桥梁概念设计

深海鱼

1 初学概念设计

       大约20年前，刚刚走出校门的我在设计室做了几年的普通桥梁计算和绘图，逐渐对整天的钢筋图、桥台和桩基图产生了厌烦的情绪。非常羡慕大桥设计负责人的工作，确定桥梁的总体方案和结构总体布置图，协调业主和设计组内部的关系，另外就是分奖金。因为在学校读研究生和博士多呆了6年多，分到单位上只能给同学和许多更年轻的工程师打下手，设计室无论学历如何，都是要从头干起的。参加工作不久的技术员是不能做大型桥梁负责人的，大型桥梁负责人都是领导安排的。尤其是长江桥的负责人，听说一辈子只能当一次设计负责人，而且基本按照60年代毕业的大学生按照工作年限来。

       平时的工作也让我认识到要当大型桥梁的负责人首先要学好桥梁总体设计，更要能找到大型桥梁设计项目。于是我开始找桥梁总体设计的书来学习，国内系统论述桥梁总体设计的书非常少，这个是实践性非常强的方向，而且没有唯一的答案，大部分要靠经验和工程师的悟性。开始主要是看了周念先教授写的《桥梁方案比选》以及钱冬生教授写的一些桥梁总体设计的小册子。后来我逐渐感觉到欧洲桥梁工程师做的许多总体设计方案很新颖，而且桥梁也很优雅。很快我就阅读了一批欧洲著名工程师的桥梁设计作品，其中包括德国莱昂哈特¬-安德拉咨询公司莱昂哈特教授和Reiner Saul博士，德国Jörg Schlaich Bergerman und partner公司的Jörg Schlaich教授，法国Jean Muller international公司的Jean Muller, 法国公路交通科学研究院的Michel Virlogeux院士，法国国立路桥学院的 Jacques Mathivat教授，瑞士联邦理工学院的Christian Menn教授，丹麦COWI公司的一批工程师等。其中莱昂哈特教授写的《桥梁美学与设计》，Jörg Schlaich Bergerman und partner公司写的《轻型结构》，Michel Virlogeux院士写的诺曼底桥的设计与施工，多塔多塔斜拉桥等文章的影像特别深刻。在多次阅读这些欧洲工程师设计的桥梁作品之后，我也慢慢地品味到部分工程师的设计思想。

      慢慢地桥梁概念设计(Conceptual design)这个名词就出现在我面前。桥梁概念设计这个以前从来没有听说过的名词，虽然没有明确的定义，但是它的结果是产生一个优秀的桥梁方案。期间恰逢德国莱昂哈特¬-安德拉咨询公司的海外部经理 Armin Patsch到我院交流，他做了一个该公司设计的桥梁讲座，我有机会看到了许多该公司设计的桥梁高清照片，而这些高清的照片很难在书上看到。这次讲座对我非常震撼，虽然都是中小桥，但是采用概念设计，也可以非常卓越。虽然不是具体的大桥负责人，没有大桥总体设计的机会。为了弥补这个缺陷，也为了做好总体设计，我经常做一些大桥的模拟总体设计，以加强实战能力。

       另外我还把国内外各种桥型上部结构每平米的材料指标也统计了出来，然后采用概率统计的方法求出平均值和标准差，这样在一般的桥梁总体方案确定以后，即可在很短的时间里确定桥梁的上部结构数量，估计出来的桥梁造价也有依据。

图 1 各种设计的知识范围

图 2 有的工程师理解的各设计阶段的知识

概念设计阶段的时间虽然非常短，但是这个阶段却非常重要，如下图所示。

图 3 各设计阶段的自由度和时间的关系

2 概念设计的学习和桥梁方案的创作

2.1 浅尝概念设计的甜头

2003年初，我从网上看到广州珠江黄埔大桥要举行全国勘察设计招标，这是一个非常大的桥，一看到就非常兴奋。在投标中我提出的主跨398m独塔斜拉桥和主跨1100m悬索桥方案，主跨450m和主跨1100m串联悬索桥方案得到了专家组和业主的好评。其余投标单位的北汊桥都采用主跨450m左右的双塔斜拉桥，南汊桥采用主跨900-1100m左右的双塔悬索桥方案。广州珠江黄埔大桥最终采用主跨383m独塔斜拉桥和主跨1108m悬索桥方案，和我们投标的推荐的总体方案非常相似，我们获得这个项目的咨询工作。广州珠江黄埔大桥投标的成功大大鼓舞了继续学习桥梁概念设计的信心。

