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塑造桥梁的“灵魂”

2016-8-9 11:49| 发布者: weixinyu| 查看: 2231| 评论: 0|原作者: weixinyu

摘要: 塑造桥梁的“灵魂”——重庆桥梁的创意思维与创新能力文/刘亢 王福敏 至2014年底,重庆共有桥梁1.3万座,其中,跨江大桥近100座。本文以“山、水、城、桥”区域特色和独特魅力为背景,引用“能、会、美、雅”的创 ...

塑造桥梁的“灵魂”——重庆桥梁的创意思维与创新能力

文/刘亢 王福敏


      至2014年底,重庆共有桥梁1.3万座,其中,跨江大桥近100座。本文以“山、水、城、桥”区域特色和独特魅力为背景,引用“能、会、美、雅”的创作手段, 通过对重庆市典型桥梁项目进行美学与结构的剖析,介绍重庆桥梁的创意思维与创新能力。


创意和创新

      创意是具有新颖性和创造性的想法、巧妙的构思。创新是改变旧事物、创造新事物的方法或手段,第一要更新。两者的共同点是创造性,创意侧重于思想性,是一种思维;而创新则侧重于技术性,是一种能力。

      2015年,重庆市桥梁协会和重庆晨报联合主办的“发现重庆之美·重庆桥梁科技科普展暨首届最美桥梁评选” 活动,收到了一批小学生创作的桥梁创意画(如图1)。


图1 重庆小朋友画的桥


      小朋友们用天马行空的想象和五彩斑斓的颜色,描绘了他们心中漂亮的桥梁,并用简要的文字介绍了自己的“设计理念”。这是包含形象思维、超常规思维和创造性思维的综合性思维,这就是小朋友们的创意!

      创意是创造性活动思想之源,创新是创造性活动实现之路。随着科技进步和社会发展,人们对精神生活提出了更高要求,个性化和适宜性需求不断增长,也盼望攻克更大困难与障碍、实现更多自由。同时,现代学科间相互渗透和融合,社会科学已经融入自然科学,技术美学、桥梁美学从产生到发展……时代的这些特性,桥梁创意和创新越来越重要。


      在1997年至2000年前后,重庆的桥梁建设得到高速发展,桥梁的数量和规模都相当可观,但一直未能明显超越其他城市成为“桥都”。其中一个最重要的原因是:当时重庆桥梁的创意和创新性不够,被视为桥梁“灵魂”的桥文化还未得到很好展现。


重庆桥梁的发展历程

      回顾重庆桥梁建设的发展过程,大致可以分为5个阶段。

      第1阶段 远古时期是巴人对桥由自然到认识的发端, 枯树卧溪、竹木成桥、块石堆砌、栈索弄险。重庆武隆天龙桥总高度达235米,其中桥厚150米,平均拱高96米,桥宽147米,跨度75米,在桥高、桥厚、桥宽三个方面,居世界天生桥的第二位。大自然的鬼斧神工,启发了远古人们效法搭建桥梁(如图2)。


图2 山区石砌小桥


      第2阶段 从古代到近代,重庆人开始利用山区地形、地质来修建不同型式的桥梁,桥梁开始具有鲜明的地域特色,主要表现为:栈桥遗风、石拱遗影、廊桥遗梦、旱桥初生。风雨廊桥是地方建筑(吊脚楼)与桥的结合(如图3),栈桥是依山傍水、地势所驱,石拱桥是因多山多石、就地取材。其中,石拱桥占绝大多数。


图3 秀山溪口镇天生桥(清)



      第3 阶段 从20 世纪中叶开始,重庆桥梁科技水平不断进步,跨江大桥问世、现代桥型诞生,开创历史先河。重庆第一座长江大桥——白沙沱长江大桥建成于1958年;第一座嘉陵江大桥——重庆嘉陵江大桥建成于19 6 6 年; 第一座乌江大桥——涪陵建峰乌江大桥建成于1972年。1969年建成了国内第一座双链吊桥——北碚朝阳桥(如图4),1975年建成了国内第一座斜拉桥——云阳汤溪河云安桥,1977年建成了国内第一座预应力桁架拱桥——江津仁沱桥。


