“ 和 ” 的思想对桥梁工程的启迪

桥梁结构内部的各个组成部分之间，以及桥梁工程作为一个整体与外部环境之间，都存在着关系问题。这个问题是桥梁工程所要面临的重要问题之一。事物之间应该具有什么样的关系才是最理想的？这不仅是个一个技术问题，同时也是一个哲学问题。

     

01  “和”的哲学含义      

孔子认为，最理想的关系，是达到“和”的境界。关于“和”，孔子之前或同期的一些思想家，就开始探讨这个概念。《国语·郑语》引用西周史伯所言：“夫和实生物，同则不继。以他平他谓之和。”各种元素互相结合，会形成各种各样的物质，各种味道互相结合，会产生新的味道，这就是“和实生物”。一定要有水、火、酱、醋等各种不同的材料互相融合才能调出美味；一定要有大小、长短、徐疾各种不同的声音互相呼应才能形成美妙的乐曲。也是说要调和各种不同的事物，以达到和谐的境界。这是一种认识到事物的矛盾与统一的辩证思想。

孔子发展了“和”的思想，并视之为一种政治上的理想状态。“君子和而不同，小人同而不和。”（《论语·子路》）“均无贫，和无寡，安无倾。”（《论语·季氏》）“和”是在一个系统内，承认和允许系统内不同因素之间存在的差别甚至矛盾，使这些差异和矛盾加以调整、配置、处理到适当的位置、状况中，使各因素能够各得其所，相辅相成，形成一个和谐的整体。

儒家论著《中庸》进一步阐释了“和”的思想。“喜、怒、哀、乐之未发，谓之中。发而皆中节，谓之和。中也者，天下之大本也。和也者，天下之达道也。”（《中庸》）人不免有情感，当情感发生而有所节制，处于合适的程度时，就是一种“和”的表现。《中庸》还进一步将“中”与“和”两个概念结合起来，提出了一个新的概念“中和”。“致中和，天地位焉，万物育焉。”（《中庸》）宇宙的运行，万物的生发，都处于一种和谐的状态。《易传》称这种宇宙万物的和谐为“太和”。《易传·彖辞》曰：“乾道变化，各正性命，保合太和，乃利贞”，即是说，天道运行，万物各得其所，保持最佳的和谐，万物就能顺利发展。

“中庸”“和”，以及“中和”的思想，深刻影响了中国传统的思想、政治、文化发展，也塑造了中国人的心理与性格特征。

     

02  桥梁结构中的“和”      

“和”也是桥梁工程设计的重要原则之一。桥梁工程的“和”体现在诸多方面，例如桥梁结构方面、建筑材料方面、桥梁使用功能方面，以及桥梁与环境的关系等方面。对于桥梁结构，我们希望从上部结构到下部结构，从主体部分到附属部分，所有部件都处在适当的位置，发挥适当的作用，彼此相辅相成，达到最好的状态，共同形成一个和谐的整体。

以最简单的钢筋混凝土简支梁桥为例，梁部提供了跨越障碍的功能，承受桥面上的各种荷载以及自身的自重。直接为梁体提供支承的是支座，梁体两端的支座，一端采用固定支座，另一端则采用活动支座，从而使梁体在温度变化时能够自由伸缩。支座支承在桥墩或桥台上，将梁部所受的力传递给下面的墩台结构。墩台结构除了承载由支座传递下来的外力，还要承担自身的自重、风或流水的作用力等，对于桥台还要承受来自台后路基土的压力。墩和台由基础结构支承，这些力要进一步传递给基础。基础将各种力最终传递到土或岩石中。从这个例子我们可以看到，即使是最简单的桥梁结构，也存在着各个部件的分工与合作，所有部件都需要处于良好的状态、完成自身的功能，并为其它构件实现其功能提供尽量好的条件，从而最终共同形成一个和谐的结构体系。

桥梁的基本组成

拱桥的外形会使人直觉上就感到其具备很好的跨越能力，事实上也的确如此。拱桥的主要承重构件是拱圈，当拱轴线较为合理时，作用在拱上的竖向荷载，可以转化为拱圈内的压力。因此，只要采用承压能力强的材料，比如石材，就能建造出跨度大、承载能力强的拱桥。这也是古代中国和外国石拱桥盛行的重要原因。由于拱圈在拱脚处会产生很大的推力，因此需要强劲的基础抵抗住拱脚的推力，以使拱圈处于稳定的状态。拱圈与基础从而形成了一种协作的和谐关系。

