橋梁設(shè)計是橋梁工程建設(shè)的一個重要環(huán)節(jié)，是一座大橋成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在上世紀90年代以后，為了滿足我國對于交通運輸?shù)凝嫶笮枨?，中國橋梁得到了飛速的發(fā)展。目前，我國的特大跨徑懸索橋、斜拉橋的跨徑都達到了世界頂尖水平。然而，正如同濟大學(xué)項海帆院士所說的“中國目前是橋梁大國，還算不上橋梁強國”。橋梁技術(shù)還處于跟隨西方發(fā)達國家腳步的階段，橋梁設(shè)計理論、新技術(shù)、新材料的創(chuàng)新和應(yīng)用，還遠遠達不到橋梁強國的要求，需要我們一代代橋梁人繼續(xù)為之努力。

橋梁設(shè)計創(chuàng)新

橋梁結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

由于經(jīng)典力學(xué)理論已經(jīng)非常成熟，作為土木工程的一個分支，橋梁結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新其實是橋梁設(shè)計創(chuàng)新中最為困難的部分。簡支梁橋、連續(xù)梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋，這些傳統(tǒng)橋型已經(jīng)非常成熟。試圖發(fā)明一種全新的橋梁結(jié)構(gòu)形式難度是非常巨大的。所謂的橋梁結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，很大意義上說是在以上這些經(jīng)典橋型的基礎(chǔ)上，結(jié)合功能需求、地形地勢、建筑景觀設(shè)計理念進行局部的創(chuàng)新和改進。但歸根結(jié)底橋應(yīng)該仍然是橋，以交通功能和實用為主。前些年也曾經(jīng)出現(xiàn)過為了吸引眼球等，建成了一些純建筑裝飾的橋梁，裝飾建筑完全不參與結(jié)構(gòu)受力甚至額外增加橋梁荷載，這樣浪費了大量財力、物力，而且這種橋梁也是經(jīng)不起時間考驗的。

橋梁設(shè)計理念創(chuàng)新

橋梁設(shè)計理念的創(chuàng)新，是指在橋梁設(shè)計中，采用與以往不同的思路和理念，突破常規(guī)，達到意想不到的效果。

隨著橋梁的發(fā)展，以往將橋梁簡單歸納到土木學(xué)科一個分支的做法已經(jīng)不能適應(yīng)時代的發(fā)展。多學(xué)科的融合是必然的趨勢。例如，橋梁外觀造型設(shè)計需要結(jié)合當(dāng)?shù)匚幕?，引入建筑乃至美學(xué)、文學(xué)、哲學(xué)的理念。橋梁的局部構(gòu)件設(shè)計如橋梁支座、伸縮縫、阻尼器、吊桿、索價、索鞍等隨著技術(shù)的發(fā)展，需要與機械、電子、材料等學(xué)科相結(jié)合，制造出來更加合理、耐用的橋梁局部構(gòu)件。對于跨海橋梁的設(shè)計，氣象、水文學(xué)科的研究對橋梁的抗風(fēng)、防船撞設(shè)計將起到至關(guān)重要的作用。橋梁的施工監(jiān)控、健康監(jiān)測對于測量、電子、遙控、遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制都有很高的要求。因此，現(xiàn)階段的橋梁設(shè)計人員需要對以上相關(guān)學(xué)科及其在橋梁設(shè)計中所起到的作用都有一定的了解，以便能在設(shè)計過程中更加全面地進行考慮。至于更加專業(yè)的工作，當(dāng)然還是由各專業(yè)、各學(xué)科來分工合作，這也符合時代發(fā)展的潮流。

最早的橋梁設(shè)計主要是由橋梁結(jié)構(gòu)師完成的，主要以滿足交通功能為主。但橋梁美學(xué)自始至終都是橋梁設(shè)計的一個重要部分，中國古代的趙州橋、盧溝橋，除了堅固耐用，外形也十分美觀。

建國之初，受蘇聯(lián)實用主義影響以及當(dāng)時的經(jīng)濟狀況局限，國內(nèi)大多數(shù)橋梁以實用為主，景觀方面考慮較少。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和時代的變遷，近年來人們對橋梁美觀的要求越來越高，很多橋梁逐漸發(fā)展成為城市的重要地標建筑。國際上也是如此，像卡拉特拉瓦等一大批建筑師參與到橋梁設(shè)計當(dāng)中來，留下了眾多造型前衛(wèi)大膽的橋梁佳作，給人耳目一新的感覺。

建筑設(shè)計理念在橋梁設(shè)計創(chuàng)新中的應(yīng)用，主要包括以下幾個方面：

多糖是淮山的主要生物活性物質(zhì)之一，能提高機體免疫力[5]。許效群等[6]報道，中、高劑量的淮山多糖可以顯著提高小鼠免疫臟器指數(shù)和吞噬細胞的吞噬指數(shù)以及血清溶血素水平，因此認為淮山多糖具有較高的免疫增強活力。Choi等[7]對淮山粘多糖的體外免疫調(diào)節(jié)研究發(fā)現(xiàn)，10 μg/mL的淮山粘多糖(YMP)能促進淋巴細胞干擾素(IFN-γ)的產(chǎn)生、促進小鼠抗白血病細胞的增殖，認為淮山粘多糖可以作為免疫活性多糖的來源。

