VR集成化技术工程师：“虚似”与“实际”的铁路桥人，vr技术应用工程师

铁路桥梁如何设计才是“工程之美”？

桥梁美学的艺术一直以来是桥梁工程师追寻、探索的目标之一，结构优秀而形式韵律俱佳的桥梁往往能成为一座城市中富有代表性的优秀道路交通建筑，成为城市居民观赏的一抹亮丽风景线，因此其重要性不言而喻。当代的桥梁建设发展速度迅猛，随着当今时代的发展，其美学观念亦越来越被世人所重视，人们更加乐意观赏、使用一座充满形式美感的桥梁，而非一座仅具运输能力的桥。基于此类前提，我们围绕实用性对桥梁美学的影响、桥梁建设中创新美学的发展状况、工程设计与艺术美学矛盾及其解决之道依次展开讨论。

实用与审美结合 结构与功能统一

马克思曾提到：美的本质是人的本质力量在对象世界中的感性显现。因此，桥梁不同于一幅美丽的图画，虽然它需要美，但是人们更要在其中生存和活动，它的物质功能才应是第一性的。桥梁的美是人类为了更好地生存发展，在征服天堑带来的自然阻隔中感受到的、自身的本质力量所散发出来的美。

桥梁美学设计的基础就是使桥梁在其使用寿命中不仅具有交通功能，还能以其百看不厌的魅力，给人以美感。人们在通过桥梁时会获得一种美的享受，得到身心愉悦的感觉。也就是将实用与审美结合，结构与功能统一。

在桥梁美学的设计上，由于桥梁设计通常是由桥梁工程部门独立完成，艺术设计单位一般并不介入，因此并没有专门的建筑艺术设计人员参与，这是现今桥梁工程中美学运用的一个矛盾点所在。桥梁作为公共建筑，其存在自然备受瞩目，美的桥梁建筑可以给人们带来愉悦感，为周边景色增添特色，成为地标性建筑，因此“美”这一观念在桥梁建设中是不应被忽视的。

于是，桥梁工程师不断地在追求和探索桥梁结构美学，创造出美的桥梁建筑作品。同时，建筑、景观等其他专业的人才也开始与桥梁工程师展开合作，共同创造出更多美观、艺术的桥梁。

但不可忽视的是，基本功能才是确定桥梁基本形式的重中之重，这种形式本身就是美感的源泉，附加功能无论如何不应损害其基本功能。只有在发挥实用目的的基础上，同时给人以审美感受，才有构成桥梁美的实际意义。《资本论》中关于劳动过程的分析已经告诉我们，作为劳动产品，它的使用价值同审美价值是同时形成的，无法区分先后。

桥梁审美必须把物质与精神、实用与审美摆在平等的地位上，在矛盾中去把握、调整和规范两者的关系。一座美的桥梁，不完全在于它的视觉形象，而主要在于它在使用中能否使人产生美感，符合“愉快原则”。这里的“愉快原则”不同于艺术原则，它建立在实用基础之上。这种愉快不只是精神的愉悦，而首先是物质、生理的快感。桥梁应该首先满足物质上的需求，再达到精神上的愉悦。

铁路桥梁美学发展

我国铁路建设的发展大致经历了以下四个阶段——

从1950年到1990年，这个阶段的中国桥梁建设者主要为了满足桥梁的功能性要求，对景观美学方面注重较少，桥梁设计以实用、经济为主。铁路桥以简支梁为主。该类性质的桥型较为单一，没有太多造型上的特色，也没有太强的装饰效果。由于受社会经济条件限制，这个年代的桥梁设计主要追求经济适用，对景观美学功能涉及较少。

从1990年到2000年，在这个阶段的中国桥梁建设者开始有了桥梁上美学意识的萌芽，在桥梁的比例和尺度方面对桥梁的美观性开始注重起来。在连续梁方面的应用越来越广泛，跨度变得更大，桥梁的形式体系变得丰富起来。在此期间建设的石长铁路资水特大桥、京九铁路吉安赣江特大桥、广深准高速铁路石龙特大桥和湘黔铁路复线湘江特大桥等，都是具有代表性的桥梁。

从2000年到2010年，常用的标准简支梁、桥墩等则不再仅仅满足于功能需求，桥梁设计师开始在常用的墩梁上做些尝试和改变。如在张呼铁路集宁南特大桥的设计上，桥墩采用刻槽等造型处理，主梁增加了一些弧线的变化，使其具有美感；在昌九城际永修特大桥的设计上采用了花瓶造型的桥墩；在京沪高铁丹昆特大桥中，首次采用双柱墩，改变铁路重力式桥墩的笨重感。美学思维逐渐在桥梁设计中被普遍运用。

