[分享]桥梁美学与结构创新之间的相互作用

桥梁结构是技术与艺术的综合体，桥梁美学关注桥梁结构的艺术质性，工程科技关注桥梁结构的力学和技术问题，两个方面（学科或领域）都具有内生的创新欲望的本真。从桥梁结构的艺术属性等艺术理论和技术发展层面出发，分析桥梁美学和结构创新之间的依存关系和相互作用，阐述结构创新的技术意义和美学价值，讨论保护创新、鼓励原创等行业发展深层次问题。

从建筑构成学角度,研究桥梁方案（桥梁结构）的最小构成单元及其组成方法和特点。“桥梁结构”是实现桥型的架构,即组成桥型的构件及其连接、约束的总称。结构是由构件组成的、能够承受外力且不产生刚体运动的系统。“桥梁造型”是形体外观和结构外观的总和，是桥梁总体、局部和细节的总和。在许多情况下,可以简单地说“造型就是结构”。构件和节点是组成结构的基本元素，如果把结构看成一个产品,那构件就是这个产品当中的零件。

对于一座桥梁，在技术层面我们关注的是结构受力、安全、耐久等一系列工程技术问题；在美学艺术层面，我们关注的是造型、比例、隐喻等美学艺术问题。这就形成了桥梁区别于其他建筑的技术与艺术综合的特殊性和内涵。

桥梁结构是技术与艺术的化身

1962～1974年，普林斯顿大学戴维.P.比林顿教授从埃菲尔铁塔和布鲁克林桥的新形式中，看到了技术世界的奇特和吸引力，提出了工程结构是一门艺术形式，即结构艺术的思想。1979年出版的《罗伯特·马亚尔的桥——工程艺术》，认为马亚尔（Maillart R）是一位真正的艺术家。结构艺术有一整套思想和方法，而使其区别于建筑或雕塑。这些理想的中心是《塔和桥——结构工程的新艺术》一书中探讨的那些工程师，在设计中，他们有相当自由的美学选择，而用不着去放弃工程的要求。

区别于建筑，桥梁结构有其特有的美学艺术规律。

最常见的桥面行车空间

（1）桥面空间构成

桥梁供车辆、行人通行的空间通常是敞开的或半敞开的、开放的，如我国古代的廊桥就是一种提供给行人半敞开的通行、休憩的空间。

由塔梁索构成的结构造型

（2）桥梁造型空间的构成

桥梁的空间形态通常由实体构件与索、缆、吊杆等共同围合而成，由于索、缆、吊杆等构件在空间形成的面（平面或曲面）是通透的、非实体的，所以，桥梁的空间形态既有实体的部分，又有虚幻的部分。所谓虚幻，和观察者的距离有关,若有若无。

桥梁主体构件造型

（3）桥梁主体构件的造型

变高度连续梁就是一类常见的实体构件，拱桥的主拱肋、斜拉桥悬索桥的索塔也是常见的实体构件。一般实体构件的体量巨大，如拱肋的跨度、索塔的高度等，对整座桥梁的艺术效果起到决定性的作用。

桁架的空间造型艺术

（4）索、桁架等的空间艺术

空间索与大跨度桁架是桥梁最具特色的艺术形体，空间索面传递结构重力的同时，营造特殊的艺术空间，难以想象的空间效果，变幻莫测。桁架结构在各种桥型中都有使用，也是很有造型特色的一类构件。

项海帆院士在《桥梁概念设计》一书中列出了一系列现代桥型结构创新实例（1945-2008）：斜拉桥，德国Dischinger，1956年瑞典Str msund桥；带挂孔混凝土斜拉桥，意大利Morandi，1962年委内瑞拉Maracaibo桥；提篮拱桥，德国Leonhardt，1963年Fehmarnsund海峡桥；流线型钢箱梁悬索桥，英国Gilbert Roberts，1966年Severn桥；密索体系斜拉桥，德国Homberg，1967年Friedrich Ebert桥；无风撑拱桥及斜拉桥，1969年德国Knie莱茵河桥；混合桥面斜拉桥， 德国Leonhardt，1971年Kurt Schumacher桥；悬带桥，美国T.Y.Lin国际公司，1972年哥斯达黎加科罗拉多桥；脊骨梁桥，美国T.Y.Lin国际公司，1973年旧金山机场高架桥；倾斜索面斜拉桥，德国Leonhardt，1973年K hlbrand桥；单索面混凝土斜拉桥，法国Müller，1977年Brottone桥；连续刚构桥，瑞士Menn，1979年Feigire桥；矮塔斜拉桥，瑞士Menn， 1980年Ganter桥；斜拉-刚构协作体系，德国Leonhardt公司Svensson，1985年E.Huntington桥；波折钢腹板组合梁桥， 1987年法国Maupre桥；无背索斜拉桥，西班牙Galatrava， 1992年Alamillo桥；斜拉-悬索协作体系，英国Flint-Neil公司，1997年印度尼西亚巴里（Bali）海峡大桥方案。

