问题

为什么桥梁要建成各种不同的样子?

回答
你有没有想过,为什么我们看到的桥梁千姿百态,有的像优雅的曲线,有的像粗犷的骨架,有的则镶嵌着华丽的装饰?这可不是因为建筑师们只是单纯地想“不一样”,而是背后有着非常复杂且迷人的原因,涉及到科学、艺术、文化,甚至还有一点点经济和历史的考量。

首先,我们得明白,桥梁最根本的作用是“连接”——连接两边的土地,让人们或车辆能够跨越障碍。但这个“跨越”的方式,以及跨越的是什么,决定了桥梁最基本的外形。

1. 功能性是第一考量:结构与载荷

想象一下,一座横跨宽阔河流的桥梁,和一座连接两国边境的山谷小桥,它们承担的任务完全不同,受到的力也天差地别。

跨度是关键: 如果只是一个小沟渠,可能一块木头或几块石头搭一下就够了。但如果要去跨越长江或者英吉利海峡,那就需要更复杂的结构来承受巨大的重量和巨大的跨度。
梁桥 (Beam Bridge): 这是最常见的类型,就像一根笔直的棍子放在两端。它适合短距离的跨越,比如横跨小河或公路。但如果跨度太大,中间就会因为自身的重量和交通载荷而弯曲甚至断裂。所以,梁桥通常做得比较厚重,或者用很多根梁并列来增加强度。
拱桥 (Arch Bridge): 这是人类早期就掌握的聪明设计。拱的形状就像一个向上翘起的微笑,能把桥梁的重量和交通的压力巧妙地分散到两端的桥墩上。石头拱桥尤其坚固,而且在视觉上很有力量感。古罗马的许多宏伟桥梁至今还在使用,就是最好的证明。不过,拱桥对地基的要求比较高,两端的支撑必须非常牢固。
悬索桥 (Suspension Bridge): 要想跨越极其宽阔的河流或海峡,比如美国的金门大桥,就离不开悬索桥。它就像一个倒过来的拱,主缆从两边的塔架之间跨过,然后向下悬挂无数细小的吊索,连接着桥面。这种结构能把巨大的载荷分散到很高的塔架上,塔架再将力传导到地基。悬索桥最大的特点就是轻盈优美,给人一种“飞起来”的感觉,但它对风力非常敏感,设计时需要考虑很多空气动力学因素。
斜张桥 (CableStayed Bridge): 这种桥看起来像现代艺术品,有很多从高耸的桥塔上放射状延伸下来的钢索直接支撑着桥面。它介于悬索桥和梁桥之间,承载能力也很强,并且比悬索桥更容易建造,也更美观。斜张桥能创造出非常独特的天际线,让城市更具辨识度。
组合结构: 很多时候,工程师会结合不同的结构形式,比如在桥墩上用拱,在桥面上用梁,或者在主梁上加斜拉索,以达到最佳的性能和经济性。

载荷类型: 桥梁要承受的不仅是汽车和火车,还有风、水流、地震,甚至是车辆的冲击。不同的载荷会影响桥梁的材料选择、结构强度以及对地震的抵抗能力。比如,在地震多发区,桥梁的连接处和基础设计会格外注重柔韧性和抗震性。

2. 美学与艺术追求:不仅仅是“能用”

桥梁不仅仅是工程师的计算成果,它们更是城市或景观的“名片”,是人类与自然对话的媒介,所以美学是不可忽视的一环。

历史传承与风格模仿: 很多桥梁的设计会参考历史上的经典风格。比如,一些古老的欧洲城市里,你会看到很多罗马风格的拱桥,或者中世纪哥特风格的尖拱桥。这些桥梁不仅承载着交通功能,也承载着城市的记忆和历史的厚重感。新设计的桥梁有时也会有意模仿这些风格,以融入周围的环境,增强历史的连贯性。
与环境的融合: 一座桥梁应该和谐地融入它所处的自然或城市环境。一座横跨宁静湖泊的桥梁,可能需要更柔和的曲线和自然的材料,避免过于突兀。一座连接繁华都市的桥梁,则可以更大胆地运用现代材料和设计,成为城市的一道亮丽风景线。例如,悉尼海港大桥的钢拱结构,不仅坚固,也与海港的壮丽景色相得益彰。
象征意义与文化表达: 有些桥梁的设计带有特殊的象征意义,比如纪念某个人物、某个事件,或者代表一个城市的精神。桥梁的设计语言可以传达力量、希望、团结,甚至是创新。例如,一些现代桥梁会采用独特的造型,如动物的形态或抽象的艺术图案,来赋予桥梁更深的文化内涵。