加拉比特大桥

中国传统薄拱桥，可将拱券做到很薄，从而节省石料，同时依然具有很高的承载能力。例如福建福州曾有小桥，因邻近福州大桥（万寿桥）相比而得名，是一座净跨约8米的石拱桥，拱券干砌毛石，厚仅20厘米，过桥车辆每日逾千，有时还通过20吨的汽车。究其原因，与拱上结构有关。无铰拱上砌有山花墩、山花墙和土石填料。多铰拱上则砌有肩墙、间墙、长系石和填料，形成拱背上密实的石室，构成一个整体。近代拱桥设计时，假定所有载重均由拱券承担，拱上结构仅起传递力的作用。其实不然，拱券和拱上结构是一个整体，即使是完全干砌或密实无粘结的拱背填砂石，也能起到拱的作用。何况中国传统石拱桥，对于拱背灰石和三合土的配料、夯实，以及和肩墙的联结，都十分重视，使拱上结构和拱券在受力情况下共同作用。此外在施工过程中，以尖拱、压拱等操作使应力的分配和共同作用的效果更有保证。因此，单独的拱券和拱上结构，承载能力都不会如此高，而当拱券与拱上结构组合为新的整体后，承载能力显著提高。

中国古代石拱桥结构示意图

悬索桥可视为“倒过来的拱”，主要承重构件为悬索，其线形与拱接近，但承受的是拉力。早期的悬索桥，行人直接在索上、或者在索上铺设的桥面板上行走，悬索的两端锚固在坚实的锚碇中。这样的悬索桥桥面纵向线形接近悬链线，并不平直，刚度也很弱。现代悬索桥主要增加了桥塔和吊索，用桥塔将主缆撑高，从主缆上垂挂吊索，由吊索吊挂加劲梁，从而桥面线形较为平直。曲线优美的主缆、竖直高耸的桥塔、垂挂的纤细吊索、平顺的加劲梁，以及坚实的锚碇，共同形成一个和谐的结构体，成为目前跨越能力最大的桥梁结构形式。

五峰山长江大桥

斜拉桥也是一种索支承的结构，与悬索桥用主缆吊起加劲梁不同，斜拉桥用斜拉索将梁拉在桥塔上，从而使加劲梁实现跨越。斜拉桥的主要构件有桥塔、斜拉索、加劲梁和基础，由于桥塔两侧的斜拉索可以实现纵向内力的自平衡，因此不再需要悬索桥那样的锚碇。斜拉桥是目前跨越能力仅次于悬索桥的结构形式。

布鲁东桥

将梁、拱、斜拉、悬索或刚构等一种以上的单一结构体系组合起来而形成的桥梁结构体系，称为组合体系。组合体系桥梁可以兼具其中各体系的优点，从而在某些方面比单一体系达到更好的效果。组合体系的形式一般有梁-拱组合、梁-桁架组合、梁-悬吊组合、梁-斜拉组合、斜拉-拱组合、斜拉-悬吊组合等。

组合体系桥梁示意图

笔者曾参加多座组合体系桥梁的设计，如青藏铁路拉萨河特大桥（梁-拱组合）、哈齐高铁松花江特大桥（梁-拱组合）、郑阜高铁沈界特大桥和界临特大桥（梁-桁组合）、济南黄河公铁两用桥（梁-悬吊组合）、郑州黄河公铁两用桥（梁-斜拉组合）、京沪高铁京津联络线矮塔斜拉桥（梁-斜拉组合）等。

哈齐高铁松花江特大桥

郑阜高铁界临特大桥

郑州黄河公铁两用桥

京沪高铁京津联络线矮塔斜拉桥

桥梁结构的和谐，还体现在合理结构形式与优美造型的统一，即技术与艺术的统一。一座优秀的桥梁结构，一定是结构技术与造型艺术的和谐统一体。结构造型的和谐之美，体现在调和结构系统内部各种不同甚至对立的因素，使其相辅相成，相济相生，形成一种融和，并超越了原有各种单一因素，达到整体的和谐之美。

桥梁结构的和谐之美，也在于调和好各种对立因素之间的关系。这些关系主要包括主与从、同与变、大与小、高与低、轻与重、直与曲、刚与柔、疏与密、虚与实、动与静等。通过对这些对立因素的调整与运用，使桥梁结构具有形式上的秩序与流畅，既富有变化，又具有过渡与呼应，形成音乐般的节奏与韵律。

