从多多益善到独一无二——浅谈桥梁概念设计

在2006年国际桥协布达佩斯年会上，德国柏林工业大学土木系的M.Schlaich教授发表了题为“对教育的挑战——概念和结构设计”的大会报告，旨在加强对学生创新理念和能力的培养。柏林大学进行了土木工程教育改革，将原来传统的按材料划分的钢结构教研室和混凝土教研室合并更名为“概念和结构设计”教研室。

2007年起，同济大学桥梁工程系决定为硕士研究生开设一门“桥梁概念设计”的新课，以培养新一代桥梁工程师的概念设计能力，克服中国桥梁在创新理念、工程质量和美学考虑三方面的不足。项海帆院士亲自动手并组织年轻教师一起编写教材，亲自开讲第一课。随后，国内其他高校也纷纷开设类似课程。15年来，随着一批批学生投入工作，桥梁概念设计开始在桥梁建设中发挥作用。工程及其关联行业的创新能力不断加强，创新成果不断涌现。上海卢浦大桥（2008）、江苏泰州长江大桥（2014）、港珠澳大桥（2020）、江苏南京江心洲长江大桥、贵州平塘大桥（2022）等越来越多的工程项目获得国际桥协的杰出结构大奖，得到了国际同行的赞许。 

我国桥梁工程取得长足进步的同时仍有不足，诸如盲目追求大跨度、忽视工程建设经济指标、美学效果欠佳等。本文通过一些优秀的工程案例，在方案构思、分孔布局、桥型比选及其体系选择、美学考虑等概念设计过程与方法方面，给出其工程创新理念和创新技术成就，供同仁参考借鉴。

桥梁概念设计包括“概念生成”和“概念选择”两个阶段的设计过程，以解决桥梁功能、结构、施工、耐久、环保、经济与美观之间的矛盾，得到最佳满足设计原则的概念方案。

概念生成是指根据需求所产生的多重目标、指标和约束条件，以形成各种合理、可行的解决方案的思考过程。“集思广益”后，生成“多多益善”的方案，调动设计团队的想象力和创造性，尽可能多地接纳不同个性、不同风格、不同角度和侧重点的设计方案，避免遗漏一些具有独创性的设计概念和构思。概念选择则是对所有可能的备选方案进行评估和比较，从中筛选出少数优秀的方案。对优秀方案进一步分析、研究和详细比较，选择满足桥梁功能、结构、施工、耐久、环保、经济与美观要求和设计原则的最佳设计。

桥梁概念设计始于对桥址各项专题技术资料的研究分析，包含分孔布跨、选择桥型及其体系；桥梁美学、合理比例和构件尺寸；结构创新与智能建造和新材料、新工艺等方面的研发应用等多领域、多层次的内容，无须过于详细的计算和太多的投入，但蕴涵了丰富的理念和创新。 

研究自然条件和功能定位是概念设计的第一步，也是重要一步。包括河势、水文、气候气象、地形地貌、地质、地震、环境等桥址条件。在理解消化的基础上，分析自然条件和功能定位的特点、难点和要点，抓住核心要素和控制性条件，形成我们的构思和布局雏形。

希腊里翁-安蒂里翁大桥（Rion-Antirion Bridge），连接希腊大陆和伯罗奔尼撒半岛之间的科林斯海湾，水域宽度约2500m。海床两边都有陡峭的斜坡，在60-70m深处有一个长长的水平台地。桥位处沉积物厚度超过500m，2000年重现期的地震最大峰值加速度达1.2g。且半岛以每年8-11mm速度漂离大陆，因此要求桥梁必须能够承受两个相邻塔之间任何方向上高达2m的水平或垂直断层位移。桥塔需要能够承受一艘18万载重吨的油轮以16节速度航行的冲击。

