马亚的桥梁 Robert maillart Bridge

马亚 Robert Maillart

马亚在瑞士建造的桥梁,包括一些现代工程中最优美的例子。它们是完善的技术形式经过艺术提炼的模范。值得令人注意的是马亚的成就在业余艺术界比在工程界更多地获得赞许。然而那种偶然试图站在建筑师们的一边,把马亚仅仅介绍为一个艺术家是相当错误的。没有人会承认一个普通的工程师能够创造这样的美。他肯定是一个伟大的艺术家,甚至他自己也未意识到这一点。如果拿他的桥梁之一和一些构成主义者的绘画作品相对照,则单就表象来看可能具有相似的想象。此外没有任何共同之处。这样对照不会使我们更为理解马亚,也不会加深对他的成就的欣赏。

马亚是一个天才的工程师,但不是艺术家型的,他也从不认为自己是艺术家。他的创造才能和设计中对经济有把握的感觉是无可争论的。他可能把设计中的经济直率地和良好价值及简化施工等同起来了。至少,这是曾认识他的一些人的意见。 一生中他受到不少有名工程师的猛烈攻击。他的严肃性曾被质问,他自称为一个回避严密结构理论的“简单化者”。在一定范围内可能是对的,因为他不去计较所谓的“准确”然而繁琐的计算方法。他宁愿粗略,然而透彻的简化。他喜欢静定的简单体系。而这个对简化的喜爱正是他的力量泉源,使他成为真正的设计师。如果说马亚的作品来之于艺术冲动,那是错误的。他的相貌和书法都否定这一点。我们应当设法去了解他的作品特别是他设计的桥,应当从他的个性和他的思想方法、工作态度去认识他的庐山面目,而不是你喜欢他应该是怎样的一个人物。

不从美学评价开始,让我们看看他设计的桥。我们相当简单地问:那是什么?为什么那样?什么目的?在这些非凡吸引人的结构的下面含有那些力学原理?力学原理和外形之间有些什么关系?设计者是怎样求得这个答案的?只有这样我们将为美学评价铺平道路,将发现,通过对这些结构的作用方式的了解,会加深我们的洞察和对它们的美的欣赏。

萨金娜 托贝尔桥 Salginatobel Bridge
萨金纳 托贝尔桥 Salginatobel Bridge

桥面系统和支承的拱

首先将桥的结构按功能分成两部分。从桥梁的预定目的着眼,桥面系统比较重要。桥面必须与交通路线密切配合。如无其他的阻碍,桥面应当是平坦笔直的,因为它主要是公路的一部分,还不是桥的一部分。为了使路面系统越过深谷,须有一个支承结构,即事实上的桥。这两个单元,即桥面系统和支承的拱融合为一个整体。

马亚的宗旨就是要获得这个统一体,他这样做完全是为了经济的理由。对他来讲桥面不是这么大的分量,他把它当作支承结构本身整体的一部分。

萨金纳 托贝尔桥 Salginatobel Bridge
桥的两个部分

三铰拱

为了理解他的三铰拱,必须考虑最优形式是怎样按照力学定律构成的。任何拱如果只承受自重,也就是沿全跨静载差不多均匀分布,它的最优形式是相当于一条压力曲线接近一个抛物线,这条压力曲线酷似一条倒的悬链,即两端吊着的锁链。锁链中的各链节在自重作用下下垂,形成曲线所有链节都受拉,而拱的组成段形成压力曲线,沿着这条线所有力都受压。任何偏离这条压力曲线,就会在拱中造成弯曲应力,就必须加强截面。严格遵守就能取得最经济的比例。压力曲线决定一种造型,而这种造型必然符合结构的真实。古时的建造者始终没有利用这个原理。罗马人喜欢用半圆形、这只是一个几何图形而不是结构造型。哥德式尖拱差不多接近于压力曲线。但这个形式,还是首先由现代工程师发掘出来的,特别是用于桥梁设计。在实践中它显然是“正确的”,因而看起来适当而又美观。

萨金纳 托贝尔桥 Salginatobel Bridge
压力曲线 与 悬链 曲线
图源 《 建筑结构体系与形态设计

活荷载作用

压力曲线和拱的相互关系只适用于对称的静荷载,例如,只有桥梁的自重。变化的活荷载可以无限多样的不对称的组合方式作用于桥上。如果活荷载只作用在桥的一边,拱将变形,使受荷载的一边下垂,而另一边却上凸。如果荷载顺倒过来,则过程适相反。如果两种不对称荷载的作用叠加起来,则在桥每边的弹性变形曲线将形成一个透镜状的区域。这些区域就表示桥梁承受最大的不对称荷载时变形的范围。最大的变形产生在起拱点与拱顶之间的中部即约在跨度的四分之一处。变形大表示弯矩大,弯矩大需要的截面就大。

