本文選自中國工程院院刊《Engineering》2018年第2期

作者：鄧文中

來源：Forms and Aesthetics of Bridges[J].Engineering,2018,4(2):267-276.

編者按

中國工程院外籍院士、美國國家工程院院士鄧文中在中國工程院院刊《Engineering》中撰文指出：一座橋梁真正被設計與建造的原因是出于人們跨越河流或山谷或是連接兩個地點的需求，該需求真正驅使着人們産生設計橋梁的目的，這就是以業主所能接受的成本在保證所建造橋梁安全的前提下，确保其典雅美觀并滿足一切功能性需求。一處成功的橋梁設計必然是自然的、簡單的、獨創的，且其設計應當與周圍環境相得益彰。美學并不是橋梁設計的附加屬性，而是設計中應當考慮的重要因素。在概念設計階段，設計人員應當兼顧橋梁的結構與美觀。成功的橋梁應當是“安全、實用、經濟且美觀”的，所以，橋梁設計工程師必須對結構理論與橋梁美學有深刻的理解。

一、引言

人類因文明的存在而與野生動物不同。例如，今天仍漫步在地球上的大象，其生活方式與它們千年前的祖先相差無幾，但因為文明的存在，我們人類得以極大地改善自己的生活方式。

文明是什麼？《韋氏詞典》将“文明”定義為“科學與技術所帶來的現代舒适和便利”。其中，便利可通過技術進步實現，然而，舒适隻能通過提升我們的環境質量而得以實現，這包括我們周遭事物的形态與美。如若不能确保我們的環境質量，就不能确保我們的生活舒适度。

大約2000年前，偉大的建築師馬可·維特魯威·波利奧曾向羅馬皇帝提議：“建築結構宜安全、實用、美觀！”這些要求在今天看來仍然行之有效，但我們更需要考慮經濟因素。因此，我們今天的标準應當是：“建築結構應當安全、實用、經濟且美觀！”

對于維特魯威而言，由于他為皇帝工作，因此其并不需着重考慮建築成本。但今天的建築工程師卻沒有那樣的奢侈體驗。除此之外，我們對于一座成功橋梁、一個優良結構的定義卻未曾改變。而橋梁之美也一直作為人們對成功橋梁的基本要求之一。

一座成功的橋梁應當是“安全、實用、經濟且美觀”的，該要求确保了橋梁的舒适與便利。

二、功能決定形式

一座橋梁是一條公路或是一條城市街道的組成元素，而這些公路、街道又是一座城市或一個社區整體規劃的組成元素。因此，橋梁的功能并非由橋梁工程師定義。一座橋梁真正被設計與建造的原因是出于人們跨越河流或山谷或是連接兩個地點的需求。該需求真正驅使着人們産生設計橋梁的目的，而該目的則最終決定了橋梁的功能。橋梁的功能建立在交通規劃的基礎上，并與社會經濟和城市研究成果相結合。對于一座設計使用壽命已确定的橋梁，上述研究可以幫助人們預測其在交通系統中所發揮的作用。交通工程師根據預測的交通流量和設計限速确定車道的數量。當地的地形地貌與其他當地條件則決定着所需橋面的幾何形狀，包括長度、最小跨距、建材最高等級和最小間隙等參數。

橋梁功能一旦确定，橋梁工程師就會選擇橋梁所采用的形式，以滿足其給定的功能——遵循着“功能決定形式”的箴言。然而在構建橋梁形式之前，橋梁工程師還必須考慮适宜的橋梁建造材料。上述過程如圖1所示。

圖1 橋梁設計流程圖

至于美學，它是最終确定橋梁設計的另外一個因素。我們不會制造醜陋的橋梁，它會污染環境。

三、橋梁形态的曆史演變

全世界的所有橋梁均可分為四類：梁橋、拱橋、斜拉橋以及懸索橋。所有這些主要的橋梁類型幾乎都與人類文明一樣古老。部分原始形式的橋梁，均是在千百年前就被人類建造。然而，今天更複雜和多功能的橋梁形式的演變可以追溯到不同時期的各種建築材料的引入。

從大約4000年前直到19世紀初，人們可用的建築材料隻有木材和石材。樹幹上的木材可以用于建造橋梁，因此，人們伐木以造橋。當面臨的跨度較大時，人們則建造石墩，以便可以使用樹幹在墩間橫跨；然而，這些橋梁并不堅固。其使用壽命與橋梁跨度均不甚理想。

