中华建筑理念及其桥梁结构功能预测

施　颖　王荣波　李大华

[摘 要]论文阐述了中华优秀建筑理念--“土木工程”的内涵，回顾了历史上桥梁结构的使用功能和存在的结构方面的问题，论文提出采用现代无金属结构建造桥梁，并讨论了发扬这一“土木工程”优良传统的可行性和合理性，同时介绍了采用与现有建成的桥梁结构相类比的方法，用纤维加筋结构可建造跨度8000米，主塔高度可达2000米的斜拉桥，因此，提出了“数字城市”迫切需要的数字通讯与区域大型斜拉桥建筑统筹规划后续研究的新问题。

[关键词]土木工程 斜拉桥 纤维混凝土 纤维仿木 现代无金属结构 数字城市

作者简介：施颖（1963-），男，教授级高级工程师，1984年毕业于西安公路学院桥梁与隧道专业，工学学士。

一、“土木工程”的内涵

“土木”是中华传统“五行”哲学“金木水火土”中的二个字，这应该是“土木”的哲学渊源。土木：“谓建筑之事也，如筑屋、架桥、筑堤、开路等工事是也（国语晋语九）。”,也就是说，中华大土木工程不仅含有建筑工程，而且还包含着水利工程和交通工程。“土木”一词是中华特有的，因为外语没有可以确切表示其内涵的词，例如，英文：“Civil Engineering”，其本意是为了在英国区别于“军用工程”而定义为“民用工程”，是较为接近“土木工程”的英文术语而不得以在英译文中采用了，因此，“土木工程”的正确英文译法理应是“Tumu Engineering”。

《史记》说“火生土，水生木”，“土木”本意与水、火有关，也就是在“金木水火土”中占了四个字，唯独与其中的“金”字无关，因此，中华传统建筑理念下的土木工程结构一定是无金属结构。但是在近代，西方工业进步极大地改变了东西方的势力地位，中华在外来列强的侵掠下，当所谓的“铁甲舰”撞碎了我们的木船时，才深刻认识到钢铁的厉害。这不仅使中华民族在建筑上基本放弃了不使用金属的理念，后来又“大炼钢铁”，目前钢铁产量已雄踞世界第一位，大量用钢成为了国家的产业政策之一。在中国古代，几千年来为什么在土木建筑中不用金属，最重要的原因之一就是金属不耐腐蚀，显然，结构工程的寿命保证是非常重要的，土木工程结构如果使用了金属必然是短寿的，历史上无数建筑物的寿命表现都可证明这一点。后来，中国逐渐放弃了“土木”的理念，在建筑结构上开始使用钢铁，这显然是被“打”出来的结果。

尽管如此，中华传统的“土木”理念经过后人仔细斟酌，并没有错，而且可以从中得到各种明确的启示，获取众多的成功经验。在纤维增强聚合物（FRP）替代钢材应用于土木工程时，通过这种科技进步可以恢复中华“土木”理念，发扬优良民族传统。为此，我们提出了现代无金属结构的概念[1]，包括纤维混凝土结构、纤维砌块结构和纤维仿木结构三类主要形式。现代无金属结构在土木工程中的应用，可以很好地解决建筑高强度、大跨度、耐腐、防火、防水、无磁、抗震、抗爆等重要需求，并有益于通风、采光、保温、抗疲劳、结构智能化等。

二、桥梁结构的功能和问题

桥梁工程是跨越障碍的主要手段与技术，是交通运输中的生命线，其功能是跨接某个特定的空间以便某些荷载或交通可以运输过一个自然障碍物或人造街道，上至远古狩猎时代下至近代和当代，桥的任何形式必须体现这个基本功能。而结构主体有早期的天然材料(木、石、藤、竹乃至皮革之类)，到现代必然以大量钢铁为主要材料，但为了延长结构寿命，必须用混凝土包裹起来或喷涂其它金属和涂料。从而对钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁增加自重，影响跨越能力；对钢桥，费用太高，日后养护维修工作量又大。

随着中国改革开放，经济的腾飞，农村的城市化进程的加快，中国的基础设施建设前所未有，而中国的桥梁建设者呕心沥血，锐意进取，各种各样的桥梁应运而生，并不断刷新国内纪录与世界纪录，把中国的桥梁科学技术水平提到了一个新的高度。2008年在中国的长江上，竖起一座世界第一高塔（250m）、第一跨度(1088m)的斜拉桥，在杭州湾建造世界最长的跨海大桥（36km），把斜拉桥和跨海大桥的设计、建造、管理的水平提升到一个相当高的高度。

