu)都必須是幾何不變體系。
為了保證車輛、行人等安全、舒適地通過橋梁，橋梁結(jié)構(gòu)在主要受力面-順橋向鉛垂面內(nèi)應(yīng)保證幾何不變，在次要受力面-橫橋向鉛垂面及水平面內(nèi)亦應(yīng)保證足夠的剛度。這是橋梁成為工程結(jié)構(gòu)的基本條件。
判別一結(jié)構(gòu)是否為幾何不變的過程稱為機(jī)動分析。
【準(zhǔn)則5】傳力路徑準(zhǔn)則 合理的結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其傳力路徑較短。
傳力路徑——筆者建議將構(gòu)件中主拉（壓）應(yīng)力跡線定義為傳力路徑，將結(jié)構(gòu)在使用荷載（包括桓載）作用于，各主要受力構(gòu)件傳力路徑之和定義為該結(jié)構(gòu)的傳力路徑總長。
對于拉（壓）桿，其主應(yīng)力跡線均平行于桿件軸線，因此，傳力路徑等于桿件的長度。而對于純受彎桿件，任一橫截面內(nèi)均有拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，其主拉（壓）應(yīng)力跡線亦平行于桿件軸線，其傳力路徑等于桿件的長度。但梁常為彎剪耦合構(gòu)件，梁內(nèi)任意一點(diǎn)均處于二向受力狀態(tài)。其主應(yīng)力跡線呈曲線，可見，其傳力路徑復(fù)雜，此時(shí)可將梁比擬為“桁架”（拉一壓結(jié)構(gòu)），其各構(gòu)件傳力路徑之和可定義為梁的傳力路徑。對于彎剪扭耦合構(gòu)件，可將其比擬為“空間桁架。可見，拉（壓）桿件傳力路徑較受彎桿件短得多，它是傳力最簡捷的構(gòu)件。
不論是橋跨結(jié)構(gòu)還是支承結(jié)構(gòu)，不論是橫截面內(nèi)（如受彎箱梁在彎矩平面內(nèi)的傳力路徑主要是沿腹板傳遞，因此，其主筋應(yīng)配置在靠近腹板的范圍內(nèi)為好等）還是細(xì)部構(gòu)造（如拱上立柱與箱拱連接處橫隔板沿立柱豎向設(shè)置較徑向設(shè)置傳力簡捷；帶掛孔的懸臂梁橋采用受拉型鉸較傳統(tǒng)受壓型鉸施工吊裝方便、牛腿的受力與梁的受力吻合，細(xì)部構(gòu)造優(yōu)越等），傳力路徑簡捷、明快者為較好的形式。
【準(zhǔn)則6】應(yīng)力均勻準(zhǔn)則 結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)均勻流暢。
對于桿系結(jié)構(gòu)，應(yīng)力均勻流暢包括桿件橫截面內(nèi)應(yīng)力均勻，沿桿件長度方向內(nèi)力均勻及結(jié)點(diǎn)、邊界處應(yīng)力均勻，總之，要求結(jié)構(gòu)應(yīng)力處處均勻流暢。
只有結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻，才能較好地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，取得經(jīng)濟(jì)效益。
準(zhǔn)則5與準(zhǔn)則6是從力學(xué)角度衡量橋式優(yōu)劣的重要準(zhǔn)則。
【準(zhǔn)則7】承受軸向拉力或壓力的結(jié)構(gòu)，簡稱為“拉／壓結(jié)構(gòu)” 是合理結(jié)構(gòu)。
由于拉/壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻流暢，材料強(qiáng)度得到較好地發(fā)揮，且傳力路徑短，因此，不難由準(zhǔn)則5及準(zhǔn)則6得到準(zhǔn)則7。諸如桁架、拱、柱、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架、整體張拉式結(jié)構(gòu)（由壓桿群和拉索系組成的空間結(jié)構(gòu)體系）等均為拉/壓結(jié)構(gòu)。
【準(zhǔn)則8】承受軸向拉力的跨越結(jié)構(gòu)可能是大跨優(yōu)越結(jié)構(gòu)，即索結(jié)構(gòu)是大跨優(yōu)越結(jié)構(gòu)。
目前，橋梁用索結(jié)構(gòu)包括懸索橋，斜拉橋及拱橋（吊桿采用柔索者）等。
結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)從本質(zhì)上講，只有拉和壓這兩種互為相反的狀態(tài)；而受彎是拉與壓的組合。跨越體系的受力狀態(tài)可以是受拉、受壓或受彎，而單純受扭或受剪的結(jié)構(gòu)是不能充當(dāng)跨越結(jié)構(gòu)的。
