关于桥梁设计创新的思考

桥梁设计是桥梁工程建设的一个重要环节，是一座大桥成败的关键环节。在上世纪90年代以后，为了满足我国对于交通运输的庞大需求，中国桥梁得到了飞速的发展。目前，我国的特大跨径悬索桥、斜拉桥的跨径都达到了世界顶尖水平。然而，正如同济大学项海帆院士所说的“中国目前是桥梁大国，还算不上桥梁强国”。桥梁技术还处于跟随西方发达国家脚步的阶段，桥梁设计理论、新技术、新材料的创新和应用，还远远达不到桥梁强国的要求，需要我们一代代桥梁人继续为之努力。

桥梁设计创新

桥梁结构创新

由于经典力学理论已经非常成熟，作为土木工程的一个分支，桥梁结构的创新其实是桥梁设计创新中最为困难的部分。简支梁桥、连续梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥，这些传统桥型已经非常成熟。试图发明一种全新的桥梁结构形式难度是非常巨大的。所谓的桥梁结构创新，很大意义上说是在以上这些经典桥型的基础上，结合功能需求、地形地势、建筑景观设计理念进行局部的创新和改进。但归根结底桥应该仍然是桥，以交通功能和实用为主。前些年也曾经出现过为了吸引眼球等，建成了一些纯建筑装饰的桥梁，装饰建筑完全不参与结构受力甚至额外增加桥梁荷载，这样浪费了大量财力、物力，而且这种桥梁也是经不起时间考验的。

桥梁设计理念创新

桥梁设计理念的创新，是指在桥梁设计中，采用与以往不同的思路和理念，突破常规，达到意想不到的效果。

随着桥梁的发展，以往将桥梁简单归纳到土木学科一个分支的做法已经不能适应时代的发展。多学科的融合是必然的趋势。例如，桥梁外观造型设计需要结合当地文化，引入建筑乃至美学、文学、哲学的理念。桥梁的局部构件设计如桥梁支座、伸缩缝、阻尼器、吊杆、索价、索鞍等随着技术的发展，需要与机械、电子、材料等学科相结合，制造出来更加合理、耐用的桥梁局部构件。对于跨海桥梁的设计，气象、水文学科的研究对桥梁的抗风、防船撞设计将起到至关重要的作用。桥梁的施工监控、健康监测对于测量、电子、遥控、远程数据传输和控制都有很高的要求。因此，现阶段的桥梁设计人员需要对以上相关学科及其在桥梁设计中所起到的作用都有一定的了解，以便能在设计过程中更加全面地进行考虑。至于更加专业的工作，当然还是由各专业、各学科来分工合作，这也符合时代发展的潮流。

最早的桥梁设计主要是由桥梁结构师完成的，主要以满足交通功能为主。但桥梁美学自始至终都是桥梁设计的一个重要部分，中国古代的赵州桥、卢沟桥，除了坚固耐用，外形也十分美观。

建国之初，受苏联实用主义影响以及当时的经济状况局限，国内大多数桥梁以实用为主，景观方面考虑较少。随着经济的发展和时代的变迁，近年来人们对桥梁美观的要求越来越高，很多桥梁逐渐发展成为城市的重要地标建筑。国际上也是如此，像卡拉特拉瓦等一大批建筑师参与到桥梁设计当中来，留下了众多造型前卫大胆的桥梁佳作，给人耳目一新的感觉。

建筑设计理念在桥梁设计创新中的应用，主要包括以下几个方面：

多糖是淮山的主要生物活性物质之一，能提高机体免疫力[5]。许效群等[6]报道，中、高剂量的淮山多糖可以显著提高小鼠免疫脏器指数和吞噬细胞的吞噬指数以及血清溶血素水平，因此认为淮山多糖具有较高的免疫增强活力。Choi等[7]对淮山粘多糖的体外免疫调节研究发现，10 μg/mL的淮山粘多糖(YMP)能促进淋巴细胞干扰素(IFN-γ)的产生、促进小鼠抗白血病细胞的增殖，认为淮山粘多糖可以作为免疫活性多糖的来源。

第一，结合当地的历史文化和自然环境，考虑桥梁的造型和立意。例如，同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司在江西赣州设计的三座大桥，就体现了赣州的当地的众多特色。赣州大桥是一座主跨408米的悬索桥。桥梁结构本身是比较常规的。设计时我们在桥塔上做了很大的文章，将常规的钢筋混凝土门型桥塔的造型加以改进，结合当地客家文化的众多元素创造了门阙形状的索塔，桥梁总造价仅增加不到5%，却给当地客家人以更多的亲切感和文化认同感。赣州新世纪大桥桥位附近周边建筑风格比较现代，我们采用钢桁架拱桥的结构形式，富有力度感，大气磅礴。同时，大胆采用中国红的色彩与当地革命老区的红色文化相呼应。而赣州沙石大桥的造型则好似一只展翅欲飞的白鹭，这主要是和桥位周边的景观湿地公园相呼应，使桥梁很好地融入了周围环境。

第二，按建筑设计的理念去设计桥梁。这并非是否定传统的安全、适用、经济、美观的桥梁设计原则，而是在设计一开始就把桥梁的景观、与周边环境的融合放在非常重要的位置。在设计全过程中，自始至终将建筑设计理念融入结构设计。做到整体结构造型符合建筑景观和构思立意，结构细节做到精细化设计，并且与整体建筑风格协调一致。同时在结构布置中，利用建筑设计的一些技法例如尽可能做到黄金分割、比例协调等，力求达到建筑和结构的完美融合。

