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邓文中:遵循“安全、实用、经济、美观”桥梁设计宗旨

2016-12-08  最爱星期五

关于桥梁的价值(经济性、功能、象征意义)

尽管从技术上来说我们可以修建超大跨径的桥梁,但这并不表示我们可以任意追求建造跨径更大的桥梁而不计是否必要。跨径越大,造价也越高。经济性作为判定一个桥梁设计是否成功的基本标准,决定了我们必须将造价保持在一个合理的范围内。造价是我们在桥梁设计中必须解决的问题,如果一座桥梁的经济性不合理,是不可能修建的。

如果一座桥梁的价值大于或等于其造价,那么它的经济效益是合理的。一般来说,桥梁的价值有如下几个要素构成:功能价值、社会价值和美学价值。

桥梁的功能价值是显而易见的,有了桥梁,就缩短了人们从A地到B地之间的时间,这种便利不仅节约了人们的金钱,同时也节约了时间,称之为“金钱”价值。把桥梁为每一个使用者带来的单个“金钱”价值累加起来,就得到了桥梁本身的功能价值。随着人们生活水平的日益提高,这种价值也与日俱增。或许一座桥梁的经济效益在20年前并不明显,但在今天却变得显而易见。

一座桥梁所连接的不仅仅是地点,更重要的是它将人与人紧密地联系起来。通常,桥梁往往象征着和谐、统一、友谊或是两者之间的交流、沟通。这种象征意义的价值,很难以具体的数字来量化,但在某种情况下,却是意义重大。有时候,这种象征意义甚至可能是建造一座桥梁的唯一理由。

有句俗话说得好“情人眼里出西施”。美是主观的,但却极具价值。人们不会选择只穿最便宜的衣服,因为每个人都希望自己看起来更优雅,最起码也应适宜。我们装饰自己的家,让她看上去更美丽,这样,我们居住起来也就更惬意了。我们四处旅行,是为了欣赏到风景宜人的湖光山色。毫无疑问,为了追求美,我们随时都在有意无意间付出一定的代价。

居住环境良好的社区,外形美观的建筑可以收取更高的租金,因此,美学在商业建筑的内部与外观设计中常常占着重要的地位。

大多数桥梁都必须依靠税收来修建,是由纳税人或像你我一样的普通市民间接出资修建的。所以,任何一名桥梁工程师在从事桥梁设计时,都有义务去理解并弄清市民到底需要什么样的桥梁。考虑到大多数纳税人都心甘情愿地为日常生活中的美付出代价,我们桥梁工程师没有任何理由一定要把最廉价的桥梁强加给市民。

然而,为了追求美,我们不一定必须付出昂贵的代价。有时,我们只需在细节问题上给予更多的重视,就能让结构物的外形大为改观。

从法国归来,我们时常会回忆起埃菲尔铁塔、博物馆的油画、卢浮宫、凯旋门、亚历山大三世桥和其它漂亮的建筑,它们中的大多数并没有功能上的价值,如著名的油画蒙娜丽莎。我们之所以能记住它们并深深地眷念它们,是因为它们那慑人心魄的美。我们不需要只是桥梁工程师才留意到塞纳河上桥梁的美丽。

试想,如果塞纳河上所有的桥梁都选择最廉价的桥型,那是根本无法想象的,巴黎还会是今天的巴黎吗?

一个成功的桥梁设计必须自然、简洁、新颖,与周围环境协调,相得益彰。

桥梁往往是非常庞大、显眼的。它应该自然、朴实,与周边环境协调,虽然简洁但绝不单调。如果一座桥梁能向人们转递出它是怎样工作的信息,那么它看上去将更加自然。

唯一性是任何一件艺术品的灵魂之所在。与此类似,任何一座桥梁本身都应该是唯一的。每个结构都有其自身的功能需求和唯一的周边环境。每一座桥梁的设计都必须基于其周边环境,都应该是独创的,都应该有其自身的风格和特点。就像一幅油画,只有原创的才是最有价值的。

