迷失在威尼斯（下）

桥梁结构如何既满足安全、功能、经济要求，又能够取得好的建筑造型，这历来是一个难题。

为什么威尼斯四桥建筑上是成功的，而结构上是不合理的？为什么它功能是有缺欠的，而造价是高昂的？

桥梁建筑的出路在哪里？

2008年，在中国与克罗地亚政府间合作计划的资助下，福州大学与萨克勒布大学在克罗地亚召开了首届中国-克罗地亚大跨度拱桥学术研讨会。会上捷克专家Jiri Strasky作了“拱支撑悬带桥”的大会报告。“拱支撑悬带桥”（简称悬带拱）巧妙地将拱的推力和悬带的拉力互相平衡，避免了这两种结构所需要的强大抗推或抗拉的桥台及基础，悬带受到拱的支撑增加了刚度，减小了垂度，而拱也由于悬带自重很轻可以做得很纤细，矢跨比做得比较小。二者组合而成的结构轻巧美观，曲线流畅，在对景观要求较高的人行桥中具有相当强的竞争力。图1为捷克布尔诺市的拉特卡河上的一座悬带人行拱桥。

图1 捷克布尔诺市拉特卡河桥

会后，我又一次来到威尼斯，当我站到宪政桥边时，头脑中突然闪过一个念头，宪政桥若用悬带拱来建，效果会如何？回国后，我就指导了2008级硕士研究生冯阅进行了以威尼斯宪政桥为背景的“悬带拱桥试设计与受力性能分析”。试设计桥梁主拱计算跨径64m，悬带总跨径为80.8m，与威尼斯宪政桥的跨径相同。悬带中间段34m支撑在拱肋上，两端通过混凝土斜杆与拱脚连接固定在基础承台上。拱顶距离水面高度6.4m，计算矢跨比1/10，总体布置见图2。

图2 宪政桥试设计总体布置图

试设计桥梁中悬带为直接承重构件，在荷载作用下产生较大拉力，通过斜杆可平衡部分拱的水平推力，其余的水平推力由基础承担。自重作用下，基础承台产生的水平反力为2670kN；最不利荷载工况作用下，基础承台产生的最大水平反力也仅3120kN；二者均远小于原桥。

当单个行人以结构的共振频率进行激励时，试设计悬带拱桥产生的峰值加速度响应最大为0.597cm/s2，远小于相应的舒适性上限指标值59.8cm/s2，表明试设计悬带拱桥按照ISO规范的规定，在单个行人激励下能够满足人行舒适性要求。

计算结果表明，试设计方案静力性能和动力性能都符合相关规范的规定，说明设计是可行的。

试设计悬带拱桥的拱肋可采用以下两种方法施工：一种为节段法施工木拱支架，再现浇混凝土拱肋；另一种为竖向转体施工木拱支架，再现浇混凝土拱肋。两种方法均无须大型的吊装设备，木拱支架制作简单，运输方便，适合于该桥施工场地狭小的条件。

试设计悬带拱桥材料用量省，主要材料的使用量明显低于现有的威尼斯宪政桥。威尼斯四桥主要结构为钢结构，用量为407300kg，为试设计悬带拱桥用钢量的532倍，试设计悬带拱桥主要结构采用混凝土，总用量为300m3，而原桥为抵抗巨大的水平推力，桥台及基础使用了1080m3 混凝土，为试设计悬带拱桥的3.6倍。可见，试设计悬带拱桥大大节省了使用材料。

在造价方面，2006年9月建成的迈可劳林大道人行桥，是一座悬带拱人行桥，由悬带桥面悬挂在提篮拱上构成，桥梁总长92m，桥面宽5.2m，工程总造价110万欧元，约合每平米2300欧元。根据对已建悬带拱桥的调查发现，悬带拱桥的造价在每平方米2000欧元左右，以此估算试设计桥的工程总预算为64万欧元，仅为原桥造价670万欧元的十分之一，且无须建成后对拱脚千斤顶调整的维护费用。

在使用方面，两端利用若干级台阶抬升桥面，使得桥面可以采用较小的纵坡，在台阶两侧设置坡道，满足残障人士上桥的需要。

总之，试设计桥梁，结构合理、施工方便、造价经济、功能满足要求，且多个指标明显优于现有的宪政桥。然而，威尼斯宪政桥毕竟是著名景区的重要桥梁，试设计桥梁的景观效果如何呢？

