基于比例視誘法的高速公路跨線(xiàn)橋梁景觀(guān)技術(shù)研究＊

胡志堅(jiān) 段樹(shù)明 潘立華 張謝東

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1） 武漢 430063） （中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司2） 武漢 430050）

0 引 言

關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)物美的考慮，很重要的一點(diǎn)是其欣賞視點(diǎn)的分析，主要包含視角、視距、視野與速度等.對(duì)于景觀(guān)敏感點(diǎn)位置的高速公路跨線(xiàn)橋梁，其結(jié)構(gòu)形式以多跨布置的梁式橋?yàn)橹?，一般包括較大跨徑的主橋部分和等跨徑布置的引橋部分，其視點(diǎn)通常是位于結(jié)構(gòu)側(cè)向，且有一定速度（被交道路上的交通）條件下的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)，故跨線(xiàn)橋梁景觀(guān)以立面范圍內(nèi)的整體效果為主［1］，景觀(guān)效應(yīng)包括主橋自身的協(xié)調(diào)性、主橋與引橋的協(xié)調(diào)性等.但現(xiàn)有的跨線(xiàn)橋景觀(guān)研究通常都局限于簡(jiǎn)單的橋型探討［2］，或只針對(duì)具體的橋梁開(kāi)展［3］，沒(méi)有形成系統(tǒng)的高速公路跨線(xiàn)橋景觀(guān)建設(shè)技術(shù).

本文擬基于高速公路跨線(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出比例視誘法開(kāi)展景觀(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，并通過(guò)從莞高速清溪支線(xiàn)上的清溪湖大橋開(kāi)展具體的工程應(yīng)用.

1 比例視誘法基本原理

建筑物的協(xié)調(diào)美，體現(xiàn)于量的方面就是要盡力追求比例與尺度，橋梁作為一種水平方向

單維突出的建筑物，尤其要注重比例恰當(dāng).比例視誘法就是在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，按照一定的比例要求完成橋梁各部分的比例布置，然后采用視線(xiàn)誘導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)橋梁各組成構(gòu)件間的視覺(jué)效果.其實(shí)施包括兩個(gè)方面：（1）根據(jù)具體比例要求確定橋梁各總體設(shè)計(jì)參數(shù)，包括孔跨布置、墩高與跨徑比、梁高比例等；（2）結(jié)合視覺(jué)心理和視錯(cuò)覺(jué)等美學(xué)原理，通過(guò)橋梁構(gòu)件細(xì)部的線(xiàn)型變化與過(guò)渡，誘導(dǎo)人們的視覺(jué)感知，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸的視覺(jué)隱藏等景觀(guān)效果.

1.1 孔跨布置的黃金分割比

為了基本保持連續(xù)性和節(jié)奏感，跨徑布置應(yīng)均一化.從視覺(jué)效果上講，黃金分割比例0.618是較好的選擇［4］.以3跨連梁為例，中跨處于視覺(jué)的中央，增加中跨的跨度，能使比例協(xié)調(diào)，左右均衡，增強(qiáng)其穩(wěn)定性和平衡感，見(jiàn)圖1.而邊跨太短則顯得比例失衡，兩邊輕，中間重，給人快要失去平衡的感覺(jué).

另外，中間跨為等跨的多跨連續(xù)梁，其邊跨與中跨跨度之比宜在［0.65，0.70］內(nèi)；梁橋相鄰跨度的比值（小跨比大跨）宜接近0.618，此時(shí)橋跨變化會(huì)顯得平順、流暢、有韻律感與節(jié)奏感.

圖1 3跨連續(xù)梁的邊中跨視覺(jué)比例與力學(xué)性能比較

1.2 跨徑與墩高比

橋梁結(jié)構(gòu)作為一種跨越障礙物（如河流、道路、峽谷）的功能結(jié)構(gòu)，其水平方向的尺寸感往往要比其他方向的尺度更突出，因此，按常規(guī)的美學(xué)心理，橋梁的跨度（L）應(yīng)大于其墩高（H），即水平方向尺寸（跨徑L）比豎直方向尺寸（墩高H）要大，這樣才會(huì)產(chǎn)生良好的視覺(jué)效果.但H 的取值也不能太小，從美學(xué)考慮，在滿(mǎn)足橋下凈空要求的同時(shí)，H 的取值不宜小于10m［5－6］.且在滿(mǎn)足橋墩最小高度的基礎(chǔ)上L／H的比值越大越好.

其次，在實(shí)際橋梁方案中，可能采用不等跨布置方式，但不同孔跨的L／H 盡可能采用相同比值，即“小跨配矮墩，大跨配高墩”.這樣能在視覺(jué)比例與協(xié)調(diào)上能達(dá)到較好的景觀(guān)效果.