石材的強度比木材的大很多，同時它的耐候性也更強。埃及和希臘所有的早期建築均是由石材所建。由于石材不能承受由彎曲造成的高拉應力，因此這些建築物柱子的間距非常近。此外，磚作為一種壓縮材料，在随後的某些應用領域中替代了石料。

拱橋是羅馬人和中國人最大限度地利用石材的抗壓強度的巧妙發明。羅馬人通過将連續的拱門連接在一起來建造一個桶形拱頂，從而形成一個巨大的内部空間。羅馬人運用圓頂、拱門、拱頂等元素創造了許多壯觀的建築。擁有43.3 m直徑圓頂的萬神殿曾長踞世界“最大的圓頂建築”的美譽達1800年之久。羅馬人利用拱型建造了許多橋梁和高架橋，其中一些今天依然存在。

鐵具有比石材更大的強度和可成型性，鐵鍊可以用于建造鐵索橋，這是一種“應力帶橋”，即懸索橋的早期形式。據報道，第一座主要的鐵索橋誕生于公元60年左右的中國——雲南省的蘭津橋，其主橋跨度約60 m。中國建造了許多鐵索橋，其中一些我們在今天仍可以一睹其風采。中國最大跨度的鐵索橋梁之一——泸定橋，建成于約400年前，鐵鍊也被用作該懸索橋的主纜；然而，這些鐵索橋往往結構較小，因為與石材類似，鐵缺乏較強的張力。

鋼材的應用真正革命性地推動了橋梁建設的發展，因為鋼材既可以承受高壓也可用于壓縮。19世紀中葉鋼鐵的大規模生産成為可能，工程師能夠建造大跨度的梁橋、桁架橋以及大而細長的拱橋。通過将鋼筋與混凝土相結合，我們也有了建造更多大跨度鋼筋混凝土橋的能力。

高強度鋼絲經冷拔工藝生産。這些高強度的鋼絲使得大跨度懸索橋的建造成為可能。在高強度鋼絲大規模商用之前，人們曾采用鋼鍊與榫卯結構來建造懸索橋，但這種橋梁的跨度是有限的。

高強度鋼絲的引入也極大地刺激了斜拉橋的發展。若鋼纜自重導緻下垂過大，則其無法發揮作用。橋梁的下垂程度是鋼纜中所受張力的函數。因此，隻有當鋼纜在永久負載條件下能承受很大的力時，鋼纜才能有效，這隻有在鋼纜由非常高強度的材料制成時才有可能，這樣它仍然可以保留承載活載的能力。高強度鋼絲還改善了預應力混凝土的經濟性與多功能性。因此，許多預應力混凝土橋梁也已建成。

顯然，特定材料的選用影響着橋梁形式的選擇。因此，橋梁的發展可劃分為兩個時期：拱橋時代和當代四種橋梁的時代。拱橋時代跨越了4000年，而當代四種橋梁時代則隻有不到200年時間。

展望未來，諸如碳纖維、超高性能混凝土和納米材料等諸多新材料可用于建造全新的橋梁形式。然而，這些材料尚未完善到可以進行大規模應用。因此，我們可以說，在過去的四五千年中，人類隻發明了四種橋梁形式，如圖2所示。

圖2 鋼鐵的引入促進了新的橋梁形式的發展。（a）鐵沒有改變橋梁形式（普裡查德的煤溪谷鐵橋）；（b）高強度鋼絲促進了新的橋梁類型的産生；（c）應用高強度鋼絲後，橋梁工程開啟了全新的篇章

四、基本構件——橋梁結構的基礎

盡管梁橋、桁架橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋（圖3）這五種基本形式可能看起來彼此非常不同，但這些橋梁類型中的每一種卻又僅由三個基本構件組成：軸向、彎度和曲度。通過重組與混合這三種基本構件，我們可以創建不同的橋梁結構。

圖3 橋梁類型。（a）阿科斯塔橋（梁橋）；（b）舊金山−奧克蘭海灣大橋（桁架橋）；（c）Crooked River Bridge（拱橋）；（d）Talmadge紀念橋（斜拉橋）；（e）金門大橋（懸索橋）

例如，桁架橋主要由軸向構件組成。彎度構件可能存在，但它是次要因素。斜拉橋亦是如此。然而，拱橋通過曲度的變化來承載其負荷，懸索橋的主纜也是如此。而相比之下，梁橋則主要是由彎度構件構成（圖4）。