桥型结构创新对桥梁工程技术的发展起着重要的推动作用，国际桥协（IABSE）从2000年起设立杰出结构奖项（Outstanding Structural Awards），表彰最显著的（remarkable）、最有创新的（innovative）、最具创意的（creative）或者是既明智（wise）又刺激（stimulating）的新建结构。如2001年瑞士Sunniberg桥、2002年日本美秀美术馆大桥、2005年英国盖茨黑德千禧大桥、2006年法国米约大桥、2008年中国上海卢浦大桥等。

桥梁工程师通常根据建桥条件，将技术合理可行的方案直接画出桥型布置图；而建筑师会根据基地条件，综合技术与艺术等因素，将构思方案用草图表现出来，再将满意的方案形成详细的布置图。两种工作方式表面上只是一步之差，实际上是两种思维方式：前者是单一的工程技术思维，后者是技术与艺术的综合创作思维。

方案创作需要将构思用草图表现

桥梁美学创作是技术与艺术的全过程综合创作的复杂过程。

如何从桥梁结构设计思维方式，上升到桥梁方案创作思维方式？

1.桥型结构体系及其力学原理是创作的(技术)思想基础。

2.桥型结构及其主要构件形式是创作的(结构)技术支撑。

3.成熟构造与关键技术是创作的（工程）技术手段。

不要将桥梁专业知识（各类桥型结构及其合理布置） 成为你方案创作的束缚思想的条条框框，而使它们融会贯通，成为你的技术思想、技术支持。工程技术掌握越多， 美学创作思想越自由。

技术与艺术的全过程综合创作过程

如何基于艺术创作思维获得美的桥梁结构呢？

萨尔基纳山谷桥

（1）结构形象鲜明性

桥梁的空间造型就是它的艺术形象，鲜明性包括了鲜活、生动、简洁、明快等含义，就是要求桥梁结构给人以生动感，简洁明了，能够吸引人、感染人。

明快的几何形体与受力原理结合，造就了技术与艺术双优的艺术形象，萨尔基纳山谷桥；德国费马恩海峡桥由技术创新生成的提篮拱形像,简约干练；法国沙瓦农高架桥A形桥塔与单承载面的主缆,共同打造出精准的艺术形象。

荷兰塞缪尔·贝克特大桥

（2）结构语言准确性

构成整座桥梁的所有构件是形成其艺术形象的语言， 语言要符合语法、修辞法。艺术语言的准确性包括两层含义：一层含义是从视觉艺术角度考察，所有构件的尺寸大小、几何外形、材料选择、空间位置都是准确的，符合形式美学规律的；另一层含义是从结构技术角度考察,所有构件受力明确、合理、经济,符合力学要求，满足安全要求。

瑞士圣尼伯格桥塔的立面尺寸、横桥向布置、塔柱的截面样式，精准地将受力与美观、整体与细节表述得淋漓尽致；荷兰塞缪尔·贝克特大桥弯曲并向主跨侧倾斜的桥塔与主跨的平行拉索、背跨的两根锚索，共同实现了塑造造型和结构受力的使命；比利时法兰德斯克诺克步行桥Y 形张开的桥塔支撑钢板焊接形成的“吊床”桥面，言简意赅，力学与美学珠联璧合。

山东新泰清音桥

（3）结构手法多样性

创造桥梁造型的手法多样性是保证桥梁造型丰富多彩、千变万化的前提与基础。

新现代主义建筑美学善于运用几何形体的各种空间组合寻找新的形体（新泰清音桥）；有机主义建筑美学从自然界的自身形式、逻辑规律中探寻设计的思想等等（广州猎德桥）。多样的艺术手法源自百家争鸣、百花齐放的美学理论与艺术思想。新古典主义建筑美学崇尚古典建筑的布局、元素、符号，使现代建筑体现历史纵深感和地方特色（常州西仓桥）。

荷兰伊拉斯穆斯大桥

（4）结构表现独创性

艺术表现是实现艺术形象的关键，找到合适的艺术表现形式是艺术创作成功的关键，艺术表现需要独创性。

比如，要创作一个鹅形桥塔的桥梁，用什么样的鹅的艺术形象？卡拉特拉瓦的阿拉米罗桥是一种直线倾斜无背索的鹅形索塔；荷兰伊拉斯穆斯大桥是弯折形索塔的鹅形造型，等等。在桥梁方案创作中，创造出具有独创性的艺术表现形式，是设计者技术与艺术综合潜力的体现。