1.3 上部結(jié)構(gòu)的視覺(jué)誘導(dǎo)

1）梁高的視覺(jué)誘導(dǎo) 對(duì)梁橋而言，主梁作為其主要構(gòu)件，應(yīng)考慮梁高和應(yīng)力的平衡選定適當(dāng)?shù)臉?gòu)造.設(shè)計(jì)時(shí)需做到形態(tài)纖細(xì)、輕巧、連續(xù)流暢并且使結(jié)構(gòu)的每一點(diǎn)都有效地抵抗作用在其上的力.梁體本身應(yīng)該細(xì)薄，強(qiáng)調(diào)向水平方向延伸，其上、下緣線(xiàn)間盡量連續(xù)，不產(chǎn)生突變.

通常橋梁跨徑確定時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的梁體高度也根據(jù)受力要求隨之確定，但實(shí)際上梁體高度可通過(guò)視線(xiàn)誘導(dǎo)的方法進(jìn)行截面處理，達(dá)到理想的視覺(jué)效果.不同截面形式的梁有著不同的長(zhǎng)細(xì)比，因此當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)梁因長(zhǎng)細(xì)比太小而顯得笨重時(shí)，可以通過(guò)局部處理誘導(dǎo)主梁截面形狀.如圖2所示，將橋面板向梁的外側(cè)加大懸伸.通常的做法是使懸臂長(zhǎng)度大于梁高以及底板寬度的一半，同時(shí)保證懸臂板底板不過(guò)多上翹，減少梁體與陽(yáng)光的接觸，此時(shí)梁體在視覺(jué)上會(huì)顯得更輕盈.

其次，將箱梁外側(cè)的腹板做成傾斜的倒梯形斷面，使到達(dá)梁底的光線(xiàn)減少，可以使梁高對(duì)視覺(jué)的沖擊最小.也可進(jìn)一步將梁截面做成曲面的流線(xiàn)型，避免梁底出現(xiàn)棱角，能有效隱藏梁體實(shí)際高度，達(dá)到梁高很薄的視覺(jué)效果，這不僅視覺(jué)形象優(yōu)美，增加梁的纖細(xì)感，同時(shí)可大幅提高梁體的整體景觀(guān)效果，當(dāng)然會(huì)相應(yīng)增加一定的施工難度.

圖2 加大箱梁懸臂以降低主梁視覺(jué)高度

圖3 腹板傾斜方式降低主梁視覺(jué)高度

2）跨中部位的視線(xiàn)誘導(dǎo) 對(duì)于大跨連續(xù)梁橋，較大的跨度容易使人產(chǎn)生梁體中部下垂的錯(cuò)覺(jué)，合適的做法是在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合縱坡考慮，預(yù)先設(shè)置預(yù)拱度.當(dāng)然，跨度越大時(shí)則預(yù)拱度越不明顯.

3）連接部位的視線(xiàn)誘導(dǎo) 在主橋和引橋的連接部產(chǎn)生跨徑不連續(xù)時(shí)，要調(diào)整跨徑，改變斷面，形成平緩的過(guò)渡段，會(huì)得到很好的效果.如在厚度不同的梁的連接部分，進(jìn)行“抹角”“蓋板”“漸變”等，或適當(dāng)保留部分用地，用植栽高檔樹(shù)木過(guò)渡.

1.4 橋墩的視覺(jué)誘導(dǎo)

1）橋墩布置的通透感 橋墩的布置由橋下凈空要求、地質(zhì)水文要求、通航情況、美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)等共同決定.其形式一方面要保持與結(jié)構(gòu)和周?chē)匦蔚膮f(xié)調(diào)，另一方面要提供足夠的橋下視野空間.

一般情況下，應(yīng)減少橋墩數(shù)量以保證橋下空間開(kāi)闊，采光充分，并且橋跨數(shù)較少時(shí)，多采用奇數(shù)跨.但若所跨地形本身比較對(duì)稱(chēng)則仍采用偶數(shù)跨.但對(duì)多跨橋，特別是超過(guò)7～8跨的長(zhǎng)橋而言，奇數(shù)跨和偶數(shù)跨的視覺(jué)差別則并不大.而對(duì)橋墩的布置位置則需與地形條件相搭配，例如對(duì)跨越山谷的橋，橋墩不宜設(shè)于山谷的最深處，而對(duì)跨河或跨海橋，最好將橋墩設(shè)在靠近海岸線(xiàn)附近的陸地上或懸崖突出部位.

對(duì)于多孔跨布置的橋梁，如果橋墩高度隨地面線(xiàn)變化處理得當(dāng)，則一個(gè)個(gè)豎立的橋墩會(huì)隨著高度的變化而形成優(yōu)美的韻律感，所以對(duì)橋位處的地面線(xiàn)型有時(shí)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)處理，使其從視覺(jué)上更能滿(mǎn)足對(duì)稱(chēng)、變化等整體景觀(guān)效果.

