Michel Virlogeux:橋梁設計中的工程優雅性

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法國科學院院士Michel Virlogeux 先生

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法國諾曼底大橋(主跨856m混合梁斜拉橋)

Michel Virlogeux,法國科學院院士兼英國皇家工程院外籍院士,曾擔任國際預應力混凝土協會主席、名譽主席,法國交通科學設計研究院(Setra)橋梁設計部主任。主持設計了20多座橋梁,其中,法國諾曼底橋獲20世紀最美斜拉橋;法國米約橋、土耳其波斯普魯士海峽三橋分別獲得國際橋梁與結構工程協會2006年度和2018年度杰出結構獎。Virlogeux先生雖然長期擔任國際預應力混凝土協會主席,但未給自己主持設計的橋梁評選過一次國際預應力混凝土結構協會杰出結構獎。

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波斯普魯士海峽三橋(主跨1408m的公鐵合建橋)

筆者從1997年開始,便開始閱讀他寫的每一篇英文文章,并保持多年郵件來往。他曾經為筆者所著《歐美橋梁設計思想》作序。

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《歐美橋梁設計思想》封面

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Michel 為主要作者的專著

把橋梁設計交給建筑師是瘋狂的

Michel Virlogeux 提出:“橋梁設計是工程師的領域,不能交給建筑師?!?“橋梁建筑、橋梁景觀、橋梁的優雅性是工程師的問題,不能把我們大部分的工作留給建筑師?!彼f,“建筑師不能選擇構件,設計橋梁需要的是駕馭力,這不屬于建筑師的工作?!?/p>

“我已經設計了30多年的橋梁,可以很好地預見選擇哪種類型的結構最適合現場。我對比例非常了解,比如在哪里設置橋墩等等,我不需要這方面的幫助。但是,當我們對自己能做的事情有了一個很好的想法后,我卻無法細化形狀。對此,建筑師就比我更具優勢了?!?/p>

Michel Virlogeux:橋梁設計中的工程優雅性的圖6

法國米約高架橋

“就拿Millau橋來說,建筑師福斯特在看完我們第一次準備的模型后,他想把橋梁縮小到最簡約的直線,其實這也是我最初的想法。在他的推動下,我們去掉了原先設計的小橋墩和邊跨。但這使得技術難點更大,橋梁被簡化為直線和7個相同的塔。他大大地改進了橋梁的設計。”

根據Virlogeux的觀點,西班牙著名的阿拉米洛大橋(Alamillo Bridge)因為具有不必要的復雜結構特點,使建造成本非常高。造成如此麻煩的原因便是建筑師試圖做工程師的工作。

“組織力的傳遞,不是建筑師解決的問題,而是工程師的問題。應該由工程師來掌握建造技術、力的傳遞和如何連接構件。因此,把橋梁設計交給建筑師是件完全瘋狂的事情?!?/p>

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西班牙阿拉米洛大橋

Virlogeux舉了兩座橋的例子。西班牙塞維利亞的阿拉米洛大橋由屢獲殊榮的建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦設計。這是一個非常昂貴的結構,因為它完全沒有任何結構邏輯。只有一個主跨,只有一個向后傾斜但根本沒有背索支撐的斜拉橋型式,所以,這意味著橋塔必須承擔所有的荷載效應,其重量只能平衡很小的一部分荷載。當然就要有一個平衡荷載的巨大基礎。

在實踐中,首先要在支架上修建主梁,另外,由于修建傾斜的橋塔而沒有傳統斜拉橋利用橋塔懸臂架設主梁的優點,導致橋梁造價非常高。如果采用有背索的斜拉橋,橋塔可以設計得纖細些,而且可以采用懸臂施工的方法,可大大降低橋梁的費用。這座無背索的斜拉橋,原計劃修建兩座,但后來因為造價太高(造價高達6500萬美元),不得不取消了另一座橋的修建。

Michel Virlogeux:橋梁設計中的工程優雅性的圖8

西班牙Barqueta橋

另一座是由Juan Jose Arenas設計的Barqueta橋。相反,這座橋是外形和力線傳遞完全符合的橋梁。中間的拱肋在拱角附近分為兩肢,另外在拱角處采用一個斜撐桿和水平撐桿,把拱肋中的水平推力傳遞到主梁中,形成系桿拱。對于橋墩來說,就主要承受豎向力了,因此,橋墩可以設計得纖細美觀。整個橋梁顯得純粹、簡約而清晰(此橋總造價僅為1100萬美元)。

令我們非常高興的是,西班牙電視臺在1991年的圣誕節目中,采用Barqueta橋作為西班牙的形象,證明了其對結構價值觀清楚而綜合的理解。

我們需要規范

但不能成為規范的奴隸

這就是我們的主要結論:我們必須優先選擇一個外形源于力線的、清楚而高效的結構。我們必須避免不必要的刺激,那些外形只是為了炫耀和作秀的華而不實的結構,其獨創性不能采用高效和經濟來證明。離開了結構高效和美觀的獨創性,就偏離了創作的核心。

因此,為什么很多橋梁的設計交給了建筑師而不是工程師呢?這源于工程師沒有正確完成工作的事實——太多人設計了不美觀的結構。還因為他們過于關注規范,我們需要規范,但我們不能成為規范的奴隸。

Virlogeux說:“當然,如果工程師設計了不美觀的橋梁,公眾自然會呼喚建筑師。建筑師將建造出一些絕對瘋狂的東西,這就形成了一種惡性循環。在橋梁當局決定建造‘標志性’橋梁時,就會使問題變得更加復雜。”

“當我們需要在某個地方建造一座橋梁時,就必須滿足當地的功能需求和橋位景觀的需要。如果你成功了,那將是一座合格的橋梁。它也許是標志性的,也許不是。但實際上,這種要把橋梁做成‘標志性’或‘地標性’的傾向,真的是在滿足炫耀的欲望,這絕對是愚蠢的!”

Virlogeux認為,工程師的另外一個大問題,就是要在一開始說服政治家和公眾接受簡約橋梁的優點,這是非常困難的。工程師有必要采取一條折中的道路——我們可以用合理的成本,設計出優雅的橋梁。在最便宜的解決方案和Millau橋現在的方案之間,成本可能增加10%-15%,而不是3倍。當你做出瘋狂的設計時,它可能會使成本增加3倍、4倍甚至5倍。而功能優雅的成本,可能低至成本的1%,這是我們可以非常輕松能地做到的。

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1992年塞維利亞世界博覽會的 Cartuja 橋

在1992年西班牙塞維利亞的世界博覽會期間,有3座非常著名的橋梁靠得很近。除了著名的阿拉米洛大橋和Barqueta橋之外,還有一座世界著名工程師Reiner Saul設計的Cartuja橋,此橋為梁橋,和著名的德國科隆動物園橋類似——優雅、纖細。此橋是通過國際競賽選擇的梁橋方案,也稱得上是結構工程藝術的作品。

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