景观桥梁四维创新理念与设计方法<br/>——以北京冬奥冰雪五环桥为例

景观桥梁四维创新理念与设计方法
——以北京冬奥冰雪五环桥为例

2023-01-05丁建明景国庆陈素华

东南大学学报(自然科学版) 2022年6期

丁建明曹菲景国庆陈素华

(1 东南大学交通学院，南京 210096)(2 东南大学建筑设计研究院有限公司，南京210096)

桥梁是人类社会最古老也最具有象征意义的公共建筑之一，不但承载着沟通与联系交通的天然使命，也是人类不断挑战自然、克服天堑的精神象征.

随着中国社会经济的快速发展，人民的生活品质和文化自信日益提高，高品质发展已成为全社会对桥梁工程建设提出的新要求和新期望.景观桥创新理念和设计方法的研究已成为桥梁工程专业新热点之一.

景观桥具有多元属性特征，涉及交通、土木、建筑等多个专业的协调、融合，其设计往往需要兼顾功能、结构、空间和美学需求.“好的景观桥必定是桥梁结构和建筑美学的完美统一”[1]，桥梁结构艺术应体现“一种基于人本价值观的理性的恰当的表现主义”[2]，同时“使桥梁具有地域性、时代性、文化性”[3].相对而言，目前景观桥设计领域主要存在结构设计规范性与美学设计发散性难以融合，现代城市文化语境下的桥梁内涵难以确当表达，空间复杂异形桥梁结构赋形难以实现等问题.

当前对于景观桥研究的不足主要体现在理论研究与工程实践的脱节，且研究多针对桥梁形态美学判断或具体结构力学问题展开，缺少将景观桥作为独立概念进行系统性的设计理论和设计方法研究分析.虽然在桥梁美学的要求、目标以及审美标准等方面已形成了一定的研究成果，但仍缺乏在工程实践层面的应用理论研究，缺少景观桥从美学理念到结构实现的系统性实践方法.

结合景观桥研究的空白和难点，本研究以大量的景观桥工程实践为研究基础，提出了基于环境协调、建筑文化、结构表现、体验多元4个维度的景观桥创新理念与设计方法，全面系统地阐述了从方案创作到工程实践过程中需重点考虑的问题和方法，揭示景观桥与环境、人、技术之间的有机联系，为景观桥创作和审美体验提供系统性的理论依据和实践经验.

1 景观桥梁“四维”创新理念

景观桥梁“四维”创新理念研究分析总结了景观桥梁美学实现的核心问题，致力于寻找桥梁结构与文化、艺术相结合的合理技术路径，实现桥梁结构功能与建筑艺术的和谐统一.以环境、建筑、结构、体验为切入点，聚焦环境分析方法、文化提炼和运用方法、桥梁结构创作方法等重点课题进行深度挖掘.

在环境协调方面，以实现桥与环境的完美“和鸣”为研究目标，分析桥与环境互动、协调的规律，打造完整、有机的景观.在建筑文化方面，利用现代建筑理念和技术展现文化元素，探索实现桥梁精神内核的设计方法.在结构表现方面，注重对结构形式和材料的创新应用，寻求以力学逻辑与艺术审美相融合、平衡为立足点的结构形态赋形方法.在多元体验方面，研究人、桥、环境的多向沟通渠道，探究以感知、交互、情感为基础的多元体验形成机理.

1.1 环境协调理论及实现方法

桥梁作为大尺度空间构筑物立于环境之中，并与其构成具有整体意义的景观形象.“景观桥是环境中一个活跃的景观元素”[4]，因此景观桥梁设计不仅要关注本身的景观要素，更要着眼于桥梁与周边环境的关系，使桥与环境形成完整的审美整体.

“当桥梁融入景观空间时，设计需要借助与周边环境的关系呈现一种新的维度”[5].在景观桥与环境协调关系研究方面提出了体积平衡理论及分析方法，该分析理论来源于图像审美学中的视觉平衡理论，如图1所示.视觉平衡是在以视觉中心为支点的视觉场中，实现均匀、对称、比例协调.

桥梁是建立在空间中的三维立体形象，与二维图形相比，其传递的是多方位多角度的视觉感知.因此，环境可看作是一个三维立体的视觉场.环境中的山川、河流、建筑形成了一个已知的体积场，在该体积场中建造的桥梁将会在场中形成新的体积，图2为环境体积场三维模型示例.如果新的体积给已知体积场带来视觉方向上的新平衡，则认为该桥梁的形态在审美上具有正向作用，反之则是负向作用.

图2 环境体积场分析图

由于体积平衡能带来环境审美上的愉悦感和协调感，因而它是实现环境协调的重要目标之一.体积平衡系数可以表达为

P2=P1+tb(xb,yb,vb)

式中，P1为环境视觉场体积平衡系数，绝对值越小说明环境视觉场越平衡；P2为桥梁加入环境中后的视觉场体积平衡系数；m为环境视觉场中的视觉因素数量；ti(xi,yi,vi)为视觉场中第i个视觉因素相对视觉中心的体积引力，与其体积、形状和颜色相关，(xi,yi)为第i个视觉因素以视觉中心点为原点的相对坐标，vi为第i个视觉因素的体积系数；tb(xb,yb,vb)为景观桥相对视觉中心的体积引力，(xb,yb)为景观桥以视觉中心点为原点的相对坐标，vb为景观桥的体积系数.