2）橋墩造型的視覺(jué)處理 橋墩造型是否美觀(guān)，也是橋梁美學(xué)的一個(gè)重要方面.以混凝土為主要材料的橋墩最富可塑性.X形、V形、四叉形和薄殼式以及近似H形橋墩都獲得了成功，并為它們所屬的橋梁增色不少.見(jiàn)圖4～5.

圖4 橋墩造型

圖5 橋墩色彩造型

另外，合理利用色彩和光影效應(yīng)會(huì)給人視覺(jué)以結(jié)構(gòu)形式變化的感覺(jué)，達(dá)到意想不到的橋墩造型效果，圖5中墩身的涂裝給人以一種鏤空的感覺(jué)，使原本單調(diào)橋墩造型具有跳躍感.

3）橋墩與梁體的視覺(jué)過(guò)渡 橋墩的體量大小與上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造息息相關(guān)，要使橋墩看上去輕盈纖細(xì)而有韻味，并與主梁相協(xié)調(diào).良好的橋墩與梁體視覺(jué)過(guò)渡首先表現(xiàn)在尺度方面，薄墩厚梁給人以頭重腳輕、不穩(wěn)定的感覺(jué)，而厚墩薄梁讓人產(chǎn)生笨重的感覺(jué)；其次表現(xiàn)在二者形狀的一致，如對(duì)于預(yù)制混凝土I型梁或由直線(xiàn)邊構(gòu)成的箱梁，則應(yīng)該用由平面與直線(xiàn)邊構(gòu)成的橋墩，而對(duì)于由曲面構(gòu)成的箱梁則應(yīng)用由曲面構(gòu)成的橋墩，見(jiàn)圖6.

圖6 橋墩與主梁形式一致

橋墩與梁結(jié)合的原則是考慮視覺(jué)上的自然、連續(xù).二者結(jié)合處應(yīng)盡可能無(wú)蓋梁，以減少視覺(jué)障礙，如采用Y形、V形墩等.如果墩柱通過(guò)蓋梁與上部連接，則沿橋軸方向看去，橋下連續(xù)性被橫隔梁阻斷，墩成為視覺(jué)重點(diǎn)，此時(shí)要特別注意墩的造型與表面處理，改善視覺(jué)印象，除此之外，蓋梁端頭或耳梁盡量不要外露，否則會(huì)對(duì)橋梁整體連續(xù)性有所削弱，留下遺憾.

1.5 橋臺(tái)的視覺(jué)誘導(dǎo)

橋臺(tái)美觀(guān)與否和整座橋梁的美觀(guān)程度聯(lián)系密切，特別對(duì)于跨數(shù)不多的橋梁則更為明顯，并且對(duì)周?chē)h(huán)境也有重大影響，橋臺(tái)的視覺(jué)處理見(jiàn)圖7.常規(guī)設(shè)計(jì)的橋臺(tái)外觀(guān)展現(xiàn)的是笨重的混凝土實(shí)體，再加上運(yùn)營(yíng)期間表面的污痕等累積使其很難與美學(xué)直接關(guān)聯(lián).在此基礎(chǔ)上，如果進(jìn)行簡(jiǎn)單的栽植視誘，見(jiàn)圖7b），則植物的鮮明色占據(jù)視覺(jué)的主體，在增加橋臺(tái)層次感的同時(shí)，橋臺(tái)的混凝土實(shí)體尺寸在視覺(jué)上也不再突顯，笨重感消失，并且淡化了混凝土表面的美學(xué)影響.當(dāng)然如果條件允許，采用生態(tài)錐坡方案則可更好地使橋臺(tái)完全融合到環(huán)境中，美學(xué)效果更佳.

圖7 橋臺(tái)的視覺(jué)處理

2 工程實(shí)例

石馬河大橋是新建的廣東從莞高速公路上的一座關(guān)鍵橋梁，分離式結(jié)構(gòu)，單幅橋面寬16.75 m，需同時(shí)跨越東深公路和石馬河，并且橋軸線(xiàn)與石馬河斜交.由于受地形條件限制，石馬河大橋跨越東深公路跨必須設(shè)置70m的主跨，同時(shí)受兩側(cè)連接線(xiàn)的路面標(biāo)高限制和橋下現(xiàn)有公路路面標(biāo)高限制，石馬河大橋的橋下凈空僅為5.5m.另外，石馬河的泄洪要求高，新橋的修建不允許對(duì)河流泄洪能力造成太大影響.

