浅谈结构艺术形式在桥梁设计中的应用

浅谈结构艺术形式在桥梁设计中的应用
纪瑞峰 王海天 吕永泉

随着我国社会经济各项事业的快速发展，城市建设日新月异，在丰富多彩的实践活动中新的桥梁设计理念和表现形式不断涌现，桥梁在其传统的实用功能外，愈加注重美学及艺术观赏功能，桥梁在愉悦人们身心，倡导昂扬向上的精神风貌，促进社会精神文明建设方面发挥着越来越重要的作用。随着科学技术的进步，能够运用高科技手段创造出以前不能实现的桥梁设计。本文拟就结构艺术形式在桥梁设计中的应用进行一些探讨。
一、结构艺术的概念
美国科学家戴维•P•比林顿（David.P.Billington）在其《塔和桥—结构工
程的新艺术》（The Tower and The Bridge—The New Art of Structural Enginneering）一书中总结了托马斯•特尔福德、布津内尔、斯蒂芬森、古斯塔夫•埃菲尔、约翰•罗布林以及罗布特•马亚尔等桥梁和结构大师的作品和艺术思想，提出了结构艺术的思想，认为以埃非尔铁塔和布鲁克林桥为代表的大型结构工程体现了一种新的艺术形式，即结构艺术，同建筑艺术同等重要，是城市构成的主要因素。
结构艺术与建筑艺术的区别体现在尺寸、用途和形式的差别。和建筑艺术相
比，结构艺术的特点包括：
1．尺寸相当大，需要进行工程设计；
2．用途简单，一般比较单一；
3.形式本身的设计是为了控制应力，而非创造空间。
4．反映时代的缩影，一般要有一定的构思、意境，给人以联想，和城市周
围环境协调，形成标志性景点。

二、结构艺术的构成要素
仅仅显示出结构与表现结构并不是一回事，结构的表现应当清楚地标明荷载
的传递（力量）与构件的连接（安全）。主要包括下面两个方面：
1．心理诱导力
城市规划的成果是为人服务的，因此在就不能不重视人对于构筑物的心理感受。在荷载的作用下，桥梁结构的内部产生抗力，即所谓的“物理上的力”。另一方面桥梁结构又以心理上的力吸引着人们的注意，这就是心理诱导力。
心理诱导力的形状取决于作为对象物体的形状，但和物理力不同的是，它纳入了来自物体的形状、力的紧张程度、材质和色彩等感觉上的因素。
桥梁是重要的视觉上对象，也会对人们形成心理诱导力。心理诱导力的作用是从桥梁作为视觉输入被映入观察者眼帘后就开始的。桥梁结构的心理诱导力是桥梁美学考虑的一个重要因素，也是进行桥梁景观设计的一个重要工具和方法。
一座经过精心规划和设计、能使人们保持体内平衡状态的桥梁，或者说看起来舒服、顺眼的桥梁，其心理诱导力归纳起来有如下特点：
（1） 简洁明了（2）富有韵律（3）紧张有力（4）完整连贯。
2．静态的动势
在环境景观中，动势是不动之动，是桥梁造型美的重要方面。人们观赏景观
是看不到真正的运动的，人们看到的仅仅是视觉形状向某些方向上的倾向或集聚。任何物体，只要显示出类似契形的轨迹，倾斜的方向，模糊的或明暗相间的表面知觉特征等等，就会给人以动势的印象。
和在其上行驶的汽车不同，桥梁始终是以静止形态存在于一定环境之中的，然而要想使静置的桥梁存在通过直观视觉来打动人们的心灵，就要充满着活泼的功能力量和以表现其功能为基础的“动力性”。
桥梁在外观上是宁静的，其内部遵循着力学原理，各部分有机结合共同抵抗外力，保持着平衡。由此而产生的“力的紧张感”是表现力动性的重要因素，它建立于力学基础上，并通过桥梁的客观存在体现出来。
三、结构艺术的运用
格式塔心理学家认为，艺术作品所追求的不仅仅是平衡、和谐和统一，而且要获得一种由“方向性张力”所构成的“力”的形式。正是在这种“力”的作用下，优秀的造型设计能通过无生命的形来再现生命运动的活力。格式塔心理学家，美学家代表人物鲁道夫•阿恩海姆（Rudolf Arnheim）认为，生命感就是通过“方向性张力”来显现的。布朗库西（Brancusi）的雕塑《空间里的鸟》正是在简洁的形式中所含有的极大的张力，使一个抽象的形产生了直冲云霄的态势，这里鸟的形象已不见了，取而代之的是飞翔的抽象概念。
 