图4 广州珠江黄埔大桥独塔斜拉桥和双塔悬索桥总体方案

图5 广州珠江黄埔大桥串联悬索桥总体方案

图6 建成后的广州珠江黄埔大桥

图7 登上欧洲钢结构杂志封面的广州珠江黄埔大桥

几乎与广州珠江黄埔大桥投标的同时，作为第2负责人投标的交通部西部科研项目《山区大跨度钢筋混凝土拱桥建造技术》也成功中标，在这个科研项目中，在国内首次引入混凝土拱桥的悬臂浇筑法方法，以这个科研项目为背景西昌到攀枝花高速公路上的白沙沟大桥2007年成功建成。

随后我几乎在一路小跑中中标了两个大桥。2004年初我作为桥梁专业负责人成功中标了重庆绕城高速的江津观音岩长江大桥，这个桥采用了主跨436m的钢-砼结合梁斜拉桥，是当时交通部第一座大跨度的钢-砼结合梁斜拉桥，桥面宽度36.2m，这座桥在2015年获得了首届重庆最美十大桥梁。

图8 重庆江津观音岩长江大桥

2004年12月昆明草海大桥举行全国方案竞赛。在买投标文件的时候，我自己独自来到了昆明，在山重投标公司买完表示标书之后。我独自来到了滇池考察一下当地的建筑文化。看完大观楼和滇池以后，一直没有什么感悟，回到办公室以后，继续思考方案。第二次到昆明是业主组织的现场考察，这次看到了许多红嘴鸥，数万只红嘴鸥成为昆明市一道亮丽的风景，它们翱翔在蓝天下，在水面上觅食、游动，吸引众多市民和游客前来观赏拍照，这个情景对我的影像特别深刻。而且当地人说红嘴鸥是昆明特有的，昆明市民和红嘴鸥的感情很深。回到办公室后，继续研究总体方案，因为业主在招标文件中明确说明不要梁桥。因此采用对比和融合的手法设计了两种类型的方案。一个是突出桥梁的独塔斜拉桥方案，主桥为主跨328+297m的独塔斜拉桥。另一个是和西山环境比较融合的方案，准备采用180+180m的系杆拱桥。在对系杆拱方案进行深化时，结合现场红嘴鸥的形象，在两个系杆拱之间加入一个70m的反吊桥，这样180m的两个系杆拱好似红嘴鸥的两只翅膀，70m的反吊桥好似红嘴鸥的头。加上七彩云南的特点，这样就把这个方案的总体创意命名为“彩云伴海鸥”。这个方案后来获得了方案竞赛的第1名。观察红嘴鸥的形态，这是生活；把红嘴鸥的形象移植桥梁，这是联想；把红嘴鸥的形象转化为桥梁工程师的语言，这是创作。

图9 昆明草海大桥大桥方案（方案竞赛第1名）

图10 2005年在昆明为市民讲解草海大桥

2003年到2006年底，我基本就以广州珠江黄埔大桥咨询和重庆观音岩长江大桥设计两个项目为主。这两个项目都是以钢结构为主，使得我以前学习的钢结构派上了大用场。我也深深感觉到概念设计如果和钢结构或者混凝土结构良好地结合起来，发挥出来的力量是巨大的。
在学习欧洲工程师概念设计的同时，我还看了一些中国建筑师写的建筑设计的书来提高在结构创意方面的能力，桥梁创作和建筑创作有许多相似的地方，期中觉得收获比较大的是彭一刚院士写的《建筑空间组合论》，尹青先生写的《建筑设计构思与创意》。
另外在2003年到2005年7月，我几乎有一半的时间是在广州珠江黄埔大桥指挥部渡过的，在广州夏园那个小院子内，我几乎过着办公室，食堂，宿舍三点一线的生活，桥梁总体设计和钢结构两个方案慢慢也走向了国际化。开始写作国际期刊的论文，学习桥梁设计的欧洲规范。尤其是欧洲钢结构规范的学习，使我深深认识到国内和欧洲钢桥的不同。
到2006年底，在概念设计的学习中，竟然潜移默化地熟悉了欧洲近200年的桥梁技术演变，我也慢慢写作以概念设计为目的的《欧美桥梁设计思想》。广州珠江黄埔大桥咨询基本完成，桥塔已经封顶，重庆观音岩长江大桥施工图设计基本完成，桥塔施工到下横梁。
因为以上4个国内项目的中标，我在桥梁概念设计方面也慢慢有了小品牌。设计院其它处室和院外的单位在做投标方案时也邀请我友情参与，只要是和设计院利益不冲突的，我都参与一下，每次投标都是非常好的练习机会。

