从美学理念到结构实现——景观桥结构赋形创新设计方法研究

目前，我国城镇化建设已进入高质量发展阶段，城市环境和市政建设品质越来越受到人民群众的关注。桥梁作为城市公共服务设施的重要组成，在城市风景、城市环境中扮演着越来越重要的角色。景观桥创新设计理论和方法的研究将成为桥梁工程专业未来的新热点之一。

近年来我国桥梁景观设计备受政府和公众的关注。由于景观桥具有多元属性特征，涉及交通、土木、建筑等多个专业的协调、融合，且国内外景观桥的研究多针对桥梁形态的美学判断或结构具体力学问题展开研究，很少将景观桥作为独立概念进行设计理论和设计方法的研究分析，因而缺乏景观桥从美学理念到结构实现的系统性结构赋形理论和实践方法研究。

传统的桥梁结构的设计理论和方法已经很难适应现阶段景观桥设计的高品质要求，造成许多复杂造型、异形结构景观桥的美学设计和结构设计产生严重脱节的问题。

由于景观桥的多专业融合与多元属性特性，其在设计中往往需要兼顾功能、结构、空间和美学需求。景观桥复杂多元的功能要求经常与结构的逻辑理性要求相龃龉，尤其景观桥美学设计思维的发散性与结构设计的规范性之间的矛盾更是难以调和。由于传统桥梁结构设计方法是在既有桥梁结构体系框架下进行设计，因此也和景观桥的结构创新追求之间存在矛盾。

景观桥结构赋形创新设计方法的研究，为解决这些景观桥设计领域存在的难点问题，提供了一条切实有效的技术实现路径。

结构创新是景观桥设计美学实现的最重要方法，本研究针对美学赋形中的结构创新设计方法进行研究，突破了传统桥梁结构设计的固有思维，使结构创新设计有了明确的理论支撑和可操作的实践方法，使得景观桥结构体系创新能够科学、有序地开拓、发展，避免结构创新设计落入“怪、奇、异”的反逻辑创作陷阱。

该研究的重要意义在于实现了景观桥结构赋形的多元可能和结构创新的多样性，解决了景观桥在美学设计方面的多元需求；将结构设计与美学设计相融合，实现了美学感性和工程理性的和谐，有助于为社会创造更多的桥梁精品，满足人民群众对美好生活的向往。

本研究针对景观桥从美学理念到结构创新实现之间的赋形难题，通过大量工程实践和理论方法研究，从结构体系创新角度出发，以景观桥的美学实现为目标，创造性提出了多段迭代和阵列组合两种重要的结构赋形创新设计方法，并在工程中进行实践验证，获得了良好的应用成效。

景观桥具有结构体系复杂、功能需求多元的特征，因此在结构体系设计时，需要突破常规桥梁结构的设计方法和模式，创造出满足景观桥功能和景观需求的复杂结构空间。

多段迭代设计方法在进行结构创新的同时，仍遵循桥梁结构固有的设计逻辑，该设计方法提出通过“父代—子代”的结构演化实现景观桥的结构创新。

多段迭代设计方法以创新结构和传统结构之间的内在联系和力学规律为演变基础，将目标结构的原型结构作为父代结构，通过结构的变形、扭转、空间变异等方法实现父代到子代的功能进化，再借由力学分析把握结构演化过程中的性能遗传特性。

该设计方法通过多次的迭代设计，实现从父代结构到子代结构的功能变异和性能遗传。

（一）多段迭代设计法应用案例

南京青奥公园跨河桥位于南京市浦口新城核心区，横跨城南河，连接青奥公园A、B两个地块的主场馆。平面位于S形变宽曲面上，桥宽14.4～20.5m，设计桥型采用“波浪形”空间曲面钢桁架桥，全长150m，为三跨连续结构。

图1 南京青奥公园桥鸟瞰

桥梁结构以基本型等高等截面桁架梁作为0代结构，经过1代竖向波浪形曲线变异，到2代横向S曲线变宽横向扭转形成桥梁的最终形态。

图2 青奥桥结构迭代过程

（二）青奥桥结构迭代数据分析与讨论

通过对三代结构的计算分析，结构在变形演进过程中存在一定程度的性能弱化，但通过合理的构造调整和结构优化，能够将性能弱化影响降到最低，甚至在抗扭、应力幅值、稳定性等方面性能略有提升。

图3 0代结构应力及变形分析图

图4 1代结构应力及变形分析图

图5 2代结构应力及变形分析图

为了更好地体现结构性能和景观功能的评价比较，对应力、挠度、振动和功能景观四个方面进行评价赋分。赋分规则为参考规范允许的控制指标和设计合理指标之间进行差值计算以百分制赋分。

根据赋分结果计算结构性能赋分平均值和景观功能赋分进行比较，结果如下：

图6 迭代结构性能与功能演化图

根据结构性能加权赋分值和景观功能评价赋分值的变化比较，经过两代结构迭代演变，结构性能仅下降了约14%，仍然在规范允许的合理范围内，景观功能提升了约50%，大大改善了景观效果，满足了建设方提出的“景观独特、结构新颖”的设计要求。同时，桥梁建成实景也达到了预期的还原度。