环境体积平衡可以表达为

|P2|-|P1|≤0

根据环境体积平衡表达式，分析体积场平衡系数.若视觉中心在体积场中处于强势，或周围的体积场较强(|P1|数值较大)，或桥梁的设计目标倾向于融入环境，则平衡目标宜弱化体积(|P2|数值减小)；若视觉中心处于体积场的弱势地位，或桥梁的设计目标趋向于标志性，则平衡目标宜强化体积(|P2|数值增大).

进行体积平衡分析的目的是在景观桥设计前期，通过一套具有逻辑性的分析方法，为下一步设计工作的开展确定明确方向，并做出趋势上的判断.该理论为解决景观桥设计中的环境协调问题提供了一种行之有效的分析方法，并为景观桥选型问题提供了新的思考路径.

1.2 建筑文化理论及实现方法

文化是一个国家或地区的人民在长期生活实践中形成的共同信仰和精神财富，也是人文和历史的沉淀.

“近年来，快速城市化导致手工艺和传统技术的衰退”[6],这使我们意识到桥梁作为人工构筑物，其体量大，存续时间长，是承载历史与文化变迁的重要标识物，其在文化语境下的艺术表现意义也同样不容忽视.

景观桥梁在文化提炼基础上的美学实现可以使其更好承担文化标识的角色.大量工程实践表明，采用去繁就简、挖掘内涵和地域优先设计原则能使文化元素与桥梁结构完美结合.

去繁就简原则是指将文化元素进行抽象化提炼，提取最具有代表性的审美元素与桥梁结构设计进行融合，如图3所示.抽象化简洁的设计语言更富有审美上的生命力，且易于与结构语言相适应.

图3 以山茶花为意向的文化提炼

挖掘内涵原则是指优先将文化中的思想内涵作为文化表达意向.因为具象的文化符号难以用桥梁的结构语言进行表达，而文化内在的思想逻辑则易于不同语言的转述.

地域优先原则是指地域文化的挖掘一方面能够体现景观桥从造型到意向上的独特性，同时也能够获得本地人民群众从文化情感上的审美共鸣，从而更好地服务于人民.

1.3 结构表现理论和实现方法

“桥梁结构是最具表现力的结构形式之一”[7]，也是桥梁景观的重要载体.结构表现通常将常规结构形式进行适当变化，以达到提升结构表现力的作用.“在理想的结构中，艺术和技术齐头并进”[8]，结构表现追求结构的多元属性和丰富可能性，追求建筑美与技术美的平衡，强调结构功能与结构审美的统一.

“复杂的空间曲面往往可以更好地展现美学意向”[9]，结构表现的难点是在结构的理性逻辑和审美的艺术表现之间寻找平衡.既满足结构受力的合理逻辑，又同时具有文化和艺术上的表达，是结构表现追求的目标.

“工程结构是由多种构件组成的超静定结构”[10]，针对桥梁结构设计和美学表达的特点，本研究提出了以解构-重构为核心的结构体系设计新理论，即从第一性原理出发，把桥梁结构受力构件解构为单一受力单元，再从结构美学目标的角度完成更加丰富多样化的结构体系组合，这种体系可以是单一结构类型，也可以是2种或多种结构类型的组合、叠加或变形.

不同结构类型(见表1)在桥梁结构体系中担负不同的功能，可以是实现跨越的功能，可以是营造或拓展空间的功能，也可以是表现景观艺术的功能.

表1 结构的解构

结构的重构过程可用下式表达：

式中，T为结构体系组合表达式；n为参与受力的结构构件数量；L(k)为第k个结构构件的结构作用贡献值，表示第k个结构构件的力学效应；M(k)为第k个结构构件的材料参数，根据该结构采用的不同的材料取值；C(k)为第k个结构构件的结构贡献比例，根据结构参与整体受力程度取百分数.重构过程如图4所示.

图4 结构的重构组合示意图

1.4 多元体验理论和实现方法

景观桥梁不但是服务用户的交通设施，更是能愉悦大众精神的艺术品.“有趣的体验能够提升项目的价值[11].”景观桥梁作为“体验”的客体，具有二重性.这种二重性体现了景观桥梁感性和理性的统一，即主体人与客体桥梁、环境的统一；另外也体现了桥梁使用功能和造型设计的统一.景观桥梁以理性的秩序和变化使结构在环境空间中展现出丰富的层次与内涵，从而激起人主观上的多样性意象及多元体验，包含内容如图5所示.

图5 多元体验的内容

桥梁的体验设计首先要以人为服务焦点，强调人性化设计，重视调动和组织桥位处交通空间、水面景观空间、河岸公园绿地空间以及周边绿道等公共休闲空间的功能，丰富行人和游客的过桥体验与观景体验，增加人与周边世界在精神层面上的互动与交流.

