桥梁结构力与美的体现

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1、开始开始 陈艾荣陈艾荣 盛盛 勇勇同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系二零零三年十一月二零零三年十一月 桥梁梁结构力与美的构力与美的体体现桥梁美的认识桥梁美的认识桥梁美的创造桥梁美的创造桥梁美的评价桥梁美的评价桥梁结构力与美的体现桥梁结构力与美的体现桥梁美学梁美学: :环球展望球展望 桥梁和桥梁所在地的统一桥梁和桥梁所在地的统一 Bridge/place integrationBridge/place integration 关联设计关联设计 Contextual designContextual design 相互关联相互关联 ContextContext结构上的表现形式结构上的表现形式 S

2、tructurally expressive formStructurally expressive form同时存在的目标同时存在的目标 SimultaneitySimultaneity桥梁美学准则桥梁美学准则 BridgeBridgeAesthetics GuidelinesAesthetics Guidelines局限局限 LimitationsLimitations抽象抽象 AbstractionsAbstractions桥梁美的认识桥梁美的认识桥梁和梁和桥梁所在地的梁所在地的统一一 n 专家们提出的最普遍的建议是桥梁和桥梁所在地的结合，其中后者包括“景观”、“城市风景”、“城市空间”

3、、“环境”、“风景区”等，前者要对后者不“干扰”、要“谐和”、“互补”、“增强”、“保护”、“偎依”等。n “我们必须注意自然平衡，以尽可能不干扰景观的方式构成我们的桥梁。只要桥梁建筑在邻近引人入胜的自然风景区，这一点就特别重要”。Von Olnhausen(瑞典)。n “我们认为必须将桥梁与其所在地环境，景观或城市风景相结合，特别是在涉及尺寸关系和比例的场合。在过去几十年问，由于将笨重的混凝土块体置入城市老区的中心已经造成了许多错误往往，具有深、重梁的长跨桥梁会破坏可爱的河谷风景或城市”Leonhardt(德国)。 桥梁美的认识桥梁美的认识关关联设计 “因为桥粱建在定的环境中，不仅应保护现有

4、的景观，而且应与设定的环境互补，甚至为之增色”。在此基础上，专家们建议采用“相互关联” (contextual)设计法。 采用这种方法，意指对桥梁所在地的所有或至少大多数重要元素或方面(建筑的、历史的、环境的、地形的、结构的、几何的、地质的、社会的、文化的、考古学的等等)都加以鉴定和研究。 桥梁美的认识桥梁美的认识结构上的表构上的表现形式形式 世界第一流工程师和建筑师提出的第二个最共同的建议，是关于桥梁在结构上的表现形式，即关于显现桥梁主体力学结构的形式。 “桥梁还须表现为单纯、清晰的形式，因而给人以可靠和稳定的感觉。在这点上，我们必须寻求简单。基本的桥梁形式还必须与使用的材料相称。砌砖与木结

5、构桥各自限定为不同于钢桥或钢筋混凝土桥的形式。”Leonhardt(德国)。 “桥梁建筑形式最重要的原则，就是获得清晰和轮廓分明的可以剖析的结构，去掉掩饰和不必要的细节，而只有直接的线条，即令人称心悦目，又能给人作出合理的解释”。 Ghaswala (印度)。 桥梁美的认识桥梁美的认识同同时存在的目存在的目标 桥梁构形应设计成在视觉上最大限度地引人人胜的状态下承受其荷载。 桥梁形式的塑造不应只求荷载效应，而不考虑其外观，同时桥梁形式的塑造也不应只求外观，而不考虑桥梁承受荷载的效应。功能和外观两者共同确定形式，忽视一个或另一个主要目标的桥梁设计师，将在错误的时间、错误的地点建造着错误的桥梁。桥梁