第一，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍v史文化和自然環(huán)境，考慮橋梁的造型和立意。例如，同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司在江西贛州設(shè)計的三座大橋，就體現(xiàn)了贛州的當(dāng)?shù)氐谋姸嗵厣?。贛州大橋是一座主跨408米的懸索橋。橋梁結(jié)構(gòu)本身是比較常規(guī)的。設(shè)計時我們在橋塔上做了很大的文章，將常規(guī)的鋼筋混凝土門型橋塔的造型加以改進，結(jié)合當(dāng)?shù)乜图椅幕谋姸嘣貏?chuàng)造了門闕形狀的索塔，橋梁總造價僅增加不到5%，卻給當(dāng)?shù)乜图胰艘愿嗟挠H切感和文化認同感。贛州新世紀大橋橋位附近周邊建筑風(fēng)格比較現(xiàn)代，我們采用鋼桁架拱橋的結(jié)構(gòu)形式，富有力度感，大氣磅礴。同時，大膽采用中國紅的色彩與當(dāng)?shù)馗锩蠀^(qū)的紅色文化相呼應(yīng)。而贛州沙石大橋的造型則好似一只展翅欲飛的白鷺，這主要是和橋位周邊的景觀濕地公園相呼應(yīng)，使橋梁很好地融入了周圍環(huán)境。

第二，按建筑設(shè)計的理念去設(shè)計橋梁。這并非是否定傳統(tǒng)的安全、適用、經(jīng)濟、美觀的橋梁設(shè)計原則，而是在設(shè)計一開始就把橋梁的景觀、與周邊環(huán)境的融合放在非常重要的位置。在設(shè)計全過程中，自始至終將建筑設(shè)計理念融入結(jié)構(gòu)設(shè)計。做到整體結(jié)構(gòu)造型符合建筑景觀和構(gòu)思立意，結(jié)構(gòu)細節(jié)做到精細化設(shè)計，并且與整體建筑風(fēng)格協(xié)調(diào)一致。同時在結(jié)構(gòu)布置中，利用建筑設(shè)計的一些技法例如盡可能做到黃金分割、比例協(xié)調(diào)等，力求達到建筑和結(jié)構(gòu)的完美融合。

第三，在設(shè)計理念的表達和傳遞過程中引入建筑設(shè)計的手法。

在目前階段，橋梁設(shè)計和其他各專業(yè)的設(shè)計一樣，對于業(yè)主、建設(shè)方，已經(jīng)不能滿足于傳統(tǒng)的以結(jié)構(gòu)、功能為主的純理性的枯燥表達方式。橋梁設(shè)計的構(gòu)思和理念也要通過生動、活潑的表達方式傳遞給業(yè)主。讓對方更加深刻地理解設(shè)計的意圖。因此，橋梁設(shè)計也要借鑒建筑設(shè)計的表達手法，通過一系列的創(chuàng)意構(gòu)思手法、景觀美學(xué)分析等建筑設(shè)計常用的方法進行表達。三維建筑表現(xiàn)、手繪草稿、夸張放大的建筑細節(jié)都是必不可少的。這不僅僅是適應(yīng)業(yè)主需求，也是時代發(fā)展對于橋梁功能內(nèi)涵進行擴充的客觀需要。

第四，新材料、新工藝的應(yīng)用。每個行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展往往都要結(jié)合新材料、新工藝的誕生和發(fā)展。橋梁工程發(fā)展至今，混凝土、鋼筋、預(yù)應(yīng)力、高強鋼絲的性能已經(jīng)基本被發(fā)揮到了極致。目前，其他科技領(lǐng)域的新材料發(fā)展飛速，橋梁工程領(lǐng)域相對滯后。橋梁跨越能力的增加需要橋梁建筑材料重量更輕，強度更高，并且具有耐高溫、防腐蝕、抗疲勞的良好性能。每次材料的革新都會引起橋梁技術(shù)的革命。

目前，比較具有發(fā)展前途的新材料包括高強碳纖維材料，具有強度高、重量輕、防腐蝕的優(yōu)點。但是耐高溫、抗疲勞方面尚不能盡如人意，另外價格比較昂貴，目前主要應(yīng)用在橋梁加固領(lǐng)域，還沒有大規(guī)模廣泛運用。如果能夠加以改善，將使橋梁發(fā)展上升到一個新的臺階。

