胡志堅 段樹明 潘立華 張謝東
(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (中交第二公路勘察設計研究院有限公司2) 武漢 430050)
關于建筑結構物美的考慮,很重要的一點是其欣賞視點的分析,主要包含視角、視距、視野與速度等.對于景觀敏感點位置的高速公路跨線橋梁,其結構形式以多跨布置的梁式橋為主,一般包括較大跨徑的主橋部分和等跨徑布置的引橋部分,其視點通常是位于結構側向,且有一定速度(被交道路上的交通)條件下的動態(tài)視點,故跨線橋梁景觀以立面范圍內的整體效果為主[1],景觀效應包括主橋自身的協(xié)調性、主橋與引橋的協(xié)調性等.但現(xiàn)有的跨線橋景觀研究通常都局限于簡單的橋型探討[2],或只針對具體的橋梁開展[3],沒有形成系統(tǒng)的高速公路跨線橋景觀建設技術.
本文擬基于高速公路跨線橋梁結構特點,提出比例視誘法開展景觀優(yōu)化設計研究,并通過從莞高速清溪支線上的清溪湖大橋開展具體的工程應用.
建筑物的協(xié)調美,體現(xiàn)于量的方面就是要盡力追求比例與尺度,橋梁作為一種水平方向
單維突出的建筑物,尤其要注重比例恰當.比例視誘法就是在力學分析的基礎上,按照一定的比例要求完成橋梁各部分的比例布置,然后采用視線誘導方式實現(xiàn)橋梁各組成構件間的視覺效果.其實施包括兩個方面:(1)根據(jù)具體比例要求確定橋梁各總體設計參數(shù),包括孔跨布置、墩高與跨徑比、梁高比例等;(2)結合視覺心理和視錯覺等美學原理,通過橋梁構件細部的線型變化與過渡,誘導人們的視覺感知,從而達到結構實際尺寸的視覺隱藏等景觀效果.
為了基本保持連續(xù)性和節(jié)奏感,跨徑布置應均一化.從視覺效果上講,黃金分割比例0.618是較好的選擇[4].以3跨連梁為例,中跨處于視覺的中央,增加中跨的跨度,能使比例協(xié)調,左右均衡,增強其穩(wěn)定性和平衡感,見圖1.而邊跨太短則顯得比例失衡,兩邊輕,中間重,給人快要失去平衡的感覺.
另外,中間跨為等跨的多跨連續(xù)梁,其邊跨與中跨跨度之比宜在[0.65,0.70]內;梁橋相鄰跨度的比值(小跨比大跨)宜接近0.618,此時橋跨變化會顯得平順、流暢、有韻律感與節(jié)奏感.
圖1 3跨連續(xù)梁的邊中跨視覺比例與力學性能比較
橋梁結構作為一種跨越障礙物(如河流、道路、峽谷)的功能結構,其水平方向的尺寸感往往要比其他方向的尺度更突出,因此,按常規(guī)的美學心理,橋梁的跨度(L)應大于其墩高(H),即水平方向尺寸(跨徑L)比豎直方向尺寸(墩高H)要大,這樣才會產(chǎn)生良好的視覺效果.但H 的取值也不能太小,從美學考慮,在滿足橋下凈空要求的同時,H 的取值不宜小于10m[5-6].且在滿足橋墩最小高度的基礎上L/H的比值越大越好.
其次,在實際橋梁方案中,可能采用不等跨布置方式,但不同孔跨的L/H 盡可能采用相同比值,即“小跨配矮墩,大跨配高墩”.這樣能在視覺比例與協(xié)調上能達到較好的景觀效果.
1)梁高的視覺誘導 對梁橋而言,主梁作為其主要構件,應考慮梁高和應力的平衡選定適當?shù)臉嬙?設計時需做到形態(tài)纖細、輕巧、連續(xù)流暢并且使結構的每一點都有效地抵抗作用在其上的力.梁體本身應該細薄,強調向水平方向延伸,其上、下緣線間盡量連續(xù),不產(chǎn)生突變.
通常橋梁跨徑確定時,上部結構的梁體高度也根據(jù)受力要求隨之確定,但實際上梁體高度可通過視線誘導的方法進行截面處理,達到理想的視覺效果.不同截面形式的梁有著不同的長細比,因此當設計時發(fā)現(xiàn)梁因長細比太小而顯得笨重時,可以通過局部處理誘導主梁截面形狀.如圖2所示,將橋面板向梁的外側加大懸伸.通常的做法是使懸臂長度大于梁高以及底板寬度的一半,同時保證懸臂板底板不過多上翹,減少梁體與陽光的接觸,此時梁體在視覺上會顯得更輕盈.