图7 浦口青奥公园桥建成效果

本桥凭借独特的结构造型、先进的设计理念和创新的设计技术获得2019年世界人行桥奖金奖。

桥梁结构是一个庞大的系统工程，是由受拉、受压、受弯等多种基本结构构件有机结合、协同工作而形成的结构体系。

结构创新设计需要打破传统的结构体系组合模式，通过创新设计方法产生更多的创新结构体系。

阵列组合设计方法提出将单一结构构件根据功能和景观需求分解成多个结构构件，再通过这些结构构件的阵列组合重构，形成新的桥梁结构体系，从而实现结构形态和功能的创新。

该方法通过计算机参数化设计能够快速生成多个桥梁结构组合方案，极大提高了结构创新的效率。

（一）阵列组合设计法应用案例

威海石家河大桥位于威海市东部滨海新城松涧路上，东西穿越石家河公园，长约1.5Km，其中跨越石家河主桥长约200m。道路等级为城市主干路，双向六车道，道路宽度39米。

桥梁方案构思灵感来源于展翼翱翔的海鸟形象,结合桥梁结构的受力特征，营造富有海洋特色的桥梁建筑景观。

图8 石家河桥美学设计意向

采用阵列组合设计法，通过对拱肋分肢组合、多连杆排列结构构件的解构重组，创造出了多种多样的拱桥形态组合。再根据桥梁的美学意向，最终确定了桥梁结构体系组合模式。

图9 使用阵列组合法对结构赋形

（二）石家河桥阵列组合数据分析与讨论

根据阵列组合法最终形成的拱肋组合形式,中间拱肢长、低，两侧拱短、高，拱片间通过横向V形连杆联系成整体,V形连杆随着拱肋的位置变化而转动，形成富有韵律感的运动序列,并与中拱直吊杆、边拱斜吊杆对应连接形成合理传力路径,实现了建筑造型、桥梁功能和结构受力的统一。

结构体系采用梁体系为主、拱体系为辅的拱梁体系联合受力模式，既充分利用了变截面PC连续箱梁的承载优势，又减轻了多肢拱肋的受力压力；在保证大桥结构安全性、经济性的同时，使拱肢优美轻巧的建筑造型得以实现。

图10 赋形后结构受力分析

结构分析结果表明：结构稳定安全系数为10.8，具有足够的结构稳定安全性。弹性阶段标准组合，钢结构拱肋正应力最大值为-178.3Mpa，符合规范要求。

阵列组合法既可以将构件作为单独受力构件进行分析，又考虑了阵列构件的相互作用影响。因此在设计中灵活运用了这种组合结构的特点，采用动态平衡设计思路：三根拱肋之间不采用闭合连杆体系，而是采用开放式V撑结构，使三根拱肋之间实现空间力系的动态平衡。

动态平衡的核心思想是：当每一根独立的构件实现力的平衡，那么结构空间力系整体也就实现了平衡。这种动态平衡设计思想很好地与阵列组合设计方法相适应，解决了结构在“解构-重构”过程中的系统集成问题。

图11 阵列组合动态平衡受力示意

威海石家河大桥通过阵列组合方式实现了景观桥从美学设计到结构赋形之间的无缝过渡；通过不同形态、矢跨比和长度的拱肋结构相组合，实现设计美学意向表达；通过空间力系动态平衡实现各拱肋受力的平衡和协同作用。桥梁的景观效果和结构受力均达到了预期目标，使桥梁成为威海滨海湾新区的标志性景观。

图12 石家河桥建成照片

我国现阶段城市建设已进入高质量发展阶段，人民群众对景观桥梁提出了更高要求，其建设需求和品质标准也在迅速提升。

目前，国内外景观桥梁的设计主要依靠结构师的自觉与建筑师的跨界参与，缺乏系统性的理论和方法研究，在美学设计理念和结构赋形实现之间存在较大的隔阂和理念冲突。

景观桥设计以美学目标和多元功能为导向，要求桥梁结构同时满足受力、美学和功能的需求。因此，景观桥结构体系创新成为景观桥设计中从美学概念到结构赋形实现的核心问题。

本研究通过大量的工程案例实践，创造性地提出了结构赋形创新设计方法，提出了多段迭代设计方法用于实现传统结构的再创新。以传统结构体系为基础，通过多段逐层演进的方式实现结构性能的遗传和景观功能的变异，从而实现结构体系的创新。创造性地提出阵列组合设计方法，将单纯的结构构件以不同的形态参数进行排列组合，创造出新的组合结构体系，并通过动态平衡分析理论将这些结构构件有机地组合在一起，形成全新的结构体系。

多段迭代法和阵列组合法通过变形和组合两条技术路径，解决了景观桥美学设计到结构赋形的难点问题，推动了景观桥结构体系设计的创新。

大量实际工程应用及实践成效表明，该种方法能够高效完成景观桥结构的创新和美学实现，对于我国景观桥设计技术和理论的发展具有重要意义。