力量与诗意的追求——千米级跨径中承式钢箱拱桥景观设计研究
力量与诗意的追求——千米级跨径中承式钢箱拱桥景观设计研究
在交通强国战略的指引下，桥梁建设不仅要追求功能性和安全性，更要注重景观设计和文化内涵。本文以千米级跨径中承式钢箱拱桥为研究对象，探讨了桥梁景观设计中的结构艺术理念，以及如何通过结构艺术实现桥梁与周边环境的和谐统一。
交通强国大背景下，全面提升品质内涵成为桥梁建设的重要目标。桥梁景观对打造地标性建筑、带动区域文旅经济发展具有重要作用。中国古代拱桥拥有辉煌的成就，塑造了特色显著的中国桥梁景观形象。时至今日，拱桥仍然表现出强大生命力，从重庆朝天门大桥的552m跨径到广西平南三桥的575m跨径，再到天峨龙滩特大桥的600m跨径，不断刷新世界纪录。而研究者们对于拱桥跨径的追求还远没有停止，尤其关于钢拱桥的畅想更为大胆，比如陈宝春等认为钢拱桥的理论跨径可达3300m，张显雄等认为在矢跨比1/5时采用Q690高强度钢材的钢拱桥主拱理论极限跨径可超2500m。
结合桥梁文化的历史回顾和桥梁技术的未来展望，大跨径钢拱桥在跨越江河峡谷、营造在地景观与传承本土文化方面具有显著优势。然而，对于需要跨越千米的桥位，现有经验尚无法提供足够支撑。千米级跨径钢拱桥所包含的各项课题研究，以丰富我国大跨度桥梁桥型方案选择，是桥梁建设的重要创新突破。其中，桥梁景观设计如何适用于其超大体量和复杂结构，需要从结构艺术的角度进行深入思考。
现代工程的结构艺术理念
结构艺术的理论基础
结构的用词源于建筑领域，通常指建筑物承重部分的构造，强调作为组成整体的部分之间的关系。结构和艺术结合以理论的方式提出还是在工业革命之后。现代工程中，建设者可以解决复杂的力学问题，实现构造物宏伟的尺度、精密的细节，将受力结构本身作为形式审美的追求。
19世纪初，托马斯·特尔福德提出结构艺术的理念“材料使用要讲效率，工程建设要求经济，最终形式必须美观”。戴维·P·比林顿《塔与桥：结构工程的新艺术》认为结构艺术是满足“效率、经济和美观三要素”的工程。现代设计源头的包豪斯设计主张将解决现实的问题作为设计造型的指向。大型现代工程比如桥梁设计中具有话语权的结构工程师们，倾向于将结构及其技术向度作为核心来达成审美感受，体现于弗里茨·莱昂哈特《桥梁建筑艺术与造型》等著作。1978年，国际桥梁及结构工程协会(IABSE)创建了“结构工程美学”特别小组。
也有研究者对于结构艺术以承重构造为核心的技术理性倾向持谨慎态度，认为公共建筑对于人类在文化、历史、情感上的需求应有所回应，比如《环球桥梁美学》合著者和圣地亚哥·卡拉特拉瓦等。又如唐寰澄、郑时龄、邓文中等认为在桥梁的美学评判上应予以更多元素的考虑。此外，相关学术讨论活动愈加活跃，如世界交通运输大会中举办了“结构·艺术·文化·融合”主题论坛。
因此，对于现代工程中结构艺术理念的理解，需要延伸到系统性的关系网络，不局限于受力构造本身，它是通过组成整体的部分之间的关系，创造出具有审美价值的形象。
结构艺术的特点
当结构艺术从承重部分的构造为核心出发，拓展到更为广阔的系统性的关系网络范围，其思维方式、表现手法以及审美追求等就呈现出以下一些特点：
第一，理性科学思维与感性艺术思维的结合。现代大型工程以巨大体量和解决实际问题为基础，需要科学认知和计算分析，进行结构的把控与创新，遵循抽象性的客观规律。然而，“效率”“经济”是否能天然地达成“美观”，这是很多持谨慎态度的研究者所存疑的。要使工程达到艺术的程度，还需要关切人的精神情感，需放入广大关系网络，比如桥梁这种公众观审性强的大型公共基础设施。严谨、理性、逻辑性的科学思维与浪漫、感性、形象性的艺术思维结合，才能共同支撑桥梁的理性结构、功能优化与感性形式表达，满足人们的实用需求与精神需求。