6、美的认识桥梁美的认识同同时存在的目存在的目标( (续) ) “在这方面，无论如何，必须强调根据工程要求，但以较少变化或装饰试图改进外观的设计桥梁的方法，应该受到最强有力的措辞谴责。只有把美学设计发展成为总体思想的主要部分，才能实现优秀的设计。因此，必须有建筑师的充分介入，这一点，从基本形式正在设想的时候就要开始”。 Liebenberg(南非)。 “桥梁建筑形式最重要的原则，就是获得清晰和轮廓分明的可以剖析的结构，去掉掩饰和不必要的细节，而只有直接的线条，即令人称心悦目，又能给人作出合理的解释”。 Ghaswala (印度)。 桥梁美的认识桥梁美的认识桥梁美学准梁美学准则 环球桥梁美学的许多作

7、者，深信明智的采用由其他人推定和建议的准则可以接近和偶尔达到美的实现。尽管多数桥梁专家蔑视使用定则或准则，另一些专家告诫切忌全部使用，而许多专家则容许和推荐把定则或准则作为实现美的帮助手段来使用。 “我们不能假定这些准则的简单应用本身就将产生一座美丽的桥梁。设计师仍须具有想像力、直觉感，以及形式和美的感觉然而，准则提供给我们一个较好的起点，帮助我们对我们的设计进行关键性的评价，特别是在模型阶段，这样能够使得我们察觉美学设计的错误”。Leonhardt(德国)。 限制限制桥梁美的认识桥梁美的认识抽象抽象设 计 优 秀功 能安 全经 济美 学桥 梁所在地观察者设计师A 形式B 表面C 材料A 环境

8、B 建筑C 历史A 技术B 分析C 创造性和美学A 形式B 表面C 材料1表 现2比 例3细长度4形 状5一致性6次 序7变 化8透 明9装 饰1终面2色彩3照明4装饰1质 量2耐久性1观 察2评 价3个人意见4文化研究5辩 和批评D 社会A 车辆使用者B 行 人C 临近居民D 专业人员桥梁美的认识桥梁美的认识戴维戴维P比林顿比林顿 David P. Billington 塔和桥塔和桥结构工程的新艺术结构工程的新艺术 The Tower and The Bridge The New Art of Structural Engineering塔和塔和桥结构工程的新构工程的新艺术 “他们(设计大师

9、们)都高度重视轻巧和安全，经济和功能以及优美的外观。这些基本的理想导致不同的形式，这表明在结构方面没有所谓最合适的条件，有的是很多合理的选择。这些选择为每个设计师提供了表现其个人思想的自由，并表现其风格”。 桥梁美的认识桥梁美的认识结构构艺术的思想的思想 以以埃埃菲菲尔尔铁铁塔塔和和布布鲁鲁克克林林桥桥为为代代表表的的大大型型结结构构工工程程体体现现了了一一种新的艺术形式，即结构艺术，平行于建筑并完全独立。种新的艺术形式，即结构艺术，平行于建筑并完全独立。仅仅仅仅显显示示出出结结构构与与表表现现结结构构并并不不是是一一回回事事，结结构构的的表表现现应应当当清楚地标明荷载的传递（力量）与构件的连

10、接（安全）。清楚地标明荷载的传递（力量）与构件的连接（安全）。桥梁美的认识桥梁美的认识结构构艺术的特点的特点 结结构构艺艺术术与与建建筑筑艺艺术术的的区区别别体体现现在在尺尺寸寸、用用途途和和形形式式的差别。和建筑艺术相比，结构艺术的特点包括：的差别。和建筑艺术相比，结构艺术的特点包括：尺寸相当大，需要进行工程设计；尺寸相当大，需要进行工程设计；用途相当简单；用途相当简单；形式本身的设计是为了控制应力，而非创造空间。形式本身的设计是为了控制应力，而非创造空间。 桥梁美的认识桥梁美的认识桥梁美学的三个梁美学的三个“神神话” 加拿大多伦多大学加拿大多伦多大学 Paul Paul GauvreauG