圖4 橋梁結構的基礎

五、工程學是一門藝術，不是一門科學

工程學不是一門科學。科學的目的是發現獨一無二的真理。因此，科學是死闆的，因為我們不可能改變真相。科學不論對錯，沒有“好”或“壞”的科學。與科學家不同，工程師不是去發現，而是根據他們的主觀經驗和偏好去創造事物。因此，工程學是靈活的，這種靈活性使得工程師能夠在一定的範圍内選擇甚至去創建滿足橋梁給定功能的新的結構形式。這個選擇和創作過程就是一門藝術！

工程也不是一門應用科學。在建造金字塔和長城時，我們應用了什麼科學呢？科學隻是工程師用來判斷和解釋結構行為的簡單工具。除了理解科學之外，工程師還需要掌握經濟學、美學和政治學等許多其他領域的知識和技能，才能成為成功的橋梁設計師。

在工程領域，我們的問題總是這樣的：“它可以運行嗎？”工程作品可以是好的或是壞的，但從不分對錯。我們已經知道，所有可能的橋梁形式僅由三個基本構件組成：軸向、彎度和曲度。而橋梁工程的藝術在于知道如何整合這些元素，以達到滿足“安全、功能、經濟和美觀”特征的基本要求的最佳結構。這與烹饪類似，廚師以某種特定的方式結合各種配料，使此時食物的味道最佳。

然而，在實踐中，形成一個良好的組合方案需要大量的經驗和練習，就如同在烹饪、彈鋼琴或打高爾夫球一樣。雖然基礎很簡單，但演奏好鋼琴則需要多年的努力和練習。

此外，我們能做的事情也有限制，比如，盡管我們刻苦練習，鋼琴也不可能發出人聲。因此，在實踐前理解這些限制至關重要。

六、跨度

當我們試圖建橋跨越大江或海灣時，總會不禁自問：“我們可以建造多大跨度的橋梁呢？”回顧曆史可能會為我們回答這個問題提供一些幫助。表1列出了當今世界每種類型橋梁最大跨度的前三位。圖5則演示了 每種類型橋梁的最大跨度是如何演變的。所有這些曲線都顯示出一個趨勢：橋梁的最大跨度在增加。

表1 世界每種類型橋梁的最大跨度

圖5 各種橋梁形式的裡程碑式最大跨度值

正如我們所知，藝術發展水平随時間的推移而不斷變化，所以我們應當以謙遜的态度預測未來。新材料如複合材料等在建築領域顯示出一定發展潛力，然而，這些新材料在實際應用前需要更多的測試和實際性能記錄，才能被用于大跨度的橋梁設計與施工；建造橋梁是 一項重大投資，這需要我們以謹慎的原則保守處理。

鑒于目前可用的材料，高強度鋼仍然是适用于大跨度結構的唯一的真正高強度材料。因此，我們的問題變成了：“鋼橋的極限是什麼？”

目前可用于橋梁建設的鋼材均具有較高強度。在20世紀60年代後期，德國杜伊斯堡−諾伊恩坎普橋（Duis- burg-Neuenkamp Bridge，一座斜拉橋，圖6）采用了高強度的鋼材，尤其在受壓構件處集中使用。該鋼具有約700 MPa的屈服強度。這座橋的表現一直很好，因此我們可以考慮将這種鋼材用于未來的橋梁建造，特别是用于受壓構件的建造。今天，我們可以生産斷裂強度高達2000 MPa的鋼絲。基于這些鋼絲的驚人強度，懸索橋的最大跨度可達10 000 m，斜拉橋的最大跨度可達5500 m， 拱橋的最大跨度可達3500 m。梁橋的極限跨度沒有明确的數據标準。然而，出于實際情況與經濟因素考慮，可能将梁橋跨度限制在約550 m。

圖6 杜伊斯堡−諾伊恩坎普橋

有能力建造一座大跨度的橋梁在技術層面并不意味着我們可以自由選擇一個并不實際需要的任意長的橋梁跨度。更大的跨度通常花費更多。由于經濟性是橋梁設計成功的基本考慮因素之一，所以我們必須以正确的視角來看待它。因此，我們應當将橋梁的成本作為設計的一部分。如果一座橋梁不經濟，那麼它将不被建造。

七、價值與成本

如果橋梁的價值等于或高于其成本，那麼該橋梁是經濟的。橋梁的價值是多組成部分的總和，通常包括功能價值、社會價值與美學價值。

橋梁的功能價值是顯而易見的。通過橋梁，用戶可以減少從A點到B點所需的時間。這種便利節約了金錢和時間，能夠用可計量的賬面價值來表示。将橋梁對一個用戶的價值乘以用戶數量可以得出橋梁的功能價值。随着社會生活水平的提高，這種便利的價值也在增加。過去不經濟的橋梁項目今天可能變得經濟。