颐和园玉带桥是一座造型极为优美的古代石拱桥。该桥最富于曲线变化，其拱券采用蛋形拱形式，即在尖拱的拱尖加接了一小段圆弧，从而融合了尖拱和圆拱两者优点，既有尖拱高耸俊秀的特点，又克服了尖拱的拱尖过于突兀的缺点。桥面采用双向反弯的曲线，极富特色。桥的中段为正拱，呈现出高耸飞腾之势，连接两端地面时变为反拱，顺畅而优美地从较高的桥面过渡到两端的地面，从而使高耸与平缓两种因素协调地统一为一体，并生成起伏的韵律美。精雕细琢的栏杆布置在桥面上富有节奏，而又随着桥面美妙的曲线起伏变化。栏杆柱头构成的点，与桥面勾勒出的曲线，以及撞券构成的面，形成了点、线、面的对比与相互衬托。具有优美轮廓的桥孔，构成了蕴含无限意象的虚空，与实的桥体共同形成一种虚实相生的玄妙意境。桥体天然白石的颜色，在绿水蓝天的映衬下显得明快而典雅。全桥所体现出的和谐之美打动了无数观者，美国修建纽约狱门桥（Hell Gate Bridge）时，设计者就承认是受到玉带桥的启发。

玉带桥

狱门桥（Hell Gate Bridge）

     

03  桥梁建筑材料中的“和”      

在桥梁的建筑材料方面，将不同的原材料或元素，按照适当的比例混合后，形成一种新的材料，或者呈现出特别的性能，也是“和”的一种体现。

混凝土是当代最主要的土木工程材料之一，它以水泥作为胶凝材料，以砂和石作为集料，与水按一定比例配合，经搅拌而成。其原料易得，造价较低，因而被广泛使用。相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其它混凝土，各种混凝土外加剂也开始使用。随着高分子材料进入混凝土材料领域，出现了聚合物混凝土以及纤维混凝土等。

另一种常用的工程材料——钢，属于铁与碳等元素的合金。钢的基本元素是铁，含碳量大致在0.03% ~ 2% 之间，碳含量不同时，钢的强度等性能也随之不同。在20世纪30年代，人们就开始认识到，只要在低碳钢中添加少量合金元素，钢的强度即可显著提高。各国结合本国的资源特点，用不同种类的合金元素冶炼出不同系列的合金钢。

将两种性能各异的材料组合在一起，发挥各种材料的性能优势，形成一种具有更好性能的结构，也体现出“和”的哲学。

钢筋混凝土由两种力学性能截然不同的材料——钢与混凝土结合成为整体而共同发挥作用。混凝土是典型的脆性材料，其抗压强度很高，但抗拉强度很低。而钢具有很高的抗拉强度，在梁的受拉区布置适当的纵向钢筋承担拉力，混凝土承担受压区的压力，两者结合为整体共同工作，就构成了一种新的材料——钢筋混凝土。在钢筋混凝土梁中，钢的抗拉强度与混凝土的抗压强度都得到了充分发挥。

利用钢的抗拉性能与混凝土的抗压性能，将两者结合在一起的结构，还有钢-混凝土结合梁、钢管混凝土等。钢-混凝土结合梁是通过使用连接件把钢板梁或钢箱梁与混凝土桥面板加以组合，整体抗弯强度能够大幅度提高，从而可以减小梁高，增大跨径。

钢-混凝土结合梁示意图

钢管混凝土是指在钢管内填充混凝土而形成的一种组合构件，这种构件受压时，由于内部混凝土受到外部钢管的约束，承载能力高于两者单独相加的效果。

钢管混凝土示意图

     

04  桥梁使用功能中的“和”      

桥梁使用功能的和谐，是指桥梁为使用者提供尽量完善、便利、舒适的使用功能，使桥梁与使用者之间构成一种和谐的关系。例如桥面应该具有足够的宽度，以满足车辆、行人的顺畅通行。桥面纵向坡度应限制在合适的范围以内，过陡的坡道既不便于上坡车辆的通过，对于下坡车辆也有安全隐患。人行桥应注重行人使用的舒适，梯道的坡度、长度等在设计规范中都有所规定。有的桥梁还特地为残障人士设置了无障碍通道或电梯。城市人行天桥上经常设置遮阳棚或雨棚等，为行人遮阳挡雨。桥上在夜间还应该具有良好的照明，以方便行人或车辆在夜间安全通行。