①受彎的橋跨結(jié)構(gòu)不方便施工，應(yīng)力不夠均勻，材料強(qiáng)度不能很好地發(fā)揮，傳力路徑長，現(xiàn)有的受彎材料比強(qiáng)度不高，因此，受彎的橋跨結(jié)構(gòu)不適宜于大跨。
②受壓的橋跨結(jié)構(gòu)雖應(yīng)力較均勻，材料強(qiáng)度能較好的發(fā)揮（但存在失穩(wěn)問題），傳力路徑較短，但不方便施工，且受壓材料比強(qiáng)度不高，對于大跨橋梁，幾何非線性的影響使其所受內(nèi)力聚增，因而不經(jīng)濟(jì)，可見，受壓橋跨結(jié)構(gòu)還算不上較好的結(jié)構(gòu)體系。
③受拉的橋跨結(jié)構(gòu)，雖存在振動、腐蝕、疲勞及大變形等問題，但其架設(shè)方便，應(yīng)力均勻，材料強(qiáng)度能得到很好地發(fā)揮，傳力路徑較短，材料（索）比強(qiáng)度高，當(dāng)考慮幾何非線性影響時(shí)，其內(nèi)力大大減小，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，因此，索結(jié)構(gòu)適宜于大跨。
【準(zhǔn)則9】預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)是大跨理想結(jié)構(gòu)。
在預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力使索系處于張緊與穩(wěn)固狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)體系具有承載能力及剛度（而不是降低或調(diào)整內(nèi)力）。這種不以增加自重為代價(jià)而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度及承載能力的特點(diǎn)正是預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的優(yōu)越所在。如雙曲懸索結(jié)構(gòu)及筆者提出的全索橋新橋式便屬于預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)。
【準(zhǔn)則10】結(jié)構(gòu)連續(xù)準(zhǔn)則 合理的結(jié)構(gòu)整體性好，構(gòu)件體形變化平順。
這不僅是美觀的要求，更是準(zhǔn)則6的要求，因?yàn)闃?gòu)件體形變化平順、結(jié)點(diǎn)處或邊界處過渡平滑、結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)是力流平順的必要條件，同時(shí)，也可提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。
【準(zhǔn)則11】合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量使其各構(gòu)件承受均布荷載，如受彎構(gòu)件承受橫向均布荷載，而拉/壓構(gòu)件承受軸向均布荷載等。
這是應(yīng)力均勻、傳力簡捷之要求。
【準(zhǔn)則12】均衡與穩(wěn)定準(zhǔn)則 一般工程結(jié)構(gòu)必須保持靜力平衡，即結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
從力學(xué)與美學(xué)角度上講，要求結(jié)構(gòu)均衡。保持靜力平衡是橋梁結(jié)構(gòu)安全與美觀的前提條件。
【準(zhǔn)則13】韻律感與節(jié)奏感準(zhǔn)則 合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)有韻律感和節(jié)奏感。
由準(zhǔn)則3可知，功能決定了結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)構(gòu)并非由雜亂的構(gòu)件拼湊而成，而是按功能要求有機(jī)地結(jié)合起來，這樣形成的合理結(jié)構(gòu)必然具有韻律感和節(jié)奏感。