一座橋不僅連接地點，也連接人。很多時候，一座橋梁的建立标志着兩個群體之間的統一、友誼或其他聯系。這種象征意義的價值難以用數字來确定；然而，在某些情況下，它可能至關重要，甚至可能是建造該建築的唯一原因。

回想一下這句古諺：“情人眼裡出西施。”盡管對于美的欣賞是非常主觀的，但它仍具有巨大價值。比如， 大多數人不會選擇穿最便宜的衣服；除了成本的考量之外，人們選擇搭配服裝，因為他們想要穿得漂亮，或者至少穿着适宜。我們裝飾自己的家，因為使它更美麗能增強我們對于生活的熱愛。我們隻是為了欣賞美麗的景色和優雅的環境便心甘情願地踏上一段段旅途。毫無疑問，無論是有意還是無意，人們總是願意為美學付出代價。一棟坐落于美麗社區中的有吸引力的建築可以收取更高額的租金。因此，在商業建築的内外部設計中，美學一直是我們要考量的首要因素。

由于大多數橋梁都是以稅款支付建造的，所以它們是由納稅人或公民間接支付修建而成。因此，橋梁工程師有責任了解納稅人會對橋梁設計有何期待。考慮到大多數納稅人願意為日常生活中的美學而付款，因此，工程師向納稅人交付最廉價的橋梁是沒有道理的。此外， 包含美學元素并不總意味着花錢。更加重視細節也可以顯著改善結構的外觀。

在一場去巴黎的旅行中，人們通常會參觀艾菲爾鐵塔、盧浮宮及其舉世聞名的繪畫和雕塑、凱旋門、亞曆山大三世橋及其他美麗的建築（圖7）。我們不難發現，其中一些建築幾乎沒有功能價值，如凱旋門。然而，遊客們和當地人都深深銘記、熱愛着這些建築，因為它們帶給人們美的享受；我們并不需橋梁工程師的專業知識便可領略到塞納河上的橋梁設計的美，可以體會到設計師在美學層面的深思熟慮。我們難以想象如若塞納河上的所有橋梁都以最便宜的方式建造會是什麼樣子。由此産生的巴黎也一定不會是我們今天所知的巴黎！

圖7 巴黎的典型地标剪影，其側重于結構之美和其他藝術形式的美學構建，包括塞納河上的橋梁

顯然，估計一處地标之美的确切價值是非常困難的。然而，在2012年，意大利蒙紮和布裡安紮商會努力做到了這一點。他們評估了世界上最負盛名的地标，并得出結論認為艾菲爾鐵塔對法國經濟的價值約為5440億美元。而由于2012年法國GDP總值為33 800億美元，我們估得2012年艾菲爾鐵塔的經濟價值高達法國GDP的16%！

八、橋梁之美

一處成功的橋梁設計必然是自然的、簡單的、原創的，并與周圍環境相得益彰（圖8）。與其周圍的建築相比，橋梁通常是一個引人注目的龐然大物。因此，它應當更自然，且充分适應周圍的地貌環境。其設計也應簡潔而非膚淺。如果一處設計可以通過便于理解的形象向公衆傳達其工作原理，那麼其設計就會看起來更加自然。

圖8 一處成功的橋梁設計必然是自然的、簡單的、原創的，并與周圍環境相得益彰

對于藝術品而言，唯一性是一項重要因素。同樣， 每座橋梁本身都應是獨一無二的。每一處結構設計都與其本身的需求和特殊的環境相适應。而每座橋梁的設計都應基于其特定的條件。因此，每座橋都應當是原創的， 有自己的風格、特色和設計。與畫作相似，隻有一座原創的橋才是有價值的。

與周圍環境相和諧并不一定意味着橋梁必須迎合環境、追求完全融合。而更意味着建築應當與環境相适宜， 如果設計得當，常常會使橋梁從周圍環境中脫穎而出。另外，在使用過程中，橋梁會被全視角觀察，因此，僅僅從單一角度看起來不錯的設計是遠遠不夠的。

九、橋梁美學是什麼

一座橋主要由梁、橋墩、塔樓（有時會有鋼纜）組成。大梁相對水平，而橋墩和塔樓通常是垂直的。一座橋通常有兩個橋台，分别位于橋的兩端。這都是需要我們讨論的内容。通常我們認為橋梁美學元素包括以下方面：