综观大跨度桥梁的发展趋势，桥梁技术的发展将有一个质的飞跃。大跨度桥梁向更长、更大、更柔的方向发展。21世纪桥梁工程师们已向海峡进军，去征服一个有一个纪录，跨度越来越大，塔高已越来越高。究之桥梁结构技术往超长、超大、超柔方向的发展趋势，除自然条件外，多少还存在一些人为的因素，一种人性的体现，下面的一段“关于什么是摩天大厦的起因”也许能剖析桥梁发展的这一趋势。

从1885美国芝加哥家庭保险公司的世界上第一幢有金属结构的高层建筑到现在，高层建筑的发展又走过了120年。人类为什么要往高建造呢？菲利普.约翰逊在1996年的《摩天大厦》一书中说“关于什么是摩天大厦的起因，人们有不同的概念，但在文化上的原因只有一个：为宗教信仰和自豪的目的往上升高。可是我们的商业摩天大厦是竞争性商业世界启动和推进的结果。”“……在商业世界中，在那里是竞争性的。群塔的众多体量在一起代表一个文化时代，它们为声望与公认一一站在那里奋斗。我有了一个……比你有的大一点，这是一种天然愿望，……。” “欲穷千里目，更上一层楼”，王之涣站在黄鹤楼上说出了人类往高的愿望、要求、及需要。

综上所述，目前中国交通、城市基础设施建设迅猛发展，综合国力处于大发展时期，就更应该优先选用新技术、新材料建造起更多的世界最大跨度桥梁、最高建筑群体。让“土木工程”优良传统发扬光大，中国超跨度、超高层建筑应立于世界土木工程建筑之巅峰。

现代新型建筑材料的应用，会使桥梁跨度越来越大、主塔越来越高，人们对其跨度、高度极限问题很感兴趣，同时也会探讨和预测这类高桥塔结构在现代城市中的新功能问题。

三、发扬“土木工程”传统的可行性和合理性

为了恢复和发扬中华“土木工程”的优良传统，采用现代无金属结构实现这一目标，就是用复合纤维完全替代钢材，这是非常合理的和完全可行的。其中纤维混凝土结构是针对替代钢筋混凝土结构和钢结构提出的[2]，因而可使其变成无金属结构。基本方法就是用复合纤维材料替代钢筋或钢丝，得到新型结构，且具有更强、更轻、加工更简便的特点，其中纤维筋的绑扎问题已用尼龙绑扣替代，类似钢材焊接的问题可用高强环氧树脂胶粘结解决。纯复合纤维结构可以仿制或替代木结构，也可以仿制或替代型钢、钢索等结构。因此，这些现代无金属结构的主要形式一般可以覆盖替换现有各种有金属结构形式，使将来结构形式发展到只有无金属结构一类，完全恢复“土木工程”名符其实的合理面目。

因此，桥梁结构中的钢筋混凝土或预应力混凝土结构可以用纤维混凝土结构来代替；桥梁工程结构中的钢结构、钢缆索可用纯复合纤维结构或纤维仿木结构来代替；钢管混凝土结构可以用碳纤维网管混凝土结构来代替。

（一）高强度、大跨度的问题

现代无金属结构应用于桥梁结构工程中的明显优势就是纤维的自重轻、强度高、对温度变化不敏感，在结构中所引起的温度变形很小。我们曾经在天津和北戴河采用了纤维混凝土建造了地下混凝土屋盖，其碳纤维的抗拉强度为4000Mpa左右，经过环氧树脂复合成碳纤维棒材的抗拉强度为3000Mpa左右，这抗拉强度约是普通钢材的10倍。另外碳纤维的比重是1.8吨/立方米，约是钢材的四分之一，所以，依目前而论，一吨碳纤维可以等效于40吨钢材，用纤维代体钢铁的重量仅为原来钢铁的2.5%，在土木工程中显然这一重量是可以忽略不计的。