萨金纳 托贝尔桥 Salginatobel Bridge
活荷载作用

截面的刚度

透镜状和拱的造型有明显的相互关系,这个造型是悦目的。它清楚的表达拱的强大力量,特别是承受拱设计中最严重的不对称荷载的能力。一旦掌握了原理,形式必须适应实际的需要其中最主要的是桥面系统的支承,上面已经讲过,支承的造型,位置和比例早已由它的功能确定下来。靠近桥梁的中部、即桥面和拱汇合处,变成箱形截面。它的上翼缘是桥面,下翼缘为拱板,以双腹板相连系。箱形截面越高,刚度越大。2-2截面靠近桥跨1/4处,也就是弯矩最大之点,它的刚度最大。透镜状表达沿拱弯曲的程度,如果为了反映透镜的形状,截面的刚度应当向着桥台方向逐渐降低。实际上,在2-2截面过去一点,桥面与拱就脱离开来箱形截面变成双倒T形。这种突变大大地减小了拱的刚变,为了补偿这个缺陷,3-3截面双倒T形的腹板比2-2截面封闭形的腹板要厚得多。这些部分的高度渐渐向着桥台方面减小以符合透镜削小的形式。在桥台处拱的截面降到最小。观察者立刻就认识这是V形支座的轮廓,虽然,此时它另有功能。

萨金纳 托贝尔桥 Salginatobel Bridge
图源 Curt Siegel 《 Structure and Form in Modern Architecture 》
萨金纳 托贝尔桥 Salginatobel Bridge 结构图
Salginatobelbrücke结构图
Source: Atlas of Places
 

造型与力学原理之间关系

从箱形截面到双T形的突变,有另一个对造型与力学原理之间关系的有趣的运用。在交替的不对称荷载作用下透镜状和拱轴的弹性变形区域大略是一致的。同时和拱在这种情况下经受的弯曲强度大致是相应的,因为过去经常假定在静荷栽作用下拱的形状应当紧密地服从压力曲线。由于现实需要(例如,要求桥面板与其他结构结合为一 体)实际的拱有时偏离压力曲线。

萨金纳 托贝尔桥 Salginatobel Bridge

实际需要+力学定理+材料的结构可能性

相邻的2-2和3-3截面的重心偶然错开,因此在这里拱的重心轴线有一个明显的凹凸。拱重心轴与压力曲线脱离开后,随之而来的弯矩就直线上升,弯矩图就不再象透镜状那样平滑,它在2-2和3-3截面之间突然改变就象本身的形状一样。由结构决定的形式的不连续性意味着在弯矩图中也有相应的不连续性。

不连续的弯矩图就是这个造型的明证。问题的诸种因素,如桥梁的功能,桥面系统和下部结构之间的必要划分,拱的作用及其对实际需要的适合性等,这些都很老练地按照经济原则彼此溶和在一起,最后形成了一个整体,使部分存在于整体之中,而整体也寓于部分之中。

萨金纳 托贝尔桥 Salginatobel Bridge

正是由于实际需要、力学定理和材料的结构可能性三者的密切融合,因而创造了这样一个非常和谐和非常完美的作品。许多人把它归功于马亚个性中的艺术气息,那是荒谬的。这个结构格局是如此完善,如此精确,如此鲜明地“真实”,这种真正的工程成就任何人无法把它和假想的艺术冲动混为一谈。实际上,这个成就证明工程技术和实事求是的富有目的的建造,它们本身就存在美的可能性这清楚地说明单纯地灵活掌握和善于运用技术知识也能创造相当美的作品,还可能是设计杰作,马亚谈到他自己的体会说:“这样,工程师…可以摆脱传统结构的陈旧形式,有绝对自由地充分发掘建筑材料。然后或许象飞机与汽车工业一样,我们将获得美和一种新的风格,以适合于我们所用的材料。然后,可能达到这样一个转折点,使公众的喜爱变成习惯,认为用传统方式建造钢筋混凝土桥就如同本世纪开始时制造汽车一样,那时汽车的原型是马车”

为何要如此重视马亚

为何要如此重视马亚,因为他的作品对我们所讨论的主题非常重要。它证明我们所称的“结构造型”可以单独生存,还可以启发具有非凡价值的方案。它证明结构设计主要取决于必要的各种关系的知识。当然建筑学是比桥梁设计复杂性更高的一门学科。但是建筑学包括结构造型,而结构造型则如同设计桥梁一样是严格遵守力学定律的。其实假使能够 孤立考虑结构,就会出现与桥梁同样的问题。既然它们不可能被“分解出来”,所以它们可能就更难了解,也更难掌握。无论如何,简单否定它是绝不可能掌握它的。如果没有工程师或者缺乏现代建筑材料和技术,现代建筑师是无法进行工作的。他必须承认和尊重建筑学中的“结构原则”。否则,他将会感到自己无力参予发现马亚的“适合于所用材料的新风格”。

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