本科生《桥梁概念设计基础》的教与学

摘 要：改革开放以来,中国桥梁取得了举世瞩目的成就,但同时也出现了设计创新不足、桥梁不够优美、经济性能不够好的问题.传统的桥梁工程教学只重视结构计算,为了培养学生的创新思维、加强学生对桥梁美学和经济性能的重视,有必要在本科阶段开设《桥梁概念设计》课程,让学生熟悉概念构思的流程.该文阐释了《桥梁概念设计基础》课程的必要性,介绍了概念设计的意义及其课程设置,并总结了概念设计基础课程教学的特色,最后让学生从自认角度谈了对该课程的体会,并简要地进行了小结.关 键 词：桥梁；概念设计；教与学中图分类号：G642.0?摇文献标志码：A文章编号：1674-9324（2012）12-0147-05一、引言土木工程从17世纪中叶诞生开始,经历了最初近300年的“奠基时期”和一战前后的“成熟时期”,并以计算机和信息技术为标志,进入了现代桥梁工程发展阶段.这一时期,中国桥梁经历了“80年代的崛起”和“90年代的腾飞”两个阶段,取得了举世瞩目的成就,但在设计创新、桥梁美学和经济性方面存在一些问题,这三个问题与设计人员的素质直接相关.桥梁设计人员的素质与其所接受的工程教育密切相关.传统桥梁工程的教学是按照不同材料讲授结构原理,按照不同规范教授设计方法.这种传统的教学方法使得学生容易形成思维定式,限制了学生的创意思维.同时,在教学当中缺少桥梁美学、桥梁经济性能比选这两方面的教育.学生在学习完《结构力学》、《材料力学》和《理论力学》等基础课程,《桥涵水文》、《桥梁施工》、《桥梁工程》等专业课程之后,所学知识是一堆分散的、凌乱的知识点,在毕业设计阶段,学生常常感觉到毕业设计难以着手展开.为了加强学生对桥梁设计的整体理解,整合学生本科学习的知识,培养学生的在桥梁设计时在创新理念、工程质量和美学考虑三方面的能力,同济大学桥梁系在本科生中增加了《桥梁概念设计基础》的课程.本文着重介绍了本科《桥梁概念设计》课程的教学目的和课程设置,并就教学特色谈谈作者的体会.二、课程设置桥梁的概念设计就是选择满足桥梁功能、结构、施工、耐久、环保、经济与美观要求和设计原则的最佳设计的过程.学生学完结构力学、材料力学、土力学等力学知识以及桥梁工程、桥涵水文、基础工程、桥梁施工等专业知识后,如何让他们学到《桥梁概念设计》所必须的基础知识是课程设置中必须考虑的问题.概念设计首先要分析设计环境,即分析该桥建设的自然条件、人文条件,社会条件和技术条件；然后生成一系列概念方案,针对不同桥型确定桥梁的各个层次的基本参数；最后根据《桥梁概念设计》的六个基本原则——“安全、适用、经济、美观、耐久、环保”,从这六个角度对概念方案逐一对比分析,比选出最优的案.图1较为直观地介绍了《桥梁概念设计》的设计流程.根据桥梁概念设计基本流程和本科阶段的特点,《桥梁概念设计基础》课程主要设置以下内容.1.概念设计概论.概论当中,首先整合了桥梁工程的知识体系,介绍了桥梁的基本组成和分类；然后介绍国内外桥梁的最新发展动态.并从中国桥梁建设当中出现的问题的角度,说明概念设计的目的、意义和重要性.最后介绍了《桥梁概念设计》中安全、适用、经济、美观、耐久、环保的原则及其含义,并详细阐述了如何建立创新理念.2.桥梁美学设计.美学是人们对于美和丑的认识,虽然不同人拥有不同的看法,但是美学还是有其一般性的规律.在桥梁美学设计当中,首先介绍了东西方美学的哲学基础,提出了桥梁美学的五个基本原则——“多样与统一”、“比例与匀称”、“平衡和和谐”以及“韵律与协调”.并针对桥梁,提出了概念设计中的美学考虑和处理方法.最后,介绍了桥梁美学设计的实例.3.设计构思和总体布置.设计构思和总体布置是《桥梁概念设计》中最为关键的环节,是生成概念方案所必须有的过程.设计构思主要是分析桥位处的自然条件、技术条件、人文条件、社会条件,进而对桥梁总体设计进行设计.①自然条件.自然条件主要包括河势、水文、气象气候、地形地貌、地质水质和地震这七个方面.