11、auvreau 桥梁美学的三个桥梁美学的三个“神话神话” THE THREE MYTHS OF BRIDGE AESTHETICSTHE THREE MYTHS OF BRIDGE AESTHETICS 形式从属于功能形式从属于功能 Form Follows FunctionForm Follows Function , , 公众总是对的公众总是对的 The Customer Is Always RightThe Customer Is Always Right ， 建筑师会更好的完成工作建筑师会更好的完成工作 Architects Do It BetterArchitects Do It B

12、etter.桥梁美的认识桥梁美的认识“形式从属于功能形式从属于功能 ” ” 源起：源起： “形式从属于功能 ”源于美国建筑师Louis Sullivan的个人美学观点，他在美国摩天大楼形式发展的进程中有重要的影响。 他认为建筑的每一个视觉造型单元都必须是某一功能的一致体现。桥梁美学中的普遍认识：桥梁美学中的普遍认识： 良好的结构性能、便宜的工程造价就足以体现视觉上的美感。Paul Gauvreau的认识：的认识： 桥梁应该是功能明显的，但功能无法决定桥梁的形式。结构性能和经济性本身毫无美学意义，在天才的设计师手中效率和经济的原则有助于创造和提炼视觉形式，因为如果不这样的话，再好的视觉形式也有可

13、能被搁置、弃用。 桥梁美的认识桥梁美的认识“公众公众总是是对的的 ” ” 在今年来的桥梁建设中有一种趋势，在桥梁的设计过程中越来越多的引入公众的参与。公众过分的参与在某种程度上是由于公众担心在其附近修建的桥梁不是一个好看的“邻居”，同时坚信没有他们的参与，他们的担心将不会有人重视。过分遵从公众的意见，不可能对现在的观点提出有意义的挑战，因为公众的意见强调的是认从而不是创新。没有了有意义的创新也就无从谈起桥梁的美。 桥梁美的认识桥梁美的认识“建筑建筑师会更好的完成工作会更好的完成工作”标志性桥梁：标志性桥梁： “形式从属于功能”的例外业主们往往不惜重金打造标志性桥梁并且指定建筑师在桥梁造型上起主

14、导作用。 建筑师与桥梁工程师建筑师与桥梁工程师建筑师布置抽象的、符号化的视觉形象，他们很少能够游刃有余的处理对对荷载和平衡明确的、有意义的视觉表达 。往往会为了富有表现力的视觉形象，而使力流迂回曲折， “走错了路”。 工程师们对桥梁美学的职业理解局限于“功能决定形式”的思想，以及由此产生的众多毫无光泽的桥梁结构，使得人们更倾向于寻求建筑师的帮助。 桥梁美的认识桥梁美的认识建筑建筑师与与桥梁工程梁工程师的关系的关系 桥梁工程师、建筑师应通力合作。桥梁工程师、建筑师应通力合作。 桥梁工程师在桥梁的设计建造过程中应起主导作用。桥梁工程师在桥梁的设计建造过程中应起主导作用。 起主导作用的桥梁工程师应具

15、备一定的艺术和美学素养，起主导作用的桥梁工程师应具备一定的艺术和美学素养， 并能对建筑师的意见采取积极的配合的态度。并能对建筑师的意见采取积极的配合的态度。 桥梁美的认识桥梁美的认识桥梁美的梁美的创造造 桥梁造形桥梁造形 心理引诱力 、静态的动势 、造型三要素 外形表现方法 、美学规则 、力学性能的表现 桥梁景观桥梁景观 环境与环境调查 、桥梁与环境的关系 、视点与视点场 桥梁造型和景观设计的实践桥梁造型和景观设计的实践 表现手法 各种桥梁形式的静力特点和造型格调、高速公路跨线桥的造型研究 具有代表性的桥梁 桥梁美的创造桥梁美的创造桥梁造型三要素梁造型三要素 形、色、形、色、质形的构成形的构成