1988年各竞标公司提交了5个桥型方案设计，3个进入正式阶段，包括两个斜拉桥、一个悬索桥方案。根据现场技术条件，其中主跨1500m的悬索桥方案，由于经济性和安蒂里昂一侧的大规模斜坡稳定性问题，在概念选择阶段就被排除。而在选择斜拉桥时，需要综合考虑限制位于海峡中的桥墩数量，满足通航要求，造价合理等多方面因素。因此，采用分孔约束航行的原则，形成了由3个长560米的中跨和2个长286米的边跨组成的斜拉桥方案（图1）。

图1 立面布置图

为了迎接各种挑战，这样一个特殊斜拉桥需要构思一套极具创新的技术设计。

在每个桥墩下用200多根钢管桩对基础土体进行加固（图2），并铺设厚3m砂砾弱连接层，形成条件隔震基础。砂砾层在临界条件下，使墩底的约束状态发生改变，从而消除地基与基础间的相对位移，解决两千年一遇的地震和横、竖向最大2m的断层位移问题。

图2 桥塔基础设计图

桥塔由大型沉箱塔基、锥形墩身、倒金字塔基座、四条混凝土中塔柱和上塔柱组成（图3），这样的设计，有效解决了船撞问题和多塔斜拉桥桥塔刚度不足的问题，保证了强震发生时桥塔的安全。

图3 桥塔整体结构图

采用五跨全漂浮体系的连续结构体系提高抗震性能。为了保证主梁横向约束，每个塔梁交界处安装5个固定阻尼器，其中一个中间阻尼器可以在顺桥向位移1.6m，在横桥向则固定不动以保证桥梁在正常使用时的良好工作状态。当大地震发生时，中间阻尼器自动失效，主梁在另外4个黏滞阻尼器的控制下缓释梁、塔间横向1.3m的相对摆动。

里翁-安蒂里翁大桥因其独特的设计，高效地解决了一系列超常规的技术难题，2006年获国际桥协“杰出结构奖”提名。

苏丹塞利姆大桥（Yavuz Sultan Selim Bridge）是博斯普鲁斯海峡第三座大桥。2012年设计竞赛由Michel Virlogeux和 Jean-Franois Klein获胜并完成正式设计。

博斯普鲁斯海峡三桥的位置靠近黑海，在桥型比选时，综合了航道的安全通行宽度和水深限制，确定主跨不小于1275m的悬索桥。为了避免复杂的水上作业，进一步将主跨跨度增大为1408m。

在主梁形式比选时，虽然大桥需要满足公路双向八车道宽度和双线铁路，考虑到和海峡上另外两座大桥的美学风格保持一致，排除了钢桁梁形式，进而形成了宽度达58.5m的流线型钢箱梁设计，公路与铁路同层布置。在考虑刚度更大的缆索结构体系时，采用了同济大学2006年提出的部分地锚斜拉-悬吊协作体系。这种体系四分之一跨的重负荷和集中荷载直接传递到相应的塔上，将大大减小主梁挠度（图4）。

图4 四分之一跨加载时悬索桥与协作体系桥梁力学行为对比

与相同跨径、双层桥面的悬索桥相比，它不但能节省材料，且横向刚度增大，主梁挠度减小，在最大荷载作用下，竖向位移为3.75m，达主跨跨径的1/375。

图5 土耳其苏丹塞利姆大桥立面布置

该桥跨中的1260m采用钢箱梁，其余及两侧边跨308m部分采用混凝土箱梁，边跨为地锚段桥面。拉索系统由主缆、加劲斜拉索及吊杆组成。吊杆设置在主跨中央792m长度范围的悬索区。而加劲斜拉索则布置在两侧的边跨及部分主跨区域。