• 橋梁拱腹宜向上彎曲以避免外觀下垂。腰梁部的曲線應當平滑。

• 懸鍊線、圓形和抛物線拱形等各個設計元素應各具姿态。

• 橋梁外形通常是筆直的，彎曲的橋總給人以不穩定的感覺。然而，如若對曲線精心處理，從不同的角度看去，曲線的恰當應用會為橋梁創造完全不同的藝術效果。

• 對于箱梁而言，傾斜的腹闆設計看起來更加輕巧，然而，當橋梁形态為曲線時，該設計的應用可能會造成複雜而混亂的線條。

• 對稱的設計看起來更加穩健、傳統，但不對稱的設計提供了更加多變的外觀。

• 觀察者可能位于橋上、橋下，或從周圍的任意角度看橋。從一個特定的角度去贊美橋梁設計而忽略其他角度的行為是不可取的。

• 橋墩的設計通常用以展現負載路徑的交通流量。紋理設計則用來減少外觀的單調性。

• 箱形梁上的長懸臂闆會産生陰影，這會使梁看起來更加纖細。

當然，上面列出的幾條因素隻是常識性觀察的産物，并不是規則。大多數工程師習慣于遵守規則；然而，盡管并非所有人都同意，但我們中的大多數還是認為美學沒有規則。3000年前，希臘人為美學投入了大量的時間。他們極其精心地設計、雕琢其建築，帕特農神廟被許多人認為是曆史上最完美的建築。對帕特農神廟的仔細研究表明，它的每一個細節都經過仔細推敲，以彌補人眼造成的錯覺。例如，帕特農神廟的所有水平線均微微向上彎曲，這樣在人眼看來達到了絕對水平。石柱之間的間距也不盡相同，以呈現相同距離的人眼觀察效果。為了使其顯得均勻，石柱的直徑也并不完全相同。盡管這些技術細節是基于常識而不是基于規則，但它們仍然受到了特别注意。

許多學者試圖建立結構美學的規則，但都沒有成功。例如，“黃金分割”被認為是最好看的矩形的比例，多年來一直被建築師研究和推廣。然而，即使在經過幾個世紀的研究與辯論之後的今天，沒有人能夠确鑿地說兩條邊的比例為Ф（Ф=1.618 03）的矩形在所有情況下是否均明顯好于方形。

一般而言，美學是關于比例、平衡與和諧的問題。意大利文藝複興時期的建築師阿爾貝蒂（Alberti）将美定義為“所有部分的和諧”。當我們觀察一個物體時，我們不會通過邏輯推導來确定它是否美觀；相反，我們的反應是一種更為自發的反應。雖然我們人類的感知往往也随着時間而變化，但真正的美麗是超越時間與風格限制的。一座美麗的橋可以是引人注目的、大膽的，也可以是典雅的、詩意的。橋梁設計的基本思想是激發觀衆的情緒反應，甚至給其一種驚喜的感覺。而實現這一效果的方法則可以稱之為藝術。

大自然是簡約的；許多重要的自然規則都很簡單。即使是物理中最重要的公式也非常簡單，如F=m·a或E=m·c²等。曆史長河中，大部分時間都沉浸在大自然中的人類思維也習慣于簡單。最簡單的配置往往是最好的解決方案，這已在實踐中被多次證明。有人說，為達到最美的結構，最好的方法是在簡化的過程中嘗試去除任何可以去除的部件。顯然，這需要豐富的經驗以及對結構與美學的良好理解。

我們教孩子正确地行走，恰當地說話，正常地行動。儀态舉止得體的人自會散發其獨特的魅力，服裝風格、配飾則是次要的。良好的儀态舉止沒有任何成本；一個身姿和儀态訓練有素的人，其魅力會自然而然地散發出來。橋梁設計也是類似的道理，實際上這道理也适用于任何類型的藝術。如果我們忽略了藝術家或設計師的技能，好的或壞的繪畫作品，其實際成本是基本相同的，均包括畫布、顔料、畫筆等成本。同樣，對于美麗的與平庸的橋梁，其基本成本的差異可能也很小。事實上，一座精心設計的、更吸引人的橋梁通常更經濟，因為它更加自然簡單、遵循自然規律。

我們應該将橋梁設計視為一門藝術。然而，橋梁的功能不僅僅局限于藝術：橋梁的基本使命仍然是交通運載。為使橋梁看起來更加美觀，人們可能會創造雕塑，但是橋梁建造的原因絕不僅僅是因為美。