2.1 石馬河大橋總體景觀(guān)設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)僅從功能角度出發(fā)，橋跨布置方案為40m＋70m＋40m＋5×30m，沒(méi)有考慮美學(xué)的比例要求，見(jiàn)圖8a）所示.此時(shí)不僅左邊跨的設(shè)置顯得過(guò)于急促，且由于主橋跨在跨東深公路側(cè)，給人以視覺(jué)中心偏移的感覺(jué)，不符合傳統(tǒng)的視覺(jué)審美習(xí)慣.同時(shí)位于石馬河中的30m跨徑引橋部分不僅顯得節(jié)奏過(guò)快，給人以視覺(jué)緊迫感，而且由于其墩高與跨徑比基本接近于1，非常不利于視覺(jué)享受.

圖8 從莞高速石馬河大橋孔跨布置方案比較

考慮視覺(jué)比例完成的橋跨布置方案為40m＋3×70m＋50m，此布置方案的邊中跨比基本接近黃金分割比要求，視覺(jué)上不存在邊跨的急促感和引橋的緊迫感，且沒(méi)有增加最大跨徑的技術(shù)要求；以3個(gè)70m等跨布置將橋梁的視覺(jué)中心基本布置在橋跨中部，徹底消除視覺(jué)中心偏移感；視覺(jué)上橋梁各跨間比例勻稱(chēng)；由于新的橋跨布置方案不存在30m的引橋跨徑，其跨徑與墩高之比也完全能滿(mǎn)足視覺(jué)要求，使該橋的水平方向尺寸得到凸顯，符合橋梁審美要求.另外，橋墩布置的通透感也因橋墩個(gè)數(shù)的減少而得到保證，總體視覺(jué)效果良好，在確保經(jīng)濟(jì)性與可行性等的前提下，很好地達(dá)到了景觀(guān)效果.

2.2 石馬河大橋細(xì)部景觀(guān)設(shè)計(jì)

1）箱梁視覺(jué)設(shè)計(jì) 結(jié)合石馬河大橋的橋跨布置和經(jīng)濟(jì)性考慮，連續(xù)梁式結(jié)構(gòu)是其最佳選擇.由于受橋下凈空和橋梁跨徑的限制，該橋如不合理設(shè)計(jì)必然會(huì)造成“矮橋”效果.如圖9a）、10a）所示，石馬河大橋墩頂位置箱梁截面高度取4.5m，如上部采用傳統(tǒng)的直腹板變截面箱梁，懸臂寬度為4.375m，此時(shí)箱梁的全部高度都在側(cè)向視點(diǎn)范圍內(nèi)，即圖中所示光線(xiàn)完全到達(dá)箱梁底部，視覺(jué)上“矮橋”效應(yīng)明顯，給人以壓抑感.若將箱梁改為斜腹板形式，懸臂寬度變?yōu)?.75m，同時(shí)對(duì)箱梁各折角采用圓弧過(guò)渡，則梁體實(shí)際高度得到很好“隱藏”，景觀(guān)效果明顯改善.

圖9 石馬河大橋墩頂斷面方案比較（單位：cm）

2）橋墩視覺(jué)設(shè)計(jì) 由于橋墩個(gè)數(shù)的減少，使橋下空間的通透感得到了有效保證.另外，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的弧線(xiàn)設(shè)計(jì)，橋墩墩身采用弧線(xiàn)過(guò)渡，在墩身中間設(shè)置凹槽增加立體感，并在墩頂位置采用“鏤空”結(jié)構(gòu)，使主跨橋墩造型與上部箱梁平順過(guò)渡.與常規(guī)的薄壁墩相比，不僅橋墩造型上有明顯改觀(guān)，突出了層次立體感，基本消除了“矮橋”效果，而且造價(jià)不會(huì)增加，工藝要求也不復(fù)雜.

圖10 石馬河大橋細(xì)部方案效果圖比較

3）橋臺(tái)的景觀(guān)設(shè)計(jì) 由于該橋兩側(cè)接線(xiàn)有條件將橋臺(tái)完全置于視線(xiàn)范圍之外，景觀(guān)要求不高，最終采用埋置式橋臺(tái)方式.

3 結(jié)束語(yǔ)

橋梁景觀(guān)設(shè)計(jì)可以極大地提高橋梁的觀(guān)賞價(jià)值、審美價(jià)值和旅游功能，對(duì)當(dāng)?shù)氐木裎拿骱蜕鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)積極的影響.本文根據(jù)高速公路跨線(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和視點(diǎn)要求，提出了比例視誘法，即基于黃金分割比和橋梁跨徑與墩高比合理確定橋梁的孔跨布置，并結(jié)合翼板寬度、斜腹板、橋墩造型與韻律等手段實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的視覺(jué)誘導(dǎo)，形成了科學(xué)的高速公路跨線(xiàn)橋梁景觀(guān)技術(shù)，并在石馬河大橋的設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了具體應(yīng)用，取得了良好景觀(guān)效果.

［1］HU Zhijian，WAN Zhiwei，WANG Yunyang.Aesthetic design for structures of highway viaducts［C］∥Proceedings of the 10th International Conference of Chinese Transportation Professionals，2010.

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