其次,將箱梁外側的腹板做成傾斜的倒梯形斷面,使到達梁底的光線減少,可以使梁高對視覺的沖擊最小.也可進一步將梁截面做成曲面的流線型,避免梁底出現(xiàn)棱角,能有效隱藏梁體實際高度,達到梁高很薄的視覺效果,這不僅視覺形象優(yōu)美,增加梁的纖細感,同時可大幅提高梁體的整體景觀效果,當然會相應增加一定的施工難度.
圖2 加大箱梁懸臂以降低主梁視覺高度
圖3 腹板傾斜方式降低主梁視覺高度
2)跨中部位的視線誘導 對于大跨連續(xù)梁橋,較大的跨度容易使人產(chǎn)生梁體中部下垂的錯覺,合適的做法是在設計時結合縱坡考慮,預先設置預拱度.當然,跨度越大時則預拱度越不明顯.
3)連接部位的視線誘導 在主橋和引橋的連接部產(chǎn)生跨徑不連續(xù)時,要調整跨徑,改變斷面,形成平緩的過渡段,會得到很好的效果.如在厚度不同的梁的連接部分,進行“抹角”“蓋板”“漸變”等,或適當保留部分用地,用植栽高檔樹木過渡.
1)橋墩布置的通透感 橋墩的布置由橋下凈空要求、地質水文要求、通航情況、美學標準等共同決定.其形式一方面要保持與結構和周圍地形的協(xié)調,另一方面要提供足夠的橋下視野空間.
一般情況下,應減少橋墩數(shù)量以保證橋下空間開闊,采光充分,并且橋跨數(shù)較少時,多采用奇數(shù)跨.但若所跨地形本身比較對稱則仍采用偶數(shù)跨.但對多跨橋,特別是超過7~8跨的長橋而言,奇數(shù)跨和偶數(shù)跨的視覺差別則并不大.而對橋墩的布置位置則需與地形條件相搭配,例如對跨越山谷的橋,橋墩不宜設于山谷的最深處,而對跨河或跨海橋,最好將橋墩設在靠近海岸線附近的陸地上或懸崖突出部位.
對于多孔跨布置的橋梁,如果橋墩高度隨地面線變化處理得當,則一個個豎立的橋墩會隨著高度的變化而形成優(yōu)美的韻律感,所以對橋位處的地面線型有時應進行適當處理,使其從視覺上更能滿足對稱、變化等整體景觀效果.
2)橋墩造型的視覺處理 橋墩造型是否美觀,也是橋梁美學的一個重要方面.以混凝土為主要材料的橋墩最富可塑性.X形、V形、四叉形和薄殼式以及近似H形橋墩都獲得了成功,并為它們所屬的橋梁增色不少.見圖4~5.
圖4 橋墩造型
圖5 橋墩色彩造型
另外,合理利用色彩和光影效應會給人視覺以結構形式變化的感覺,達到意想不到的橋墩造型效果,圖5中墩身的涂裝給人以一種鏤空的感覺,使原本單調橋墩造型具有跳躍感.
3)橋墩與梁體的視覺過渡 橋墩的體量大小與上部結構構造息息相關,要使橋墩看上去輕盈纖細而有韻味,并與主梁相協(xié)調.良好的橋墩與梁體視覺過渡首先表現(xiàn)在尺度方面,薄墩厚梁給人以頭重腳輕、不穩(wěn)定的感覺,而厚墩薄梁讓人產(chǎn)生笨重的感覺;其次表現(xiàn)在二者形狀的一致,如對于預制混凝土I型梁或由直線邊構成的箱梁,則應該用由平面與直線邊構成的橋墩,而對于由曲面構成的箱梁則應用由曲面構成的橋墩,見圖6.
圖6 橋墩與主梁形式一致
橋墩與梁結合的原則是考慮視覺上的自然、連續(xù).二者結合處應盡可能無蓋梁,以減少視覺障礙,如采用Y形、V形墩等.如果墩柱通過蓋梁與上部連接,則沿橋軸方向看去,橋下連續(xù)性被橫隔梁阻斷,墩成為視覺重點,此時要特別注意墩的造型與表面處理,改善視覺印象,除此之外,蓋梁端頭或耳梁盡量不要外露,否則會對橋梁整體連續(xù)性有所削弱,留下遺憾.
橋臺美觀與否和整座橋梁的美觀程度聯(lián)系密切,特別對于跨數(shù)不多的橋梁則更為明顯,并且對周圍環(huán)境也有重大影響,橋臺的視覺處理見圖7.常規(guī)設計的橋臺外觀展現(xiàn)的是笨重的混凝土實體,再加上運營期間表面的污痕等累積使其很難與美學直接關聯(lián).在此基礎上,如果進行簡單的栽植視誘,見圖7b),則植物的鮮明色占據(jù)視覺的主體,在增加橋臺層次感的同時,橋臺的混凝土實體尺寸在視覺上也不再突顯,笨重感消失,并且淡化了混凝土表面的美學影響.當然如果條件允許,采用生態(tài)錐坡方案則可更好地使橋臺完全融合到環(huán)境中,美學效果更佳.