很明顯，橋梁設計與其他藝術形式之間存在三個明顯的差異。首先，一幅失敗的畫作或其他藝術品可能會被人們遺忘在地下室充滿灰塵的角落，但一座已竣工的橋梁則将在公衆視線中突兀地存在幾百年。周圍的環境也無法避免它的影響。其次，畫家或其他藝術家會收到成功的果實作為獎勵，而在我們目前的體系，橋梁工程師并沒有動力去花費額外的努力去設計最好的橋梁形式——他/她的工資并不會因其設計而有怎樣的提升。再次，大多數藝術家的工作形式或多或少是獨立的，而工程師則在團隊中工作，必須與許多相關方面打交道，包括财務人員與行政人員，他們可能會将自己的想法強加在橋梁設計與設計師身上。

努力尋找最美的橋梁設計備選方案需要耗費大量的時間與精力。但是，一旦這種做法在設計中變得日常化，額外的努力就不再顯得那麼重要。盡管有上述因素影響，橋梁工程師仍然有責任關注設計中的美學。不夠吸引人的橋梁設計對環境來說是一種污染，并且将會持續很長一段時間。

十、裝飾

裝飾就像化妝品：真正的美麗是不需要化妝的。最成功的橋梁可通過其結構形式充分展現自身的美麗。一些如加蓋隐藏鋼纜固定點的小細節并不是裝飾；添加雕塑或花盆才是。

橋梁是一個大型結構。多數情況下，橋梁本身的體量與形态已經足夠引人注目，多餘的裝飾隻會使橋梁看起來不那麼令人印象深刻。然而，如果一座橋是為了象征某些曆史事件或一段關系而建，比如為慶祝沙俄與法國兩國間的友誼而建的巴黎的亞曆山大三世大橋（Pont Alexandre III），其裝飾則可以表達某種意義與形象。

一般來說，城市中的橋梁往往更适合裝飾，這可使該橋梁與其周圍的環境相融得更加和諧。城市中橋梁的規模也往往較小。建于自然環境中的橋應當更自然、更簡單；所以裝飾通常是不可取的。

十一、照明與美學

照明美學本身就是一門藝術：它不僅照亮了橋梁，更在夜晚賦予了橋梁活力。但是，正确區分照明與照明美學很重要。照明隻是使橋梁可見；而照明美學則利用光線與結構之間的相互作用來創造特殊的美學效果與影像（圖9）。

圖9 照明美學在夜晚賦予橋梁活力

設計中，盡早考慮照明美學至關重要，這樣照明中所涉及的所有物理元件都可以被恰當地融入設計中。如果一些照明元件的位置不适宜，它們在白天則可能會影響到橋梁的美觀。

十二、誰在設計橋梁——工程師還是建築師？

橋梁不是雕塑；除卻迷人的設計之外，橋梁還必須兼顧安全性、功能性和經濟性。而這些問題最好由工程師處理。把所有的橋梁美學問題留給建築師去解決并不是一個好主意；建築師不能将一座完整的橋概念化，因為他們并沒有接受足夠的結構工程培訓來使其完成這項任務。在工程師完成結構設計後再交付建築師或許也不是個好主意，盡管許多工程師都這樣做并嘗試讓建築師來美化橋梁。那時，建築師所能做的隻是為橋梁添加裝飾，而這些裝飾可能并不适宜。

美學不是橋梁的補充，而是橋梁設計的一個組成部分。在橋梁設計的概念階段，我們必須同時将其結構配置與美學元素考慮在内。為了完成這樣的任務，橋梁工程師必須對結構理論和橋梁美學同時具有深刻的理解。不幸的是，大多數工科學校不開設美學課程。橋梁工程師必須學習美學，無論是在其受教育期之内還是之外。通常，橋梁的主要設計師必須是工程師。他/她應當将橋梁概念化并滿足所有的結構與功能要求并适當考慮美觀。作為折中，他/她也可以在橋梁設計的概念階段與建築師一起工作。

十三、創新

如前文所述，每座橋都是一處獨特的設計。在設計中，借用現有橋梁的設計理念是可以被接受的；然而，所有的設計理念都必須以獨特的方式加以應用。直接複制另一座橋梁的設計是不可取的。比如，雖然許多偉大的藝術家都畫過玫瑰，但每位藝術家筆下的玫瑰都有其獨特的風格。所以，每一幅玫瑰畫作都是獨一無二的。相反，一幅赝品幾乎沒有價值，因為它缺乏創造性的藝術精神。原創性與唯一性共同構成創新；然而，創新也意味着一些新的或許是非傳統的元素。這些激進的設計也常常遇到阻力。

