身兼藝術家的工程師這樣解讀

美學並不是橋樑設計的附加屬性，而是設計中應當考慮的重要因素。橋樑之美一直是人們對成功橋樑的基本要求之一。

一處成功設計的橋樑必然是自然的、簡單的、獨創的，且其設計應當與周圍環境相得益彰。所以，在概念設計階段，就要兼顧橋樑的結構與美觀。

大約2000年前，偉大的建築師馬可?維特魯威?波利奧曾向羅馬皇帝提議：「建築結構宜安全、實用、美觀！」對於維特魯威而言，由於他為皇帝工作，其建築成本並不需著重考慮。

但今天的建築工程師們卻沒有這樣的奢侈體驗。因此，我們今天的標準應當是:「建築結構應當安全、實用、經濟且美觀！」。一座成功的橋樑應當是「安全、實用、經濟且美觀」的，確保橋樑的舒適與便利。

功能決定形式

橋樑最初被設計與建造是出於人們跨越河流或山谷或是鏈接兩點的需求。這樣的需求決定了橋樑的功能。

橋樑的功能建立在交通規劃的基礎上，並與社會經濟和城市研究成果相結合。交通工程師根據預測的交通流量和設計限速確定車道的數量。

當地的地形地貌與其他當地條件則決定著所需橋面的幾何形狀，包括長度、最小跨距、建材最高等級和最小間隙等參數。

橋樑功能一旦確定，橋樑工程師就會選擇橋樑的形式，以滿足其既定的功能——因此遵循著「功能決定形式」的箴言。然而在構建橋樑形式之前，橋樑工程師們還必須考慮適宜的橋樑建造材料。

美學是最終確定橋樑設計的另外一個因素。我們不會製造醜陋的橋樑,它會污染環境。

橋樑形態的演變

全世界的橋樑可分為四類：梁橋，拱橋，斜拉橋以及懸索橋。所有這些主要的橋樑類型幾乎與人類文明一樣古老。橋樑形式的演變可以在不同時期的建築材料中覓得蹤跡。

從大約4000年前直到19世紀初，人們可用的建築材料只有木材和石材。人們伐木造橋；當面臨較大的跨度時，人們就建造石墩，再用樹榦橫跨石墩。由於石材的強度比木材的大很多，更加耐候，早期的埃及和希臘的建築均由石材建造。由於石材不能承受由彎曲造成的高拉應力，因此這些建築物柱子的間距非常近。拱橋是羅馬人、中國人最大程度充分利用石材抗壓強度的巧妙發明。此外，磚作為一種壓縮材料，在隨後的某些應用領域中替代了石料。

鐵比石材具有更高的強度與可塑性，鐵鏈可以用於建造鐵索橋，這是一種「應力帶橋」——即懸索橋的早期形式。

據報道，第一座主要的鐵索橋誕生於公元60年左右的中國：雲南省的蘭津橋，其主橋跨度約60米。有許多鐵索橋建造於中國，其中一些我們在今天仍可以一睹風采。

中國最大跨度的鐵索橋樑之一，瀘定橋，建成於約400年前，鐵鏈也被用作該懸索橋的主纜; 然而，這些鐵索橋往往結構較小，因為同石材類似，鐵缺乏較強的張力。

鋼材的應用真正革命性地推動了橋樑建設的發展，因為鋼材既可以承受高壓，也可用於壓縮。

19世紀中葉鋼鐵大規模生產成為可能，工程師們開始能夠建造大跨度的梁橋、桁架橋以及大而細長的拱橋。通過將鋼筋與混凝土相結合，更多大跨度鋼筋混凝土橋被建造。

高強度鋼絲經冷拔工藝生產，這些高強度的鋼絲使得大跨度懸索橋的建造成為可能，極大程度上刺激了斜拉橋的發展。在高強度鋼絲大規模商用之前，人們曾採用鋼鏈與榫卯結構來建造懸索橋，但這種橋樑的跨度是有限的。

特定材料的選用影響著橋樑形式的選擇。因此，橋樑的發展可劃分為兩個時期：拱橋時代和當代的四種橋樑時代。拱形時代跨越了4000年，而四種橋樑時代則只有不到200年時間。

