桥梁概念设计理论与研究方法探讨

胡学民

从现阶段桥梁发展现状来看，21世纪将迎来世界桥梁更大规模的建设高潮。桥梁具备产品的一般属性，可以将产生于工业产品设计的概念设计移植于桥梁工程[1-3]。现在，对桥梁概念设计研究早已引起了世界各国的关注，尤其在欧美等发达国家，桥梁概念早已成为实践的对象，而在我国处于初步阶段，对其研究具有显著理论意义和实践价值。

1 桥梁概念设计特点

桥梁概念设计牵涉多个学科，多个领域，由建筑师、环境工作者、景观工程师、地质工作者、环保工作者等相关专业人员组成团队合作的结果[4，5]。

1)创新性。创新性即桥梁结构体系和造型设计的独创性和原创性，创新是桥梁设计的灵魂，是桥梁发展的动力。设计人员不仅应具有创新的意识，还要有创新的能力，要勇于突破定势思维，打破传统观念和经验的束缚，充分发挥主观能动性和想象力。设计人员应具有扎实的力学知识，在寻求创新的同时，还应实现结构的合理。除了创造力之外，设计者还应具备创造精神和创造人格。设计者应该对人们不断变化的观念有敏锐的洞察力，并能较准确预测桥梁概念设计发展趋势。

2)协调性。桥梁建设是一个多学科、多领域专业人士合作的复杂过程，桥梁与自然或人工环境、人文环境等得协调一致。因此，设计中需要考虑的因素很多，不仅需要考虑桥梁建设、使用过程中的各种影响因素，还需要考虑桥梁达到使用年限后的问题，各种因素应该在概念设计阶段就提出来，并协调好各因素间的关系，不能等问题出现后再想解决的办法。

3)适应性。桥梁与环境相互关系大致可以分为如下情况:桥梁与环境相互融合，桥梁成为环境不可分割的一部分;桥梁凌驾于环境之上，这种情况适合地势平坦、单调的环境，或桥梁起路标和象征作用的情况;将桥梁隐藏于环境之中，这种情况适合周围环境非常优美时，而桥梁的介入会破坏优美的自然环境。值得一提的是，当桥位附近有已建桥梁时，新桥概念设计必须考虑到已建桥梁，新桥与已建桥梁是相互补充、互为印证的关系，不能形成彼此独立的局面。当既有桥梁使用价值和概念设计价值较高时，新桥概念设计应从属于旧桥，无论在结构形式、色彩及建设规模上都不应该有明显差异。

4)可行性。一座成功的桥梁不仅需要好的设计理念、设计方案、结构体系和造型创新，还需要有优质的建造技术和施工质量。无论设计方案多么美观，还要考虑所做设计是否能由工程实现，否则概念设计只能沦为纸上谈兵。因此，保证施工质量，使桥梁最终建设效果与设计图纸相符是成功的关键。选择一支高素质的设计团队、勘测团队及施工队伍，加强施工监控量测作用是保证施工质量的关键。

2 概念设计在桥梁工程中的应用

由于受到经济发展、交通运输、建筑材料、施工技术和结构设计理论综合影响，桥梁概念设计的发展在不同历史阶段呈现出不同的特点，概念设计思想也应该与时俱进[7]。

1)古代桥梁。古代桥梁大致指 19世纪中叶以前所修建的桥梁，建桥材料以天然的或加工过的木材、石材为主，即竹索、藤索、铁索、铸铁，乃至锻铁。这些桥梁的设计和施工完全依靠建造者的经验，没有力学知识的指导。在桥式方面，有梁、拱和索桥三大类。当时技术落后，工具简陋，不会修建深水基础，施工周期也长。因此，这一时期的桥梁不存在概念设计的问题。

2)近代桥梁。随着冶炼业的发展，18世纪中期开始采用铸铁建造桥梁。由于铸铁性脆，受拉强度低而受压强度高，故铸铁主要是用以修建拱桥。在 19世纪，钢铁等高强材料的大规模使用，导致产生了新的设计方法和设计原则。在混凝土技术的应用方面，19世纪60年代法国园艺家蒙耶发明了用金属条加固混凝土制成钢筋混凝土的方法，后来法国工程师尤金◦弗兰西涅(1879年 ～1962年)发明了预应力混凝土技术。随着铁路和汽车的相继出现，陆地交通运输对桥梁有了更高的要求。桥梁的跨度变大、桥面更宽、承载能力也更大，需要根据不同的实际情况选择建桥材料和跨越体系，于是有了桥梁选型的最初实践，从工程技术角度为桥梁概念设计的产生和发展奠定了基础。

3)现代桥梁。近年来，桥梁概念设计在标志性桥梁方案比选和人行桥的造型设计中得到了充分发挥。随着桥梁作为建筑的美学价值越来越为人们所重视，概念设计更加广泛，作为桥梁前期设计的重要阶段逐渐得到业内的普遍认可和应用。在国外，瑞士的圣尼伯格桥、德国斯图加特市的内森巴赫山谷高架桥、丹麦的大贝耳特桥、澳大利亚墨尔本的韦伯桥、美国波士顿的邦克山桥、西班牙塞维利亚的Barqueta桥、日本熊本县的牛深桥等，均经历了桥梁概念设计阶段。在国内，桥型方案竞赛已成为许多桥梁招标过程中的重要环节。如天津的大沽桥、昆明草海大桥等。