3. 材料的革新与限制:科技在说话

桥梁的面貌也随着材料科学的发展而不断变化。

石材与木材: 这是早期主要的建筑材料。石材的坚固和可塑性创造了经典的拱桥,而木材则被用于更短跨度的桥梁。它们朴实自然,但受限于材料的强度和耐久性,对跨度和载荷有较大限制。
钢铁: 工业革命带来了钢铁,这彻底改变了桥梁的面貌。钢材的强度大大超过了石头和木材,使得建造更长、更高、更薄的桥梁成为可能。斜拉桥、悬索桥,这些令人惊叹的现代桥梁,很大程度上得益于钢铁的普及。钢材的工业美学也成为一种设计风格。
混凝土与预应力混凝土: 混凝土是一种灵活且经济的材料,尤其在预应力混凝土技术出现后,它能够承受比普通混凝土更大的拉力,极大地拓展了梁桥和拱桥的设计自由度。现代混凝土桥梁可以呈现出非常流畅和复杂的造型。
复合材料: 随着科技进步,碳纤维等复合材料也开始应用于桥梁,它们比钢铁更轻、更强,且不易腐蚀,为未来桥梁的设计提供了更多可能性。

4. 经济性与建造的便利性:现实的考量

再美好的设计,也需要考虑预算和施工的实际情况。

成本效益: 不同类型的桥梁结构,其材料成本、施工成本和维护成本都有很大差异。工程师需要在满足功能和美学需求的同时,选择最经济的方案。一座成本过高的桥梁,即使设计再漂亮,也可能因为无法获得批准而无法建造。
施工难度: 某些结构形式在特定的地理条件下可能难以建造。例如,在水流湍急的深河上建造大型桥墩会非常困难和昂贵。这时,悬索桥或斜张桥这种少建或不建水中桥墩的结构就可能成为更优的选择。
维护与寿命: 一座桥梁的寿命可能长达数十年甚至上百年,因此其维护成本和耐久性也是设计时必须考虑的因素。有些材料和结构虽然初期成本低,但后期维护费用高昂,这也会影响最终的设计选择。

5. 城市规划与交通需求:整体的协调

桥梁不仅仅是独立的建筑,它们是交通网络的重要节点,也影响着城市的景观和发展。

交通流量: 桥梁需要承载的交通流量决定了它的宽度、车道数量以及荷载等级。高流量的城市主干道上的桥梁,往往会设计得更为宽阔和坚固。
与周边道路的衔接: 桥梁的引道设计需要与周边的道路系统无缝衔接,以确保交通的顺畅。这也会影响桥梁整体的布局和造型。
景观效果: 在城市中心区域,桥梁的设计往往会被提升到城市景观的重要组成部分来考虑。一些标志性的桥梁,如伦敦的塔桥,其本身就成为城市的地标。

总而言之,桥梁之所以有各种不同的样子,是因为它们需要在满足 连接、安全、承载 的基本功能之外,还要 适应环境、体现美学、传承文化、顾及经济、响应科技 等多重需求。工程师和建筑师们就像是一位位巧匠,他们在物理定律和艺术想象之间找到了最完美的平衡点,创造出了这些横跨江河、连接人心的伟大建筑。下次当你走过一座桥梁时,不妨多看一眼,细细品味它独特的身姿,那里可能就蕴含着一个故事,一段历史,或者一项令人赞叹的工程智慧。

网友意见

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桥梁工程一直很有魅力。

最近在研究拓扑优化,我就从拓扑优化的角度,看一下桥梁为什么有不同的形式。

桥梁,我们可以看作是跨越河流/道路的一根梁,当跨越距离很小时,截面高度不需要很大就可以跨越,满足各种要求。

梁式桥/桁架桥

当跨越距离变大时,为了满足相同要求,梁的高度要变大,当我们使用钢材时,可以用更少的材料满足要求。于是在下图这样的支承方式下,通过拓扑优化,减少应变能密度较小的区域,保留较大的区域,可以得到一个刚桁架桥

拱桥

当我们改变支承方式,主要支承区域下方两个位置,再通过拓扑优化,可以得到一个类似的上承式拱桥

当然,我们也可以改变区域的位置,如下图,可以得到一个类似下承式拱桥

斜拉桥

当桥的跨越距离更大时,增加梁的高度已经不可能了,只能在桥的中间加桥墩了,这个时候,我们可能得到一个类似的斜拉桥,由于我使用的材料是允许受压的,因此会有压杆产生

以上反应的是不同的支承方式、不同的区域会有不同的拓扑优化结果。


三十辐,共一毂,当其无,有车之用。

埏埴以为器,当其无,有器之用。

凿户牖以为室,当其无,有室之用。

故有之以为利,无之以为用。


在结构设计中,「」是为了创造有利传力路径,「」是为了使传力路径上的材料最大限度的发挥作用。在历史的长河中,可能建造了丰富的桥梁形式,能够被保留下来的很少,而这些都是扛得住外界各种作用的,换句话说就是最优的,我们认识和研究的也就是被保存下来的这些形式。

好吧,就分享这么多了。

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