同样处于静止状态的桥梁结构，为什么有的能让人感觉到它具有某种动感而另一些却不能呢？每一座桥都必须具有结构和力学上的平衡，但并不都具有视觉上的绝对平衡。著名的Arlington纪念桥，它在各个方向都处于视觉上的绝对平衡，所以这座桥梁的造型式样让人觉得具有一种浓厚的庄重、雄伟感；而西班牙的Alamillo桥，则通过方向性张力所造成的视觉上的不平衡给人以强烈的动感。在前者，这种“力”的结构式样可以给人以稳定平衡之感，但这种力的平衡都是静止的；而后者，这种“力”的结构式样可以给人以不安定感，这种平衡则是一种高级的平衡，在这种平衡状态下，虽然视觉式样不可能表现出某种真实的运动，但它作为一种处于动态平衡状态下的“力”的结构形式，能给人以某种动感。本文即着重研究如何创造具有动感的结构形式。
 

在城市规划中，某些建筑形式如能运用结构艺术的方法处理会取得很好的效果，下以海河保定桥和赤峰桥为例说明：
1. 保定桥
保定桥是海河上一重要过河通道，为城市主干道上桥梁，不但有着重要的城市道路的功能，而且由于位于市中心CBD金融区内，城市景观要求非常高。因此在项目总体设计时，充分考虑现有城市道路现状和规划，在满足交通功能的前提下，充分考虑其景观效果，统筹兼顾，以利于两岸沿线经济开发，求得最好的投资效益；充分考虑其通航净空，水利泄洪和外观美学的要求。设计技术合理，造价经济，桥型均衡协调，美观大方。
保定桥西起和平区解放北路，沿规划保定道线位至台儿庄路，以独塔斜拉桥桥型跨越海河和海河东路，沿河东区八经路线位从南站中心商务区穿过，止于河东区六纬路。主要跨越海河以及台儿庄路、海河东路两条道路。桥梁跨径布置为（51+120）+（30+30）米，总长度231米。其中，主桥为独塔单索面塔梁固结体系斜拉桥，主桥长度171米，120米跨桥宽30米，51米跨桥宽27.5米，面积5085平方米;河东侧引桥采用预应力钢筋混凝土连续箱梁,引桥总长度60米，桥宽28—26.1米，桥梁面积1632.9平方米。
保定桥为独斜塔单索面斜拉桥。主塔位于河西一侧，背面设置玻璃饰面，横向直线分格。主跨斜拉索采用7镀锌高强平行钢丝成品索，拉索采用双层PE护套。
保定桥同时也是一座景观桥梁。建成后的保定桥人们称赞它具有通达之美、凌空之美、流畅之美和刚柔之美。
桥梁为一跨越结构，其腾空飞架的斜拉索让人感受到凌空之美。
桥梁为一带状结构，大桥空间的竖曲线设置体现桥梁连续流畅之美。
梁之纤细、亲切、委婉、墩塔之雄壮、庄严、高昂，拉索之力感、动感使桥梁结构兼顾了刚柔之美。
大桥与流动的海河及两侧堤岸带状绿带相得益彰，桥梁孔径的变化、墩高的变化、式样的变化、桥面的曲线、索的辐射等富有韵律与节奏。
桥塔的风帆式设计与斜拉索匹配，寓意着天津的发展正在乘风破浪，驶向美好的明天。保定桥是一座跨越海河的重要交通枢纽，同时也是一座结构独特，形式景观大方的现代化桥梁。该桥设计精巧别致，与周边景观协调一致，是海河上又一座精品桥梁。
 

2. 赤峰桥
赤峰桥西连和平区的赤峰道、海河西路，东接河东区的李公楼立交桥、华昌道，是市中心城区通往天津站前后广场及天津滨海国际机场的重要通道，地理位置十分重要，成为市区重要的交通枢纽，代表天津的对外形象。这就要求赤峰桥的设计应具有浓郁的天津特色，并能体现天津作为现代化港口城市和中国北方重要的经济中心的时代要求。
从历史角度着眼，天津始建于1404年，是南北大运河漕运要塞。设计师在考虑赤峰桥两岸整体景观和主桥形象时，希望能捕捉到一代繁华港口城市“千帆并举”的亲水形象，也迎合海河两岸的综合开发改造规划《金龙起舞》的缤纷意境。主桥构思灵感来自昔日天津大商船高耸的船桅和纵横交错的缆索。船桅者，即斜拉桥的主斜撑塔柱，从塔柱端部斜系着数十根钢索，将主桥从内侧拉起，一跨过河。
 