在概念设计阶段,这些资料的应用一般有两个方面：一方面,在理解消化这些资料的基础上,抓住核心要素和控制条件,形成构思和布局的雏形；另一方面,用于总体和关键构件的宏观、控制性的计算和分析,来验证和调整先前的构思和布置.②技术条件.经过近200年的发展,桥梁的上部结构和下部结构已发展形成了一些较为成熟的形式,在当今技术条件下,这些不同类型的上部结构和下部基础都有着各自的适用范围,在桥梁概念设计的初始阶段,我们应当尽可能地根据桥梁所处的自然条件,选择最为合适的上部结构和下部基础.③人文条件.人文条件主要是指桥梁所处地区的历史文化背景和该区域的桥梁使用者对于美的诉求.桥梁作为一种永久建筑物,除了跨越功能之外,其景观功能也是其功能的一个重要方面,在某些情况下,尤其是城市桥梁当中,桥梁的景观功能可能是其最为重要的一个方面.只有在这些准备工作做好之后,才能够根据“变化与统一”、“比例与匀称”、“平衡与和谐”,“韵律与协调”这些基本的美学基本原则,设计出满足人们人文诉求和美学要求的美的桥梁.④社会条件.社会条件主要是指桥梁的使用功能、桥梁的经济性.使用功能包括交通功能、航运功能.交通功能方面,对于公路桥梁、铁路桥梁和城市桥梁,其荷载标准和建筑界限不同；不同的航道等级和通航标准对应的通航净空也不相同.经济性方面,不同的桥型、总体布置、基础方案和施工方案对于桥梁的经济性能均有影响.4.结构安全验证.在结构安全验证中,介绍了桥梁的荷载,讲解了结构分析的一般方法和结构的强度、刚度、稳定性、动力特性的验算,然后介绍了桥梁耐久性设计的一般原则和耐久性验算的方法.5.工程案例分析.通过分析《桥梁概念设计》的工程实例,来完整的介绍桥梁概念设计的流程,以及各个步骤当中应当注意的问题,使学生在掌握全局的同时不忽略细节.三、概念设计教学特色同济大学桥梁系在国内土木工程专业首先开展了概念设计的课程,作为桥梁工程教学改革的一部分,这门课程尝试了一些新的教学方法.具有以下几个方面的特点.1.强调桥梁创新和美学设计.通过概论,首先强调《桥梁概念设计》中创新的重要性,从总体布局、结构体系和局部构造三个层次引入创新理念.并分别配以工程实例,深入浅出,强化了创新和美学设计在桥梁设计中的重要性,引导学生在创新和美学方面进行思考.如在讲解从总体布局的角度创新桥梁设计时,列举了某高新区岛的桥梁概念设计.由于该区域是交通道路上的重要视觉节点,连岛的两座桥梁需要表现出磅礴的气势和很好的视觉冲击力,常规桥梁无法表现这一特征.虽然可以通过大跨度悬索桥、斜拉桥凸显气势,但是桥位处没有大跨度斜拉桥的要求,同时,大跨度桥梁经济上也不合理.通过总体布局的创新,采用建筑学上借势造景的技法,将一座常规大跨度桥梁一分为二,分别放在南北两个河道处,中间道路形成虚拟的桥梁中跨,远处观看,如同一座十分宏伟的大跨度悬索桥,既凸显了气势,又满足了经济合理的要求.2.注重讲解概念性的原理.传统的桥梁工程注重从力学计算方面推导出一些公式,通过公式里的参数分析来讲解桥梁工程中的基本力学原理.在《桥梁概念设计》的教学当中,复杂的力学计算不是重点,因为其与概念设计注重概念的理念背道而驰.相反,概念性的原理才是重中之重,一方面,概念性的原理便于理解性记忆；另一方面,如果概念设计不合理,将直接导致后续力学计算结果出现问题,进而需要返工或者通过额外措施解决出现的问题.例如,在讲解桥梁结构体系对于桥梁受力性能的影响时,列举了作者设计的昆山玉峰大桥的外部约束、内部链接和刚度分配处理方法的例子.?摇?摇昆山某区域需建立一座城市桥梁,通过概念分析,拟建立一座斜靠拱桥.由于该区域为软土地基,无法承担水平推力.因此,主拱圈采用无水平推力的系杆拱（外部连接）,主拱圈承担主要的恒载,主拱圈斜靠拱共同承担活载（刚度分配）,进而解决了软土地基的问题.在讲解主拱圈和主梁之间的内部连接方式时,同样也采用了重视概念、简化计算的教学思路.