藝術家常常自己創作雕塑或繪畫，但橋梁的建設涉及許多方面：業主、管理代理人、工程師、工程承包商等。工程師可能并不總是其作品的主人。正如一句俗語所言：“想要創造最美的馬的委員會往往創造出了驢子。”

在這種情況下，無論是追求穩妥喜歡模仿他人前作的業主，還是經常出乎意料地同意其要求的工程師，往往都會給設計的唯一性帶來阻力。一些工程師可能非常保守，傾向于重複之前已完成的作品。上述這些阻力有時是理性的，有時則不是。

由于其他人的抵制，一些偉大的設計有時會喪失實現的機會。一群工程專家否決了托馬斯·特爾福德的倫敦橋設計，他們認為其設計不可能實現。幸運的是，該設計理念被用于建造蘇格蘭美麗的Craigellachie橋。同樣，當艾菲爾鐵塔的設計被首次提出時，人們譴責其設計難以實現和缺乏美感。但100年後的今天，它已成為巴黎的明珠，成為了法國建築與智慧的驕傲。事實上，公衆自艾菲爾鐵塔的設計被公開以來就愛上了它。

哲學家與偉大的藝術家可以在他們領先世界幾代人的精神世界中生活。他們不必尋求他人的認可，他們擁有自己的想法和理念。但另一方面，工程項目卻始終包括業主和設計師兩個角色。盡管橋梁工程師設計橋梁，但橋梁并不屬于他們。業主代表公衆，公衆有權要求他們真正喜歡的東西。因此，橋梁工程師不應當僅僅為他們自己建造紀念碑。一名合格的橋梁工程師更應當竭盡全力地為公衆服務。盡管如此，除卻安全性、功能性和經濟性的考慮，工程師不能忘卻自己确保橋梁設計美觀的責任。

十四、案例——天津大沽橋

大沽橋可作為橋梁設計項目中的典型案例（圖10）。該項目位于天津市中心，是天津市重振舊城的市中心重建項目的一部分。市區重建項目的首要目标之一即是建設一個可以成為天津城市名片的地标。

圖10 天津大沽橋示意圖

該橋梁橫跨的河流寬度為96 m，其設計避免了河流中橋墩的存在，最終設計的主跨為106 m。該橋承載着六條車道與兩條人行道，橋面兩側各有一條路。每條人行道的最小寬度為3 m。兩條車道寬3.75 m，其他四條車道寬3.5 m。除卻中間的隔闆、屏障和欄杆外，橋面所需的最小寬度約為30 m。這座城市大橋的設計交通速度為60 km·h^–1，其活載水平符合中國道路城市A級車輛荷載标準。

橋的兩端連接着現有的街道，所以橋面的高度是固定的。未來，這座橋還可以容河上的觀光船從其下穿過。這兩項要求将橋梁中心線處的最大桁材深度限制在1.38 m。而在交通道的邊緣，交叉斜坡處進一步減少到了1.3 m。

天津與唐山非常接近，1976年發生的一次大地震造成了極其廣泛的破壞和人員傷亡。因此，大沽橋是按照中國最高防震等級設計的。不幸的是，上層土壤非常柔軟，對于所有種類的橋梁來說，都無疑需要水平力進行錨固。

（一）大沽橋的設計理念

概念設計是橋梁設計中最重要的一步。适當的概念設計可以鞏固優化橋梁的結構系統，體現美學，有效地降低成本，最大限度地提升橋梁功能。它還應當系統闡述結構細節的構造方法與限制條件解決方案。每座橋梁的設計都有一定的限制。概念設計必須對其進行充分預估并為所有這些限制提供解決方案。

在确定大沽橋将被設計為一座系杆拱橋之後，其設計理念的不斷豐富也不斷完善着橋梁最終的設計配置（圖11），如下所示：

圖11 大沽橋設計理念的發展示意圖

• 為滿足河流上船隻的航行需求，橋拱必須在橋面之上。

• 最小橋面寬度約為30 m，主梁深度被限制在橋中心線1.38 m處，如圖11（a）所示。

• 拱橋應該有兩個拱肋，通常橋闆的兩側各有一個拱肋。如圖11（b）所示，兩拱肋應相距32 m 以上。

• 桁材僅有1.38 m深；這不足以橫跨32 m寬的橋面，所以橋梁的拱肋不可位于橋面之外。為解決上述問題，兩拱可被移動到六交通車道的邊緣[它們相距約24 m，如圖11（c）所示]。