关于桥梁的美学

自然、简洁、独特、协调是对桥梁设计的要求

当然,与周边环境协调并不是要求桥梁去盲目地追从周边环境。与周边环境协调意味着结构的外形应该适合其所处的地形。如果做到这一点,一座桥梁就会更引人注目。

同时,值得注意的是,人们常常会从多个不同的角度来欣赏一座桥梁,因此,只具有某个角度的美感是远远不够的。

桥梁通常由主梁、墩、塔、索和两端的桥台等几部分构成,主梁多在水平方向,墩和塔则处于竖起方向。每个部分我们都必须从细节就仔细处理。对此,普遍的观点认为:

(1)拱背应向上弯曲,以避免压抑、下垂的外观效果,拱圈应是光滑的曲线。

(2)悬链线、圆弧线和抛物线拱桥各具特色。

(3)桥轴线多为直线,有时也可能会有意识地采用曲线,但必须仔细处理。当从不同的角度观察一座桥梁时,曲线会给人截然不同的感觉。

(4)对于箱梁,采用斜腹板会使箱体看起来更轻盈;但如果桥梁位于曲线上,采用斜腹板就可能使得桥梁看起来过于复杂、凌乱。

(5)对称结构看起来更结实、更传统,而非对称结构看起来更具魅力。

(6)人们观察桥梁是多角度的,可以站在桥上,也可以倚在桥下,抑或是在桥周围的任何位置,如果一座桥梁不具备多角度、多方位的美感,那么它的设计是不成功的。

(7)桥墩通常会受到水流的冲蚀,可以采用一定的构造措施来改变其单一的外形。

(8)箱梁的长翼缘板在一定程度上可以起到遮蔽箱体的作用,这使得箱梁看上去更纤细。

然而,这些都只是人们的普遍认识,绝不是规则。

许多工程师习惯于盲从书本。在遇到美学问题时,尽管不是每个人都赞同,大多数人都认为美学并不存在约定俗成的规矩。3000多年以前,希腊人曾倾力于美学研究。他们创造出了许多精雕细琢的建筑。帕特农神殿一直被认为是历史上最完美的杰作。深入的研究表明,这些建筑的每一个细节都经过仔细推敲,这才使人们能够大饱眼福。例如:所有的水平线都朝上弯曲以使其看上去是完全水平的;两根柱子之间采用不同的间距以使其看上去是等距的;柱子的直径并不统一,以使其看上去是完全等大的。这些都是细节,然而这同样是人们的普遍认识而不是规则。

许多学者试图建立起一套关于结构美学的规则,但从来没人成功。例如,“黄金分割”,它假定如何精确确立长方形长边与短边的比例,使其看起来能达到最佳视觉效果。这一概念早在许多世纪前就有不同的美学家提出并研究,但直到今天,经过好几百年的研究和争论,仍没有人能确切地说长短边比例为1.6318的长方形在任何条件下看起来都比正方形更漂亮。

通常美仅仅是比例、平衡与和谐的统一,意大利文艺复兴时期的Alberti将美定义为:“各个部分的和谐统一。”当我们看一件物品时,我们不需要经过任何的逻辑推导来确定它的美与否。人们的第一反应才是最自然的。

虽然人们的感觉会随着时间而变化,但真正的美从来都是超越时间和潮流的。真正美丽的桥梁是生动而有气势的,同时也是优雅而诗意的,最关键的是要俘获参观者的心,并让他们赞叹。怎样做到这一点就是艺术。

大自然认可简单,自然界所有的重要法则都很简单,即使是自然界最重要的物理方程也极其简单,像F=ma、E=mc2。人类的意识在大自然里熏陶多时以后,也顺应了简单。经过历史的多次证明,最简单的外形通常是最耐看的。据说要想建成最美的结构物,最好的办法就是拿走一切可以拿走的构件,这也是一个简化的过程。显然,这不仅需要经验,同时也需要对美学和结构的准确把握与理解。