随着人类社会政治、经济和科学技术的发展，人们的审美意识、美学思想不断地发生着变迁，建筑美学的思想、理论及其哲学基础不断发生着更替和变革。例如，19 世纪下半叶盛行的矫饰、繁琐的设计风潮受到建筑理论家的质疑，他们开始宣传设计的功能性、形式与功能的统一、设计为大众服务等观点，从而形成了“工艺美术运动”和“新艺术运动”，新建筑运动一直持续到20世纪初，随着现代主义建筑的兴起而结束。1919年，格罗皮乌斯在德国魏玛创立包豪斯设计学校，它汲取了新艺术思潮、“工作同盟”和芝加哥学派的思想，以“功能主义” 思想开展设计教育，标志着现代主义设计思想的正式确立，功能主义成为现代主义设计思想的核心。现代主义发展到后期（20世纪中后期），随着战后社会经济的恢复， 所处的社会结构和经济状况发生了改变。在这种背景下， 功能主义的“形式追随功能”已经不再适用，现代主义开始被人们所抛弃，设计逐渐远离功能这个中心，向着形式的方向发展。

在过去的整个20世纪，我们可以用四座代表性桥梁为例，清晰地看到社会政治经济发展、桥梁科技进步、人类哲学思想和审美意识变革三者相互作用、发展变革的历史进程。第一座是1900年建成的法国亚历山大三世大桥， 采用大自然的动植物艺术和雕塑，贴切巧妙地装饰整座桥梁；第二座是1937年建成的美国金门大桥，桥塔的造型艺术设计别具特色，体现了时代的艺术审美而成为经典之作；第三座是1963年德国费马恩海峡桥，合理受力和创新布置完美结合的提篮拱桥形式，成为莱昂哈特教授桥梁美学的最佳诠释；第四座是1992年西班牙阿拉米罗桥，展翅欲飞的天鹅造型，原创的无背索斜拉桥，成为技术与艺术综合创作时代的开端。

我们可以从中深刻地感悟到这样一种历史发展变革的过程和必然，历史清晰地告诉我们，当今的城市建设需要什么样的城市桥梁。

桥梁造型创新源于结构创新，桥梁美学创作,在许多时候是需要创新的桥梁结构去实现我们的创意，这就是桥梁美学创作与桥梁结构及技术之间的互动和相互作用。

（a）天津大沽桥

（b）香港昂船洲大桥

（c）太原祥云桥

创新的造型源于创新的结构

近年来不少创新优美的桥梁获得行业内外好评。比如，外倾式拱肋下承式拱桥，天津大沽桥（2003年）；独柱型桥塔、分体式钢梁超千米斜拉桥，香港昂船州大桥（2009年）；空间格构式钢结构塔斜拉桥，太原祥云桥（2010年）；上下承混合体系钢桁架梁桥，日本东京港京门大桥（2012年）；空间肋片式风撑下承式拱桥，杭州九堡大桥（2012年）；独柱塔空间主缆自锚悬索桥，美国旧金山海湾东桥（2013年）；三分体钢箱梁结构，加拿大新尚普兰大桥（2018年）。

举例说明我们常见的一些似乎是由种种客观建桥条件造成的桥梁造型不美观、比例不协调的问题，通过桥梁创新的布置，或者创新的结构最终得以解决。

（1）钢桁架桥梁的美学问题

钢桁架桥由于自重较轻、施工简便，杆件直接受拉与受压, 能充分发挥材料性能，适用于跨径100～600m左右的桥梁。200m以下一般可以采用简支钢桁架，跨径200m以上的大跨径桥梁一般采用连续钢桁架桥或悬臂钢桁架桥。1889年福斯桥就实现了521m的跨越，1974年日本建成的日本港大桥跨径也达到了510m。

传统桁架桥在美学效果上较差，只有很少的、特别注意遵守良好的序列或规则设计，才能达到令人稍感愉快的视觉效果。“……弗朗西斯哥德桥，主跨360m，建于1978 年。这种桁架改变了斜杆方向，在下部甚至有副杆。上弦和下弦有水平风撑相连——一幅纠缠不清的画面！”“诚然，如果人们从近处注视或从侧面注视同样的桁架结构（黑挪赛道桥），那么，由许多很不需要的连接杆件产生了视觉混乱，它是属于过时的设计时期的产物……”