悬带拱由悬带和拱组成，二者均为曲线结构，悬带支撑于拱之上，在支撑区的上拱与悬空区的下垂，形成自然的、连续光滑的W曲线。悬带结构轻盈灵巧。钢索两端锚固于桥台，中间段34m通过承板与拱肋现浇在一起，组成一个马鞍形部分。桥面板宽4m，板厚0.1m，全桥共2束预应力钢束，对称布置在桥面横向两侧。斜杆长度13.75m，顶部距离水面3.5m，与水面成30°夹角。斜杆与拱脚连接，固定在混凝土基础承台上，承台宽2m，高1.4m。桥梁水中正视效果如图3所示。

图3 试设计桥水中正视效果图

色彩上遵循与周围建筑和谐一致的原则。拱肋、斜杆和桥面板预制块全部采用混凝土，桥面用天然的伊斯特拉大理石表层铺装，主结构的颜色均为混凝土的灰白色，与周围建筑墙面颜色相一致。桥的栏杆以玻璃样板为主，在栏杆的最尾端靠近桥台处，采用天然伊斯特拉大理石装饰，其上雕刻浅浮雕。栏杆的淡蓝色玻璃与天空、水面交相辉映（图4）。

图4 试设计桥侧视与俯视效果图

初步分析表明，试设计桥具备了取得良好建筑景观效果的条件，相信借助建筑师、艺术家的细部处理，可以取得更好的效果。

从威尼斯宪政桥的试设计来看，通过结构的创新，完全可能做到既满足安全、功能、经济要求，又能够取得好的建筑效果。结构创新，也许是桥梁建筑的一条出路。

然而，毕竟威尼斯宪政桥已经建成。结构创新，是否确实是桥梁建筑的一条出路呢？这需要实践的验证。有幸我们找到了机会。为庆祝福州大学成立55周年，2013年在旗山校区新建了一条景观大道，连接东大门与图书馆，靠近图书馆处有一湖泊需要一座桥梁跨越，我们承接了这座桥（卧龙桥）的设计任务。

福州大学旗山校区呈南北走向，地势平坦，有山有水，风光旖旎。校园中轴线景观大道东接东大门，西接校园中心建筑——图书馆，南面为大片的水面与湿地，远望长安山北麓，北面为大片绿地。景观大道宽36m，中置绿地与花坛，两侧设两条宽6.7m的人行道。景观大道的人行道在图书馆一侧有约30m的水面，拟采用两座宽6m的分离式桥梁跨越（图5中画框位置）。

图5 福大卧龙桥桥址

校园水系发达，学校规划将来可用小船作为交通与休闲手段，通达各处。因此，要求桥下的净高大于3m。但桥位处地势低矮平坦，水面与路面高程相差仅1.5m，拱式结构是较为合理的选择。拱结构通常传递出一种曲线流畅、富于韵律的美感，正如林同先生所言“拱是一种独特的结构形式，它可以清晰地表现出力流和美学的外观。”同时，考虑到福州大学以拱桥的研究和工程应用而知名，一座美观的拱桥能反映这所大学桥梁工程学科的特色，因此选择拱桥作为解决方案。

桥址场地为草地及池塘，属软土地基，因此，拱桥跨径不能太大，跨径选25m，略小于水面宽度30m，宜采用无推力或部分推力拱；路面高程为7.8m，起拱线高程约为6.583m。若采用上承式拱桥，主拱矢跨比小于1/16，将产生巨大的水平推力，所以宜采用下承式或中承式。由于桥面要有一定的纵坡与竖曲线，以满足接线与桥下通航的需要，最后决定采用中承式。所以，桥梁结构方案定为中承式刚架系杆拱（部分推力拱）。

部分推力中承拱需要边跨来平衡主拱的水平推力，多为三跨结构（图6），已在我国钢管混凝土拱桥中得到大量的应用。其边跨与主跨的跨径比多在1/4—1/5.5之间。卧龙桥主孔跨径才25m，边跨在4m-6m之间，因此，设计时考虑将其退化到桥台上，不设边跨。