我们常常教育孩子们言谈举止都要适宜,一个举止优雅的人,不自觉地就散发着超凡的魅力,他的穿衣风格和饰物搭配是次要的。优雅的举止不需要额外的花费,只要经过良好的礼仪培训就可做到。同样,桥梁设计和任何的艺术设计也是与之类似。如果我们不考虑艺术家和设计师的技能,一幅杰出的油画与糟糕的油画,它们的花费几乎是相等的。那就是:画布、颜料和画笔等。一件100美元的衣服所需要的原材料费用并不见得比5000美元的衣服便宜。它们之间的不同就在于:设计师如何将相同的原材料搭配在一起。同样的,一座美丽的桥梁与一座普普通通的桥梁,它们基本花费的差别并不显著。事实上,一座外形优雅、设计良好的桥梁通常更经济,因为它们往往更自然,简单,它们遵循了自然的法则。

我们应该将桥梁的设计当作艺术对待,但桥梁不仅仅是艺术作品。桥梁的根本目的是发挥交通运输功能。我们可能会为了追求美感去创作一件雕塑品,但我们却决不会仅仅为了看起来漂亮就去修建一座桥梁。

显然,桥梁设计与其它艺术品设计有三大显著的不同:

第一,一幅糟糕的油画不过被人们丢弃在地下室某个肮脏的角落里,充其量蒙上厚厚的灰尘,再也不会有人想到它。然而一座桥梁一旦建成,就会在长达百年的时间里,醒目的呈现在公众面前,整个区域都会受到它的影响。

第二,画家和服装设计师可以从其获得成功的作品中得到直接的回报,而在现今这种条件下,桥梁设计师花费更多的努力创造出更耐看的桥梁后,却几乎没有额外的回报。

第三,大多数艺术家都是独立工作的,而工程师却必须讲究团队合作,涉及到很多相关的部分,包括经济师和政客,这些人有时会把自己的观点和看法强加给桥梁工程师。

努力去寻找外形最佳的桥梁需要时间和精力。但一旦这种努力成为了一种习惯,就显得没那么费劲了。关注桥梁美学是每一个桥梁设计师应尽的义务。外形糟糕的桥梁对我们的环境是极大的污染,而且这种污染并不是一时的,而是将持续相当长的时间。

关于桥梁装饰和照明

装饰就像化妆,真正美丽的事物不需要化妆。最成功的桥梁能通过其本身的结构形式来完完全全地展示自我。这些桥梁非常重视细节,例如通过包裹、涂装来隐藏锚头,这不叫装饰;布置雕像和花盆,这才是装饰。

桥梁是大型结构。在大多数情况下,其数量和形式是巨大的。装饰的作用是使桥梁看起来更突出。然而,如果桥梁的修建是象征着某件事或某种关系,像巴黎亚历山大三世桥,就是为了歌颂俄国与法国的友谊,它的装饰就传递着某种意义和感情。

通常,城市桥梁通常较小,更适合装饰。装饰使得桥梁与周围环境更和谐。位于自然背景下的桥梁应该简单、自然,对于这类桥梁,装饰是不合适的。

 美学照明本身是一门艺术,它不仅使桥梁更显眼,也在夜晚赋予了桥梁生命。有一点很重要的是,要分清照明与美学照明之间的关系。照明只是使一座桥梁可见,而美学照明利用结构与灯光的相互作用创造出一种特别的视觉效果。

在早期的桥梁设计中,为了所有的照明面都能与结构很好地搭配,美学照明同样占据着相当重要的地位。但是如果照明设施的安置不合理,在白天也可能会看见它们。

谁才是桥梁的设计师——工程师还是建筑师

桥梁不是雕塑,应该安全、实用、经济,这些都是工程师的拿手好戏。但是将桥梁美学让建筑师去完成并不是一个好主意。建筑师对一个座桥梁没有完整的概念。他们没接受过关于结构工程的足够训练,不能担负起这一重任。许多工程师曾经尝试过让建筑师在他们完成结构设计后对桥梁进行专门的美学设计,但这种做法也是不可取的。因为到了那个时候,任何一个建筑师所能做的仅仅是增添装饰,然而这些装饰并不总是那么合适。

美学不是在桥梁上增添些什么,它是整个桥梁设计中不可或缺的一个部分。结构形式和美学在桥梁的概念设计阶段就必须同时考虑。为了达到这一目的,桥梁工程师必须对结构理论和桥梁美学有很好的理解。遗憾的是,大部分工程院校并没教给学生美学方面的知识。但桥梁工程师必须在学校或其它地方学习美学知识,这并不难,而且学习起来让人兴奋。