制约桥梁极限跨度的两大因素，一是材料的强度；二是材料的容重。采用纤维混凝土既是高强又能大大减轻自重，显著地增大桥梁跨越能力，又能为安装构件带来方便，可节省大量的安装费用。更重要的是自重的减轻，可明显减少地震力，或者在强度不变的条件下显著提高结构抗震等级与能力。正是由于自重轻、强度高，如果用于桥梁结构补强加固，基本上不改变原结构的内力值，但抵抗外荷载的能力大大提高，因此，这一优点倍受桥梁结构补强加固者的青睐[3]。

在桥梁结构工程中，由于外荷载大，往往配筋率很高，导致混凝土浇注振捣困难，不密实，留下质量隐患。而为了保证不超筋，就要增大截面，加大构件体量，又增大自重內力，甚至会导致恶性循环。而这一切，若采用现代无金属结构，用复合纤维替代钢筋，就可以轻而易举地解决以上问题。

体积小、重量轻、强度高的现代无金属结构显然是现代大跨度桥梁的首选结构形式。

（二）结构防腐和耐久性的问题

土木工程结构腐蚀问题是一个很普遍的问题，在地面以上能够看到的结构中金属的腐蚀已是触目惊心，在地面以下或水中的地下结构工程（桩、柱、承台等）因氯离子和硫酸盐离子侵入造成钢筋腐蚀必然会更加严重。

倍受世人嘱目的杭州湾跨海大桥[4]，全长36Km，目前是世界上最长的桥梁。大桥中设计最难点部分就是（1）钢管桩防腐性；（2）混凝土结构的耐久性。

（1）钢管桩防腐性

桥位水域含盐量较高，并且水流速度快、含砂量较大，所有这些因素将加速钢管桩的腐蚀速度，对大桥的安全造成很大威胁。因此，合理确定钢管桩的防腐措施是至关重要的。设计中实际采用桩身表面涂装、阴极保护及预留钢板厚度综合防腐措施。

（2）混凝土结构的耐久性

由于大桥的设计使用寿命是100年，因此在设计时必须采取一定的措施来提高混凝土结构的耐久性。目前欧洲和美国许多混凝土桥梁在使用10～20年之后均出现了一定的破坏，并且其破坏的主要原因是混凝土内钢筋的锈蚀造成的。

提高混凝土结构的耐久性，现阶段做法：首先要提高混凝土本身的密实性，提高混凝土本身的耐久性；其次是混凝土表面涂装或喷涂封面剂，减少造成钢筋腐蚀的氯离子和硫酸盐类进入混凝土内部的通道；另外要加强钢筋本身的防腐措施，提高钢筋自身耐腐蚀的性能。

现代无金属结构中的复合纤维在耐腐性能上具有明显的优势，明显强于混凝土或砖、石。利用现代无金属结构中的复合纤维可较好解决以上两个问题，即用纤维棒材代替钢筋；采用纤维片材包裹来保护钢管或混凝土；利用钢管成孔内置纤维加筋混凝土桩成复合桩基，并起双重保护；最直接就是用纤维卷材加工成管材来代替钢管。

（三）结构抗震问题

2008年5.12汶川大地震再一次说明，桥梁工程自身是生命线工程，百年大计，因此桥梁结构本身要具有良好的抗震性能。而抗震系侧力问题，无疑是桥梁结构最难研究的系列之一。这一问题之所以最难，从荷载方面看，地震荷载是随机的，而且是非平稳的，地震荷载时间过程不仅在幅值上是非平稳的，而且在相位上也是非平稳的，这就使问题更复杂化了。从抗力上看，结构抗震设计是大变形非线性问题，而且恢复力不仅有变形恢复力，而且还有阻尼恢复力。结构抗震分析中不仅要考虑构件材料的强度蜕化和刚度蜕化问题，而且有时还要考虑临界倒塌的负刚度问题，不仅要考虑材料内磨擦阻尼问题，还要考虑结构辐射阻尼问题。

什么样的结构抗震性能最好？当然轻的结构抗震性能自然相对好些，美国西部地区和日本，人们仍然青睐木结构建筑，因为，大家知道木结构轻，抗震性能好，然而，木材资源有限，不可多得。现代无金属结构提出桥梁仿木结构，就是从材料选择的根本问题上抗震。