由于主梁为双边箱钢箱梁主梁,在纵横梁上搭设混凝土预制桥面板,桥面板之间通过现浇段和横纵梁上的剪力钉连接,因此在拱梁交接处存在着负弯矩区段,会导致桥面板开裂.为了解决这个问题,主拱圈和主梁之间采用铰接的连接方式,释放了负弯矩；同时,等主梁支架拆除后再浇筑现浇段,通过让混凝土桥面板和钢主梁在不同的阶段参与受力,也减小了拱梁连接处的桥面板拉应力,防止了桥面板开裂.由于一般的系杆拱桥主梁为混凝土箱梁,可以张拉预应力,因此拱梁交接处主梁拉应力不是设计的关键因素,但是在玉峰桥中,在混凝土桥面板中张拉预应力较为困难,因此采用了释放拱梁之间弯矩的铰接的连接方式.3.教学结合工程实际.以上两个例子,只是《桥梁概念设计》课程教学当中所举的众多例子的一个缩影.为了改变传统桥梁工程教学时,学生只知其然,不知其所以然的状况,在《桥梁概念设计》教学中加入了众多的工程实例,讲解出原因,让学生加深理解,加深印象.例如,在介绍悬索桥抗风问题时,列举了著名的“塔科马大桥风毁”事故,并从悬索桥的计算理论发展的角度,解释了塔科马大桥发生风毁的背景.在线弹性理论当中,不考虑结构变形对于平衡的影响,因此主梁高度很大；随着挠度理论的诞生,人们发现主梁的刚度对于悬索桥的整体刚度贡献不大,最终,从曼哈顿桥到金门大桥,悬索桥主梁高度越来越小.到塔科马大桥时,主梁高跨比只有1/350,主梁形式为抗扭性能差的双边主梁开口断面,最终导致主梁发生风致颤振破坏.这种结合工程事故发生的理论发展背景的讲解思路,让学生的理解更为深入.4.整合知识体系.通过一个完整的桥梁概念设计流程,学生明白了本科所学课程在桥梁概念设计中的作用以及各个课程之间的关系,进而达到了整合学生的知识体系的目的；同时,概念设计当中历史文化、美学诉求方面的人文内涵需要学生提高综合素质,耐久性、环保以及全寿命设计思想要求学生进一步学习相关知识,从这个角度来说,概念设计也起到了引导学生学习方向的目的.5.注重学习与实践相结合.让学生更深入地理解《桥梁概念设计》,最好的方式是让学生参与到真实的桥梁概念设计当中.在教师指导下,学生参加桥梁方案竞赛是一个很好的方式.从同济大学桥梁系开设《桥梁概念设计》课程以来,历届学生分别参加了广东省虎门二桥、北京长安街西延永定河桥、北京通州运河区北运河桥和通惠河桥的国际方案竞赛.在参与竞赛的过程中,学生对桥梁概念设计的流程有了更深入地理解,同时也增强了实践能力.下面介绍了长安街西延永定河桥梁的概念设计.桥位位于首钢工业改造区,该区域规划功能定位为北京西部综合怎么写作中心和后工业文化创业产业区.桥位北部为被誉为“燕都第一仙山”的石景山,西岸为门头沟滨水商务区,功能以商业怎么写作,文化娱乐为主.大桥跨越永定河莲石湖,该湖注水后,形成湖滨绿色生态走廊.概念设计当中,石景山、永定河和首钢是不可或缺的三个元素,桥梁应当与这三个元素相互融合,构建出“一山、一水、一桥,一部钢铁史”的和谐篇章.①跨径布置.桥位处控制桥梁跨径的主要因素有：路线与河道及两侧道路斜交53度；东侧跨越丰沙铁路和东滨河路（红线宽度40米）；西侧跨越河堤路（红线宽度30米）；河堤处不能设置桥墩.因此,采用东侧一跨跨越丰沙铁路、东滨河路和东河堤,西侧采用一跨跨越西河堤及西河堤路,最小跨径均为120米.河道中桥墩设置不受通航影响,但需要考虑排洪的作用,桥位处上下游桥梁跨径均为40米左右.②桥型选择.桥型选择考虑结构的外形与周边环境相符,控制结构的高度,是的结构与石景山和山下的首钢厂区高度协调,不遮挡永定河自南向北的视觉走廊.根据跨径布置,梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥都是可行的.③横断面布置.桥位处道路规划红线宽度为80米,若采用单层桥面布置,桥面宽度约为60米；若采用双幅桥面布置,桥型选择限制较多,如采用横向四片拱肋的拱桥,景观效果不佳；如采用双层桥边,可以使桥宽变为30米左右,同时具有许多优点.