桥梁美学设计的准则,好的设计总是依赖于设计师的天赋和训练
注:德国桥梁工程师Holger Svensson教授于2012年出版著作《CABLE-STAYED BRIDGES——40 Years of Experience,Worldwide》,在第一章中,就对桥梁设计提出了十条美学准则。今对这部分内容略作翻译,分上、下两篇分享,以飨业内同行。所用图片皆出于原书,权利属于原作者,本文仅作交流所用。
罗马建筑师Marcus Vitruvius Pollio在他的《建筑十书》中用拉丁文简洁而精确地对建筑提出了三个最重要的要求,即坚固、实用和美观。
准则一:清晰的结构体系
——“选择令人信服的简单承重系统”
一座桥必须看起来可靠和稳定。
不同静态系统的混合经常导致不良外观。不同承载元件的数量应减少到最低限度。另一方面,静态正确的系统不一定是美丽的。
威廷根大桥,作为一个多跨连续梁,横跨内卡山谷。等高度的梁强调了它的连续性。除了梁和桥墩这两个主要的承重结构之外,216米长的边跨由桥面以下的张弦杆支撑。这强调了这些地方很大的弯矩。
汉斯·卡姆梅勒教授担任桥梁工程师弗里茨·莱恩哈特的建筑顾问。
挪威和瑞典之间横跨斯温森特的拱桥的竞争性设计具有令人信服的结构体系。拱脚固定在山谷两侧的岩石斜坡上,拱肋结构的高度随着弯矩的变化从跨中向两侧增加。
桥面悬挂在拱肋上。它的细长与坚固的拱肋形成对比。吊索虽然是垂直的,但在视觉上是交叉的。这是由于拱肋倾斜的缘故——这也是倾斜拱肋的一个明显缺点。
主跨1210 m的吊桥,如图1.59瑞典的霍加·库斯滕大桥,在清晰度、简约性和优雅性方面都无法超越。悬索桥相对于斜拉桥的这种美学优势是不可否认的。
主缆通过吊杆和混凝土塔将荷载从细长的主梁传递到桥台(锚碇)。使用了四个结构元件:主梁、吊杆、主缆和索塔。
准则二:良好的比例
——结构构件所有三维尺寸之间或者桥跨长度和高度之间的比例良好
结构元素之间、桥跨的长度和高度之间、照明区域和阴影区域之间以及梁、桥墩和桥台的体量之间必须存在平衡的比例。
桥墩的跨度和高度之间的良好比例很重要。它们必须有明显的不同,每一跨要像“躺着”或“站着”的矩形——如果接近正方形,就会显得很呆板。
对于跨越山谷的桥梁,桥跨长度和高度之间的比率应大致保持不变。
温宁根莫塞尔山谷大桥的跨度就是一个例子。它们的跨度长度和离地高度从外到内逐渐增加。主跨矩形,跨度240米,高度120米,美观度为2 : 1。
高达180米高的高科切河谷大桥桥墩130米的跨度在横向上呈抛物线形状。这个轮廓提供了一个优雅的外观。尽管尺寸很大,但由于这座桥适合深谷,所以避免了巨大的印象。
科隆-多伊兹大桥三跨变高度梁的迷人外观,源于桥墩上方和桥跨中处梁高采用2 : 1的良好比例。这也是因为,在桥梁两端,梁高等于桥梁跨中处的梁高,并且因为梁的下侧平行于桥面。遵守这些规则几乎总是会产生一座好看的桥。
这在美国塞文河大桥上也很明显。对于其90米的主跨,还选择了梁高比为约2 : 1,且从主跨向边跨连续过渡的变高度连续梁。桥梁主跨跨中处的梁高等于边跨端部的梁高,也等于引桥的梁高。这个清晰的系统强调了主跨度,并为原本宁静的桥梁提供了一定的动力。
V形墩需要桥面具有一个合适的高度,以形成好看的三角形。作为汉诺威和维尔茨堡之间的新高速铁路线路的一部分,横跨梅因河的铁路桥梁配合V形墩的设置,梁高稍微变化,以强调130米的主跨。