因此,工程师才是一座桥梁最主要的设计者,他必须准确地把握桥梁设计的要素,那就是在满足结构和功能要求的同时兼顾美学。当然,在概念设计阶段,他也与建筑师合作,以达到最佳效果。

关于桥梁创新

前面我们已经讨论过,每座桥梁的设计都应是唯一的。从已建成桥梁中借鉴成功经验是允许的,但必须以你自己的方式来应用这些经验,照搬照抄其它的桥梁是不可取的。许多伟大的艺术家都画过玫瑰,但他们却以自己的方式创造出了姿态各异的玫瑰。因此,每一幅原创的油画都是唯一的,依照他人的作品是毫无价值的。仿制品所缺乏的正是艺术的灵魂——创新。

原创性和唯一性就意味着创新、新颖和非传统。这样一来,也常常会遭遇抵制和反对。

艺术家创作雕塑或油画完全要以单独完成作品,而一座桥梁的修建常常会涉及到多个群体;业主、管理机构、各个专业的工程师和承包人等等。工程师并不总是一个项目的主导者。

在这种情况下,独创性常会受到阻挠。有时这种阻挠会来自业主,他们只不过想修建一座前人建过的桥梁。更多的阻挠可能来自同行的工程师。有的工程师比较保守,他们更愿意重复前人的作品。这些阻挠有时是合理的,有时则不然。

有一些伟大的设计由于受多方的阻挠,没能实现。托马斯·泰尔福特设计的伦敦桥由于专家组认为不可建而被否决了。幸运的是,同样的设计方案最终用来建成了位于苏格兰美丽的Craigellachie桥。当埃菲尔铁塔的方案最初被提出时,那时人们认为它是丑陋的、不可能建成。今天,100年之后,埃菲尔铁塔成为巴黎最耀眼的明珠,也是法国人最引以为荣的建筑。事实上,大部分的公众自埃菲尔铁塔开放之日起,就已经深深地爱上了它。

哲人和艺术家的思维可以比其它人先进几个时代。他们并不需要其它人的赞同,他们拥有自己的观点和概念。然而,在一个工程项目里,却总是存在着业主和设计者。桥梁工程师设计桥梁但却并不拥有桥梁。桥梁的所有者是公众,公众有权要求修建他们想要的桥梁。任何一个桥梁工程师永远都不要尝试为自己建造纪念碑。桥梁工程师应做的是,尽自己最大努力为公众服务。

尽管有这么多因素影响桥梁工程师的设计,但作为工程师也决不能放弃自己的义务——确保桥梁美观、安全、实用和经济。

桥梁工程是艺术而不是科学

工程并不是科学。科学的目的在于发现真理,真理是唯一的。这就决定了科学是严格的,不可变通的。因为真理是不可改变的,所以科学只有对或错,没有好或坏。

工程师们不去发现任何东西,他们可以根据自己的经验和喜好去创造新的事物。因为经验不是唯一的,喜好也是主观的,所以工程建设是灵活的,可以变通的。也正是这种灵活,使得工程师们有了选择的空间,甚至可以在特定的条件下创造新的结构形式,以满足桥梁的功能要求。

同样,工程也不是应用科学。古人修建金字塔和长城时,有何科学而言?科学只是工程的一部分,它为工程师们提供了判别结构行为的工具。在一个成功的桥梁设计中,除了科学,工程师们还需要更多不同领域的知识和技能,如经济学、美学、政治学等。

工程上最主要的问题是能不能。一件工程既可能是成功的作品,也可能是失败的作品,但却永远都不会有对或错。工程是一门艺术!

这里指出桥梁工程不是科学而是艺术,是提醒工程师们,特别是年轻的工程师,泛泛地涉猎结构分析理论并不是真正的桥梁工程。这些训练仅仅是在设计过程中,为工程师们提供最起码的工具。要想设计出一座成功的桥梁,工程师们必须多才多艺、知识渊博。

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