图4 北碚朝阳桥


       第4阶段 得益于重庆直辖和国家西部大开发战略,重庆桥梁科技开始崛起,桥梁建设拉开新篇章。1997年,重庆建成世界最大跨径混凝土拱桥——万县长江大桥(如图5),世界最大跨径钢管混凝土拱桥——巫山长江大桥,同年建成的丰都长江大桥则成为重庆第一座长江悬索桥。


图5 万县长江大桥


      第5阶段 最近10年是重庆桥梁创意与创新的炫丽舞台。重庆桥梁讲究技术、艺术以及文化相互结合,做到了“能、会、美、雅”,其创新技术走向世界。2006年建成了世界最大跨径梁桥——石板坡长江复线大桥,2007年建成了世界独创的中承式刚构钢箱系杆拱组合结构——菜园坝长江大桥,2009年建成了世界最大跨径拱桥——朝天门长江大桥(如图6),2010年建成了重庆首座矮塔斜拉桥——嘉悦大桥。2014年、2015年更是先后建成了重庆东水门长江大桥、千厮门嘉陵江大桥,不仅分别是世界最大跨径双塔、单塔单索面稀索体系部分斜拉桥,更成就了一个独一无二的公轨复合交通桥隧一体化工程。


图6 朝天门长江大桥


      经过了对大自然的模仿、历史的沉积、现代科技的飞跃、创造力的提升,当今重庆桥梁的成就可简单概括为:10000多座桥梁,1000米级特大跨径,100座跨江大桥,10项主跨世界之最,成就了1个中国桥都。创意和创新,是重庆成为桥都的真正原因。


重庆市桥梁数量分类统计(截至2014年底)


图7 重庆桥梁数量发展柱状图


重庆桥梁创意与创新的综合环境

       “山、水、城、桥”是重庆现代化大都市的独特风貌。重庆山高谷深、江河纵横、交通阻塞,村镇依山傍水、星罗棋布,虽然鸡犬相闻,却彼此难相往来,些许舟渡,苦苦支撑农耕经济。重庆的桥梁,使山水之城变通途,都市连绵、楼宇林立、霓虹闪烁、车水马龙,映射出山水都市的繁荣昌盛和壮美风采。


       重庆在地形地貌、水文气象及建筑等方面具有突出的山区和山地城市特点,再加上总体规划、整体风貌、历史人文、综合管网、环境保护、防灾减灾等诸多方面的要求,桥梁建设过程中需要去克服的困难很多,但也形成了重庆桥梁创意与创新的综合环境。


重庆桥梁创新特点和重点

      重庆桥梁具有很多针对山地城市的适应性特点,同时也具有山地城市的多样性特点。重庆桥梁型式各异,与地形相适应,具有独特个性和魅力,表现在十大特性上:弯桥、坡桥集中;立交桥多而美;桥梁结构形式多样化;高墩、大跨特点明显;连接城市空间的多个层次;特殊地形地质条件下的特色结构;轨道交通的载体;隧桥相接情况多;单向交通桥;高架桥沿江而设。

例如,重庆菜园坝长江大桥同时连接重庆上、下半城和更低的滨江路,连接道路的竖直高差达80米,彰显了山地城市桥梁的特点(如图8)。


图8 重庆菜园坝长江大桥北桥头


      重庆桥梁在创新方面的研究重点还包括以下4个方面。

      1.研究和建造适合库区的桥梁

      三峡库区河流的水环境和地质条件发生了变化;水位落差大幅度增加;河床演变及航道变化;对桥梁跨越能力的要求提高;船舶撞击风险及对策;其它相关病害。

      2.公轨两用桥的合理形式及建造方式

      公轨过江需求都很突出,但桥位资源越来越有限;公轨合建对桥梁的要求更高(荷载标准、刚度、挠度与转角、动力特性、横断面、接线、分期建设计划等)。

      3.组合结构桥梁的建设

      桥梁结构体系组合及材料组合成为现代桥梁建设的一种发展趋势,也是桥梁创新的一个重要内容。

      4.桥梁美学的深化

      适合山地城市特性的桥梁(造型、色彩、灯饰等);桥梁的美学应用注重在设计理念和表现手法上进一步深化。


重庆桥梁的文化与创新

      “能、会、美、雅”体现了重庆桥梁的发展进程; 体现了从技术到技术美学的跨界融合;体现了桥梁工程师的不同境界,也是一个完善团队的能力组合;“能、会、美、雅”的核心是创造力,意识和能力并重,即创意与创新。