至今国内未有保险公司设立“地震保险”险种，显然，地震安全社会保障体系尚无法在中国建立。现代无金属结构将从强度高和重量轻出发，可根本解决桥梁结构抗侧力问题，使无金属结构充满活力。对于桥梁抗震的耐倒塌问题，主要靠提高钢筋混凝土结构的延性来解决，钢筋混凝土结构的延性系数一般为4～6，而纤维混凝土结构的延性可达到10～12。如用纤维混凝土替代钢筋混凝土建造桥梁结构，则具有成倍的抗倒塌能力储备。

综上所述，现代无金属结构可以在不增加工程造价的前提下，明显提高结构抗震能力，并使桥梁抗震设计标准有明显提高，地震保险可在现代无金属结构技术基础上实施，两者相互促进，结构物地震安全分级管理不再有大的障碍，桥梁结构的寿命会更加延长。

（四）结构耐疲劳问题

桥梁在车辆荷载、风雨振作用下，振动疲劳问题将是非常明显的，尤其是钢结构、缆索、吊杆等接头部位的疲劳破坏，直接关系到桥梁的寿命。这是因为金属材料会有缺陷，即使在很小荷载的反复作用下也会在缺陷面发生应力集中，有裂纹扩展，逐渐出现疲劳破坏。而现代无金属结构中的复合纤维材料往往是由碳纳米管组成的，也就是说该材料在原子量级上都是较为均匀的，因此具有奇异的强度，同时也有优越的抗疲劳能力。

（五）结构智能控制问题

结构智能控制是现代建筑的又一研究热点。桥梁建成交付使用后，将通过自动监测和管理系统保证桥梁的安全与正常运行，一旦发生故障或损伤，将自动报告损伤部位和养护对策。这一桥梁智能控制新技术，如采用现代无金属结构将很容易实现，即利用导电FRP既作为无金属材料，又作为结构性能监测传感器。

（六）结构造型艺术问题

桥梁是人类最杰出的建筑之一，世界上很多著名的桥梁都是一件件宝贵的空间艺术品，成为陆地、江河、海洋和天空的景观，成为城市标志性建筑。因此说建筑艺术的魅力是无价的，现代建筑创新必然会推出综合反映时代风貌的新的桥梁建筑造型，采用传统的结构材料和施工工艺将很难完成这样的任务。现代无金属结构的可塑性强、施工简便，必将为桥梁建筑造型艺术的发挥提供了新的生命力。在现代无金属结构应用研究过程中，新的结构形式和构造艺术风格会层出不穷，必将突破结构造型的多年沉寂。桥梁结构在新材料、新结构的滋润下将会更加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，重视环境保护，达到人文景观同环境景观完美结合。

四、桥梁结构的极限跨度问题

现代无金属结构中纤维的抗拉和抗压强度都很高[5]，且材料又轻，正如前面所言。但在现代无金属结构桥梁设计建造时，结构变形的刚度控制是十分关键的指标，为此，可采用预应力技术来实现。我们提出预应力的施加可以分为两级：第一级为制作复合碳纤维筋时施加的预应力，这种预应力当环氧树脂固结后才释放回弹，环氧树脂承受压力，预应力施加不会很大，根据我们做的无胶纤维布混凝土板承载力实验，估计这种预应力强度目前最大为纤维强度的10℅，采用先进的自动化制作工艺预应力会有明显提高。第二级为建造碳纤维构件时施加的预应力，这种方法与预应力钢筋混凝土构件的制作相似，即对碳纤维丝施加预应力，所不同的可能还在于采用的卡固和张拉方法。对碳纤维施加预应力的结果是不容忽视的，这将大大提高材料的实际抗拉伸强度，且使结构的抗力又具有了一定的储备量。

有了超常的强度和刚度后，天津城市建设学院99级学生李鑫在其毕业论文中以南京长江二桥南汊主桥为例进行分析讨论：南汊主桥为双索面钢箱梁斜拉桥，桥长2938米，主跨为628米，南北索塔高为195.41米，桥面宽32米，梁高3.5米，基频0.0757Hz。