高速铁路在这一时期进入快速发展阶段，桥梁技术得到快速进步，桥型百花齐放，桥梁设计更加注重美学要求。

2010年10月22日通车的宜万铁路野三河大桥为这一时期的经典案例。该桥位于巴东县境内，跨清江支流野三河上游，桥址处河道狭窄、两岸陡峭，桥面离谷底135米。该桥设计充分利用桥址的地形特点，采用非对称拱结构。在结构上，两侧拱脚高差15.85米，既有效减小了拱跨度，又避免了拱座基础与隧道结构相互干扰的矛盾。在景观环境上，形成山、水、桥、隧相互协调互为映衬的体系，构思巧妙，景观与桥和谐统一做到了“随形、顺势、点景”，两侧拱脚立于V谷峭壁上，犹如“天上飞虹”，为秀丽的峡谷增加一道风景。该桥荣获中国铁道学会铁道科技二等奖、铁道部优秀工程设计二等奖、中国铁道建筑总公司科学技术一等奖。

图1 宜万铁路野三河大桥

高铁时代来临后，我国兴起了桥建合一的结构。武广客专武汉站是超大型桥建合一的综合结构体系，车站为铁路桥梁与站房结合的建筑，是我国站房内高架桥梁设计技术发展的一个重要阶段。武汉站上部房屋结构采用树枝状钢柱支撑波浪状网壳结构，造型独特，寓意丰富，包含“千年鹤归”“江城武汉”“中部崛起”“九省通衢”之意，表现了武汉重要的地域特色。根据站房使用功能及建筑造型上的需要，站房核心区桥梁采用空间异形预应力混凝土连续刚构拱桥，首次采用鱼腹式横断面，梁的高跨比为1/7，造型独特，流畅美观；其余部分桥梁采用36米的简支箱梁，均采用鱼腹式横断面。高架站台梁采用独特的钢－玻璃组合结构，结构高度小，重量轻，同时也解决了地面层采光的问题。作为国内首座采用叠合式立体布局的站桥合一结构，造型独特，寓意丰富。也因此荣获芝加哥雅典娜建筑设计博物馆颁发的“2012年国际建筑奖”、武汉市“最美建筑”等称号。

图2 武广客专武汉站效果图

在此之后，铁路建设迎来了大发展，跨越大江、大河需要桥梁具备更大的跨度。梁拱体系组合桥将混凝土的连续梁和连续刚构带到了更大跨度，一方面解决了铁路桥梁刚度的要求，另一方面也带来了更匀称的高度比，结构更具力量与美感。

以宜万铁路宜昌长江大桥为例，该桥位于湖北省宜昌市，是宜万铁路全线重点控制性工程之一。主航道桥采用130米＋2×275米＋130米连续刚构柔性拱组合桥式结构，这种结构体系将连续刚构和钢管混凝土拱两种结构结合在一起，具有跨越能力强、整体刚度大、施工方便、后期线形稳定的优点，不仅解决了铁路桥的刚度和徐变变形问题，也大大降低了连续刚构的跨中和支点梁高，获得了合理桥型比例尺寸。造型简洁、美观，比例协调。打破了大跨度铁路桥的笨重印象，该桥型已广泛应用于大跨度铁路桥梁。

图3 宜万铁路宜昌长江大桥

2010年至今，斜拉桥兴起。最初的斜拉桥仍以梁受力为主，部分斜拉桥以其动力性能良好、外观优美、经济指标合理等优点，极大地适应于高速铁路桥梁，但部分斜拉桥在应用中跨度受到了限制。大跨度的铁路斜拉桥由于刚度要求大，早期主梁基本都采用钢桁梁，整体气势磅礴。

商合杭铁路裕溪河特大桥为双线高速铁路，桥上线间距为5米，设计速度350千米/小时，无砟轨道，采用（60+120+324+120+60）米双塔钢箱桁梁斜拉桥，设计中在高速铁路斜拉桥上采用箱桁组合结构，提高了结构刚度，保证了对无砟轨道适应性要求。在满足功能要求的条件下，本桥结构的建筑美学设计采用了简洁、对称、比例协调的元素。其主桁采用了对称、简洁的三角桁，桥塔设计以简洁为主，注重整体比例的协调。

图4 商合杭铁路裕溪河特大桥

昌赣客专赣州赣江特大桥主桥为主跨300米双塔双索面组合梁斜拉桥，是国内首座铺设无砟轨道的大跨度斜拉桥。主桥设计不仅考虑行驶高速铁路的特色结构要求，也从美学、景观上进行了考虑。桥址位于章江和贡江汇合为赣江的交汇口，采用了“人字形”桥塔与地理文化契合，造型既显气势也不缺优雅；采用了组合箱梁结构，既满足了刚度要求，梁体又显得轻巧，比例协调。