16、 形的构成要素形的构成要素 平面构成平面构成 ：点、线、面 立体构成立体构成 ：线材，板材、块材形的构成法则形的构成法则 组合构成法、切割构成法 视错觉视错觉 （错视）造型单元及造型单元的组合造型单元及造型单元的组合 桥梁美的创造桥梁美的创造桥梁造型梁造型单元元设计法法 确定了几类基本的造型单元，桥梁结构的各个组成构件就可以以这些基本造型单元为模板，按具体的结构要求进行尺度、比例的变化，并最终构成桥梁结构整体。 桥梁整体造型梁整体造型设计法法 整体造型设计法更加强调的是桥梁形式的整体性。在这里，各构件的功能性得到一定的弱化，相互之间没有明显的区分。 色彩构成色彩构成 与与 材料构成材料构成色彩

17、构成色彩构成 光源色与物体色光源色与物体色色别、明度、饱和度色别、明度、饱和度蒙塞尔色系、奥斯特瓦德色系、日本色研所色系蒙塞尔色系、奥斯特瓦德色系、日本色研所色系配色的有调和与对比配色的有调和与对比材料构成材料构成质感感设计的基本法的基本法则：配比原配比原则主从原主从原则适合原适合原则 桥梁美的创造桥梁美的创造外形表外形表现方法方法 轻巧感轻巧感 形形： 提高重心可取得轻巧的造型效果色色： 应用明度高的色彩(轻感色) 质质： 采用细密、光泽的表面 稳定感稳定感 包括结构上的“实际稳定”和外观上的“视觉稳定” 形形： 重心下降法、扩大支撑面色色： 深(重)色彩 质质： 表面粗糙、无光泽、具有较大

18、的量感的材料 运动感运动感 斜直线、弯曲线桥梁美的创造桥梁美的创造造型的美学造型的美学规则 比例与尺度比例与尺度对称与均衡对称与均衡稳定与轻巧稳定与轻巧节奏与韵律节奏与韵律统一与变化统一与变化对比与调和对比与调和过渡与呼应过渡与呼应主从与重点主从与重点比拟与联想比拟与联想单纯与和谐单纯与和谐 桥梁美的创造桥梁美的创造力学性能的表力学性能的表现 利用拓扑分析优化桥梁造型利用拓扑分析优化桥梁造型 主梁和桥塔的气动选型和造型设计的结合主梁和桥塔的气动选型和造型设计的结合 曲线梁在梁、拱、斜拉和悬索四种体系中的应用曲线梁在梁、拱、斜拉和悬索四种体系中的应用桥梁美的创造桥梁美的创造利用拓扑分析利用拓扑分

19、析优化化桥梁造型梁造型拓扑优化的目的就是在单独荷载或多个荷载的作用下，寻求对材料的最佳使用方式，即造型的优化（shape optimization or layout optimization）。对材料的最充分使用在拓扑优化中，代表的是最大刚度的设计。 下图是一个V60的例子，其中图a表示载荷和边界条件，图b则以密度云图形式绘制的拓扑结果。 桥梁美的创造桥梁美的创造环境与境与环境境调查 心理学上一般将环境分为三类：自然环境 如峡谷、江河、平原、海湾等 社会环境 如田原、工厂、码头等 文化环境 如文教区、宗教区 环境调查的内容包括地形地势、环境色彩构成以及地区自然和人文环境等。调查结果的汇总和整

20、理将成为后续展开设计的重要依据。 桥梁美的创造桥梁美的创造桥梁与梁与环境的关系境的关系 桥梁与环境相结合的三种方法桥梁与环境相结合的三种方法：消去法，隐蔽桥梁的存在 融合法，使桥梁和环境按基本相同的格调融合 强调法，强调突出桥梁的存在 桥梁美的创造桥梁美的创造视点与点与视点点场 桥梁的形态随着观察方向的不同，会呈现各种不同的外形。 视点是“观”的出发点，视点场是“观”的范围。对于不同位置和性质的视点，有景观的如下分类：根据水平视角及视距，景观分为远景、中景、近景和可触摸景。根据视点位置的高低可分为仰视景观，平视景观和俯视景观。 另外根据视点行为的性质可分为静态景观和动态景观。 桥梁美的创造桥梁