圖7 橋臺的視覺處理
石馬河大橋是新建的廣東從莞高速公路上的一座關鍵橋梁,分離式結構,單幅橋面寬16.75 m,需同時跨越東深公路和石馬河,并且橋軸線與石馬河斜交.由于受地形條件限制,石馬河大橋跨越東深公路跨必須設置70m的主跨,同時受兩側連接線的路面標高限制和橋下現(xiàn)有公路路面標高限制,石馬河大橋的橋下凈空僅為5.5m.另外,石馬河的泄洪要求高,新橋的修建不允許對河流泄洪能力造成太大影響.
原設計僅從功能角度出發(fā),橋跨布置方案為40m+70m+40m+5×30m,沒有考慮美學的比例要求,見圖8a)所示.此時不僅左邊跨的設置顯得過于急促,且由于主橋跨在跨東深公路側,給人以視覺中心偏移的感覺,不符合傳統(tǒng)的視覺審美習慣.同時位于石馬河中的30m跨徑引橋部分不僅顯得節(jié)奏過快,給人以視覺緊迫感,而且由于其墩高與跨徑比基本接近于1,非常不利于視覺享受.
圖8 從莞高速石馬河大橋孔跨布置方案比較
考慮視覺比例完成的橋跨布置方案為40m+3×70m+50m,此布置方案的邊中跨比基本接近黃金分割比要求,視覺上不存在邊跨的急促感和引橋的緊迫感,且沒有增加最大跨徑的技術要求;以3個70m等跨布置將橋梁的視覺中心基本布置在橋跨中部,徹底消除視覺中心偏移感;視覺上橋梁各跨間比例勻稱;由于新的橋跨布置方案不存在30m的引橋跨徑,其跨徑與墩高之比也完全能滿足視覺要求,使該橋的水平方向尺寸得到凸顯,符合橋梁審美要求.另外,橋墩布置的通透感也因橋墩個數(shù)的減少而得到保證,總體視覺效果良好,在確保經(jīng)濟性與可行性等的前提下,很好地達到了景觀效果.
1)箱梁視覺設計 結合石馬河大橋的橋跨布置和經(jīng)濟性考慮,連續(xù)梁式結構是其最佳選擇.由于受橋下凈空和橋梁跨徑的限制,該橋如不合理設計必然會造成“矮橋”效果.如圖9a)、10a)所示,石馬河大橋墩頂位置箱梁截面高度取4.5m,如上部采用傳統(tǒng)的直腹板變截面箱梁,懸臂寬度為4.375m,此時箱梁的全部高度都在側向視點范圍內,即圖中所示光線完全到達箱梁底部,視覺上“矮橋”效應明顯,給人以壓抑感.若將箱梁改為斜腹板形式,懸臂寬度變?yōu)?.75m,同時對箱梁各折角采用圓弧過渡,則梁體實際高度得到很好“隱藏”,景觀效果明顯改善.
圖9 石馬河大橋墩頂斷面方案比較(單位:cm)
2)橋墩視覺設計 由于橋墩個數(shù)的減少,使橋下空間的通透感得到了有效保證.另外,結合上部結構的弧線設計,橋墩墩身采用弧線過渡,在墩身中間設置凹槽增加立體感,并在墩頂位置采用“鏤空”結構,使主跨橋墩造型與上部箱梁平順過渡.與常規(guī)的薄壁墩相比,不僅橋墩造型上有明顯改觀,突出了層次立體感,基本消除了“矮橋”效果,而且造價不會增加,工藝要求也不復雜.
圖10 石馬河大橋細部方案效果圖比較
3)橋臺的景觀設計 由于該橋兩側接線有條件將橋臺完全置于視線范圍之外,景觀要求不高,最終采用埋置式橋臺方式.
橋梁景觀設計可以極大地提高橋梁的觀賞價值、審美價值和旅游功能,對當?shù)氐木裎拿骱蜕鐣?jīng)濟發(fā)展帶來積極的影響.本文根據(jù)高速公路跨線橋梁結構特點和視點要求,提出了比例視誘法,即基于黃金分割比和橋梁跨徑與墩高比合理確定橋梁的孔跨布置,并結合翼板寬度、斜腹板、橋墩造型與韻律等手段實現(xiàn)橋梁結構的視覺誘導,形成了科學的高速公路跨線橋梁景觀技術,并在石馬河大橋的設計過程中得到了具體應用,取得了良好景觀效果.
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