桥梁作为解决交通问题的构筑物，有时会面临比较复杂的交通问题，例如双向、甚至多向交通的交叉问题。如何处理好这类问题，创造和谐的交通条件，是设计者应当思考的。在这方面，有两座中国古桥值得一提。一座是绍兴太平桥，采用拱桥与平桥联和布置的形式，既有利于大小船只航行，又便于陆上交通，而且省工省料。

太平桥

另一座是绍兴八字桥，该桥处于多河、多路交汇处，又有街道房屋紧临而空间局促，布置十分困难，以八字桥的形式适应了水、陆交通联系，又不拆改街道房屋，是和谐处理复杂环境与交通问题的桥梁典范。

八字桥

现代城市道路或者纵横交错的公路网，存在许多影响交通流畅的交叉路口。从各条道路汇集来的车辆和行人，由于行驶的方向各不相同，易在交叉路口形成冲突点，造成交通阻塞。为解决这一问题，对原有的平交路口采用立体交叉，即修建立交桥和匝道，使原来平交路口的车流在不同的高程上跨越，从空间上分开，各行其道，互不干扰，从而提高了路口通行能力。

跨越通航河流的桥梁，有时岸边的路面高出水面并不多，若为满足桥下较高船只的通过，势必将桥面抬得很高，两边的引桥随之加长，增加了行人或车辆过桥的不便。有一种桥面可以活动的开启桥，较好地解决了这个矛盾。开启桥的桥面可以很低，当桥下不过高船时，桥上人车通行与普通桥梁无异。当有高船要从桥下通过时，开启桥的桥面可以临时打开，待桥下船只通过之后，桥面再复回原位。

天津万国桥（解放桥）

     

05  桥梁与环境的“和”      

一座桥梁不可能孤立地存在，必然会处于特定的自然环境和人文环境之中，与环境有所联系，构成一种关系，相互影响与作用，共同形成总体的景观。好的桥梁设计，应该与环境形成一种和谐的关系，两者相辅相成、相互映衬，构成的总体景观是趋于和谐与优美的。

处理桥梁与环境的关系，一般有三种方法。第一种方法是“隐”，以保持原有环境的状态为主，桥梁尽量隐于环境中，把对原有环境的影响降到最小的程度。第二种方法是 “显”，以突出桥梁为主，使其成为环境中的主体，环境则成为烘托桥梁主体的背景。此法对环境的改变程度最大，桥梁成为令人瞩目的景观中心，给人留下难以磨灭的印象。第三种方法是“融”，桥梁既不完全隐藏于环境中，又不过分凸显自身，而是在一定程度上展现自身的存在，使自身成为环境中的新元素之一，融和于周围环境当中。以上三种方法若能运用得当，都可取得和谐的效果。

南京瞻园中的石踏步桥和单跨石板小桥，都应用不规则的石块作不规则的排列，桥和路及山石十分调和，宛似天开。扬州何园的石梁桥，桥柱和栏杆一色采用太湖石砌假山的方法叠砌而成，桥与假山浑为一体，泯然无痕。

瞻园中的石踏步桥

美国奥斯汀人行桥也采用了“隐”的设计手法。该桥位于一个植被茂密的地带，遍地是芦苇与湿地。该桥被设计为线形平缓而优美的拱桥，桥面两侧用长短不一、疏密有致的竖向管状构成栏杆，令人联想起了湿地中的芦苇。全桥仿佛是有生命的植物一般“生长”在两岸之间，将自身的美隐藏于环境美之中，自然而和谐。

奥斯汀人行桥

位于西班牙塞维利亚市的阿拉米罗大桥（Alamillo Bridge）则采用了“显”的设计手法。该桥是为迎接该市举办的1992年世界博览会而建，开创性地设计为桥塔后倾的无背索斜拉桥。倾斜桥塔的自重可以代替背索，在桥塔与桥面之间形成一种力学上的平衡，以及意象上的对话关系。后倾而挺拔的主塔直指天空，与另一侧的斜拉索共同形成一种具有明显方向性的视觉动感。白色的桥塔与斜拉索在蓝天的映衬下非常醒目，整体造型和色彩使得该桥具有一种奋发向上的精神气质。该桥给观赏者留下令人惊叹的深刻印象，在背景环境中强烈地凸显出来，成为景观的中心。