2.2 对桥梁概念设计的再学习

2007年2月到2011年7月，我在中铁大桥勘测设计院工作，担任总工办主任和海外事业部总工程师两个职务。总工办岗位主要是行政岗位，但是要整理院里每个项目评审时各位总工程师的意见，然后呈总工程师审核，也可以理解为总工程师的技术秘书。海外部我们主要从事海外桥梁的投标和设计工作。其中参加了土耳其Izmit海湾大桥等大桥的投标，这些投标基本是设计施工总承包投标，设计方案基本是设计院和施工单位的负责人确定的，我的岗位基本是项目投标阶段的协调人(Coordiantor)。海外部我们主要完成了加纳sofoline互通立交，赞比亚芒古~卡拉博公路两个项目设计。另外有中铁国际和中铁大桥局联合中标了摩洛哥布里格日格河谷斜拉桥的设计和施工总承包，我们设计院和法国Egis—JMI公司承担该桥的设计工作。在这个项目的设计中，我担任设计组的主要成员。
2007年底我把学习国外工程师概念设计的笔记整理成《欧美桥梁设计思想》另外摩洛哥布里格日格河谷斜拉桥正在设计中。， 2008年在中国铁道出版社出版，这本书出版2年后基本销售一空。在这本书最后出版的阶段，我给书中所写的不少欧洲工程师发邮件征求他们的意见。我因此也认识了莱昂哈特公司前任总裁Reiner Saul博士和法国科学院院士Micehl Virlogeux 等一批优秀的工程师。2008年底我在莱昂哈特公司前任总裁Reiner Saul博士的指导下开始学习德国钢桥和钢-砼结合梁桥技术。

图 11   混凝土艺术之花

图12  登上英国桥梁设计与与工程杂志封面的摩洛哥布里格日格河谷斜拉桥

随后我们还用英国规范设计完成了伊拉克艾马拉市提格里斯河桥。

图 13 伊拉克艾玛拉提格里斯河桥

2011年8月我担任桥梁专业副总工程师，主要是摩洛哥布里格日格河谷斜拉桥正在设计中。此后我作为主管副总工程师主持投标了襄阳市的三个中桥的设计投标，每个单位基本各中标了一个。2012-2013年我作为设计方的副总工程师参与了土耳其波斯布鲁士海峡三桥的投标，这次投标是设计与施工一体的投标。这次投标在各方都能接受的条件下采用了主跨1438m的双层钢桁梁悬索桥方案，其中8车道公路位于上层，2线重载铁路位于下层。这次的中标单位是土耳其IC公司和意大利Astaldi联合体，其中的设计方是法国Michel Virlogeux咨询公司和瑞士T Engineering联合体。这次国际投标对我的影响特别大，投标结束后，我仔细学习中标方案，从结构体系到各主要构件的设计。

在这6年多的时间中，虽然主持的投标项目特别少，但是我从没放弃对桥梁总体设计和桥梁钢结构的学习，即使在最忙的时候我每天至少也要看10分钟。另外在这几年中的业余时间中，我也把2003-2007年设计的一些桥梁进行深加工，以这些工程为背景在欧洲期刊发表了3篇SCI论文，3篇英文EI期刊论文。另外在国内的土木工程学报，中国铁道科学杂志上各发表1篇钢桥的文章。