• 若兩拱肋沒有相互連接，為了避免其橫向彎曲，它們必須被建造得非常笨重。在美學上這樣的設計會令人難以接受；此外，兩個垂直拱肋會使整個設計顯得平淡無奇。

• 習慣上，我們會選擇用支柱将兩個拱肋連接在一起以使其達到穩定的狀态，同時可以使橋拱更加細長，如圖11（d）所示。但是，因為橋梁跨度較短，橋拱也比較小，這樣的設計會增加許多紛亂的線條，在美學上也是不被接受的。

• 為減少支撐物的長度，可以向内傾斜拱肋，形成一組籃筐提手般的橋拱，如圖11（e）所示。但是， 對于相對較短的106 m跨度，籃筐提手式的設計則顯得過于扁平和笨重。

• 與傳統的橫向支撐不同，三維結構系統采用兩個吊架将每個拱肋連接到橋面桁架上。吊架的兩個平面在豎直與水平方向上均支撐着拱肋。該設計可以有效對抗橋梁的側向屈曲，增加穩定性。因此，拱肋可以做得很細長，如圖11（f）所示。

• 現在，使用兩層吊架為拱肋增穩，同時确保拱肋可以以任何需要的方式傾斜。在這項設計中，它們向外傾斜。因此，從橋面上我們可以看到非常開闊的景色。

• 周圍景觀非常不對稱；因此，在設計中可以增加一邊的橋拱高度以使其姿态更加耐人尋味。較高的橋拱傾斜度較小，因此不會向外傾斜得太遠。

（二）大沽橋的設計

我們可以把海河的發展喻為“金龍狂舞”，海河橫貫整個城市，就如同龍彎曲的尾巴。大沽橋及其大拱就如同散發着光輝的太陽，與小拱所代表的月亮以及橋面邊緣星星般閃爍的燈光相得益彰；所有的這些設計都發揚了龍的設計概念（圖12）。

圖12 大沽橋的大拱象征着太陽，小拱象征着月亮，而橋面邊緣周圍的燈光象征着星星

在這個基礎的結構系統之中，拱肋為橋梁提供縱向剛度；橋面為橋梁提供橫向剛度，并且鋼纜将兩者結合成為一個緊湊的系統。同時由于橋樁的支持，橋梁本身的結構非常穩定。

對于跨度為106 m的橋梁而言，拱肋的通常高約20 m。如前文所述，為了使建築的設計更令人驚奇，這兩個拱肋的高度是不相等的。小拱高19 m，大拱高39 m。為了使這座橋梁的設計更加有趣，人行道向外彎曲，為行人提供了更多駐足休息與享受周圍美景的空間。

（三）照明美學

共有三種不同的光源照亮了大沽橋。第一種是橋上與河流沿岸的路燈。第二種光源是位于每個吊架上的聚光燈，其稍低于橋面。每個吊架裝有兩個聚光燈，以便在拱肋上産生更加均勻的反射。這些燈照亮了橋拱與鋼纜。第三種光源是設置于人行道邊緣橋闆下的一組燈。 這組燈光通過下方的水面反射，其反射光線水平地穿過位于邊緣闆上的孔。三種光源的強度非常協調，将橋梁的結構在夜間襯托得格外優雅（圖13）。

圖13 大沽橋[注：林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司提供大沽橋的設計理念和初步設計，天津城建設計院提供了施工方案

十五、總結

通過利用工程的靈活性及對建築結構的三個基本要素的正确運用，工程師應該能夠創造出适合任意場景的橋梁形式。橋梁設計并不困難，其設計必須保持自然、簡單、原創，同時與其地貌相得益彰，這是一位合格的橋梁工程師應當永遠銘記在心的。

如果我們想要追求生活質量，我們首先應當确保環境質量。如果我們想要保證環境質量，我們則必須密切關注我們所建造的建築物之美，包括所有的橋梁。為了這個世界上每一位公民的生活質量，我們應當保護我們生存的美麗世界。這是我們唯一的世界。

注：本文内容呈現形式略有調整，若需可查看原文。

改編原文：

Man-Chung Tang. Forms and Aesthetics of Bridges[J].Engineering,2018,4(2):267-276.

作者介紹

鄧文中，橋梁專家，中國工程院外籍院士、美國國家工程院院士。

他領導設計及參與設計、施工的大橋有百餘座，遍布世界，其中6座曾創世界紀錄。他主持設計的舊金山新海灣大橋是世界最大“自錨式”懸索橋，也是設計難度最大的橋。他發展的“吊索挂籃”和引用的“美式吊機”已被世界橋梁工程廣為采用。

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說明：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜志社的觀點。

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