阿拉米罗大桥（Alamillo Bridge）

采用“融”的设计手法的桥梁也非常多。例如武汉长江大桥周边环境优美，历史文化厚重，辽阔的江面烟波浩渺，两岸龟蛇二山郁郁葱葱，莲花湖风景秀丽，更有始建于明代的晴川阁古色古香。正桥为平弦钢桁连续梁，风格雄浑而沉静，引桥为钢筋混凝土梁，装饰外墙以民族形式的锅底券高拱配合正桥的菱格形。富有特色的桥头堡建筑，将正桥与引桥不同的材质、形式加以过渡和协调，使得全桥景观和谐而统一。具有民族建筑风格的桥亭与晴川阁遥相呼应，将本桥自然而然地融和到深厚的历史文化环境中，对全桥起到了画龙点睛的作用。后来还在蛇山之巅重建了著名的黄鹤楼，与大桥交相辉映，进一步提升了区域的整体景观。

武汉长江大桥

笔者在主持设计北京S1磁浮线桥梁工程时，对于跨越永定河的桥梁景观方案进行了深入思考。该桥紧邻京西名山石景山，山上有复建的传统建筑群碧霞元君庙，跨越的永定河为景观河，下游附近有北京园博园以及著名的卢沟桥，所处地域自然风光秀美，历史文化底蕴深厚。在该桥景观设计上采用了“融”的思想，力求将桥梁融入当地自然与历史文化环境之中，同时还能展现出现代桥梁的时代风貌。分析既有的区域景观元素，有青山、高亭、碧水，令笔者联想到颐和园的万寿山与昆明湖景观。在此意象的引导下，将本桥设计为多孔白色拱桥，结构造型吸收了颐和园十七孔桥及玉带桥的造型特色，又注意表现出现代桥梁简洁、明快、优雅的风貌。在结构方面，拱桥刚度大的特点，也非常适合磁浮交通的要求。

北京S1磁浮线永定河桥

桥梁与环境 的和谐，还体现在对环境与生态系统的保护方面。例如平原地区桥梁的设计与施工应注意对土地资源，特别是耕地资源的保护，尽量减少永久用地和施工临时用地。山区桥梁则应减少对山体，特别是山上树木、植被等的破坏。经过森林、草原的桥梁应该严格控制施工砍伐范围，保护林木、植被。经过野生动物活动区域时，应注意减小对野生动物的影响。穿越野生动物迁徙区时，应注意设置方便野生动物活动或迁徙的桥涵。

美国林湾高架桥

高速铁路使人们的出行更加方便、快捷，正在深刻改变着人们的交通方式。与此同时，随着对环保要求越来越高，高速铁路的环境振动与噪声问题日益引起关注。在此背景下，工程技术人员针对“高速铁路减振降噪关键技术”开展了一系列研究工作。笔者作为其中子课题“高速铁路桥梁减振降噪技术”的主要研究人员，参加研究了高速铁路桥梁振动与噪声控制理论研究、高速铁路槽形梁、高速铁路桥梁新型减振支座以及高速铁路桥梁粘弹性阻尼层装置，有效减小了高速铁路桥梁振动与噪声的影响。

高速铁路槽型梁

桥梁在跨越繁忙铁路干线或高速公路时，应该注意与其保持和谐的工程关系，例如在桥跨布置时，应该充分考虑所跨越铁路或公路的净空要求、视距要求、拓宽规划等；施工期间应选择适宜的施工方法，尽量减少对铁路或公路运营的干扰，保证交通运输安全；还应考虑后期的养护维修工作也要尽量减少对铁路、公路的影响。

笔者主持设计的唐山市二环路上跨津山铁路斜拉桥，即是一座采用特大吨位转体施工跨越铁路的市政道路斜拉桥。受道路纵断面限制，本桥要求梁高必须很薄，而且由于车道数多，路面需求很宽，设计采用了双人形桥塔和分幅薄梁结构，解决了这一技术问题。为了减少施工期间对繁忙铁路干线的影响，采用了在铁路旁现浇然后水平转体就位的施工方法。为了减少本桥后期维护工作对铁路运营的影响，采用了预应力混凝土加劲梁。索-梁锚固采用钢锚拉板结构，并设于混凝土梁面以上，以使后期检查维护时不影响桥下铁路运营。由于本桥地处高烈度震区，采用了半漂浮结构体系，并设置了阻尼器等减、隔震措施，有效保证了桥梁在地震作用下的安全可靠。

唐山二环路上跨津山铁路斜拉桥

（左图为转体施工前，右图为成桥）