混凝土立交桥的“形”为艺术

在桥梁概念设计过程中，工程师在选择结构体系时，因为桥梁的跨径、形状和尺寸不同，不可避免地会设计出多种多样的桥梁形式。特别是在基础设施项目的建设过程中，工程师的设计往往起到主导作用，有时甚至要负唯一的责任。

然而，工程师们大多没有意识到，结构形式和固有的几何构成对人类感知的影响重大。格式塔心理学（gestalt psychology）的实验表明， 人类在观察特定形状时，具有倾注和迁移情感的能力。19世纪末，德国哲学家和心理学家Theodor Lipps介绍了“空间美学-移情说”。在其《空间美学和几何学·视觉的错觉》一书中，进一步阐述了人类对几何形状、线条以及更大的构件、结构、建筑物等布局形式的直觉判断。基于这些视觉上的外观，即所谓的结构固有形式逻辑，对于体现结构物的美学性能至关重要，尤其是桥梁。此外，笔者认为，工程师必须在公共基础设施的设计中体现某些特定的形式逻辑，以实现目的性、经济性及最重要的美学设计。

为了以更加动态的方式设计桥梁结构，工程师们需要用一种更具创造性的、巧妙的思维方式，进一步完善格式塔心理学中关于结构形式的外在表达。

图1 复杂程度不同的整体式桥梁端部截面的形式比较

从图1可以看出，6个复杂程度不同的整体式桥梁端部截面都反映了一个固有的形式逻辑，即弯矩从桥面到桥台的连续性传递。然而，通过添加倒角、斜线、曲线等，使截面形式的复杂性从图1a)增加到图1f)。形式的复杂程度越高，对人们感知的刺激就越强，因此观察者的视觉动态也就越强烈。从结构角度来看，将质量适当地分配到应力较大的截面上，结构的有效性肯定会提高。不应忽视的是，为了提高结构的有效性，模板的成本增加了，同时也提高了对视觉的关注程度。

德裔美国艺术和电影理论家、认知心理学家Rudo l f Arnheim描述了格式塔心理学中关于视觉动态的表达。他的理论基础主要是基于Theodor Lipps的研究。在下一章节中， 还将介绍视觉动力学的各个方面，这些方面与结构力学有许多惊人的相似之处。它们为工程师提供了进行视觉表达和结构改进的工具。

张力和变形

视觉动力学处理的是感知力、张力和变形，这些力与物理力不同，但与结构力学有高度的相似性。矩形形状倾向于沿长轴展开，在横向压缩，可以理解为运动趋势。根据Wolfgang v. Wersin，这些形状都有一个表达值，可以被描述为示意内容，可以用上升、支撑和中性来表达。图2的下半部分描述了另一个示例，其中平行四边形可以通过移动变回固定的正方形。平行四边形的表达式意味着类似于在剪切应力的作用下，可以变形为正方形。

图2 矩形及平行四边形的表达值

因此，我们可以得出结论，通过追踪结构物的内力和变形形式，可以表现出更强烈的视觉动态效果。这种视觉错觉是从古希腊的圆柱中得知的，因为它们的轮廓遵循一种被称为圆柱收分曲线。奥地利裔美国建筑师Richard Neutra 将这种效应描述为“负载下的弹性压缩视觉能力”，这完美地反映了柱的内部结构行为。

在混凝土桥梁工程中，结构行为的可视化可以通过多种方式实现。一个很好的例子是J rg Schlaich设计了一座横跨Kirchheim/Teck公路的框架桥。该桥的斜腿支撑倾斜角度接近45度，主梁的高度随弯矩分布的变化而变化。这座桥生动地诠释了结构的内力流，也是笔者目前在桥梁工程中最喜欢的艺术作品之一。

图3 Kirchheim/Teck公路上的跨线桥

力的平衡

视觉动力学中一个非常重要的问题是，整体结构中体现感知力的平衡，这与理论力学方法相对应。不平衡的感知力产生了一种矛盾的感觉，如图4所示。Rudolf Arnheim 建议在一个系统中补偿所有的感知力和运动趋势，以达到视觉上的和谐。因此，一个结构的形式，除非一个完全无序的建筑意图，必须是大众在逻辑上可以理解的，换句话说，形式逻辑在结构外观上的体现是非常重要的。

图4 倾斜拱门的不平衡感知力表现

自重及比例

地心引力会导致人们从上到下的定向知觉紧张。类比于在工程师的工作中，恒载是需要处理的最重要的力。

图5 比例匀称的结构(上)及其对比(下)

