浅析桥梁设计的创新

浅析桥梁设计的创新

孟智勇 王智慧 张琪

河南鑫怡园林工程有限公司河南 郑州 450000

摘要：创新是桥梁设计的灵魂，是推动桥梁事业蓬勃发展的原动力。好的桥梁设计构思不仅需要想象力与创新，而且需要建筑美学与工程力学的有机结合，创新必须以结构合理为前提。本文主要介绍了创新构思在桥梁建筑创作中的应用。

关键字：创新构思、应用、桥梁设计

一、创新的思路

创新是桥梁发展的动力，是桥梁建筑艺术的灵魂，没有创新的艺术犹如一潭死水，没有一点活力，日复一日，终究会越来越腐朽。同时，创新也必须以实践为基础，也需要用理论来指导。作为设计人员，如何在设计中寻求创新，同时在创新的同时也能实现结构的合理呢?

1、设计人员应具有创新的意识，必须意识到创新的重要性和必要性。同时应具有创新的能力，掌握一定的创新技巧，要勇于突破定势思维，打破传统观念和经验的束缚，充分发挥主观能动性和想象力，不迷信权威，发展广泛的兴趣。创造力并不是在任何情况下都能自发地表现出来的，必须通过创新的素质教育和训练才能获得开发和提高。

2、设计人员应以本专业的基础知识为核心，建立起创造发明的“游击区”。使专业基础知识与其他知识相互渗透，共同结合成一个网络式整体结构。还应开发智能因素，包括培养精确的观察力，提高记忆力，培养注意力、想象力和操作能力。除了创造力之外，创造性人才还应具备创造精神和创造人格。创造精神主要包括有好奇心、探究兴趣、求知欲、对新事物的敏感、对真知的执着追求，勇于发现、发明、革新，有开拓进取、百折不挠的精神，这是一个人创造的灵魂和动力;创造人格主要包括创造责任感、使命感、事业心、执着的爱、顽强的意志和毅力，能经受挫折、失败的良好心态，以及坚韧顽强的性格，这是创造出成果的根本保证。

3、桥梁设计中的创新必须以结构受力合理为基础，以满足功能要求为前提。力是创新应考虑的主导因素。因此，设计人员应掌握好力学知识，桥梁结构必须能明确反应力流，使力的传递途径一目了然。

4、由于美学具有相对性，人类审美观念是会发生变化的，桥梁美学设计实践应与人们不断变化的美学观念同步，创新不能脱离人类审美观念。桥梁设计人员应该对人们美学观念的变化具有敏锐的洞察力，美学观念的变化是微妙的，因此应不断以新的眼光观察这些微妙的变化，不能墨守成规，从这些微妙的变化中预测出美学观念的发展趋势，作为未来设计创新的依据。

5、要努力推进新材料与新工艺的发展，不断改进力学分析方法，提高分析技能、分析速度和准确度，在掌握好力学知识和分析手段的前提下，运用各种创新手段，充分发挥人的想象力和创造力，争取不断创造出结构更合理、更先进、更美观的桥梁形式以适应不断变化的美学观念。最后，还要注意总结前人的设计经验和教训，“前事不忘，后事之师”，学习前人并不是照抄照搬别人的劳动成果，也不是纯粹学习已经过时的结构形式，而是学习前辈在当时历史条件下的创新精神和创新方法。

二、创新的基本技法

1、组合法

组合法，是一种以综合分析为基础，并按照一定的原理或规则对现有事物或系统进行有效的综合，从而获得新事物、新系统的创造方法。

组合法的内在原理很复杂，形式也多种多样。组合法在具体应用中可有多种形式，其中形态分析法、信息交合法、焦点法可广泛用于桥梁设计中。

（1）形态分析法

形态分析法是组合法中的经典方法，具体是指通过对各形态要素的各种组成形态进行排列组合，就可以获得各种可能的方案，根据桥梁功能、安全、经济、美观四要素，对各种方案进行筛选，选出合理的方案。

这里的形态要素不仅指事物的形状或表现，如事物的体积、外观形状、颜色、质地等，而且包括内部构造、组成机理等内在因素。形态分析法的本质就是排列组合。

（2）信息交合法

信息交合法，也称为魔球法，是利用不同的信息进行交合而获得新的设想。例如，钢架桥与上承式拱桥交合出现钢架拱桥，梁桥与下承式拱桥交合出现系杆拱等。

（3）焦点法

焦点法，即指定一个事物为中心(焦点)，依次与罗列的各元素一一组合，得到多种组合方案。焦点可以是需要创新的事物，也可以是新技术、新思想等。如在悬索桥设计中，以“便于观赏周围景观”为目标，可将其与桥塔、桥面、锚碳等一一组合，在桥塔上面、人行道、锚旋部分等设观景合。

2、类比法

类比法，是通过对两个对象之间某些方面的相同或相似之处进行比较分析，从而推出这两个对象在某些方面的相同或相似的方法。两事物相同或相似的属性可以是形状、结构、功能或原理。类比法的关键是发现和找出原型，从熟悉的对象类推出陌生的事物，从己知探索未知。

在人类社会的创造活动中，不断出现和完善了一系列建立在类比基础上的具体技法。这些技法包括综摄法、原型启发法、移植法、仿生法、等价变换法、中山正和法和中山-高桥法等。

（1）综摄法

综摄法是从已知的事物出发，将毫无联系的不同知识要素结合起来，从不同的角度分析未知的事物，从而使理想中的未知事物成为现实的过程。它是一种适用于集体创造的专业性技法，能较好地克服个体联想的局限性。