準(zhǔn)則13是衡量橋式美觀的重要準(zhǔn)則。橋梁孔徑的變化、墩高的變化、式樣的變化、橋面的起伏、斜拉索的輻射、大纜優(yōu)美的曲線及拱的彎曲等等都形成了韻律與節(jié)奏。和諧的韻律與節(jié)奏使美麗的橋梁看上去如無聲而美妙的音樂。
有關(guān)橋梁輪廓尺寸的協(xié)調(diào)比例關(guān)系見如下準(zhǔn)則14：
【準(zhǔn)則14】橋梁輪廓尺寸協(xié)調(diào)準(zhǔn)則
①梁橋或拱橋相鄰跨度的比值（小跨比大跨）宜在【0.4，1】內(nèi)，接近0.618時(shí)，橋跨變化會顯得平順、流暢、有韻律感與節(jié)奏感。
②梁橋墩高與跨度之比宜在【0.25,0.85】內(nèi)，接近0.618時(shí)，橋高與跨度的比例最為和諧。
③拱橋之矢跨比宜在[1/8，1/4]內(nèi)。
④斜拉橋索塔高度（自橋面算起）與中跨之比宜在[1/7，1/4]內(nèi)，邊跨與中跨之比宜在[1/3，1/2]內(nèi)。
⑤懸索橋大纜矢跨比宜在[1/7，1/11]內(nèi)，邊跨與中跨之比宜在[1/4，1/2]內(nèi)。
⑥帶單懸臂的簡支梁，懸臂長與簡支跨長之比宜取0.41左右。
⑦帶雙懸臂的簡支梁，懸臂長與簡支跨長之比宜取0.35左右。
⑧帶雙懸臂的兩等跨連續(xù)梁，當(dāng)施工過程中未發(fā)生體系轉(zhuǎn)換時(shí)，其懸臂長與跨度之比宜取1/3左右。
⑨三跨連續(xù)梁，當(dāng)施工過程中未發(fā)生體系轉(zhuǎn)換時(shí)，其邊跨長與中跨之比宜取0.8左右。
⑩中間跨為等跨的多跨連續(xù)梁，其邊跨與中跨跨度之比宜在[0.65,0.70]內(nèi)。
準(zhǔn)則14是橋梁美觀、經(jīng)濟(jì)、受力合理三者統(tǒng)一協(xié)調(diào)的典型表現(xiàn)。
【準(zhǔn)則15】形式感與量感準(zhǔn)則 合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)有形式感和量感。
形式感是指藝術(shù)領(lǐng)域中形式因素本身對于人的精神所產(chǎn)生的某種感染力。如：
①水平線條給人的感受是親切、委婉，它使人聯(lián)想到平靜的水面、一望無際的平原；
②垂直線條給人的感受是莊嚴(yán)、高昂，它使人聯(lián)想到向上生長的樹木、挺立蒼穹的高山。
③斜線具力感、動感和方向感；
④波形線條可以產(chǎn)生流動感、跳躍感；
⑤懸挑線條可以產(chǎn)生靈巧感、騰越感；
⑥半圓曲線會使人聯(lián)想到掛在空中的彩虹；兩個(gè)半圓曲線的組合會使人聯(lián)想到展翅飛翔的海鷗；
⑦正放的三角形給人以穩(wěn)定、安全的感覺，而倒放的三角形會使人感到危險(xiǎn)與不安；
⑧圓形給人以純情、圓潤、完美的感受，而球體及橢球體被認(rèn)為是完美的物體；
⑨矩形給人以理性、中規(guī)中矩的感受。
【準(zhǔn)則16】橋梁特有的美學(xué)特征
橋梁有別于其它結(jié)構(gòu)的美學(xué)特征有：通達(dá)之美、凌空之美、流暢之美及剛?cè)嶂馈?
橋梁由此岸到達(dá)彼岸，使道路通達(dá)，因而有其功能美-通達(dá)之美。
橋梁為一跨越結(jié)構(gòu)，其騰空飛架的梁索讓人感受到了凌空之美，因此較路基有通透感。
橋梁為一帶狀結(jié)構(gòu)，長大橋中的豎曲線設(shè)置使橋面看上去連續(xù)流暢、纖細(xì)輕快。
橋梁結(jié)構(gòu)兼顧了剛?cè)嶂馈Ａ骸⒐爸w細(xì)、親切、委婉，墩塔之雄壯、莊嚴(yán)、高昂，斜索之力感、動感、方向感，大纜之起伏、飄動、流暢、張力感等。
【準(zhǔn)則17】橋梁與環(huán)境協(xié)調(diào)準(zhǔn)則 工程結(jié)構(gòu)的造型與體量應(yīng)與周圍環(huán)境（如河、海、峽谷、房屋建筑、道路、大型雕塑、樹林或曠野等）協(xié)調(diào)。
【準(zhǔn)則18】地形與橋式準(zhǔn)則 一般來說，山區(qū)地形宜修建拱橋或吊橋；平原地形宜修建梁橋或斜拉橋。
一般來說，橋梁與周圍環(huán)境相比會顯得較小，在人們的視線里，就只看到其輪廓，因此，橋梁以其輪廓美為主。考慮到行人上橋觀光，近距離看橋，因此，橋梁美應(yīng)兼顧細(xì)部美。橋梁造型及體量與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)的類型有以下幾種：
①當(dāng)橋梁規(guī)模較大、氣勢宏偉時(shí)，突出橋梁之美；
②當(dāng)橋梁較小或影響其他重要物體之美時(shí)，橋梁順從他物之美；