重庆长江大桥“雅”的创意

      重庆石板坡长江大桥是重庆主城区第一座长江大桥,建成于1980年,时为世界最大跨径T构。其南北桥头上矗立着4尊8米高的巨型雕塑(如图9),分别名为:春、夏、秋、冬,象征着山城人民奋发图强、努力拼搏的精神。这在当年是大胆创意、解放思想、有所突破的,具有思想性和艺术性,不管是当时还是当今来看,都是重庆桥梁文化中“雅”的代表。


图9 重庆长江大桥及桥头雕塑


重庆长江大桥复线桥的创新

      2006年建成的重庆石板坡长江大桥复线桥位于重庆长江大桥的上游侧,两桥中心线之间相距25m。原桥为(86.5+4×138+156+174+104.5)m的T构桥,由于并排布置,宜采用外形和跨径布置一致的桥型。但两桥桥墩外侧横桥向距离将近35m,导致桥墩横向隔断通航孔道的宽度远大于原有宽度,使新桥不能满足通航要求。为此,复线桥取消156m和174m跨之间的桥墩,桥跨布置为(87.75+4×138+330+133.75)m(如图10)。


图10 重庆长江大桥复线桥立面布置(单位:m)


      330m主跨的预应力混凝土连续刚构桥因恒载应力过高,现有技术条件无法达到。如果主跨跨中采用部分钢梁代替混凝土,钢箱梁的重量大约相当等效混凝土梁自重的30%,梁端负弯矩将会减小大约1/3,330m跨径梁桥根部弯矩大约相当于270m全混凝土梁桥根部弯矩(如图11),从而满足当前技术条件。


图11 主跨自重受力示意图(单位:m)



      为此,复线桥在3 3 0m主跨采用了“11 1m混凝土梁+108m钢箱梁+111m混凝土梁”的钢混组合连续刚构方案, 增大了梁桥跨越能力,成为了世界最大跨径的梁桥。



菜园坝长江大桥的创意与创新

      2007年建成的菜园坝长江大桥是重庆主城区首座采用拱桥的跨江大桥。拱桥桥型与山城的城市轮廓更匹配,实现了“虹贯山城”的设计创意。主桥跨径组合为(88+102+420+102+88)m,总长800m,是公轨两用的刚构、钢桁梁、钢箱系杆拱组合结构,成为重庆首创的组合桥型。


图12 菜园坝长江大桥主桥结构组合


      结构主体实际上是由3个子结构组成(如图12):由一对预应力混凝土Y型刚构边跨和一个320m的钢箱提篮拱中跨组成的组合结构。3个相对分离的子结构通过中跨系杆和边跨系杆连接成主跨420m的系杆拱桥,同时通过调整设置在Y 型刚构边墩处的预应力可以调整结构的整体受力。

      与朝天门大桥的宏伟、大气之美相比,菜园坝大桥给人以“柔美”之感。因为轨道交通净空要求使主梁梁高需大于11m,主梁具有了较大刚度,进而:1)作为共同参与受力的拱结构刚度可降低,形成“强梁柔拱”;2)可省去常规中承式拱桥边跨立柱,边跨透视空间更明朗,全桥更加轻盈。


朝天门长江大桥的创意与创新

      建成于2009年的朝天门长江大桥被誉为“古典艺术与现代造桥技术的完美结合”,它是中国钢铁材料工艺和建桥技术双双达到条件之后的产物,具有强烈的时代特征, 并展示了重庆这座老工业城市的厚重感。朝天门长江大桥紧靠重庆地标朝天门码头的下游,位于重庆主城核心圈的入口、长江黄金水道主航道,由于桥位的特殊性,“重庆门户大桥”成为其设计创意,它以“世界第一拱”大气、开放的姿态表达出重庆人民“恭迎天下客”的热情。