黑挪赛道桥

2012年建成的日本东京港京门大桥则是日本现代大跨钢桁架桥的代表。该桥跨径为160+440+160m，主通航孔宽310m，主桁下净空高52.5m。桥梁上方是日本羽田国际机场的航线，高度受到限制（98.1m以下），所以不能采用悬索桥或斜拉桥等桥式。大桥采用了由4组、每组重约4000～6000t的三角形钢结构桥桁，从两侧支撑桥面的钢桁架梁桥型设计方案。该方案既能满足大型船只的通航需求，同时也不影响羽田机场起降航线的飞机正常起飞。两岸四组巨大的桁架如同两只隔海相望的恐龙。

该桥上部结构所用钢材，约有半数都采用BHS500钢材，实现了缩小构件截面并提高了制作性能。BHS500钢材与现有的SM570钢材都具有同样的抗拉强度570MPa；前者的标准屈服点为500MPa，后者的屈服点为430MPa。

对比日本早期、近期的钢桁架桥可以看出，新建的京门桥采用了一字风撑、大尺寸杆件、高强度钢材，创新的钢桁架梁桥结构，而成为东京的新地标。

日本东京港京门大桥

（2）中等跨径宽桥面斜拉桥的美学问题

对于100-300m左右中等跨径、宽桥面（双向6～8车道，或者外加双线轻轨）桥梁，此类规模的桥梁一般桥下净空高度不大。a.如果采用钢桁架梁桥形式，会使桥梁显得庞大而笨重，桥下空间压抑；b.如果采用整幅桥面布置，斜拉桥桥塔由于桥面宽、桥面高程相对较低等尺度限制，而显得“矮胖”“短腿”，造型不美观；c.中小跨径斜拉桥由于采用索与塔锚固方式不当，导致塔柱截面粗壮笨拙。

加拿大新尚普兰（Champlain）大桥主桥为独塔斜拉桥，跨径布置：80.4+124+240+84.4m。桥面车道布置：六车道公路，中间为大运量公共交通专用道，同时保证将来可以改为轻轨，两侧设置了自行车和行人的多用途道路。新尚普兰大桥造型富有含义，170m高的独塔由双柱组成， 外形像音叉；上横梁外形为蝴蝶结，下塔柱与引桥桥墩一致内倾斜；全桥所有墩帽外形为W形，形成了大桥独特的建筑效果。

加拿大新尚普兰（Champlain）大桥

三分箱的分体式主梁采用钢-混凝土结合梁，横梁采用钢横梁，间距12.6m。斜拉索和桥塔采用预埋在混凝土中的索鞍锚固。在主梁横梁上采用靠近铁路桥的腹板大约3～4m 的位置锚固。

艺术作品的独异性既是艺术自身的属性和规律，也是人类社会文明与发展的趋势和需求。纯艺术形式的独异性和纯技术形式的可重复性，似乎已经形成共识。但是，标志性原创桥梁是综合了技术与艺术的、具有艺术属性的桥梁工程技术，这就给桥梁的独异性问题带来了复杂性。

一方面，我们的城市希望拥有一些独一无二的标志性桥梁，以提高城市的综合品质和影响力；另一方面，真正原创的桥梁经常会被模仿，甚至被廉价地复制，使业主和创作者大为苦恼。

基于这一问题的复杂性，至少以下两类桥梁应该保持艺术的独异性品质，彰显我国桥梁先进的工程技术和卓越的原创设计水准。一类是大江大河超大跨径桥梁和各线城市的标志性桥梁；一类是国内外具有一定影响力的城市、新规划高品质新区的重要桥梁。

如何形成强大的结构创新能力和尊重原创的行业风气？

（1）大力培养具有技术与艺术综合素养的桥梁工程师和建筑师

作者自2013年开始基于桥梁与建筑交叉学科的系列理论研究，2016年基本完成相关教材初稿，并开设面向土木的研究工程和建筑城规专业研究生的专业选修课起，至今已完成4个学期的课程教学，希望为培养桥梁与建筑、技术与艺术双重身份综合思维的创新型人才做一份贡献。同时，面向社会和行业，举办了多次不同规模的学术讲座和今年首次全国性专业培训，取得了良好的社会效益和业内反响。

（2）良好的外部环境和鼓励原创的机制体制

在行业内建立桥梁工程美学的工作组，加强从事这一领域的研究、教学、工程实践人员的交流和活动。桥梁杂志举办的桥梁科技创新大会桥梁美学专题分会场，是一个专题交流的很好的平台。及时宣传好作品、原创作品，让鼓励原创、摈弃抄袭和模仿在行业内蔚然成风。

参照建筑方案设计的相关工作内容和收费办法，将桥梁方案创作与概念设计工作结合在一起，通过概念设计工作保证了原创方案在技术上的一定深度及其可行性和安全性，通过原创方案的技术思想和桥型构思引领概念设计， 赋予概念设计工作的意义、价值及必要性。