新工藝方面主要是裝配式橋梁的大量應(yīng)用。裝配式的空心板梁、預(yù)應(yīng)力小箱梁、T梁已經(jīng)大量應(yīng)用了幾十年，其標準化生產(chǎn)、快速安裝的優(yōu)點取得了很好經(jīng)濟效益和社會效益?，F(xiàn)階段裝配式橋梁的發(fā)展主要是大型梁段的整體制造和安裝、鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的預(yù)制和現(xiàn)場安裝、橋墩的預(yù)制和安裝。這主要是由于現(xiàn)在的吊裝設(shè)備、吊裝能力有很大提高，使得原來預(yù)制安裝化整為零的思路演化為整體的制作安裝，速度更快，質(zhì)量更有保證，這將是未來橋梁發(fā)展的方向。

橋梁設(shè)計方法創(chuàng)新

由二維設(shè)計轉(zhuǎn)向三維設(shè)計（BIM技術(shù)的應(yīng)用）

傳統(tǒng)的設(shè)計過程是從三維→二維→三維的過程，設(shè)計人員腦子里設(shè)想三維的結(jié)構(gòu)，通過二維的圖紙進行表達，再由施工單位通過對二維圖紙的解讀還原成三維的實體結(jié)構(gòu)。

這種方法有很大的缺點：

第一，設(shè)計人員的三維想象能力有限，設(shè)計過程中不能實現(xiàn)可視化，這種設(shè)計方式不可能設(shè)計出比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；

第二，通過三維→二維→三維的轉(zhuǎn)換過程中容易產(chǎn)生表述不清的情況，只要當(dāng)中某一個環(huán)節(jié)產(chǎn)生誤解，就可能出現(xiàn)施工上的錯誤，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全隱患或不必要的返工。

第三，二維設(shè)計的不直觀不利于各個專業(yè)的銜接以及同一專業(yè)不同模塊間的組裝、檢查。

針對以上問題，目前發(fā)展的趨勢是三維設(shè)計、三維表達。目前比較流行的BIM技術(shù)基本就是基于這種理念。直接在三維環(huán)境下進行設(shè)計，由于所見即所得，可以設(shè)計較為復(fù)雜的模型，對于存在的問題也容易及時發(fā)現(xiàn)和調(diào)整，另外和相關(guān)專業(yè)或同一專業(yè)的其他模塊之間也更容易匹配。如果施工單位的習(xí)慣和水平仍停留在二維階段，也可以由三維的模型生成二維的圖紙，如果施工單位也具備三維能力，則可以直接將三維模型交給施工單位，對照進行施工。施工單位可以在此模型基礎(chǔ)上繼續(xù)進行施工階段的分析和設(shè)計，甚至業(yè)主單位也可以利用這個模型進行后期橋梁的實時監(jiān)測和后期管養(yǎng)，實現(xiàn)橋梁全生命周期內(nèi)設(shè)計、施工、監(jiān)控、健康檢測的一體化。

常規(guī)橋梁的參數(shù)化設(shè)計、自動化出圖

以往橋梁設(shè)計除了少量標準圖外，多采用人工手動出圖。工作效率低下，重復(fù)工作量大。目前，國內(nèi)已經(jīng)有多個出圖軟件，能實現(xiàn)對于較常規(guī)高架、立交上下部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計和自動化出圖。這樣可以大大提高生產(chǎn)效率，提高設(shè)計精度，可以讓設(shè)計人員騰出精力考慮更多、更復(fù)雜的設(shè)計問題，是橋梁設(shè)計的一次革命。

橋梁計算方法的創(chuàng)新

傳統(tǒng)的橋梁計算方法主要是依據(jù)經(jīng)典橋梁設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)知識對橋梁結(jié)構(gòu)進行理論計算。隨著設(shè)計規(guī)范的不斷更新，由傳統(tǒng)的經(jīng)驗系數(shù)法到半概率—半經(jīng)驗設(shè)計方法，到目前發(fā)展到基于概率統(tǒng)計的極限狀態(tài)分析法，橋梁結(jié)構(gòu)計算越來越復(fù)雜。同時，隨著橋梁結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新，異形、空間結(jié)構(gòu)越來越多，常規(guī)的平面桿系計算模型往往不能滿足要求。因此，橋梁計算方法也在不斷創(chuàng)新。目前對于復(fù)雜橋梁基本采用大型空間有限元計算程序，能夠適應(yīng)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的計算要求。另外，有的計算程序具有參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)點，適用于多方案的比選計算和調(diào)整，大大提高工作效率。

結(jié)語

橋梁設(shè)計歷史悠久、涉及專業(yè)眾多，總體來說是比較成熟的一個行業(yè)。但隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和時代的變遷，對于橋梁設(shè)計創(chuàng)新仍有很大的需求。橋梁設(shè)計創(chuàng)新包括橋梁結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、設(shè)計理念創(chuàng)新、設(shè)計方法創(chuàng)新，其最關(guān)鍵還是在于設(shè)計人員觀念的創(chuàng)新，敢于挑戰(zhàn)、大膽嘗試，不斷突破自我，歷史上的經(jīng)典之作多出自大膽的創(chuàng)新，因此不能被以往的成規(guī)戒律束縛了手腳。大膽假設(shè)、小心求證，才是工程設(shè)計人員應(yīng)有的工作態(tài)度和方法。