2.3桥梁概念设计的再应用

2013年9月我到了中铁二院任副总工程师。这是一个新的岗位，我要同时面对公路，地铁和铁路桥梁。公路和市政桥梁投标时一般都要设置既有桥梁的设计业绩作为投标的必备条件。此时二院的公路桥梁最大跨度的是一座主跨256m的刚构桥，斜拉桥双塔和独塔的最大跨度分别为248m和120m，公路悬索桥有一座正在设计中的主跨230m的自锚悬索桥，公路拱桥的跨度最大大致220m。地铁桥梁的最大跨度大致160m。开始的时候也没有任何大桥项目，我只能重操旧业准备寻找新的投标项目。如何让公路和市政桥梁的跨度超过400m成了摆在我们面前的大难题？

2013年9月海口如意岛公铁合建跨海大桥举行了全国方案竞赛，并选择出国内排名前三名的方案。遗憾的是我公司并未进入前三名而失去了本项目的机会。2013年底，我听说业主中弘公司对国内方案竞赛的结果不太满意，准备进行国际竞赛选择本桥的方案。我在春节期间到德国，通过我的老师Reiner Saul博士积极促成莱昂哈特—安德拉咨询公司，GMP建筑公司参加海口如意岛公铁合建跨海大桥的国际竞赛，并和德国公司的技术人员一起深度参与了桥梁方案的创作，最后风帆型桥塔斜拉桥方案创作，获得国际竞赛第1名。随后我又积极促成德国两个公司和中铁二院的深度合作，中铁二院牵头完成本项目和初步设计和施工图阶段的科学研究工作，这座桥时跨海的公铁合建桥，在施工图投标时，其他单位的标价只有我们初步设计45%而中标，但是这个桥全部科研项目和专题研究是我们完成的。在这座桥上，我们的团队在跨海大桥和公铁合建桥梁方面得到了长足的进步，也为我们后来中标兰州雁青多功能黄河桥，宜宾临港长江大桥奠定了良好的基础。

图14 海口如意岛公铁合建跨海大桥方案（国际方案竞赛第1名）

2015年中期，兰州雁青黄河公路桥采用主跨220m的独塔自锚悬索桥已经基本完成了施工图的初稿。此时兰州地铁3号线要过黄河，两个桥隔得特别近，业主问两个桥能否合建？院里做经营的图纸也不知道院里已经做过一个公铁合建桥，怕院里做不了，特地来找我。一听以后，我觉得这是个机会，于是马上给兄弟们打气，先承诺业主我们可以做公铁合建桥，而且一定能做好这个公铁合建桥。随后土二院接手这个公铁合建桥，原设计如意岛公铁合建桥的团队来研究雁青多功能黄河桥的方案，随后我们提出来双分箱钢箱梁和桁梁组合的“品”字型主梁方案，这个方案成功地解决了铁路在上面，公路在下面，公路和铁路宽度差别特别大的矛盾，这个方案后来获得国家发明专利。经过技术和商务团队的公铁努力，我们独立中标了兰州雁青多功能黄河桥。为后来在宜宾临港公铁合建桥，遵义到余庆高速公路上的乌江大桥（主跨680m悬索桥）奠定了良好的商务和技术基础。

图 15 兰州雁青多功能黄河桥 （中标方案）

2015年中期我接手郑北大桥。中标方案是一个A型塔的主跨220m的双塔钢箱梁斜拉桥，桥宽接近45m。桥梁要跨越亚洲最大的编组站，跨越处有45股道，而且还有京广线，用地和建设条件非常复杂。在桥梁的初步设计预审会上，各方的对方案的期望值比较高。经过我们现场考察地形，用地规划，钢箱梁运输和拼装条件以及下面还有地下通道等约束条件以后。我建议把A型塔改为H型塔，因为A型塔的下塔柱占地较多，另外把整体钢箱梁改成了两个小边箱的钢-砼结合梁。另外为了给郑州北站附近留下未来的发展空间，把双塔斜拉桥改成了独塔斜拉桥，这样虽然桥塔的高度明显增高，但是因为减少了一个大基础，另外钢箱梁改为钢-砼结合梁等措施，造价并未超过原来投标的双塔钢箱梁方案。对于H型桥塔，也进行深加工。从人举着双手的形态逐渐演化为河南人的象征。这样就确定了这个桥的隐喻：“让河南走向世界，让设计了解河南！”，在不影响环境的同时扮演着一个城市大门的角色，设计简洁优雅地以一个非常人性化的规模坐落在景色之中。按照这个隐喻完成了桥梁的结构创意和设计，再次给业主和铁路等各方汇报时，各方非常满意，这座桥于2019年3月建成通车而成为郑州市的新地标，桥梁也登上了2019年5月《英国土木工程学报》杂志的封面。这座桥梁也使二院的公路桥梁从理论意义上突破了400m的跨度，为后来在遵义到余庆高速公路上的湘江大桥(主跨560m钢-砼结合梁斜拉桥)奠定了良好的商务和技术基础。

