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美学并不是桥梁设计的附加属性，而是设计中应当考虑的重要因素。桥梁之美一直是人们对成功桥梁的基本要求之一。 一处成功设计的桥梁必然是自然的、简单的、独创的，且其设计应当与周围环境相得益彰。所以，在概念设计阶段，就要兼顾桥梁的结构与美观。  大约2000年前，伟大的建筑师马可·维特鲁威·波利奥曾向罗马皇帝提议：“建筑结构宜安全、实用、美观！”对于维特鲁威而言，由于他为皇帝工作，其建筑成本并不需着重考虑。 但今天的建筑工程师们却没有这样的奢侈体验。因此，我们今天的标准应当是:“建筑结构应当安全、实用、经济且美观！”。一座成功的桥梁应当是“安全、实用、经济且美观”的，确保桥梁的舒适与便利。 功能决定形式 桥梁最初被设计与建造是出于人们跨越河流或山谷或是链接两点的需求。这样的需求决定了桥梁的功能。 桥梁的功能建立在交通规划的基础上，并与社会经济和城市研究成果相结合。交通工程师根据预测的交通流量和设计限速确定车道的数量。 当地的地形地貌与其他当地条件则决定着所需桥面的几何形状，包括长度、最小跨距、建材最高等级和最小间隙等参数。 桥梁功能一旦确定，桥梁工程师就会选择桥梁的形式，以满足其既定的功能——因此遵循着“功能决定形式”的箴言。然而在构建桥梁形式之前，桥梁工程师们还必须考虑适宜的桥梁建造材料。 美学是最终确定桥梁设计的另外一个因素。我们不会制造丑陋的桥梁,它会污染环境。 桥梁形态的演变 全世界的桥梁可分为四类：梁桥，拱桥，斜拉桥以及悬索桥。所有这些主要的桥梁类型几乎与人类文明一样古老。桥梁形式的演变可以在不同时期的建筑材料中觅得踪迹。 从大约4000年前直到19世纪初，人们可用的建筑材料只有木材和石材。人们伐木造桥；当面临较大的跨度时，人们就建造石墩，再用树干横跨石墩。由于石材的强度比木材的大很多，更加耐候，早期的埃及和希腊的建筑均由石材建造。由于石材不能承受由弯曲造成的高拉应力，因此这些建筑物柱子的间距非常近。拱桥是罗马人、中国人最大程度充分利用石材抗压强度的巧妙发明。此外，砖作为一种压缩材料，在随后的某些应用领域中替代了石料。  铁比石材具有更高的强度与可塑性，铁链可以用于建造铁索桥，这是一种“应力带桥”——即悬索桥的早期形式。 据报道，第一座主要的铁索桥诞生于公元60年左右的中国：云南省的兰津桥，其主桥跨度约60米。有许多铁索桥建造于中国，其中一些我们在今天仍可以一睹风采。 中国最大跨度的铁索桥梁之一，泸定桥，建成于约400年前，铁链也被用作该悬索桥的主缆; 然而，这些铁索桥往往结构较小，因为同石材类似，铁缺乏较强的张力。  钢材的应用真正革命性地推动了桥梁建设的发展，因为钢材既可以承受高压，也可用于压缩。 19世纪中叶钢铁大规模生产成为可能，工程师们开始能够建造大跨度的梁桥、桁架桥以及大而细长的拱桥。通过将钢筋与混凝土相结合，更多大跨度钢筋混凝土桥被建造。 高强度钢丝经冷拔工艺生产，这些高强度的钢丝使得大跨度悬索桥的建造成为可能，极大程度上刺激了斜拉桥的发展。在高强度钢丝大规模商用之前，人们曾采用钢链与榫卯结构来建造悬索桥，但这种桥梁的跨度是有限的。  特定材料的选用影响着桥梁形式的选择。因此，桥梁的发展可划分为两个时期：拱桥时代和当代的四种桥梁时代。拱形时代跨越了4000年，而四种桥梁时代则只有不到200年时间。 展望未来，诸如碳纤维、超高性能混凝土和纳米材料等诸多新材料可用于发展全新的桥梁形式。