      朝天门长江大桥以世界桥梁最大承载力14500t支座支撑,形成了(190+552+190)m三跨连续梁的外部受力体系,实现了多肋飞燕式钢桁拱桥的优美外观。朝天门长江大桥以单根构件作为吊装单元,采用悬臂拼装的工艺,以桥面吊机完成了比鸟巢还重的钢结构吊装施工(如图13)。朝天门长江大桥还实现了钢桁拱和刚性系杆的高精度无应力合龙。


图13 朝天门大桥安装示意


      朝天门长江大桥在设计和建造过程中形成了一系列具有自主知识产权的新技术,推动了我国大跨度钢桁拱桥的技术进步。


重庆两江大桥工程总体方案的创意与创新

      城市CBD核心、城市风貌敏感区构成了重庆两江大桥总体方案的创意环境。外在美观、内在科技、公轨复合交通桥隧一体,成为了两江大桥的设计创意。

      为考虑两桥一隧的三位一体和结构上的连续性,两江大桥曾谋划过“超级悬索桥”的创意。悬索桥在渝中半岛的锚碇,考虑利用轨道交通6号线下穿渝中半岛形成的隧道,用一对和主缆相当的拉索(隧道索)沿着轨道隧道下方,将两座大桥的主缆连接起来,形成超级悬索桥方案。

      超级悬索桥创意所依赖的地下工程具有不确定性,从而存在较大的技术风险。在对方案进一步研究后,工程实施方案采用了另外一个具有创新价值且技术上更可控的方案——部分斜拉桥方案。在该方案中,公轨复合交通的要求增加了桥梁本身的复杂性,但也为单索面稀索部分斜拉桥方案提供了良好的前提条件:双层交通线路要求主桁需要较大高度(12m),使得主梁具备了很大的刚度,进而充分利用主梁自身的刚度,大大减少斜拉索数量,形成了单索面稀索部分斜拉桥。东水门长江大桥采用跨径组合为222.5m+445m+190.5m的双塔单索面部分斜拉桥,千厮门嘉陵江大桥采用跨径组合为88m+312m+240m+80m的单塔单索面部分斜拉桥,两桥均为同类桥型世界最大跨径。

      两江大桥总体方案集时尚、文化和创新于一体。在桥型上,两位一体的单索面稀索部分斜拉桥,进一步丰富了桥都的桥梁型式。在跨径上,大大刷新了同类桥型主跨世界纪录。在技术上,彰显了桥梁科技的进步与水平。在环境复杂性上,众多城市桥梁难有逾越者。在文化上,继承了重庆历史文化特色,并紧扣引领重庆发展方向的主题。在影响力上,从方案出炉、实施建设直至建成通车,一直受到国内外专家、学者和社会各界高度关注,受到一致好评。因此,两江大桥桥型是桥都文化的重要补充,是山地城市桥梁的典型代表。


重庆山区公路桥梁的设计创意

      重庆山区公路桥梁的设计创意无论是高速公路上的杉木洞大桥、大宁河大桥,还是二级公路上的周家山大桥,重庆山区公路桥梁越来越关注环境、生态和可持续发展,“把公路轻轻地放进大自然”,成为重庆山区公路桥梁的主要创意(如图14)。


图14 重庆杉木洞大桥(上)和周家山大桥(下)


      《公路工程技术标准》关于桥梁设计原则的规定,在近20年间作出了2次调整,环境美成为当今桥梁设计美学的核心。重庆草坪至统景二级公路上的周家山大桥在设计、建造过程中采取了一系列措施,紧扣当前社会“以人为本”和“回归自然”的发展思想,高度注重对自然的尊重和对环境的保护,实现了美的创造和雅的境界,其建成效果被评为:桥架云蒸霞蔚间,美在无声无息处。


技术美学尚存差距

      在桥梁设计美学的发展过程中,离不开创意与创新,我们还需要进一步培养创意思维,进一步提高创新能力, 从人的社会和身心需求出发,用更加细腻的手笔,创造出以人为本的桥梁文化环境。

      林长川在《桥梁设计美学》提出,当前中国桥梁与发达国家的差距,主要是现代审美设计思想上的差距。这种差距是由于中国错过了工业革命所引发的技术美学的思想影响造成的。要填补这个差距,必须加强技术美学,特别是设计美学在桥梁领域的普及。


(作者单位:重庆交通大学 | 招商局重庆交通科研设计院有限公司)

(编辑:王硕)


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