拱桥要求拱本身和梁之间有明显不同的高度,至少是2 : 1或1 : 2的比例。梁和拱之间相等的结构高度显得呆板。易北河大桥,系杆拱的抗弯刚度主要由组合梁提供,这样,该组合梁的梁高由承载跨度确定,钢拱因此可以是细长的。
亚利桑那州罗斯福大坝上的固定拱通过合适的变高度本身提供了强大的抗弯刚度。因此,桥面板可以非常细长。
帕斯科-肯纳威克大桥的主梁梁高仅2.1m,对于一个主跨度为300米桥梁,因此显得细长。只有40厘米高的白色边梁又加深了这种印象。实际的梁高几乎消失在阴影倾斜的底面后面。创造了一种横跨河流的丝带的印象。
准则三:良好的顺序
——决定外观的结构的所有线条和边缘的良好顺序–方向的数量应该最小化。
结构元件的数量和方向应尽量减少,尤其是桁架。只要不引起单调感,对称和相同元素的重复应该会产生良好的秩序。
汉堡哈默布鲁克铁路桥的桁架腹杆由起伏的斜杆组成,即使对于倾斜视图,也能产生有序的印象。
南腾巴赫附近横跨主要河流的铁路桥,也只包括起伏的斜杆,但没有交叉框架,以便将构件方向减少到最少的两个。尽管桁架梁的高度在变化,但斜杆的倾斜度几乎保持不变,因此不存在斜交。
尽管这是德国跨度最大的铁路桥梁(207m),但它看上去很轻盈。
而典型的19世纪桁架桥梁给人一种令人困惑的印象,在各个方向都有大量的桁架构件。一个例子是加尔各答跨胡格利河的豪拉桥。
相比之下,加尔各答的新胡格利河大桥(图1.71)被设计成一座线条清晰的斜拉桥。即使纵梁和横梁的规则排列从下面看也显示出良好的秩序,并且这种情况不断重复而不会产生单调。
塔的形状和缆索的布置决定了斜拉桥的外观。斜拉索的视觉交叉起着重要的作用。
竖琴形斜拉索的平行布置显示了最佳顺序,如奥伯卡塞尔桥所示。单索面布置自然不提供交叉点。在20世纪50年代初杜塞尔多夫桥家族的初始设计阶段,城市建筑师弗里德里希·塔姆斯坚持认为所有三座桥都采用竖琴式拉索。虽然桥梁的结构系统有很大的不同,但常见的竖琴形缆索排列在视觉上将它们结合成一个桥梁家族。
即使是两个竖琴形拉索平面也不显示交点,而且与平面是否垂直也无关。
如果斜拉索呈扇形倾斜变化,只有采用中央单索面布置,才能避免视觉交叉,例如香港昂船洲大桥。丹麦的迪斯-魏特林公司是桥梁工程师伊恩·弗斯的建筑设计师。
对于两个扇形拉索平面的布置,可以通过使用带有倾斜索平面的A形塔来减轻视觉交叉。
如果拉索的数量变得非常多,交叉的缺点可以进一步减少,因为它产生了一层面纱的感觉。
横跨得克萨斯州休斯顿船海峡的大桥需要8条车道,桥面全宽。最经济的体系是由两座独立的斜拉桥和两座菱形塔组成,它们在梁的高度处相互连接。这导致具有四个拉索平面的桥的良好秩序。许多拉索也接近面纱的外观,视觉索交叉有所缓解。
准则四:与环境融合
——桥梁与环境的和谐融合
与周围环境相比,桥梁的材料和规模是本条准则的主题。
一个令人印象深刻的例子是上哈维尔河南桥。桥墩在桥的两侧向上延伸,使用与周围住宅建筑相同的棕色石头。来自柏林的沃尔特·诺贝尔教授是这个项目的建筑顾问。
使桥梁设计适应其紧邻的城市环境的另一个例子是柏林的洪堡海港大桥。这里选择了偏离正常使用的材料——混凝土用于受压构件,钢用于受拉和受弯——来调整桥梁外观,使其与新的主火车站的相邻钢玻璃结构相适应。桥梁和车站都是由建筑师沃尔金·玛格和工程师约尔格·施莱奇共同设计的。
法兰克福附近横跨奥得河的第二座高速公路桥是出于美学原因建造的,它是一系列类似于现有拱桥的拱结构。
虽然这个桥梁系统在今天并不经济,但它符合奥得河沿岸美丽的未受干扰的景观。