③當(dāng)橋梁與周圍景觀相當(dāng)且協(xié)調(diào)時(shí)、選擇橋梁與他物爭奇斗妍。
【準(zhǔn)則19】造型與受力準(zhǔn)則
筆者以為，當(dāng)跨度不大時(shí) ，由于橋梁受力不大，其造型發(fā)揮的余地就大，能夠很好地供人觀賞；而當(dāng)跨度較大時(shí)，由于橋梁受力較大，其造型當(dāng)以結(jié)構(gòu)受力合理為重心進(jìn)行選擇，而這種造型并不是不美。這是技術(shù)與藝術(shù)的統(tǒng)一。
【準(zhǔn)則20】可靠性準(zhǔn)則
合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)使結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)安全可靠，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及耐久性均應(yīng)滿足要求。
如果說前面的準(zhǔn)則是從力學(xué)角度及美學(xué)角度等探討結(jié)構(gòu)構(gòu)思的話，那么，本準(zhǔn)則20則是驗(yàn)證構(gòu)思是否成立。如前所述，由于橋梁建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算聯(lián)系緊密，因此，在橋梁的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，方案構(gòu)思與結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)交叉進(jìn)行、相互協(xié)作。
3 橋式方案研究
橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論豐富了橋梁科學(xué)，為橋式方案設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。橋式方案設(shè)計(jì)包括
①平面設(shè)計(jì)，即平面線形選取及橋梁平面布置等；
②立面設(shè)計(jì)，即孔跨布置及式樣選擇等；
③橫斷面設(shè)計(jì)，即橋面布置及橋梁橫向布置等。
橋梁方案設(shè)計(jì)主要受橋址工程條件（如地形、地貌、地質(zhì)、地震、水文、氣象、通航或跨線等）、設(shè)計(jì)要求（交通量、路線等級、設(shè)計(jì)荷載、設(shè)什壽命等）及施工方法的制約，交通量等決定了橋梁寬度；通航凈寬決定橋跨下限；通航凈高、通航孔跨決定橋梁建筑高度；橋面縱坡及起橋高度、橋梁建筑高度三者決定了橋長。一般情況下，地質(zhì)越差或下部結(jié)構(gòu)投資越大，就越宜采用較大的跨度，以減少支承結(jié)構(gòu)的工程量，從而節(jié)省投資。此外，橋式方案設(shè)計(jì)尚應(yīng)考慮統(tǒng)一性或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以簡化設(shè)計(jì)與施工。橋式候選方案應(yīng)以橋式理論為基礎(chǔ)，結(jié)合橋址工程條件提出（跨度、橋式及施工方法三者緊密聯(lián)系），對于明顯較差的方案應(yīng)及時(shí)舍去。橋式方案比選應(yīng)從以下四個(gè)方面進(jìn)行比較：適用（功能）、安全（可靠性）、經(jīng)濟(jì)與美觀；比較的項(xiàng)目應(yīng)包括
①孔跨布置、式樣、建筑高度、橋梁高度、橋長及起橋高度；
②橋梁橫截面形式（包括橋面布置）及主要尺寸；
③工程數(shù)量、施工方法、工期及造價(jià)；
④功能及可靠性；
⑤機(jī)動分析、靜力平衡、傳力路徑及受力均勻性分析；
⑥韻律與節(jié)奏感、輪廓尺寸比例、體量及造型與地形、地物等的協(xié)調(diào)；
⑦其他比較項(xiàng)目及優(yōu)缺點(diǎn)。
等七大項(xiàng)。
4 結(jié)語
橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論是對橋梁各構(gòu)件組成規(guī)律的研究，為橋式方案設(shè)計(jì)、乃至橋梁建筑學(xué)提供了理論基礎(chǔ)，減少了橋式探索中的盲目性。以其為指南，必將對未來大型橋梁的建設(shè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。