3 桥梁概念设计趋势展望

创新是桥梁设计的灵魂，是推动桥梁事业蓬勃发展的原动力。好的桥梁概念设计构思必须以结构合理为前提[8-10]。

1)耐久性设计理念。基于结构耐久性设计的新概念设计理念认为桥梁耐久性的保证是需要桥梁设计、施工、运营和维护各个阶段共同努力的结果。桥梁的使用期成本一般远远高于其初始建设成本，因此初始建设费用虽然较高，但使用期费用较低的设计方案应当被重视。长期以来，我国桥梁设计中对于耐久性仅作构造上的考虑，而没有进行专门的耐久性设计，这样做既与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背，又不符合结构动态和综合经济性的要求，并且导致了当前结构使用性能差、使用寿命短和工程事故频发的不良后果。我国正处于桥梁建设的高峰期，桥梁耐久性问题必须得到足够的重视，在生命期内的结构必须具有可检性、可换性、可修性、可控性、可强性和可持续性。

2)桥梁生态设计理念。桥梁生态设计利用生态设计的思想，在桥梁规划和设计阶段，综合考虑与桥梁有关的生态环境问题，设计出既满足人类需求又与环境和谐共存的桥梁。桥梁生态设计的本质就是运用生态思维，将桥梁的设计纳入“人—桥—生态环境”系统，进行优化设计并最终得到与环境成为有机结合体且具备可持续发展特性的桥梁。

3)桥梁全寿命机制。传统设计方法以桥梁在施工和成桥状态时的安全性为设计依据，而忽视其正常使用寿命的保证，即耐久性、可修性和可换性。全寿命设计理念将设计的时间参数拓展到桥梁的整个生命周期(规划→设计→施工→使用→拆除)。使桥梁的全寿命性能(安全、适用、耐久、经济、美观、生态等)达到最优或优化。寿命周期理论的核心思想是:在实施具体的工程措施之前，将后续寿命周期中可能出现的各种问题和工程内容进行系统规划和全盘考虑，以达到预期的最优目标。该设计理念对于提高桥梁的耐久性和使用性能、降低全寿命总成本、促进桥梁技术水平的进步，具有现实意义。

4)多目标优化在桥梁概念设计中应用。变厚度法其基本思想是以基结构中单元厚度为设计变量，以结果中的厚度分布确定最优结构形式，是尺寸优化方法的直接推广。优点是方法简单，一般用于处理平面弹性体、受弯薄板、壳体结构的拓扑优化问题，但不能用于三维连续体结构拓扑优化。均匀化法基本思想是在拓扑结构的材料中引入微结构，其形式和尺寸参数决定了宏观材料在此点处的弹性性质和密度，利用Bensous-an等人发展的一套基于摄动理论周期性结构分析方法，来建立材料微结构尺寸与材料宏观弹性性质之间的关系，具有较严格的数学基础。变密度法基本思想是人为地引入一种假想的密度可变的材料，材料物理参数与材料密度间的关系也是人为假定的。该方法在多工况应力约束下平面体结构、二维连续体结构、结构碰撞、汽车车架设计等问题上得到成功应用。优化时以材料密度为设计变量，这样结构形式优化问题被转换为材料最优分布问题。

4 结语

桥梁造型和选型同时受技术、经济和美学影响，是创新性的集中体现，也是桥梁概念设计的核心内容。桥梁概念设计是具体设计的先导，是对桥梁构思的总体把握，其可行性建立在经验积累、定性分析和合理估算的基础之上。总结了桥梁设计概念，并且引入耐久性设计、生态设计、全寿命设计、多目标优化等桥梁概念设计理念，提出以下几点建议:

1)在可持续发展战略思想指导下，吸收桥梁生态设计和全寿命设计等全新的桥梁设计理念，并以此为概念设计的指导思想在全行业范围内将桥梁概念设计制度化，规范化，全面推进概念设计的应用和发展。2)桥梁作为公共建筑承载着越来越丰富的文化心理需求，做好桥梁造型和景观的设计显得尤为重要和紧迫。由于绝大多数桥梁由政府投资建造，其消费者往往不是某些人，而是社会大众，因此桥梁概念设计理论需要更新。3)需要桥梁工程师提高自身的美学修养，肩负起建筑师和结构工程师的双重责任，在桥梁概念设计阶段邀请建筑师的加入是目前最为有效的方法。4)目前，桥梁概念设计的重要性还没有得到广泛重视，全面、合理、切实可行的桥梁概念设计理论体系还没有建立，在资料搜集和整理，对新桥梁结构形式进行探索和实验，为桥梁概念设计的可视化开发软件等方面有待进一步研究。

随着时代的进步、桥梁技术的高速发展、桥梁规模的扩大，桥梁设计的全过程中必须提倡概念设计，只有做好概念设计才能出精品，才能立于不败之地。

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