桥：梦想与梦魇

2018-09-26WA特别报道组WASpecialReportTeam

世界建筑 2018年9期

WA特别报道组/WA Special Report Team

作者单位：WA特别报道组

更大、更长、更轻、更帅的桥自19世纪以来一直就是结构工程师的梦想，而其中一些最著名的桥的坍塌则是他们乃至整个技术文明的梦魇。近期发生的热那亚波尔策维拉高架桥的坍塌就是由梦想变为梦魇的最新实例。

2018年8月14日上午11时35分，连接A10高速公路与热那亚（Genova）城西部的主要公路桥波尔策维拉高架桥（Polcevera Viaduct）——也被称为莫兰迪桥（Morandi Bridge）——发生近百米的桥面坍塌，造成43人死亡，9人伤势严重（图1、2）。该公路桥建于1960年代，桥长1182m、宽18m，最高处离地面90m。

1 莫兰迪：天才与预应力混凝土的诗意

8月18日，针对波尔策维拉高架桥的坍塌，《世界建筑》联系了长期研究莫兰迪及波尔策维拉高架桥的都灵理工大学的研究助理、建筑师艾多尔多·布鲁诺博士（Edoardo Bruno, PHD., Architect,Research Assistant - Politecnico di Torino,Department of Architecture and Design），他为本文提供了详实的资料，本节基于他所提供的文件精简整理而成。

波尔策维拉高架桥的设计者意大利工程师里卡多·莫兰迪（Riccardo Morandi，1902-1989，图3）因其预应力混凝土技术的研究与运用而享誉国际。1930-1940年代，他积极参与民用项目建设的同时，研究和实验如何将预应力混凝土技术整合到结构设计中，在同时代业界主流为钢构悬索桥的背景下，成功搭建了复合材料共同受力的桥梁。[1]1949年，他注册了莫兰迪体系（the Sistema Morandi）的专利，并于1957年随着位于委内瑞拉马拉开波大桥（General Rafael Urdaneta Bridge，图4）的建造而声名鹊起。

莫兰迪通过精确的静力学配置将预应力混凝土技术应用至桥梁设计，他的实践有力地推动了该技术的工程应用发展。他设计的著名桥梁还包括南非的暴雨河桥（the Storm River Bridge，1953）、意大利卡坦扎罗的菲米拉河桥（the Fiumarella River Bridge，1956）等。他在整合结构和形状方面的能力使他能够将研究工作从桥梁转移到建筑方面。得益于与建筑师的合作，他参与完成了罗马机场的波音747维修中心（the Maintenance Centre for Boeing 747 in Rome Airport，1969）、与奥斯卡 · 尼迈耶（Oscar Niemeyer）合作的罗马联邦贸易局总部（the F.A.T.A. Headquarters，1976）等建筑项目，这些作品如他在许多出版物中所表达的那样，他希望发掘技术进步与形式构成之间的密切关系。

波尔策维拉高架桥，也被称为“莫兰迪桥”，是莫兰迪在赢得国际竞赛之后，于1960-1964年设计建成的。波尔策维拉山谷地区的城市化形成了铁路线路、化工厂和住宅区等既有设施，对桥梁设计的最终方案产生了非常大的影响。莫兰迪从场地限制条件入手，合理布置桥墩位置，并形成了不同的跨度。

桥梁结构体系由两个并列的子系统构成：在接近桥墩的位置，可认为是双向悬臂粱支撑于两组倾斜的桥墩上；在跨度大的位置，平衡受力的悬索系统起主要作用。通过两个子系统结构构件勾勒出此桥独特的造型，也清晰地表达出结构体系的受力原理。“H”形混凝土框架联立为桥面主梁提供支撑。索塔由四肢斜柱通过水平梁联系形成，索塔与混凝土框架、桥面都是完全脱开的（图5）。斜拉索外包裹预应力混凝土壳，可减小索的受拉变形，同时保护索不受环境侵蚀。