图6 中承式刚架系杆拱

一般的刚架系杆拱中，系杆为总体结构构件，不参与桥面系受力，另有独立的桥面系结构；系杆多采用高强钢索，通过拉力来平衡拱的水平推力，所以系杆尽可能直拉，如有纵坡，系杆索的曲率半径要大。卧龙桥为小跨径人行桥，桥面纵坡较大，曲率半径小，系杆索布置困难。同时，作为小跨径人行桥，另行设置桥面支承体系，结构显得过于复杂。因此，是否可以采用系杆索来作为桥面系的支承结构的问题就提出来了。答案是肯定的。采用系杆索为桥面系支承结构，这就意味着将系杆索作为悬带，它与拱的结合，就是悬带支撑拱桥，又名悬带拱。但它与一般的悬带拱（图7）不同，它将桥台处的斜撑融入桥台中，将拉、压的两组桩基础均统一到桥台基础中。

图7 中承式悬带拱

桥梁的立面一般布置见图8。其边跨退化到桥台，且采用了系杆索为桥面支承的钢管混凝土飞鸟式拱方案设计。它也可以视为桥台整体化的表现，并且采用了具有钢管混凝土拱肋的中承式悬带拱方案设计。

图8 福大卧龙桥立面布置图

校园建筑是校园文化的载体，服务于青春飞扬、活泼向上的青年学子，建筑风格不宜过于死板。所以，在横桥向采用了外倾式的主拱设计，赋予了桥梁振翅欲飞的动势，契合了大学生蓬勃向上的朝气与旺盛的生命力。景观人行桥以钢管为主材，并且采用蓝色涂装，从而富于时代气息，与校园核心建筑图书馆形成呼应，达到了与周边景观环境的和谐相融。图9为该桥的平面与侧面布置图。

图9 福大卧龙桥平面与侧面布置图

在造型处理上，主拱肋采用了较小的矢高（4m），即主拱肋拱顶仅高出桥面板0.75m，从而在桥上营造出开阔的视野，赋予行人极佳的亲水体验。在桥梁栏杆的选择上，曾经有过不同的意见。一种意见认为，桥梁两岸一侧为景观大道，另一侧为日晷，均以花岗岩材料为主，所以桥梁的栏杆应采用石栏杆，与之协调。本人则认为该桥主体结构采用了轻质高强的钢结构，若栏杆采用石材，则过于厚重，与桥梁总体不相匹配，应采用钢栏杆。对于环境来说，虽然近处都是石结构，但桥位附近的图书馆，体量巨大，主导了周围的环境，是桥梁与周围景观关系处理中需要首要考虑的因素。而图书馆是一座现代化的建筑，且以钢结构为重要的建筑元素。因此，桥梁的栏杆采用钢结构是可行且能取得好效果的。同时，桥梁的色彩宜以与图书馆钢结构相同的蓝色为主调。通过这样设计，图书馆和人行桥这一组现代化的建筑就与景观大道和日晷这一组传统型建筑互相穿插并且遥相呼应，犹如中国太极的阴中有阳、阳中有阴，从而取得了极好的景观效果，成为福大旗山校区的重要景观（图10）。

图10 福大卧龙桥效果图

福大卧龙桥的实践，证实了通过结构创新找到合理的结构，加以建筑学的设计，能够取得很好的建筑效果，是桥梁建筑的一条出路。

然而，还有没有其他的路径呢？

实际上，路径还有很多，比如传承。

中国具有悠久的历史，灿烂的文化，丰富的文化遗产。这些文化遗产不仅是我们还是全人类的宝贵财富，不仅需要保护，还需要传承。

在中国古代桥梁中，木拱桥是一朵奇葩，它由两种纵桥向的折线结构与横向构件编织在一起，形成主受力结构。据历史资料记载，中国的木拱桥起源于北宋明道时（1032～1033年）的开封，因结构严谨、造型精巧优美，远眺宛若飞虹，故又名虹桥。这种桥型在宋朝时期被广泛应用于中原地区。但明代以来，由于种种原因，这种桥型在当年盛行的地区，如山西、河南、安徽等到地没有再建的记录。在很长的一段时间里，学术界认为这种木拱桥已经失传。上世纪50年代，我国桥梁工作者发现《清明上河图》中最精美的那座汴水虹桥实际上就是曾在北宋时期流行过的木拱桥。20世纪70年代末，文物工作者在浙江丽水地区发现了类似虹桥结构的木拱桥。1979年，在《中国古桥技术史》编写过程中，桥梁工作者们通过实地考察，证实了现存的木拱桥与汴水虹桥为同一类型的木拱桥。而后不久，越来越多的木拱桥在福建东北部和浙江西南部山区被发现，它们被称为闽浙木拱桥，有关木拱桥的介绍也被收录到多本中国古桥的专著中。