展望未來，諸如碳纖維、超高性能混凝土和納米材料等諸多新材料可用於發展全新的橋樑形式。然而，這些材料尚未完善到可以進行大規模應用。

橋樑結構的基礎

儘管梁橋、桁架橋、拱形橋、斜拉橋和懸索橋這五種基本形式可能看起來彼此非常不同，但這些橋樑類型中的每一種卻又僅由三個基本結構元素組成：軸向參數，彎度和曲度參數（結構的基礎元素）。通過重組與混合這三種基本結構元件，我們可以創建不同的橋樑結構。

·跨度

橋樑之美

每座橋都應當是原創的，有自己的風格，與其本身的需求與特殊的環境相適應。

與周圍環境相和諧並不一定意味著橋樑必須迎合環境追求完全融合。建築應當與環境相適宜，如果設計得當，常常會使橋樑從周圍環境中脫穎而出。

·橋樑美學是什麼？

一座橋主要由梁、橋墩、塔樓（以及有時會由鋼纜）組成。大梁相對水平，而橋墩和塔樓通常是垂直的。 一座橋通常有兩個橋台，分別位於橋的兩端。

通常我們認為橋樑美學元素包括以下方面：

橋樑拱腹宜向上彎曲以避免外觀下垂。腰梁部的曲線應當平滑。

懸鏈線，圓形和拋物線拱形等設計元素應各具姿態。

橋樑外形通常是筆直的，彎曲的橋總給人以不穩定的感覺。然而，如若對曲線精心處理，從不同的角度看去，恰當應用的曲線會為橋樑創造完全不同藝術效果。

對於箱梁而言，傾斜的腹板設計看起來更加輕巧，然而，當橋樑形態為曲線時，該設計的應用可能會形成複雜而混亂的線條。

對稱的設計看起來更加穩健傳統，但不對稱的設計提供了更加多變的外觀。

觀察者可能位於橋上、橋下，或從周圍的任意角度看橋。從一個特定的角度去讚美橋樑設計而忽略其他角度的行為是不可取的。

碼頭的設計通常用以展現負載路徑的交通流量。紋理設計則用來減少外觀的單調性。

箱形樑上的長懸臂板會產生陰影，這會使梁看起來更加纖細。

當然，上面列出的幾條因素只是常識性觀察的產物，並不是規則。橋樑設計的基本思想是激發觀眾的情緒反應，甚至給其一種驚喜的感覺。而實現這一效果的方法正是藝術。

努力尋找最美的橋樑設計備選方案需要耗費大量的時間與精力。但是，一旦這種做法在設計中變得日常化，額外的努力就不再顯得那麼重要。

誰在設計橋樑

工程師還是建築師？

橋樑不是雕塑；除卻迷人的設計之外，橋樑還必須兼顧安全性、功能性和經濟性。而這些問題最好由工程師處理。

把所有的橋樑美學問題留給建築師去解決並不是一個好主意；建築師們不能將一座完整的橋概念化，因為他們並沒有接受足夠的結構工程培訓來使其完成這項任務。

在工程師完成結構設計後再交付建築師或許也不是個好主意，儘管許多工程師都這樣做並嘗試讓建築師來美化橋樑。那時，建築師所能做的只是為橋樑添加裝飾，而這些裝飾可能並不適宜。

美學不是橋樑的補充，而是橋樑設計的一個組成部分。在橋樑設計的概念階段，我們必須同時將其結構配置與美學元素同時考慮在內。為了完成這樣的任務，橋樑工程師必須對結構理論和橋樑美學同時具有深刻的理解。

不幸的是，大多數工科學校不開設美學課程。橋樑工程師必須學習美學，無論是在其受教育期之內還是之外。通常，橋樑的主要設計師必須是工程師。他/她應當將橋概念化並滿足所有的結構與功能要求並適當考慮美觀。作為折中，他/她也可以在橋樑設計的概念階段與建築師一起工作。

參考資料

Man-Chung Tang. Forms and Aesthetics of Bridges[J]. Engineering, 2018, 4(2): 267-276.

來源：中國工程院院刊

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！