实际上，于此之前（1957）这套结构体系已经在委内瑞拉的马拉开波大桥上得以应用，不同的是马拉开波大桥的桥索并没有包裹混凝土壳，而是使用了环氧涂料。同一时期，斜拉桥系统进一步发展，并随着较为成熟的悬索桥系统在工程实践中得以应用，莫兰迪更多地将关注点聚焦于暴露在环境中的索的腐蚀问题。因此在此后的项目中，他更倾向于使用混凝土壳来保护桥索。1979年，在题为《高架桥在交通繁忙和环境恶劣的环境中的长期反应: 热那亚的波尔策维拉高架桥》（The Long-term Behaviour of Viaducts Subjected to Heavy Traffic and Situated in an Aggressive Environment: the Viaduct on the Polceverain Genoa）的论文中，莫兰迪列举了桥梁受环境侵蚀的案例，并以此论证了强化结构构件的必要性，因为此项目不仅要面对强腐蚀性的海洋大气的影响，还受到周围化工排放的酸性气体的威胁。他在论文中对当时的结构可靠性给予了肯定答复：在成桥使用阶段，经历了车辆的振动，桥体混凝土并没有出现裂缝，并指出对于全混凝土的结构，需要有针对性地实施维护策略，以确保结构完整、可靠。

1 垮塌后的波尔策维拉高架桥，2018.8.15（图片来源：https://static.dezeen.com/uploads/2018/08/morandi-bridgegenoa-collapse_dezeen_2364_col_0-852x568.jpg）

2 垮塌前的波尔策维拉高架桥，作为该桥维修脚手架遭受热那亚强风威胁问题的新闻配图，2018.2.7（图片来源：https://www.primocanale.it/immagininews/thumbs/194642-420x236.jpg）

3 里卡多·莫兰迪（图片来源：https://webapi.ingenio-web.it/immagini/file/11824）

4 马拉开波大桥（图片来源：https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Rafael_Urdaneta_Bridge_3.jpg）

5 莫兰迪体系的平衡系统模型（图片来源：https://webapi.ingenio-web.it/immagini/file/11825）

6 Autostrade公司招标书显示该修缮工程主要针对波尔策维拉高架桥的拉索和部分混凝土构件[3]（图片来源：http://www5.autostrade.it/applica/gare/gareapp.nsf/0/3ADE03A BCBEFAB35C1258282004A763A/$file/A10%20Retrofitting.pdf?openelement）

7 几个欧洲国家在交通建设花费上的对比（图片来源：https://edition.cnn.com/2018/08/15/europe/italy-genoamorandi-bridge-collapse-intl/index.html）

在过去的30年间，波尔策维拉高架桥经历了多次维护，例如1993完成的对一座桥架上的钢缆和混凝土壳的替换。从1950年代开始，专家和学者对混凝土壳包裹的预应力钢索有效索力的争论就没有停止过，尤其是考虑到钢和混凝土长期荷载下的不同蠕变性能以及其通过材料界面互相影响。因此，意大利所有涉及预应力索的项目都需要通过权威机构的审查和检测。莫兰迪体系标志性的预应力混凝土多塔稀索斜拉桥体系从来都称不上主流桥梁设计趋势，但在他的那个时代毫无疑问是具有创新性的。波尔策维拉高架桥是上个世纪在斜拉桥中最大胆的混凝土预应力技术应用之一，在技术效率和设计轻盈之间探索替代金属结构的解决方案，是富有价值的尝试。

2016年，有结构专家对其稳固性提出了公开且理由完备的质疑[2]，但负责运营该桥的民营企业Autostrade per l'Italia并没有对此直接回应。而在2018年6月，Autostrade公司还完成了带限制条件的工程招标，预计在5年时间内投入逾2000万欧元用以更换部分桥部件及修缮[3]。有媒体认为这次修缮可能是造成莫兰迪桥倒塌的罪魁祸首[4]。目前，该公司表示已经准备好了5亿欧元，用于死难者抚恤、受灾者迁徙，以及在获得建桥许可证之后的8个月内完成新桥的建设[5]。