21、美的创造桥梁造型和景梁造型和景观设计的表的表现手法手法素描图、渲染图 模型 计算机效果图、模拟动画 、虚拟现实技术 桥梁参数化三维造型 桥梁美的创造桥梁美的创造设计概念的提出与展开概念的提出与展开 设计概念回答的是这样一个问题，即：要设计一个什么样的桥。它是设计过程中的中心思想、是基调。其后每一步具体设计都应围绕这个主题，而不能随意发挥。设计概念的建立和丰富必须是在对环境情况和结构性能的准确把握的基础上，同时融入设计师创造性的劳动。 桥梁美的创造桥梁美的创造桥梁形式的静力特点和造型格梁形式的静力特点和造型格调 梁式桥梁式桥 梁式桥以受弯为主，但在梁式桥的主梁中潜藏着沿水平方向左右伸展的力，并由

22、此给桥梁带来了紧张感和动势。 拱桥拱桥 拱桥的基本心理引诱力线是由拱肋和梁组成，但吸引力最强的还是由拱肋产生的。拱桥的特征就在于它的孕育着力的紧张感的弧形心理引诱力线，以很大跨径一跃而过，具有极优美的力动感。悬索桥与斜拉桥悬索桥与斜拉桥 悬索桥与斜拉桥都可以归于缆索承重桥梁，两者向上伸展的主塔的动势和水平伸展的加劲梁的动势，在保持令人满意的视觉平衡的同时，产生了桥梁整体上十分优美的力动感。 桥梁美的创造桥梁美的创造高速公路跨高速公路跨线桥的造型研究的造型研究 环境调查环境调查 设计概念设计概念 跨线桥布孔的特点与比例跨线桥布孔的特点与比例 主梁形式及其视觉连续性主梁形式及其视觉连续性 墩台的设

23、计墩台的设计 结构的力学分析结构的力学分析 互通立交匝道桥之间的区分与呼应互通立交匝道桥之间的区分与呼应 同一高速公路上各跨线桥的个性与共性同一高速公路上各跨线桥的个性与共性多样与统一多样与统一 整条高速公路的整条高速公路的“色彩色彩”个性个性 桥梁美的创造桥梁美的创造从从MAILLARTMAILLART的的SalginatobelSalginatobel桥看技看技术的的继承与承与创新新 19991999年年 20 20世纪最美丽桥梁的评选世纪最美丽桥梁的评选ROBERT MAILLARTROBERT MAILLART设计的瑞士设计的瑞士 Salginatobel Salginatobel 桥

24、，桥， 一座镰刀型的混凝土三铰拱一座镰刀型的混凝土三铰拱桥梁美的创造桥梁美的创造从从MAILLARTMAILLART的的SalginatobelSalginatobel桥看技看技术的的继承与承与创新新（续一）（续一） StauffacherStauffacher桥石石结构构传统 更多的保留了传统石拱桥的外观，而没有体现出混凝土拱的结构形式。 桥梁美的创造桥梁美的创造从从MAILLARTMAILLART的的SalginatobelSalginatobel桥看技看技术的的继承与承与创新新（续二）（续二） ZuozZuoz桥中空箱槽的中空箱槽的设计 高的，无用的竖墙其实是对传统的罗马拱拱肩墙的一种视