博斯普鲁斯海峡三桥因其独特的设计，获国际桥协2018年“杰出桥梁结构奖”。

桥梁美学的考虑应贯穿于概念设计的全过程中。一方面，地形、环境、桥型、分孔布跨、主桥与引桥衔接、主要构件及墩梁尺寸和截面形式等，都要在方案构思、比选的过程中予以充分考虑。如主通航孔跨度与高度的合理比例，立面布置的对称性，双塔斜拉桥的边中跨合理比例，斜拉桥边跨中的辅助墩布置，塔形选择及比例，悬索桥的边跨布置，主梁梁高与形式的合理选择等。另一方面，桥梁美学法则为我们在考虑这些充满着感性因素的美学问题上，提供一些理性的把控办法，例如多样与统一(变化与统一) (Varied & Unified) 、比例与匀称(Ratio & Well-proportioned)、平衡与和谐(Balance & Harmony)、韵律和协调(Charm & Coordinated)。当然，实践中创造作品也不能完全依靠法则，要有想象力和智慧，更需要我们学习桥梁美学原理及其哲学思想基础，掌握桥梁美学的真谛，转化为工程师的美学感悟和创作技能。

这方面的经典案例要数丹麦大带桥(Great Belt Bridge) (图6，1997年)，经典但不失新颖的门式桥塔，创新设计的三角形镂空的锚碇以及引桥的板式桥墩，结构中不同构件因形式上高度的协调性，而使全桥给人印象深刻的整体感。

图6 丹麦大带桥(Great Belt Bridge)

罗丝·菲茨杰拉德·肯尼迪桥（Rose Fitzgerald Kennedy Bridge）跨越巴罗河（River Barrow），桥址处河宽300m。除了要满足巴罗河宽度117m、高度36m的通航净空要求外，桥址位于拟建的国家遗址区和珍稀植物保护区，并在桥址区附近已确定了大量考古遗址。因此，桥梁的景观和美学要求成为建设者必须重视的因素。

在起初的8个方案中，选择了4个方案进行更详细的分析，分别为连续箱梁桥（图7）、带V字形桥墩单跨拱桥（图8）、三跨拱桥（图9）和三塔矮塔斜拉桥方案（图10）。从功能和美学的角度来看，4个方案都被证实是合适的，都将对SAC（特别保护区）的影响降至最低。在当时已知的场地限制条件下，4个方案的施工都是可行的。但拱桥方案的施工周期预计将比箱梁或矮塔斜拉桥方案长约30%，后者需要大约30个月的施工时间。与连续梁方案相比，矮塔斜拉桥方案的成本略高，但它被认为具有更好的美学效果。最终确定矮塔斜拉桥方案为推荐方案。

图7 连续箱梁桥

图8 单跨拱桥方案

图9 三跨拱桥方案

图10 矮塔斜拉桥方案

矮塔斜拉桥跨径布置为36+45+95+230+230+95+70+50

+36m，分孔布跨时，桥梁各结构的比例包括各桥塔支撑的主跨长度比、引桥段各跨长度比、桥墩与桥塔高度比等符合黄金分割比（图11、12）。2021年获国际桥协“杰出桥梁结构奖”。

图11 罗丝·菲茨杰拉德·肯尼迪桥

图12 各构件长度之间的比例示意图

对于景观要求较高的桥梁，美学与景观是多方案选择时的一项重要考量因素。例如美国旧金山奥克兰新海湾大桥，针对主桥桥型比选，设计咨询团队（EADP）综合了五个方面的考量：（1）新东跨和改造后的西跨将按震后仍能提供“生命线服务”进行设计；（2）新东跨包括一个缆索承重主跨，主塔横向有单腿或多腿、一个或多个支撑缆索的塔柱；（3）新东跨不做成双层桥面；（4）东跨的桥塔不能高于西跨的悬索桥塔；（5）新东跨应设自行车道和人行道。

综合以上考虑，四种主桥设计方案如图13。

图13 旧金山奥克兰新海湾大桥主桥方案比选

显而易见，选择独塔悬索桥的主要原因是美观性。它的魅力在于，它将为海湾地区提供一个世界上其他地方所没有的独特结构。它的悬链线主缆与金门大桥和旧金山奥克兰海湾大桥的西跨产生了呼应，该桥2015年获国际桥协“杰出结构奖”。