针对该桥的事故，我们也对艾多尔多·布鲁诺博士进行了简短的采访。

WA：截止到目前为止，就您所知，该桥结构坍塌的原因是什么？

艾多尔多·布鲁诺（简称为EB）：现在确定桥梁坍塌的确切原因还为时过早。到目前为止，已经排除了人为因素，这场悲剧似乎只可能是结构问题。有必要强调指出，波尔策维拉高架桥是20世纪工程史上的标志性项目，虽然以现在的标准衡量那时的结构稍显脆弱。在1960年代，为了满足建设需要，许多当时最新的研究成果被广泛应用。同时考虑到三维设计手段的局限性，结构设计处在一个庞大而复杂的环境中。从现实角度来说，这个时期的项目应当以其重要的社会意义而被继承下来，并接受现代化的改进。

WA：在这次灾难之后，莫兰迪体系仍然被认为是可靠的吗？

EB：莫兰迪毕生致力于研究和应用预应力混凝土技术的设计方案，这在他的时代绝对是创新。在热那亚使用的结构设计，曾于1957年在马拉开波（委内瑞拉）经过实践，后来在其他项目中反复应用，被作为斜拉桥体系钢结构的替代方案，无论是在维护成本方面还是在长期抗腐蚀方面都具有优势。随着近几十年来结构计算手段、设计能力的巨大发展，市场从经济性的角度更倾向于选择其他的混合设计方案。但是，除了他对结构设计的探索之外，莫兰迪挑战了最先进的工艺及其审美价值，至今仍有积极的意义。

WA：我们能做些什么、应该做些什么来避免这种悲剧？

EB：发展中国家在经济蓬勃发展时期的基础设施的迭代升级一直是一个特殊的问题。波尔策维拉高架桥以及意大利许多其他类似的1950-1960年代建成的设施，构建起了战后建设的图景。像莫兰迪、皮埃尔·路易吉·奈尔维（Pier Luigi Nervi）或塞吉奥·穆斯梅奇（Sergio Musmeci）这样的工程师完全知道，工程结构必须不断地测试、升级和监测，这类工作要贯穿构筑物的全寿命周期。如今，“老龄化城市”正成为支持未来城市化的一个强有力的概念，在这种情况下，设计实践必须更多地考虑时间因素，进一步明确包含若干学科的战略方针，以确保公共安全与持续不断地修造与重置。这一概念必须放在当代城市议程中间，以免在生活环境总体持续提升的过程中有任何因素缺席。

2 孰之过：大难前后的争论

有关波尔策维拉高架桥坍塌的争论自桥梁坍塌的那一刻持续至今。

其中最容易得出的一种观点是当日恶劣天气导致了事故的发生。据悉在事故发生当日，当地正处于雷暴天气之中，同时伴随有30-50km/h的强风。这一天气状况极大的影响了桥体的稳定性[6]。

当然也有人指出，年久失修才是事故发生的主要原因。热那亚大学的安东尼奥·布伦契奇（Antonio Brencich）教授指出，虽然意大利的众多桥梁工程在设计之初被按照预计荷载的2.5倍以上进行结构设计，但是在10～20年后，结构的失效就开始逐渐显露[7]。倘若没有持续不断的结构维护，断裂的出现是必然的。这一观点似乎极为具有着预见性，早在2016年的一份研究报告也指出，意大利政府专注于新桥的建设，而忽略对旧有桥梁的维护[8]。报告调查了整个利古里亚地区的5000余座桥梁，其中大部分建造于1940-1950年代，并已经有部分的桥梁坍塌。

来自美国新墨西哥矿业协会，同时也是2014年美国桥梁坍塌研究报告撰写者的工程师韦斯利·库克（Wesley Cook）指出了老旧桥梁维护上的困难。当桥梁的年限大于25年时，维修和检查工作就需要持续进行。“在桥梁建成25年之后，40年和140年的坍塌风险是差不多的”，他说[7]。

当然，在基础设施疏于维护的现实背后，是整个意大利政治局势的不稳定，多党轮流执政使得大规模的维修和更新计划难以实施。根据欧盟的报告显示，意大利在道路等基础设施上的投资仅排名欧盟第十七[9]。