然而，这些材料尚未完善到可以进行大规模应用。 桥梁结构的基础 尽管梁桥、桁架桥、拱形桥、斜拉桥和悬索桥这五种基本形式可能看起来彼此非常不同，但这些桥梁类型中的每一种却又仅由三个基本结构元素组成：轴向参数，弯度和曲度参数（结构的基础元素）。通过重组与混合这三种基本结构元件，我们可以创建不同的桥梁结构。 · 跨度 当我们企图建桥跨越大江河湾时，总会不禁自问：“我们可以建造多大跨度的桥梁呢？”回顾历史可能会为我们回答这个问题提供一些帮助。据统计每种类型的桥梁都在随着时间推移增加其最大跨度。（点击文末“阅读原文”，即可查看统计数据）  我们应当以谦逊的态度预测未来。新材料，如复合材料等，在建筑领域显示出一定发展潜力。然而，这些新材料在实际应用前将需要更多的测试与实际性能记录，才能将材料用于大跨度的桥梁设计与施工。 鉴于目前可用的材料，高强度钢仍然是适用于大跨度结构的唯一真正高强度材料。 因此，我们的问题变成了：“钢桥的极限是什么？” 我们可以生产断裂强度高达2000MPa的钢丝。基于这些钢筋惊人的强度，悬索桥的最大跨度可达10000米，斜拉桥的最大跨度可达5500米，拱桥的最大跨度可达3500米。梁桥的极限跨度没有明确的数据标准。 然而，出于实际情况与经济因素考虑，我们可能将桥梁跨度限制在约550米。 桥梁之美 每座桥都应当是原创的，有自己的风格，与其本身的需求与特殊的环境相适应。 与周围环境相和谐并不一定意味着桥梁必须迎合环境追求完全融合。建筑应当与环境相适宜，如果设计得当，常常会使桥梁从周围环境中脱颖而出。  · 桥梁美学是什么？ 一座桥主要由梁、桥墩、塔楼（以及有时会由钢缆）组成。大梁相对水平，而桥墩和塔楼通常是垂直的。 一座桥通常有两个桥台，分别位于桥的两端。 通常我们认为桥梁美学元素包括以下方面：
当然，上面列出的几条因素只是常识性观察的产物，并不是规则。桥梁设计的基本思想是激发观众的情绪反应，甚至给其一种惊喜的感觉。而实现这一效果的方法正是艺术。 努力寻找最美的桥梁设计备选方案需要耗费大量的时间与精力。但是，一旦这种做法在设计中变得日常化，额外的努力就不再显得那么重要。 谁在设计桥梁 工程师还是建筑师？ 桥梁不是雕塑；除却迷人的设计之外，桥梁还必须兼顾安全性、功能性和经济性。而这些问题最好由工程师处理。 把所有的桥梁美学问题留给建筑师去解决并不是一个好主意；建筑师们不能将一座完整的桥概念化，因为他们并没有接受足够的结构工程培训来使其完成这项任务。 在工程师完成结构设计后再交付建筑师或许也不是个好主意，尽管许多工程师都这样做并尝试让建筑师来美化桥梁。那时，建筑师所能做的只是为桥梁添加装饰，而这些装饰可能并不适宜。 美学不是桥梁的补充，而是桥梁设计的一个组成部分。在桥梁设计的概念阶段，我们必须同时将其结构配置与美学元素同时考虑在内。为了完成这样的任务，桥梁工程师必须对结构理论和桥梁美学同时具有深刻的理解。 不幸的是，大多数工科学校不开设美学课程。桥梁工程师必须学习美学，无论是在其受教育期之内还是之外。通常，桥梁的主要设计师必须是工程师。他/她应当将桥概念化并满足所有的结构与功能要求并适当考虑美观。作为折中，他/她也可以在桥梁设计的概念阶段与建筑师一起工作。 参考资料 Man-Chung Tang. Forms and Aesthetics of Bridges[J]. Engineering, 2018, 4(2): 267-276. |
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