25、觉表现。 桥梁美的创造桥梁美的创造从从MAILLARTMAILLART的的SalginatobelSalginatobel桥看技看技术的的继承与承与创新新（续三）（续三）TavanasaTavanasa桥三三铰拱形式拱形式 去掉了桥台附近很高的竖墙，于是产生了一种崭新的三铰拱的形式。 桥梁美的创造桥梁美的创造从从MAILLARTMAILLART的的SalginatobelSalginatobel桥看技看技术的的继承与承与创新新（续四）（续四）TavanasaTavanasa桥(1905)(1905)和和SalginatobelSalginatobel桥(1930) (1930) 以Tavana

26、sa桥为模板，报价最低，同时在质量和外观上也被认为是最好的 桥梁美的创造桥梁美的创造图图多多多多罗桥的造型和景的造型和景观设计 主题主题：光与影、未来性、飞跃、存在感 内容内容：结合风洞试验的结果进行综合考虑 桥塔造型塔造型：桥塔上部和下部形式、塔柱切角、下塔柱转角位置 斜拉索斜拉索布置：布置：锚固间距圆顺过渡、塔下无索区长度桥墩造型墩造型：与下塔柱形状相协调、尽量不妨碍视野表面涂装表面涂装：与主题的呼应、与环境的协调、与已建桥梁的统一桥梁美的创造桥梁美的创造多多罗图片一多多罗图片一多多罗图片二多多罗图片二程阳程阳风雨雨桥的的鉴赏 建于建于1912192419121924年年:座石墩、木面、瓦

27、座石墩、木面、瓦顶的的长廊式廊式桥梁梁 木梁伸臂木梁伸臂结构构：“木上加木，木上加木，层层递出出” 压重的五座塔式楼亭：有主有次，有同有异重的五座塔式楼亭：有主有次，有同有异桥梁美的创造桥梁美的创造程阳程阳风雨雨桥图片图片金金门桥和大海和大海带桥桥塔造型浅析塔造型浅析 金门桥桥塔金门桥桥塔杆的概念杆的概念 杆件组合、加法构成杆件组合、加法构成 大海带桥桥塔大海带桥桥塔 板的概念板的概念板件裁切、减法构成板件裁切、减法构成引桥墩和梁引桥墩和梁 的的“板板”样造型样造型全桥统一于一个全桥统一于一个“飘带飘带”的概的概念念. 桥梁美的创造桥梁美的创造金门桥图片金门桥图片大海带桥图片大海带桥图片桥梁美

28、的梁美的评价价 桥梁美的评价表现为人们对桥梁及地域环境“景观价值”（“Landscape value”）的认识，包括设计过程中的模拟评价和建成后的使用评价，内容涉及使用者的体验（对远景、近景以及夜景的观感）和对地域景观的改善、维护与创造。 桥梁美的评价桥梁美的评价景景观评价的价的调查 景观评判测量方法景观评判测量方法 评分法 SBE法（Scenic Beauty Estimation）逐个评分，优点是能对大量景观样本进行评价，缺点是各个景观样本间缺乏比较的机会，影响相关分析的可靠性。 比较评判法LCJ法（Law of Comparative Judgment）对偶比较法与等级排列法 高可靠性，

29、小样本量 被被调查人群人群非专业人员，主要指公众，如当地居民和单位；初级专业人员，主要指在校专业学生，专业人员，主要包括该领域专家和大桥的参建人员。 桥梁美的评价桥梁美的评价景景观评价的量化分析价的量化分析 选取美观评价因素，制作比选方案，并对不同人群进行调查。在此基础上利用二元对比排序与隶属度函数方法给出量化分析的结果。桥梁美的评价桥梁美的评价目目标和任和任务桥梁美学体系的建立 各种桥梁体系的力学性能和美学特性 高速公路跨线桥的造型研究 拓扑分析优化桥塔、桥墩造型 主梁和桥塔的气动选型和造型设计的结合 在本研究的基础上，并借鉴国内外的相关研究成果，力求写出能够指导中小跨径桥梁造型设计的指南和关于桥梁美学原理、桥梁造型和景观设计方面的综合性著作。 目标和任务目标和任务谢谢谢谢