综摄法在桥梁设计中也占有举足轻重的作用，由于目前大多数桥梁的设计仍然由结构工程师来承担，但结构工程师由于所学专业的限制，在设计时往往将视野集中在较专业的领域，思路不开阔。如果设计中将多个领域专家的意见引入进来，在更广阔的领域展开问题，解决问题，结构工程师从中得到启发然后从更专业的领域选出合理的设想，这样设计出来的作品应该是既合理，又独特新颖的。

（2）原型启发法

原型启发法是指通过观察找到原型，在原型的启发下，产生新设想的技法。它是根据人的创造思维和运行方式，将偶然遇到的某些事物，经过观察和分析，突然间启发出灵感。它以创造欲望为前提，以类比为基础。

这种方法带有偶然性和机遇性。因此，创造发明人需要具有敏锐的观察力，不轻易放过在别人看来微不足道的现象，并及时把它与发明联系起来进行创造性思考。如早期的罗马人在做泥坯墙时，为了提高墙的抗裂强度，在泥土中掺入一定量的稻草。根据这一发现，法国园艺家蒙耶在用混凝土做花盆时在混凝土中放些钢条，这样钢筋混凝土便诞生了，这对桥梁建设具有革命性的意义。又如早期人类还没有造桥之前，利用深沟或河边被风吹倒的树干跨越深沟险壑，人们把这一原理运用到造桥技术中便有了最古老的桥――梁桥的出现。

（3）移植法

移植法是将其他领域的原理、方法等应用和渗透到研究领域，用以改造旧事物或创造新事物。将移植法运用到桥梁设计领域，可以对原有形式进行改造或创造出新的形式。

移植法的种类很多，可以是原理、结构、方法或材料的移植。如在修补沥青路面时，常需将原有沥青烤软，但用红外线加热或烧烤的方法均只对表面有效，难以使内部软化。在日常的生活中，人们利用微波炉却可以将食品内部迅速加热。于是，将微波技术移植到筑路机上，就可以达到修补路面时的软化目的，解决了筑路中的特定问题，通过发酵蒸制或烤制的面包松软可口，这种发酵技术中的关键是发泡方法，日本人铃木信一博士将这种发泡方法移植到水泥制品的生产中，发明了发泡混凝土预制件，广泛用作隔音保暖材料。又如有的专家设想将珊瑚生长的原理移植到桥梁施工中。碳纤维材料也被移植到旧桥加固中等。房屋结构中的覃形结构、薄壳结构也常用于桥梁设计中。

（4）仿生法

仿生法是目前在各种领域得到广泛关注的方法，它是通过模拟生物的结构、功能或原理等进行发明创造。生物在自然进化中，经历了亿万年的筛选、淘汰和改进，每种存活至今的生物都有独特的特点和功能，这些特点和功能便为人类向各种生物模仿、学习提供了很多机会。仿生最早是从形式上效法自然，桥梁的基本形式――梁、拱和吊桥都是从自然界现象中得出的。

但是，真正的仿生法并不是照搬形式，而是深入其内容，要采用其对于桥梁功能所适合的部分。鲁道尔夫•特劳斯泰参照水滴在重力作用下表面张力形成的造型，建议以充气壳体如倒置的水滴造型做桥梁的浮墩。

从本质上模仿自然目前还处于初级阶段，模仿自然需要对自然物的形成过程加以研究，从而实现真正意义上的仿生。

3、列举法

列举法是将研究对象的特点、缺点、希望点罗列出来，提出改进措施，形成独创性的设想。根据列举对象的不同，列举法可分为属性列举法、缺点列举法、希望点列举法、成对列举法、综合列举法等。

（1）属性列举法

是通过对研究对象进行分析，逐一列出其属性并以此为起点探讨对研究对象进行改进的方法，因此这种方法适合于旧事物的改造创新。研究对象的属性一般可分为名词、形容词和动词以及量词属性。然后从需要出发，对以上列出的属性进行分析、抽象、与其他物品进行对比，通过提问的方式来诱发创新思想，采用替代的方法对原属性进行改造。

（2）缺点列举法

是将事物的缺点具体地一一列举出来，然后针对发现的缺点，分析原因并提出具有针对性的改进方案。从而获得创造发明的成果。这种方法简洁高效，适合对产品的改造，但容易受已有事物的某些属性所束缚。

（3）希望点列举法

是通过列举事物被希望具有的特征，从而寻找创造目标和方向的方法，希望点有些是从缺点直接转化而来的，这种方法比缺点列举法优越的地方是它能从正面、积极的因素出发考虑问题，不受现有事物的约束，易产生较大的突破，能在更大程度上开阔思考问题的空间。

（4）成对列举法

是通过列举两种不同事物的属性，并在这些属性间进行强制组合，通过相互启发而发现发明目标，列出的两个事物互为焦点和参考物，因此成对列举法是在属性列举法和焦点法的基础上形成的，该方法利用列举法务求全面的特征，又吸取了强制组合法易于产生新颖想法的优点，更容易产生独特的创意。

（5）综合列举法

是针对所确定的研究对象，从属性、缺点、希望点或其他任意创造思路出发列举出尽可能多的思路方向，对每一思路方向开展充分的发散思维，最后进行分析筛选，寻找出最佳创新思脚。这种方法将属性列举法、缺点列举法和希望点列举法综合起来应用，突破了各种方法的限制，吸收了各自的优点，它运用属性列举法列出属性，按缺点和希望点列举法分析属性进行替换，从而提出创造性设想。

实践是创新的生命之源，任何创新都是源于实践。创新的最终目的则是应用于实践。因此，实践是检验创新成功与否的标准，脱离实践的创新是“空中楼阁”，伟大的桥梁设计者必然是伟大的实践家。