图5 昌赣客专赣州赣江特大桥

位于福建省东部沿海地区的新建福厦铁路，是我国第一条跨海高铁，桥梁设计人员对全线特色的桥梁进行了系列的景观造型、色彩设计。将福建土楼、海洋文化、现代造型设计理念等融入到桥梁设计中。

其中，泉州湾、安海湾特大桥的设计构思主要参考贝壳的形状。泉州湾大桥和安海湾大桥分别为主跨400米、300米高速铁路组合梁斜拉桥，两座桥的设计均采用了海洋文化特色。从贝壳形状上找到桥塔设计灵感，索塔造型从贝壳两侧的圆弧形状演变而来，体现了地域特色。

图6 泉州湾、安海湾特大桥设计草图

乌龙江特大桥主桥为（72+109+432+56+56）米高低塔双索面混合梁4线铁路斜拉桥，结合建桥条件，利用桥跨不对称布置，采用高低塔混合梁斜拉桥结构，经济合理地解决了桥跨布置受限问题，是世界首座大跨度4线铁路高低塔混合梁斜拉桥。桥塔设计融入地方元素，由“东方艺术”的德化白瓷演化而来。

图7 乌龙江特大桥设计草图

木兰溪桥式方案简洁大方，结构布局协调美观，是目前国内高速铁路最大跨度的混凝土独塔斜拉桥，桥体整体造型设计上简约大方棱角分明，桥梁上方又融入了“圆”的思想，以椭圆和半圆形设计为主，规避了桥体的一元性，转而向“方与圆”的二元对立模式，这些设计手法增加了桥梁的景观效果和美感。

图8 木兰溪桥设计草图

雷公山大桥桥塔的设计主要参考了帆船的造型，承载了海洋文化。

图9 雷公山大桥设计草图

湄洲湾大桥的主桥桥跨布置为（96+180+96）米预应力混凝土刚构矮塔斜拉桥，该桥位于莆田市，借用了古谯楼的重檐歇山顶，并对其进行抽象提炼。

图10 湄洲湾大桥设计草图

美观和经济如何协调

那么，是否美观性和经济性注定有着不可调和的矛盾？其实，桥梁的美观和经济性不一定冲突，工程师的设计除满足实用的要求外，美观是绝对不能忽略的，把桥造得好看而实用永远是工程师的责任之一。“安全、实用、经济、美观”是桥梁设计的原则。安全和实用是桥梁的基本要求，在满足此前提下，利用结构受力构造的优化处理，如“和谐的比例、好的结构体系、与环境融合的布置形式”等，既能达到美观效果，也具有经济性；在社会资源丰富的情况下，桥梁结构在适当追求美观和品质的基础上，稍微增加造价也是值得的。

但是，如果因此就认为优秀的建筑结构一定比平庸的建筑结构更昂贵，那就大错特错了，两者的全寿命周期成本也应纳入设计考虑之中。真正出色的衡量标准应该是——无法再省略一个构件，也无需再添加任何多余的材料。

作为新时代的桥梁设计师，不能把自己的思维局限在结构领域，也要试着将一些美学的思想和人才引入到桥梁设计领域，创造兼具结构艺术和美学审美的优秀作品。

设计师应培养足够的美学知识，沉淀足够的储备和自信，以识别美学专家有价值的想法，拒绝不恰当的想法，并能够有效回应业主和群众对项目的审美关注。要善于利用科技的力量和手段服务于设计，让设计的构思与细节从想象走向现实。

同时，我们更应拥抱新时代的科技进步与发展，利用大数据分析城市景观要素，服务于桥梁造型设计。利用建筑、景观相关的三维设计软件，多方位、多角度展现桥梁细节。利用VR及3D打印，让桥梁设计也可以实实在在“看得见、摸得着”。人类的审美观念在工业革命根本性的变革中，从艺术的殿堂走向整个生活领域，美学的视野扩展到了整个现实世界，也扩展到了和人类交往息息相关的桥梁。

随着交通强国，铁路先行发展理念的提出，铁路桥梁建设进入了一个空前发展的新时代。作为公共基础设施建筑，与环境的融合、协调，对环境的美化作用会受到更多的重视。桥梁艺术和文化上的意涵将成为设计、建设考虑的重要部分。

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2020年 第6期 总第98期

作者 / 谢晓慧 李桂林 文望青

作者单位 / 中铁第四勘察设计院集团有限公司