图 16 建成后的郑州郑北大桥

图17 登上《英国土木工程学报》封面的郑北大桥

2015年初，在讨论宜宾临港公铁合建桥的方案时，原来的预可行性研究报的主跨522m的公铁双层布置的钢桁梁斜拉桥方案，我根据两岸的地形建议设计组做公铁平层布置的，桥塔外包的混合梁斜拉桥方案。2016年初这个方案在业主组织的专家评审会上，因为以前国内的公铁合建斜拉桥都是双层的，这个公铁平层布置的斜拉桥方案遇到了专家质疑。此次评审会以后，院里临时让我当这个项目的主管总工程师和项目总体。为了扭转上次评审会的不利影响，我根据海口如意岛公铁合建跨海大桥和兰州雁青黄河公铁合建桥的设计并结合专家意见，提出桥塔内穿的三分箱主梁斜拉桥方案，并进一步发展为公路和铁路错层布置。并用细致的工作这个方案说服了铁总，铁总在工可文件中同意此桥采用公铁平层合建的箱型主梁斜拉桥。在初步初步设计的预审会上，三分箱主梁斜拉桥方案受到质疑。最后在初步设计正式评审时，铁总批准了我们设计组的比较方案，也就是最初的桥塔外包整体式钢箱梁斜拉桥方案，同时说桥塔内穿的三分箱主梁斜拉桥也非常优秀，铁总会在其他桥梁实施这个方案。这座桥是我国首座公铁平层合建的斜拉桥，也是世界首座高速铁路和公路平层合建的斜拉桥。2018年桥塔内穿的三分箱主梁斜拉桥方案获得国家发明专利。2019年6月铁总批准某公铁合建缆索承重桥采用桥塔内穿的三分箱主梁。

图18 宜宾临港长江大桥工可推荐方案

图19 宜宾临港长江大桥实施方案

2017年中期，我们投标埃及苏伊士运河法尔达内公铁合建开启桥旧桥改造和一座新桥的设计施工总承包，这次投标的难点是把一座主跨340m的单线铁路加2车道公路的双页平转开启桥改造为双线铁路开启桥。我们利用平转开启桥的特点，把桥梁转体到两岸，然后再把桥梁放在支架上，采用千斤顶反顶，使得钢桁梁中的恒载应力降低到20MPa以下，然后再在已有的杆件上焊接槽型截面对弦杆和腹杆进行加强。根据实际情况我们提出的外贴槽型截面的方法使得本桥“修旧如旧”，而且操作可行，后来这个方案经过业主组织的多次技术方案评审成为实施方案，但是遗憾的是我们团队报价高而未中标，但是业主最终采用的方案和我们团队的技术方案最为相似。

图20 苏伊士运河开启桥投标方案

3 桥梁概念设计

3.1 桥梁概念设计和钢结构，混凝土结构的关系

在长期的总体和概念设计的过程中，我也依然坚持着对钢结构和钢-砼组合结构方向的学习和研究，使这两个方向相互配合、相互提高。欧洲钢结构协会每年的研究报告我基本都会仔细读一遍。通过概念设计和投标获得大桥项目，再通过钢桥和钢-砼结合梁技术成功完成这些项目，依次循环，依次加深对这两个方向的理解。另外如果要在国际期刊上发表论文，也要主要依靠钢结构和组合结构。

桥梁概念设计虽然是设计院最核心的技术，但是在国内如果只做概念设计，很容易被边缘化，概念设计只是创作出优秀的方案，但是这个方案能否被采纳，还需要我们在技术上证明其创新性和经济性。而这个证明工作就需要钢结构、钢-砼组合结构和混凝土结构专业。