第三，在设计理念的表达和传递过程中引入建筑设计的手法。

在目前阶段，桥梁设计和其他各专业的设计一样，对于业主、建设方，已经不能满足于传统的以结构、功能为主的纯理性的枯燥表达方式。桥梁设计的构思和理念也要通过生动、活泼的表达方式传递给业主。让对方更加深刻地理解设计的意图。因此，桥梁设计也要借鉴建筑设计的表达手法，通过一系列的创意构思手法、景观美学分析等建筑设计常用的方法进行表达。三维建筑表现、手绘草稿、夸张放大的建筑细节都是必不可少的。这不仅仅是适应业主需求，也是时代发展对于桥梁功能内涵进行扩充的客观需要。

第四，新材料、新工艺的应用。每个行业的创新和发展往往都要结合新材料、新工艺的诞生和发展。桥梁工程发展至今，混凝土、钢筋、预应力、高强钢丝的性能已经基本被发挥到了极致。目前，其他科技领域的新材料发展飞速，桥梁工程领域相对滞后。桥梁跨越能力的增加需要桥梁建筑材料重量更轻，强度更高，并且具有耐高温、防腐蚀、抗疲劳的良好性能。每次材料的革新都会引起桥梁技术的革命。

目前，比较具有发展前途的新材料包括高强碳纤维材料，具有强度高、重量轻、防腐蚀的优点。但是耐高温、抗疲劳方面尚不能尽如人意，另外价格比较昂贵，目前主要应用在桥梁加固领域，还没有大规模广泛运用。如果能够加以改善，将使桥梁发展上升到一个新的台阶。

新工艺方面主要是装配式桥梁的大量应用。装配式的空心板梁、预应力小箱梁、T梁已经大量应用了几十年，其标准化生产、快速安装的优点取得了很好经济效益和社会效益。现阶段装配式桥梁的发展主要是大型梁段的整体制造和安装、钢混凝土组合结构的预制和现场安装、桥墩的预制和安装。这主要是由于现在的吊装设备、吊装能力有很大提高，使得原来预制安装化整为零的思路演化为整体的制作安装，速度更快，质量更有保证，这将是未来桥梁发展的方向。

桥梁设计方法创新

由二维设计转向三维设计（BIM技术的应用）

传统的设计过程是从三维→二维→三维的过程，设计人员脑子里设想三维的结构，通过二维的图纸进行表达，再由施工单位通过对二维图纸的解读还原成三维的实体结构。

这种方法有很大的缺点：

第一，设计人员的三维想象能力有限，设计过程中不能实现可视化，这种设计方式不可能设计出比较复杂的结构；

第二，通过三维→二维→三维的转换过程中容易产生表述不清的情况，只要当中某一个环节产生误解，就可能出现施工上的错误，导致结构安全隐患或不必要的返工。

第三，二维设计的不直观不利于各个专业的衔接以及同一专业不同模块间的组装、检查。

针对以上问题，目前发展的趋势是三维设计、三维表达。目前比较流行的BIM技术基本就是基于这种理念。直接在三维环境下进行设计，由于所见即所得，可以设计较为复杂的模型，对于存在的问题也容易及时发现和调整，另外和相关专业或同一专业的其他模块之间也更容易匹配。如果施工单位的习惯和水平仍停留在二维阶段，也可以由三维的模型生成二维的图纸，如果施工单位也具备三维能力，则可以直接将三维模型交给施工单位，对照进行施工。施工单位可以在此模型基础上继续进行施工阶段的分析和设计，甚至业主单位也可以利用这个模型进行后期桥梁的实时监测和后期管养，实现桥梁全生命周期内设计、施工、监控、健康检测的一体化。

常规桥梁的参数化设计、自动化出图

以往桥梁设计除了少量标准图外，多采用人工手动出图。工作效率低下，重复工作量大。目前，国内已经有多个出图软件，能实现对于较常规高架、立交上下部结构的参数化设计和自动化出图。这样可以大大提高生产效率，提高设计精度，可以让设计人员腾出精力考虑更多、更复杂的设计问题，是桥梁设计的一次革命。

桥梁计算方法的创新

传统的桥梁计算方法主要是依据经典桥梁设计理论和结构力学、材料力学知识对桥梁结构进行理论计算。随着设计规范的不断更新，由传统的经验系数法到半概率—半经验设计方法，到目前发展到基于概率统计的极限状态分析法，桥梁结构计算越来越复杂。同时，随着桥梁结构的不断创新，异形、空间结构越来越多，常规的平面杆系计算模型往往不能满足要求。因此，桥梁计算方法也在不断创新。目前对于复杂桥梁基本采用大型空间有限元计算程序，能够适应复杂空间结构的计算要求。另外，有的计算程序具有参数化设计的优点，适用于多方案的比选计算和调整，大大提高工作效率。

结语

桥梁设计历史悠久、涉及专业众多，总体来说是比较成熟的一个行业。但随着我国经济的发展和时代的变迁，对于桥梁设计创新仍有很大的需求。桥梁设计创新包括桥梁结构创新、设计理念创新、设计方法创新，其最关键还是在于设计人员观念的创新，敢于挑战、大胆尝试，不断突破自我，历史上的经典之作多出自大胆的创新，因此不能被以往的成规戒律束缚了手脚。大胆假设、小心求证，才是工程设计人员应有的工作态度和方法。