假设南汊主桥的塔柱，其自重为W，强度为P，又有一个与它条件相同的碳纤维塔柱，因为碳纤维的比重是钢的1/4倍，强度是钢的18倍，所以，碳纤维的自重等于(1/4)W，强度等于18P。从这些对比中，我们就可以看出这两种材料的根本区别。现在就按碳纤维的抗拉，抗压强度等于10倍钢来考虑，1吨碳纤维=40吨钢，那么，相对与这个195.41米高的钢结构来说，采用碳纤维为建筑材料，其高度可以达到近8000米。考虑到桥梁的经济跨度、结构、施工难度等问题，我们可以把斜拉桥主塔的高度提高一个数量级即2000米，相应的主梁跨度也可以做到8000米。你可能对这样的高度和跨度感到震惊，但它确实是可以实现的。

五、桥梁结构的新功能预测[5]

桥梁结构除了上述使用功能外，还可以看到斜拉桥主塔结构顶部有观光旋转餐厅或带有各国宗教色彩的饰物作为某个地方或城市的标志等功能。但是，这里将重点讨论利用现代无金属结构建造巨型主塔配合其他超高层建筑物来进行城市通讯规划基础研究问题。

（一）城市通讯的现状迫切需要相应的建筑规划

1998年，数字地球概念的提出标志着人类已逐步进入数字地球时代。数字城市必然是数字地球的主体，数字通讯是数字化传播的媒体。而建筑物尤其高层建筑是数字通讯的重要载体，若不对其进行规划，必然造成无畏的损失与危害，如通讯器材裸露、有线通讯网络杂乱无章、建筑林立阻碍无线通讯信道、建筑物金属电磁屏蔽带来大量通讯弱区、盲区等。这将导致通讯隐私泄露，电视重影，有线电视网耗资过大。人们总是依靠增强无线通讯信号来缓解这些问题，然而无线通讯信号的增强必然对人体造成一定的危害。

（二）城市通讯建筑规划的原则

一个原则是无线与有线统筹规划的原则，就是使无线通讯的距离尽可能长，有线通讯的距离尽可能短，无线与有线相结合，各司其职、各显其能。室外以无线为主，室内以有线为主，在重要位置可采用双信道或多信道。为了实现上述原则，城市通讯建筑规划还要采用多制高点原则，为了克服建筑物造成的通讯信道障碍，采用制高点是必然的，然而单制高点是不可取的，现代无金属结构将使超高结构成为可能。另一原则是通讯建筑结构无磁原则，即要利用现代无金属结构的无磁特性，不仅可以解决钢材对通讯电磁波的干扰和屏蔽问题，而且更重要的是为了防止导弹对金属的精确制导袭击。

城市数字通讯建筑规划可解决无线通讯设施的合理分布问题，实际上是克服信道建筑障碍问题。城市超高建筑规划应该与城市通讯规划相结合，从而解决多制高点问题、取消露天通讯塔问题、城市建筑资源通讯共享问题等，从而实现超高建筑的通讯功能，这一新功能显然是非常重要的。

为了明显缓解经济发达城市无线通讯和有线通讯建设的压力，拟规划采用现代无金属结构在经济发达城市内每个区各建一座高于600米的天宫，就是构想在每个区各建一座世界最高建筑，各区的党、政机关尽可能与区内大的经济集团共处一高楼，可大大提高经济建设管理和运营效率。天宫顶端都设置无线数字通信设备，并互相联网，实际上起到了城市超低空同步卫星的作用，这将使数字城市信道产生质的飞跃，同时也要求每座天宫地理分布更符合城市实际需求，其他各区县也会效仿建天宫，这就可以形成覆盖整个城市的高空数字通信网络。市内与远郊县之间，城市与城市之间，可以依靠平川河上的斜拉桥高桥塔来接续高空数字通信网络，目前较大型斜拉桥的桥塔高度可超过200米，在平川斜拉桥因此壮观，同时应该考虑利用这种难得的高度，使其与天宫的通讯功能匹配起来。

参考文献

[1]李大华，罗兆辉，论现代无金属结构，《新世纪地震工程与防震减灾学术研讨论文集》，北京：地震出版社，2002，10

[2]李大华，郎虹，闫熙臣， 纤维混凝土结构相对地磁观测室研究，《第八届混凝土结构学术会议》，重庆，2004，10

[3]施颖，王劲，李大华，现代无金属结构在桥梁工程中应用的核心问题及解决方法探讨，《重庆交通学报》，2004，4

[5]施颖，徐晓颖等，关于我国经济发达地区城市通讯的建筑规划，《电子与信息学报》2003增刊