第二，强调通过结构本身的艺术形式表达来提升审美价值。结构艺术的基础是承重部分的构造，这也是结构艺术理念最早建立的起点。现代大型工程建设是为了公众利益，牵涉广大的社会经济网络，设计者须做更为谨慎的考虑。桥梁尤其是大跨径桥梁，通过自身结构实现其跨越、荷载、通行功能是核心和基本，附加装饰可能会对结构受力和经济成本造成负面影响，也不符合现代生活方式的简约审美。将结构本身作为艺术形式表达的主体，不对桥梁受力、功能实现产生大的影响甚至有优化作用，在桥梁整体性的组成系统中去进行巧妙编排，形成艺术形象，提升审美价值。
第三，重视结构整体与周边环境的和谐，将人类的力量追求与诗意追求相结合。现代大型工程展现了人类力量的伟大，技术审美的追求本质上是对人类价值的肯定。同时，人在自然与社会环境中生活，情感与记忆的产生、传承不能脱离所处环境系统，比如桥梁作为与人关系紧密的日常构筑物，就需要从系统关系中汲取力量并提供人们诗意追求、情感寄托的场所，将艺术性、文化性与工程性并重，探索桥梁结构形式和自然人文环境的匹配，贯穿对历史性、时代性的理解，提升桥梁内涵品质。
桥梁景观设计中的结构艺术维度
第一，桥梁本体结构艺术。桥梁本体结构艺术强调桥梁本身的物质形态、构造编排和材料运用的系统性艺术表现。通过桥梁整体的主体形态轮廓、部分的构件要素形态及其比例、尺度、组合关系、色彩搭配、材料质感、光影设置等等得以实现。
第二，桥梁功能结构艺术。桥梁功能结构艺术强调桥梁基础功能与多元功能的系统融合。比如在桥梁满足跨越与承载功能的基础上，表现视觉效果与艺术感染力，将观光休闲、文化展示、教育科普、地方形象传播等功能纳入整体性的功能系统中。
第三，桥梁环境结构艺术。桥梁环境结构艺术强调将桥梁与所属环境视为一个整体的系统。这里的环境包括了地形地貌、水文生态等自然环境，也包括历史传统、民俗民风、周边建筑等人文环境，桥梁在造型、布局以及建造环节上应与之保持和谐。
千米级跨径中承式钢箱拱桥景观设计的结构艺术实践
项目概况
本项目位于恩施土家族苗族自治州巴东县，地处长江三峡库区内，与宜昌市及三峡大坝分别相隔60km和70km里，该项目桥梁设计充分考虑了其所在的鄂西山地东缘地带的地形地貌特征，力图与周边已建的四座悬索桥在桥梁景观上实现既和谐又独特的效果（图1）。
图1 项目桥位地址
桥梁概况
根据对桥位地址区域地形地质、建设条件、规模造价、景观效果等综合因素的分析，桥型方案采用主桥长1128m（计算跨径 1000m）中承式钢箱拱桥，拱、梁、柱、吊杆均采用钢箱结构，形成拱桁组合结构受力体系的“超级拱桥”。与缆索承重结构桥梁相比，刚度大、整体性好，全寿命周期不需要更换任何构件，维修养护工作少。桥梁方案经过计算分析静动力性能均满足要求。
主拱肋采用双肢变高度提篮钢箱拱，以“一次桁架+二次钢箱结构”的形式成拱；风撑、吊杆、拱上立柱均采用三角形等截面钢箱结构。主桥拱轴线采用悬链线，拱轴线系数1.9，矢高125m，矢跨比1/8。拱肋截面呈三角形断面，拱肋截面及单肢拱肋平面呈10°内倾角。拱顶处横向箱肋中心距 28m，拱脚处72.08m。一次桁架拱肋全部采用矩形杆件组拼成，由主弦杆、横隔及平联组成。二次钢箱拱肋即在一次桁架外焊钢板形成钢箱拱肋断面。成拱后，箱拱呈带圆倒角的三角型断面，断面高度及宽度分别从拱脚到拱顶线性变化，拱脚截面高、宽均为12m，拱顶截面高、宽均为8m，倒角半径750mm。
主梁为整幅扁平钢箱梁，梁高4.5m，桥面宽25m，风嘴4m，全宽共33m。标准梁段长度12.5m，最大梁段吊重约288t。全桥设18道风撑，其中桥面以上11道，以下8道。除拱顶风撑呈米字形，其余风撑均呈K形。风撑构件分为水平横撑和斜撑构件，其中水平横撑设置于吊杆和立柱处。风撑均为三角形断面，水平横撑与主拱肋均采用“一次桁架+二次钢箱结构” 的二次成型方案，斜撑为箱型断面。水平横撑的一次桁架结构与一次桁架拱肋弦杆对应连接。吊杆采用刚性吊杆，纵向呈华伦式布置，横向内倾5°。全桥共设16个立柱（半幅桥8个立柱），纵向竖直布置，间距为50m和36m；横向呈M形（图2、图3）。
图2 桥梁立面、俯视图
图3 桥梁透视图
设计构思
1.项目区域环境景观分析