闽浙木拱桥被大量发现后，开展了大量的研究，但基于桥梁结构学的研究较少。为此，福州大学在此方面积极进取，承接了国家自然科学基金等课题，进行了实桥实测、模型试验等，成为中国木拱桥研究的重要力量。我们认为桥梁作为一种功能性建筑，应在使用中保护，还应通过传承，将这种技术发扬光大。为此，我们在福大旗山校园内设计了两座木拱桥（图11），不仅为校园增添了新景，同时也给学生以近距离的实物观察机会，还为培养这种桥型建设人才提供了实践机会。

图11 福大旗山校园两座木拱桥

同样，中国古代石拱桥也具有极高的技术成就。在福大旗山校园中，也修建了一座石拱桥。总之，以传承为方法同样可以取得好的建筑景观效果，如图12所示。

图12 福大旗山校园石拱桥

桥梁建筑的出路可以靠创新，也可以靠传承，还可以将创新与传承结合起来。福大旗山校园中另一座人行拱桥，就是创新与传承的实例。这座桥采用了最新的超高性能混凝土材料，而桥梁的造型则传承了中国古代石拱桥的风格。

超高性能混凝土（简称UHPC）是一种具有超高抗压强度和超高性能的水泥基复合材料，自1993年出现后，便引起了桥梁技术人员的极大兴趣与高度重视。加拿大于1997年建成了第一座UHPC人行天桥，全世界建成百余座，以受弯的梁桥为主，而在受压和压弯为主的斜拉桥和拱桥中的应用不多。福州大学对UHPC拱开展了系列的研究，进行了跨径160m、420m和600m的UHPC拱桥试设计研究，在国际上首次开展了UHPC拱的极限承载力模型试验，为UHPC拱桥的应用打下了坚实的基础。在此基础上，在福大人行桥中应用了UHPC拱桥的建设方案。该桥是我国首座UHPC人行桥、首座UHPC拱桥，也是国际上第三座UHPC拱桥（图13）。该桥主体于2015年1月建成，细部修饰于3月份完成。该桥的修建，既为我国UHPC应用以及为国际UHPC拱桥的发展提供了新的经验，也为福州大学校园增加了新的景观，为师生了解这种新技术建筑材料提供了实证，已成为国内外对UHPC有兴趣的技术人员重要的参观地。

图13 福大旗山校园UHPC人行拱桥

在建筑造型上，该桥主拱仅为10cm厚，结构与跨径之比为1/100，过于轻薄，所以将拱上建筑（侧墙）部分直接加到主拱上，以增强人们对于结构的信心，但即便这样，它与传统的石拱桥的厚重，还是形成了鲜明的对照。侧墙设计采用了中国传统石拱桥常用的反弯曲线。拱的优美曲线，配以镂空的轻盈木栏杆，将与校区湖岸的树林景观融为一体。

与世界上另两座UHPC拱桥（图14）对比，显然一眼就能看出来福州大学旗山校园人行桥的中国建筑风格。但它又不是简单地采用传统的中国传统石拱桥，它用现代高技术的材料（UHPC）代替低强度的石材，适应了场地处软弱地基的条件，能够采用现代桥梁建造技术；它采用了传统石拱桥的曲线与风格，但以轻薄的外形出现，符合现代的审美情趣。总之，它以创新的材料，传承了中国石拱桥优美的曲线，用高新技术演绎传统文化，是一座难得的好作品。因此，在传承中创新或在创新中传承，也应该是而且还可能是桥梁建筑最好的一条路径。

图14 韩国仙游桥和奥地利威尔德桥

从这几座桥的实践来看，除了创新外，传承、传承中创新，或创新中传承，都可以取得结构与建筑的统一，可能都是桥梁建筑的出路。

我曾经迷失在威尼斯的小巷中，三种方法可以让我们走出。

然而，我又迷失在了威尼斯宪政桥，桥梁建筑的出路在哪里？

我尝试着寻找答案，并在福大校园的桥梁中进行着探索，创新、传承、创新与传承的结合。

你还迷失在威尼斯吗？

也许你该到福大校园看看。