这种说法虽然广泛地被大家接受，但是在其中也有不同的声音。政府工作人员阿马利娅·泰代斯基（Amalia Tedeschi）告诉媒体在此之前没有任何的有关桥坍塌的征兆。而且，针对波尔策维拉高架桥的维修计划从2016年就开始实施，桥梁受到了定时的检查，甚至在桥梁倒塌时，基础部分还在进行着维修[10]。

除此之外，第三个但是也是最让人不安的原因是结构体系自身的不稳定。安东尼奥·布伦契奇教授在事故发生的多年以前就提出，此桥的预应力混凝土和钢筋混凝土结构体系之间存在着不均衡，这类不均衡有可能会导致桥体的开裂[11]。他甚至在2016年的一次采访中称其为“失败的工程（A Failure of Engineering）”， “这座桥是一个错误，在以后应该会被重建。虽然我不知道是什么时候，但是应该会在维修的费用比重建更高昂之后”[2]。虽然事故的原因尚在调查之中，但是初步的调查确实已经显示是部分竖向结构构件的断裂导致了事故的发生。或许有些危言耸听，但是韦斯利·库克也持有了类似的观点，他认为普遍来讲，悬吊式桥梁的坍塌风险要比其他桥梁更大[7]。这主要是指“临界破裂”现象产生的风险：它是结构中某一单一构件的破坏会引发大面积的破坏或结构失效。

3 关于梦想与梦魇的回溯：那些曾经伟大的桥

一个多世纪以来，跨越峡谷或是海洋的桥梁使得人类的交通得以突破自然的局限，然而，在人们实现一个个技术上的突破的同时，这些工程上的奇迹也同时面临着种种危机，不但会因人为的失误而毁于一旦，也在经受着时间、自然等多重因素的考验。在热那亚波尔策维拉高架桥坍塌的事件发生之后，我们所要做的，也许不仅仅是重新反思和检验这次眼前的事故，也应该重新回顾这百年来桥梁建设和坍塌的历史，这也许会为将来建造更加安全美观的桥梁提供一个更加清晰的思考。

3.1 魁北克桥（Quebec Bridge），魁北克，加拿大，1907年和1916年建设中两次坍塌, 1919年完成建设

倒塌原因：设计和行政失误

魁北克桥是一座位于加拿大魁北克附近的跨越圣劳伦斯河的公路铁路两用桥，是加拿大著名的历史纪念建筑和国家历史遗址。该桥于1903年开工，全长986.9m, 主跨跨度548.64m，桥悬臂长177m，支撑着长195m的中心结构。

该桥梁由当时著名的桥梁建筑师美国的特奥多罗·库帕（Theodore Cooper）进行指导设计和技术决策，建造方凤凰桥梁公司（P·L·Szlopka）具体设计，采用了当时流行的悬臂构造。为使之成为世界上最长的桥，库帕在凤凰桥梁公司设计方案的基础上将中心跨度增加了60.96m。而致命的是，设计的改动忽略了对桥梁重量的重新计算。虽然在早期施工时早已发现结构变形的问题，但由于沟通和行政原因，并未及时处理。1907年8月29日，当主跨悬臂已悬拼至接近完成，南侧一侧弦杆由于缀条薄弱等原因而突然崩塌，19,000t钢材和86个正在施工的工人掉入了圣劳伦斯河中，死亡75人。1916年9月11日，该桥梁在二次设计建造过程中再次坍塌，造成13名作业工人身亡（图8、9）。[12]

3.2 银桥（The Silver Bridge），俄亥俄河，美国，1928-1967

倒塌原因：超载及不合理维护

银桥建成于1928年，是一座眼杆式悬索钢桥，全长681m，由两座塔桥支撑，它跨越俄亥俄河将西维吉尼亚和俄亥俄州相连，是美国35号国道上的交通枢纽。

1967年12月15日，正值班交通高峰时期，银桥突然坍塌，造成46人死亡。后续对残骸的分析表明，该事故源于单个眼杆上大约2.5mm深的结构瑕疵，是不合理的维护以及远远超出设计时预估荷载的行驶量造成这次惨剧（图10、11）。[13]