该项目是跨越千米、连接两岸的重要交通枢纽，所处的恩施土家族苗族自治州巴东县不仅自然风光旖旎，其深厚的地方历史文化和多元的民族文化交融如巴文化、土家风情、巫鬼文化、乐舞传统等，也为其增添了独特的地域魅力。该地区在生态旅游和文化旅游方面拥有巨大的发展潜力，因此桥梁景观设计应兼顾交通功能和文旅价值，从当地自然和人文资源中获取创意灵感。
2.设计立意
“峡川山水迎朝晖，门户天开展神威；千米豪迈凌云志，气吞山河映霞晖。”桥梁设计灵感源自巴东的自然美景和丰富文化，融合了峡谷山川的壮丽、深邃的人文底蕴以及多样民族的和谐相处，营造出一种独有的地域文化氛围。由此，将这座桥命名为“朝晖”桥，它不仅象征着巴东人民不畏艰难、勇往直前的精神，还代表了该地区丰富多彩的民族文化、人与自然的和谐共处以及持续向好的发展前景（图4）。
图4 峡川山水地域风貌
造型方案设计
1.桥梁整体造型
在确保桥梁的功能性和结构完整性的同时，通过对桥梁主要结构如拱、梁、吊杆等构件的景观艺术设计，强调弧线的优雅、尺度比例的平衡，力求实现桥梁各构件的有机组合及统一，以及桥体与周边环境的适应性和协调性。
在视觉呈现上，桥梁主体及细部设计追求现代风格的轻盈与流畅，同时清晰地展现出力的传递与分布，给人以强烈而稳定的力量感受，仿佛弓弦紧绷，与峡川的壮丽山水相得益彰。同时，拱肋、桥墩等关键部位所设置的检修通道、轨道、避雷针等附属设施，在满足功能需求的基础上，也极力弱化其视觉突出感，使其自然融入整体结构之中。与桥梁的现代主义风格匹配，并体现中国文化中“绚烂之极归于平淡”的审美取向，同时与周围自然、人文环境融合，采用“月光白”色彩涂装（图5、图6）。
图5 桥梁效果图
图6 桥梁局部效果图
2.造型的艺术设计
桥梁艺术设计的创作语言，本质上是一种综合性的构成语言运用。从空间形态角度看，桥梁结构的艺术形式构建可分为加法构形与减法构形两大类，它们可以被用来设计桥梁结构元素的增加或减少，以实现独特的视觉效果和功能需求，进而提升桥梁造型设计的美学水平。本项目在桥梁拱顶风撑设计中就有效地运用了减法构形，除保留拱顶中心位置风撑呈“米字形”外，其余风撑均去掉多余构件，采用K形结构，即满足受力又使桥梁整体视觉呈现简洁大气之感。
本项目桥梁造型艺术以拱桥为核心，其突出特点便是运用了拱桁组合结构，实现一跨过江，从而营造出“峡川山水，门户天开”的宏伟意象。大桥主体选定中承式钢箱拱桥设计，提篮坦拱的造型不仅具有大跨度张力，还流露出特有的曲线温婉。主拱肋部分则是双肢变高度提篮钢箱拱,呈三角形断面,构造为“一次桁架+外包钢箱结构”,稳固而成拱形。此外，风撑、吊杆及拱上立柱也均采用三角形等截面钢箱结构，设计巧妙且坚固，彰显出桥梁简洁、磅礴之气势，与周边壮丽的自然景观交相辉映，表达了积极向上的精神和对未来美好期望的桥梁设计内涵(图7)。
图7 桥梁效果图
夜景方案设计
桥梁夜景照明设计借鉴了国内外众多桥梁的照明理念，以精妙的灯光布局与多彩变幻为核心手法，旨在凸显拱肋、主梁及桁架等桥梁重要构成元素在夜幕下的醒目与震撼。设计不仅着重于强化大桥作为地标的独特形象，更致力于体现深厚的地方文化意蕴，以“月光白”为基础灯光色调，纯白或暖白缓慢动态变化，体现巴东地区巴文化及土家族尚白传统，以桥拱与桁架在节假日呈现七彩变幻体现当地多民族文化共融和绰约多姿的自然风光，从而助力提升旅游吸引力。通过巧妙结合动态与静态的灯光效果，既打造了桥梁照明的视觉盛宴，也注重桥与人的情感交互，使之成为传承和弘扬地区文化的光影记忆载体（图8）。
图8 桥梁夜景效果图
拱桥，在中国桥梁历史和文化历史上曾书写过浓墨重彩，是一种文化符号。当今时代，我们在已有其他实现千米跨越的桥型情况下，依然追求千米级拱桥的突破不仅仅是为了技术的超越，也有中国人对于本土文化与精神传承的执着。千米级跨径中承式钢箱拱桥的研究是对交通强国战略指引下高质量发展桥梁工程的勇敢探索，也是世界桥梁界拱桥千米级跨度的重大突破，其桥梁景观设计是一项通过组成整体的部分之间的关系，创造出具有审美价值形象的结构艺术。它需要深刻地理解桥梁所在的结构关系网络，包括桥梁本体、功能、环境的结构，强调对受力结构本身的艺术形式表达来实现对人类的力量追求与诗意追求。
本文原文来自《桥梁》杂志