所以从欧洲桥梁创作的实践来看，概念设计的高手一般有两种：

1) 精通概念设计，另外精通钢结构和以钢结构为主的钢-砼组合结构。例如：德国Reiner Saul博士，英国原Freeman fox partner公司的Gilbert Roberts ，William Brown等工程师。

2) 精通概念设计，另外精通混凝土和以混凝土结构为主的钢-砼组合结构。例如：德国Fritz Leonhardt教授，Jörg Schlaich教授；法国Jean Muller， Jacques Mathivat 教授， Michel Virlogeux院士；西班牙CFSL公司的Javier教授等

当代大型桥梁的创作大部分实际上是团队创作。总设计师创作出好的方案以后，和他配合的团队完成方案的细化工作以证明其创新性和经济性。Michel Virlogeux 在离开法国Setra 以后，他实际上只能做总体设计方案和混凝土结构为主的大型桥梁咨询，为了弥补钢结构桥梁的缺陷，他和比利时的Greisch公司长期合作，他完成总体设计，钢结构设计则由该公司完成，如此合作的钢桥例如：著名的法国Millau 高架桥，土耳其的波斯布鲁士海峡三桥等。

首先要依靠概念设计创作出创新性的桥梁方案，但是这只是第一步，主要需要工程智慧。下来还要证明这个创新性的方案成立，这主要需要工程知识，包括基础工程，钢结构和混凝土等基础理论。因此要依靠概念设计获得大型项目，再用混凝土和钢结构等知识成功地完成这些项目。这两个方面相互促进，相互螺旋式提高。

3.2 在大型桥梁的国际竞赛中学习概念设计

多年以来自己参与一些国内外的桥梁方案设计投标和竞赛，我每年至少都要参加或深度观看一场国际大型桥梁投标或者竞赛，每次都要把各投标单位的参赛方案独自品味一番，然后结合评委意见再阅读一遍，吸收这些方案的优点，另外也可以领略到国际先进技术和桥梁发展的一些趋势。例如：贝尔格莱德Ada公铁合建桥，印度贾木纳河，美国cooper river大桥，土耳其Izmit海湾大桥，塞尔维亚多瑙河zezelj公铁合建桥，土耳其波斯布鲁士海峡三桥，德国汉堡Süderelbbrücke大桥，智利chachao大桥，海口如意公铁合建跨海大桥，加拿大new champlain大桥，土耳其幼发拉底河大桥，台北淡江公铁合建大桥，赫尔辛基皇冠大桥，布达佩斯多瑙河公铁合建桥，罗马尼亚多瑙河桥，奥地利林芝多瑙河大桥，土耳其1915 Canakkale 大桥，巴拿马运河四桥（公铁斜拉桥），埃及苏伊士运河大桥等。

对于每年获得国际桥梁与结构工程协会的杰出结构奖和提名奖的桥梁，我都要仔细阅读其设计和施工的文章并找到其上部结构的主要材料指标、性能和用量，看看这个桥的先进性体现在在那些地方。

4 结语

从事概念设计马上20年了，这是一条艰辛而曲折而且没有终点的道路。 在10多次的大桥方案竞赛、投标中获胜或提出的方案被采用，另外在平时的桥梁方案决策中，我都紧紧依靠概念设计，即使在担任副总工程师以后，在大型桥梁方案的决策中，我也坚持自己独立进行概念设计。平时我一般都和设计组背靠背各做一组方案，最后拿出来一起讨论，择优选用。
桥梁总体设计必须坚持自己亲自画方案，就像酒厂里面有品酒师和酿酒师一样。如果每次只看别人的方案就发表评论和意见，时间久了，自己独立思考方案的能力就弱了。我们必须坚持自己独立做方案，另外也会评价和选择别人的方案。
桥梁创作实践研究本身就是一个开放的和没有终极目标的研究体系，它要求我们不断地实践和研究体系，它要求我们不断地实践和研究，不断地完善它的理论体系，循环往复，以至无穷。本书就是从设计师的视角出发，以优秀桥梁方案创作为目标，把其中的桥梁创作实践作为研究对象，研究桥梁总体设计中的思维和方案的创作方法，方案的表达以及评价。