在著名的安纳波利斯海军学院前面跨越塞文河的桥,赢得美国全国设计竞赛。这座桥设计成很有吸引力的曲线桥,以免在视觉上与背景中学院的历史建筑相竞争。由于其简单的形状,该桥在与更复杂的桥梁方案的竞争中胜出,比如拱桥和斜拉桥。
德国铁路的Dittenbrunn桥遵循自然轮廓,似乎从斜坡中生长出来,因此与周围环境相适应。
斯图加特的席勒斯特格人行桥连接了施洛公园的上部和中部。非常细长的钢梁在一端分叉,以便顺接自然的人行道。
并非当代人行桥创作的全部,却是人行桥富有个性的重要环节。一些设计师正是将构成体系与人行桥的特定条件与环境因素相融合,并进行必要地分析,才创造出众多富有灵性、打动人心的人行桥。
低于水面的桥
浮在水面的桥
微拱直桥
一侧作为休息面
表皮从桥底蔓延上桥身
被顶面覆盖
桥身一侧局部放大
中央两侧同时放大
有时桥身稍微弯曲便趣味十足
栏杆成为主角
桥身既弯曲又加顶面
顶变为一组线性组合体块
桥身成为富于变化的面
一组圆形平台组成的线
可旋转的桥身
打断成几段的桥身
中间裂开
两条弧形相交放大
分裂成宽窄两条路径
其中一条飞起来了
桥身栏杆皆成 波浪
盘根错节
表现力学的悬索结构
桥的下半部分表现结构
不同高差的连接
没有高差的k型桥的线
摩天轮方式
意犹未尽的环装曲线
被侵蚀的圆
有方向性的整圆
莫比乌斯环
环形跨河建筑
桥上公园建筑
准则五:材料的选择
——根据材料的承载能力和外观正确选择材料
一般来说,压杆应选择混凝土,拉杆应选择钢材。大面积桥墩和桥台内利用天然石材可能是有利的;大的混凝土表面可以通过模板或凿刻获得纹理。大的表面通常应该粗糙化,而对于小的区域,光滑的表面是合适的。
根据当时唯一可用的建筑材料,奥贝罗拉附近的伊尔姆河大桥于1848年由天然石头建成。因为这些石头不能承受拉力,所以选择了承受压力的拱桥。在对顶板进行了深入的修复和更换后,这座桥今天为现代高速铁路服务。
木材似乎是人行桥的天然材料,下图的桥梁跨度达到了60米。设计以轻盈和透明为目标。必须承受横向风载荷的端部框架需要重型木材部分。为了避免那里的沉重感,使用了细长的钢型材。通过对钢和木材使用不同的颜色,来突出材料的差异。
横跨沃诺山谷的800米长的高速公路桥梁仅高出地面10米。混凝土是相对较短跨度的合适材料。
美国的安纳波利斯桥设计有细长的八边形混凝土桥墩,没有横梁,以强调桥梁的轻盈。这些细长的双桥墩坐落在普通的花岗岩复合地基上。上部结构的浮动印象由向上生长的桥墩和坚固的基础支撑。
现代跨越易北河的系杆三跨拱桥在Pirna附近,受压拱使用混凝土,主梁使用钢材,作为拉杆和抗弯构件。混凝土桥面板扩散局部车轮荷载。
挪威海尔格兰大桥梁的主要特点是抗压能力,因此,它是用混凝土建造的。425米主跨,梁高为1.2米,足以承受弯矩并确保防屈曲安全。这创造了1 : 355的长细比记录。很明显,混凝土桥梁的主梁不一定笨拙。
弗莱赫的莱茵河大桥采用了钢为主跨梁和混凝土为引桥梁的良好材料组合,作为主跨的配重。
曾经创造跨度纪录的诺曼底大桥的精致外观证实了钢被用作非常长跨度桥梁的材料是适宜的。
当然,我们清楚的知道,方案设计的确定,其实会受到很多方面的干扰,比如业主、施工方,甚至民众。
但是,作为设计师,我们应该表达我们的感知,我们的初衷。
我想,还是用演讲老师的一句话,作为我对桥梁设计思考的一个总结吧。
——设计它不是一个职业,设计是一种态度,是我们的内心对生活的一个真诚的解释。
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