如前所述，墩柱作为垂直的矩形感知区域，有向上延伸的趋势，在垂直方向上与向下沉的桥面相接。在图5上面的结构中，实现了视觉上的平衡，而图5下面的结构，桥面板的厚重似乎破坏了墩柱在垂直方向的延伸感。尽管工程师可以提供足够的理论分析来确保结构的安全,但Rudolf Arnheim在《艺术和视觉感知》一书中指出, 一个大的质量块和一个薄的支撑杆之间造成的视觉差异，并没有因为工程师保证结构不会倒塌而得到缓解。

斜度与曲率

为了保证提供适当的平衡，斜度与曲率是增强动态张力的工具和表达式。Rudolf Arnheim认为平整度和锐化度的不同，可以表示不同程度的复杂性。平整度可以借助测量仪器实现统一性，增强对称性，减少结构的特殊性，消除倾斜。而锐化增强了差异性，强调了斜度。

在桥梁工程领域中，斜腿支撑和带坡度的桥台的使用，不仅提高了视觉效果，还带来了结构效益。当然，这取决于设计师的意图，他可以选择一个更为平整的结构或是更尖锐的结构，依据桥位和设计师的想象力，展示出一个更保守的设计或是一个更先进的设计。对于立交桥来说，采用斜撑是一种不错的设计方法，可以跨越较宽的公路，避免在路中央设置立柱。而且倾斜得越厉害，支撑的力就越大。

图6 立交桥的不同设计及斜撑的激励作用

德国建筑师Wilhelm Tiedje通过图6中的简单示意图展示了不同的设计方法。从图中可以清晰地看出，最下面的这种设计提供了更为开阔的视觉体验，与上面的设计方案形成强烈的对比，这得益于斜撑和带坡度的桥台的使用。

在桥梁设计中，圆角通常用来使桥面与桥台之间的力更加平稳地传递。一般常采用从直线到圆的突然过渡。然而，根据Eduardo Torroja和Theodor Lipps的研究，曲率连续变化的线条组合因其轻松、不费力而更具吸引力。如图7所示，用正弦曲线代替圆曲线不仅改善了视觉外观，而且显著降低了薄膜结构的主应力。而且，结构的受力与美学也得到了完美的匹配。

图7 圆曲线过渡(左)和正弦曲线过渡(右)的薄膜结构主应力比较

跨线桥和立交桥的外形往往受到特别关注，是因为它们位于司机的视野之内，必须特别谨慎地设计。不仅如此，在奥地利高速公路和高速公路运营商ASFINAG的内部设计指南中，立交桥也被赋予了更高的视觉要求。这里简要地介绍一下单跨立交桥的形式研究。图8中的第一个结构显示了在ASFINAG运营的所有公路桥梁中跨度最大的钢筋混凝土立交桥。除了拥有较厚的框架边缘所带来的结构优势， 轻微的凹形底部轮廓创造了视觉张力。在图8的第二个结构中，对应于整跨的最大弯矩处，桥面板的质量被尽可能地减少，增加了视觉的动态。在图8的第三个结构的桥面底部增加了预应力钢筋，凹形底部与凸曲梁的结合进一步增强了结构的动力性能。

图8 单跨立交桥的形式研究

最近，在奥地利的一个叫Wilfersdorf的小镇上建造了一座能够满足上述形式动力学方面的立交桥。它沿着奥地利维也纳北部的Weinviertler A5高速公路延伸。最初的设计方案是设置有中间墩的梁式桥，但该方案最终被整体式混凝土框架桥所取代，因为它可以更好地匹配当地非常陡峭的堤岸。桥梁的模型效果如图9所示。

图9 初步设计时的桥梁模型效果图

该设计的基本思路是想引入一个动态的结构，简化结构上所有不必要的质量。斜腿支撑与堤岸呈直角相接，并在纵桥向上被分成两个，以便将排水系统置于堤岸内侧。由于土壤条件不足以将斜腿支撑的水平分力传递给堤岸， 所以剩余的力必须沿后支撑重新传递给桥面板。支撑框架和梁的这种组合结构形式被有意地暴露在外部。类似于图3 所示的Kirchheim/Teck公路上的跨线桥，桥中央的截面高度是根据跨中的弯矩图形成的。而且，弯矩在视觉上分为一个拉力部分和一个压力部分。拉力部分与斜撑之间的边跨桥面板融合。而这些斜撑本身又与前面的桥面相接，在桥纵向上形成一个连续的拱形。位于跨中区域的斜撑和凹凸结构提供了一个不同寻常的、有视觉冲击力的结构形式。