视觉体验指在整体环境背景下桥梁给人的视觉感知体验，包括形态、色彩、材质等视觉形象，须在方案和结构设计中重点考虑.物理体验指在物理环境的体验，包括人在桥上的安全感、对环境温度、光照和空间的感受.情感体验指桥梁的文化内涵和象征意义给人带来的情感共鸣和文化认同.交互体验使桥梁和人之间产生交互作用，通过灯光、文化对话等方式实现多元互动与交流.

多元体验要求设计者在桥梁设计中充分考虑人在视觉、触觉、精神等多方面综合需求.

2 应用案例分析

2.1 项目背景

北京延庆至张家口崇礼高速公路是2022年北京冬奥会重大保障项目，是河北省和交通运输部一号工程，同时是交通运输部首批首条绿色公路典型示范工程.冰雪五环桥是该项目重要节点，是进入张家口崇礼赛区地标性建筑，要求体现中国文化、奥运主题和冰雪元素.

2.2 环境分析

项目大环境是起伏的山峦和谷底，而桥梁正好位于一处谷底的低点，在视觉上有逐渐下沉的趋势，与两侧的山地形成视觉体积场上的对比.场地自然环境情况如图6所示.

图6 冰雪五环桥位处场地自然环境

利用体积平衡理论对场地体积场进行分析.视觉主观察点为冬奥村方向，但两侧山脉将体积场焦点向远离冬奥村方向引导，与目标方向相反.桥梁作为环境中的标志景观，一方面需要通过自身来平衡环境中的体积场；另一方面需要突出自身在环境中形象，将视觉焦点往冬奥村方向引导.

如图7分析可知，桥梁应突出桥面的视觉形象，在场地中的体积薄弱处形成一定的视觉体量，从而将体积平衡点向有利的方向偏移.

图7 桥梁的环境协调分析过程

冰雪五环桥位于一道狭长的山谷之中，桥梁连接棋盘梁隧道，上下行隧道间隔20 m，桥面与山谷底面高差约20 m，桥下还有通往冬奥村的道路及河流穿过，且与桥梁斜交约75°，复杂的地形条件极大地制约着桥梁方案的布置.

设计以多个桥塔沿着山谷的地形展开，交错布置(见图8)，与两侧高山的走势形成体积上的对比关系.在视觉上以桥梁为中心，两侧的山峦形成平衡，并且使体积中心具有向视觉中心移动的趋势，从而达到环境视觉上的体积平衡.

2.3 文化提炼

冰雪五环桥将中国传统文化、奥运文化和冰雪运动文化融入设计之中，强调了桥梁的中国属性、冬奥属性，展示中华文化魅力.

图8 结合环境地形的五环布置

该桥是进出崇礼冬奥村的门户，因而选择具有中国特色的月洞门作为意向主体.月洞门也代表中国天人合一、天地和谐的思想.

采用内涵优先原则，提取形象元素，挖掘文化内涵，提炼出天人合一、世界同心、人类命运共同体的同心圆造型元素.提炼过程如图9所示.

图9 中国文化内涵的提炼

同时以去繁就简原则，将代表冬奥会冰雪主题的雪花纹理进行简化和抽象，提炼出最具代表性的几何线条，使之融入桥梁的造型设计.去繁就简过程如图10所示.

图10 冰雪元素的去繁就简

采用五环塔交错布置，完美地契合了地形，同时又实现了奥运五环主题的表达.

2.4 结构赋形

设计创意和美学理念需要通过桥梁结构的实现表现出来.以美学目标为导向的结构设计思路，尤其需要设计师摒弃传统的桥梁结构设计样式，以创新的方法去实现结构受力和美学表现的平衡.

以解构-重构为核心理念的结构体系创新设计方法通过基本结构单元的组合形成新的有机整体，实现了结构力与美学的结合与平衡.

冰雪五环桥桥塔设计构建了一个环形桁架式结构.2道椭圆塔环之间通过桁架连杆形成组合结构，各连杆以有秩序的排列组合构成雪花纹理.桥塔造型实现了美学和文化表达的目标；同时，双环桁架结构也提高了桥塔受力性能，完成了从美学理念到结构实现的设计过渡.桥塔通过解构-重构进行结构赋形的过程如图11和图12所示.

图11 桥塔结构的解构与重构

图12 桥塔结构的结构赋形结果

2.5 体验验证

体验是人类审美活动的核心内容.设计从人的视角出发，分析了使用者的多种需求：① 从不同角度、不同方向进出高速时的桥梁观景体验.② 桥梁对于驾驶者行车视角的驾驶体验和心理影响.③ 旅客停车观赏和拍照的需求.根据环境和桥梁布置，选择合适位置建设高速服务区，营造集观景休闲服务为一体的综合交通服务设施和观景平台.

利用BIM设计技术和虚拟现实技术进行使用者体验分析.将BIM模型导入虚拟现实引擎，可对项目周边环境及光影关系进行仿真模拟，从高空、车视、人视等不同视角以及昼夜冬夏等多时序景观对桥梁多角度视觉景观效果进行全面、精准的评价，多视点体验分析如图13所示.同时，利用行车模拟对行车视距、净空等进行核查，保证桥梁具有良好使用体验.