非机动车道、人行道和车行道分离,为互通立交的实现提供了很好的条件；双层桥面的下层人行道、非机动车道可以与东滨河路实现平交,方便了行人.④概念生成与选择.梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥都是可选桥型,根据上述分析,概念生成了十四个比选方案.从安全适用、结构布置的合理性与经济性、与环境的协调和美观、可设计性和可施工性、耐久环保五个方面进行综合比选打分,最终概念选择了五跨连续桁架拱桥方案、斜拉桥和梁桥组合方案、斜拉桥和拱桥组合方案,进行下一步的设计.以下为三个方案——锦绣河山（五跨连续桁架拱桥方案）、日月同辉（斜拉桥和梁桥组合方案）、龙凤呈祥（斜拉桥和拱桥组合方案）的效果图.⑤概念设计.下面简略介绍锦绣河山方案极其概念设计.美学处理方面,五跨连续桁架拱桥方案主梁和拱肋均采用钢桁架形式,厚实的金属质感让人们感受到首钢改造区曾经辉煌的钢铁文化.桥面以上主拱圈的高度近似按照黄金分割比设计,犹如连绵起伏的山峦,突出了锦绣河山的主题.桥头堡外形也同样进行了美学优化,参照石景山上宝塔的形象进行了处理.主桥为采用双层桥面的梁拱组合体系,各跨拱脚均采用固定铰支座约束.主梁宽度为32.6m,高度为6.5m.上下桥面每隔6m设置一道横梁,梁高1.5m.采用正交异性钢桥面板,主梁上吊杆间距为6m.除拱肋的风撑与弦杆,腹杆与弦杆采用高强螺栓连接外,其他钢构件采用焊接连接.基础采用钻孔灌注桩.永定河大桥概念设计是国际方案竞赛,有六家国际知名设计单位的十八个方案参加竞争,最终有六个方案入围.作者指导学生所完成的三个方案均得以入选.部分竞争者的方案因采用大跨、奇异的造型来标新立异而被淘汰,而学生们所完成的方案思路清晰、考虑的因素较为全面,创新性、经济性均较好,设计方案外形也比较优美,因此得以入围.在前面提到的另外两个国际比赛中,学生们的方案也获得了第二和第一名.参加比赛既提高了学生的学习积极性,也达到了《桥梁概念设计》的教学目的.四、学生反应本文第二作者作为《桥梁概念设计基础》课程的学生,也切身体会到了《桥梁概念设计》不同于传统的灌输式教学.传统的桥梁教学思路只重视结构计算,而《桥梁概念设计》重概念、重视原理、重视讲解思路,重视用实例说明抽象的问题.这些教学思路对于学生的理解十分有益.同时,提高了创新和美学考虑在桥梁设计中地位,让听课的学生认识到,新的桥梁设计理念需要工程师从传统的桥梁计算工程师转变到桥梁创新设计工程师甚至是桥梁建筑师,让其更为重视自身的人文修养和综合素质发展.《桥梁概念设计》的学习就是一个桥梁概念设计训练的过程,本科学习的知识经过梳理后成为了一个体系.在进行本科毕业设计,学生拿到一个桥梁基本信息后,处理更为得心应手.最后,参与方案竞赛的实践帮助学生从理论性的知识当中走出来,进行实际的概念设计操作,加深了学生对概念设计本身的理解,对概念设计流程也更加熟悉.我们国家的桥梁在过去的三十年当中实现了跨越式的发展,但是,这种高速发展的背后也隐藏着很多问题,创新理念不足、桥梁不够优美以及经济性能不好是众多问题中比较突出的几个方面.高校学生是未来青年工程师中的骨干力量,是未来桥梁设计的中坚.同济大学桥梁系率先开展《桥梁概念设计》这一课程,希望能够通过这门课程,加强学生对桥梁概念构思的重视,将创新思维和美学优化的理念贯穿桥梁设计始终.希望通过这种形式,在桥梁界中倡导一个重视概念设计、重视创新、重视美学优化的氛围,为中国桥梁的进步贡献出一份力量.参考文献：[1]项海帆,肖汝诚,徐利平,等.桥梁概念设计[M].北京：人民交通出版社,2011：39-41.[2]肖汝诚.桥梁概念设计基础[R].同济大学,2012.作者简介：肖汝诚,男,江苏苏州人,同济大学土木工程学院桥梁工程系教授,博士生导师,中国土木工程学会桥梁及结构工程分会秘书长,主要从事桥梁设计和分析理论、程序系统开发、工程控制和桥梁管理系统的研究.