主桥构思灵感来自昔日天津大商船高耸的船桅和纵横交错的缆索
赤峰桥采用海河中不设桥墩，一跨过河的“吊蓝”形状斜拉桥方案，既能体现该桥的独特性能，展示现代科学技术成就，突出时代特点，又能体现斜拉桥本身具有的雄伟、壮观、刚劲、挺拔的建筑美。此桥桥面板具有纤柔的长细比，通过钢索与斜主塔形成一个轻巧稳定的空间结构，主塔形似“山峰”，体现“赤峰”之含意。赤峰桥主桥采用钢箱梁桥，主跨134米，边跨为50+41米，设有辅助墩和边墩，从而提高了桥梁的刚度，保证了施工过程中结构的稳定性。海河西岸引桥为30米跨预应力混凝土箱梁桥，海河东岸引桥为35米跨预应力混凝土箱梁桥，引桥结构合理，施工快速。主桥与引桥显得主次分明，全桥和谐统一。主塔采用斜塔形式，位于弯桥内侧。桥面无桥柱，视野开阔，从而改善了车辆的运营条件。
像Alamillo桥这样的斜塔斜拉桥，桥下空间不宜过高，同时桥塔墩台应特别处理，既不能显得过大影响斜塔动感的突出，也不能做得单薄影响斜塔的稳定感。近年来，我国许多地方仿造该桥修建了类似的斜塔斜拉桥，然而，桥位环境不同，桥下空间通常比较空阔。于是，斜塔下面又多了个竖直的座子。这样一来，但视觉不稳定，力感不流畅，形式上也不统一。

不好的斜塔斜拉桥例子
赤峰桥的桥塔墩台设计则别具匠心，完全避免了上述缺陷的出现。从结构上考虑，为确保高达58米的主塔安全及分担部分主桥荷载，主塔需设置后背索及约36000KN的混凝土背索压重。这硕大的重量最适宜采用一幢独特的地标性建筑来承担。桥梁设计者顺理成章地用了船头的造型作为蓝本，在运用了抽象和雕塑的手法，塑造了一幢船形建筑，设计师将船形结构锚碇巧妙地与堤岸结合，使其达到浮于水面的效果，营造出“泛舟江中”的景象。船形建筑首两层可以作为餐厅或咖啡厅，屋面象船甲板的部分又是一个观景平台，再加上上述船桅元素，一艘船扬着帆蓄势待发的气势营造成功。
 

船形结构锚碇巧妙地与堤岸结合，营造出“泛舟江中”的景象

船形结构又是一个观景平台，船形建筑首两层可以作为餐厅或咖啡厅，
赤峰桥将桥梁建筑美学溶合于结构的整体性中，工程结构技术与建筑构思的完美结合是本桥设计的成功之处。此外，赤峰桥主塔为斜塔，前倾、从弯道内侧将主梁拉起，新颖独特，这些均不同于传统的斜拉桥，结构设计难度极大，充分展示了赤峰桥的结构现代性和当前科学技术成就。
 

赤峰桥将桥梁建筑美学溶合于结构的整体性中
四、小结
结构艺术在桥梁设计中的应用，对于丰富桥梁的表现形式，满足人们不断提高的精神追求和审美情趣都具有积极的作用。桥梁首先要具有实用的功能，但随着社会的进步和发展，远远不能满足于单纯的实用功能，而应是艺术与科学的完美结合。
要想创造出比较让人满意的结构艺术形式，绝非轻而易举之事，它要求对于结构艺术的最本质的要素力与美能够深刻的理解和恰当地运用；不仅要求具有广泛的科学技术知识和工程设计能力，还要求具有一定的美学艺术素养和创造构思能力以及历史学、地理学、心理学等人文学科的深厚底蕴。本文仅是抛砖引玉，我们认为结构艺术形式的应用前景十分广阔，还需要城市规划建设者进行多角度的坚持不懈的努力和探索。

[参考文献]
1．陈艾荣，盛勇，钱峰.桥梁造型[M],人民交通出版社.
2. 杨士金，唐虎翔.景观桥梁设计[M]，同济大学出版社.
3．戴志中，郑圣峰.城市桥空间[M]，东南大学出版社.
4．《天津市城市总体规划》（2005—2020），天津市规划和国土资源局，天津市城市规划设计研究院
5．《海河神韵》 天津市发展海河经济领导小组办公室，天津市海河建设发展投资有限公司
6．《六百岁的天津》 天津六百年发展系列丛书