3.3 西门桥（West Gate Bridge），墨尔本，澳大利亚，1970年建设中坍塌，1978年竣工

倒塌原因：设计及施工问题

西门桥位于澳大利亚维多利亚州墨尔本市的雅拉河上，桥墩最大跨度长达336m，桥面高于水面58m，总长度2852.6m，为斜拉箱梁结构。作为连接墨尔本中央商务区和西部之间的交通要道，该桥现今仍保持着每天20万次的车流量，是澳大利亚最繁忙的道路之一。

1970年10月15日, 该桥在施工时发生垮塌事故，造成35名工人死亡，事故原因最终归结于结构设计上的失误和施工的不规范。事故当天，两个本应相连成拱形的半梁间出现了11.4cm的间距，因此施工队使用了10个8t重的水泥体块拉低桥体，这些体块的重量使得桥体扭曲，并最终坍塌（图12、13）。[14]

3.4 斯科哈里河桥（Schoharie Creek Bridge），佛罗里达镇，美国，1955-1987

倒塌原因：雨水自然冲刷

斯科哈里河桥位于纽约洲高速公路斯科哈里河上，全长155m，桥梁由混凝土墩架支撑，座落在河床中的扩展式基脚上，桥身的骨架是由钢纵梁构成的。

8 建设中坍塌的魁北克桥（图片来源：https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/Quebec_Bridge_Collapse_of_1907.jpg）

9 完成建设的魁北克桥（https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f1/Pont_de_Qu%C3%A9bec_vu_du_Parc_aquarium_du_Qu%C3%A9bec.JPG）

10 完成建设的银桥（https://timeline.com/deadliest-bridgecollapse-in-american-history-silver-bridge-ohio- west-virginiaefa5b3b140d2）

11 倒塌的银桥（图片来源：https://cdn-images-1.medium.com/max/2000/1*lva8BZQ6gN6koxM04e8gmg.jpeg）

12 建设中坍塌的西门桥（图片来源：Image via Public Record Office Victoria, http://www.engineersjournal.ie/wp-content/uploads/2016/10/Emergency-services-personnel-view-thedevastation-PROV-VPRS-24-P3.jpg）

13 完成建设的西门桥（图片来源：http://www.abc.net.au/news/image/234800-3x2-940x627.jpg)

1987年4月5日，桥身基座由于季候性雨水的长期冲刷架空，导致桥梁整个坍塌，造成10人身亡。此次事故促使了美国有关部门在纽约州以及其他地区对于桥梁设计和监测的程序进行大规模的改善（图14、15）。[15]

3.5 金祖阿桥（Kinzua Bridge），麦基恩县，美国， 1882-2003

倒塌原因：桥梁老化和飓风

金祖阿桥位于美国宾夕法尼亚州，是跨越金祖阿河的铁路桥梁，桥梁为空间桁架结构，高92m，全长625m。桥梁的设计者本想使之成为“世界第八大奇迹”和世界上最高的铁路桥梁，桥身由铸铁建造，后经数次维修更新，成为美国的国家历史地标工程。

2003年7月21日，在强大的过境飓风作用下，该桥的20个高塔中的11个倒塌，导致桥梁坍塌的原因还有桥基位置的锚点螺丝因为岁月老化所受的侵蚀（图16、17）[16]。

3.6 赤拉哈拉桥（Chirajara Bridge），瓜亚贝塔尔，哥伦比亚，2018建设中坍塌

倒塌原因：设计问题

位于昆迪纳马卡省和梅塔省交界处的赤拉哈拉桥，全长446m，高280m，为两个桥体支撑的斜拉桥，该桥将成为连接首都波哥大和比亚维森西奥高速公路的一部分，而发生倒塌事故时并未公开投入使用。

2018年1月15日，桥梁西侧桥塔坍塌并倒入峡谷之中，造成最少10名工人遇难。对于桥梁桥墩的调查发现，该次坍塌的原因部分归咎于该桥的拉力构件的设计不足（图18、19）[17]。□（WA特别报道组：张利，叶扬，艾多尔多·布鲁诺，潘奕，温子申，张靓秋/ZHANG Li, YE Yang, Edoardo Bruno, PAN Yi, WEN Zishen, ZHANG Jingqiu，校对：汤理达/TANG Lida）