在一项工程的概念设计中能有1～2项真正的突破性创新和3～5项技术改进就是很了不起的成就。开展人工智能赋能的设计、建造、管养等领域的创新构思，应该从概念设计开始。

南京江心洲长江大桥为三塔斜拉桥，跨径布置为80+218+600+600+218+80=1796m。

传统的钢桥塔抗压抗弯刚度和经济性不如混凝土桥塔，但混凝土桥塔自重大，施工时间长。南京江心洲长江大桥采用了钢箱混凝土桥塔，克服了上述两种传统桥塔的缺点。该桥塔不仅承载能力大，结构韧性强，并且施工速度快，结构耐久性好。凭借其优异的力学性能，在主梁附近桥塔的横向宽度仅4.6～5.8m，远远小于同跨径的Forth海湾三桥，节省了桥面宽度和材料。

对于组合梁，主梁截面的内力分布主要取决于钢和混凝土截面的轴向刚度比Es As/Ec Ac，由于钢与混凝土的模量比约5～6，传统的混凝土板厚度需达到250mm～300mm才能获得足够的截面面积和刚度，这导致主梁自重很大，这是限制组合梁斜拉桥跨径的主要原因。为了减轻主梁自重，提高其跨越能力，南京江心洲长江大桥采用了超高性能粗骨料活性粉末混凝土(CA-RPC)制造桥面板，板厚仅为17cm。经养护，该材料比传统混凝土的收缩徐变量更小，弹性模量更大，抗开裂能力更强。此外，为了控制CA-RPC桥面板的生产质量，该工程还打造了世界上第一条数控自动化CA-RPC桥面板生产线，实现了桥面板制造过程标准化、自动化和智能化，有效提高了生产质量和效率。一条完整的生产线包括数字化搅拌系统、模具平台系统、自动化分配设备、数字化列阵插入式振捣系统和数字化平板振捣压实设备等。南京江心洲长江大桥荣获国际桥协2022年“杰出桥梁结构奖”。

创新理念和高强材料还有助于我们巧妙地解决一些传统桥梁结构的技术难题，例如罗丝·菲茨杰拉德·肯尼迪桥采用多种标号的混凝土浇筑主梁，满足全桥不同受力区段材料强度的要求。高强度混凝土C80/95仅用于特别不利的区域，其他区域采用C60/70或C50/60，经优化后混凝土分布如图14。这些方法也是我们在概念设计阶段值得借鉴的。

图14 桥梁各型号混凝土构件分布

（1）根据通航需求确定主通航孔的大小和位置是桥梁概念设计的首要工作，主孔的大小也是桥型选择的决定性因素。桥梁跨径的确定，须由设计者结合水深、地质等建桥条件和设计原则综合确定。如果能通过约束航行的分孔通航，减小主跨跨度，采用多塔斜拉桥或悬索桥桥型，有助于大大提高桥梁方案的经济性和竞争力。

（2）创新技术的形成和关键技术的稳妥解决是桥梁概念设计的核心工作，创新桥型、结构体系，高强度钢材、混凝土材料的研发应用，韧性结构与体系，预制安装结构，人工智能赋能的设计、建造、管养等领域的创新构思等，都需要在概念设计阶段酝酿并形成系统性成果，用以支撑后续详细设计阶段的工作。

（3）美学考虑贯穿概念生成、概念选择全过程。桥型选择和布局与地形环境的关系，桥型布置的空间各维度的合理比例，桥型结构各构件尺度和形状的美学考虑等。这些都是桥型与结构的美学考虑的基础性问题，其中既有美学法则、合理比例等偏理性的美学分析问题，也有工程师艺术素养的美学感悟感觉问题。需要工程师和建筑师反复推敲、几易其稿，精益求精，才能形成美学方面经得起各方评头论足的概念方案。