深度解读温州这座世界级大桥的设计之魂

发布日期:2018-03-22 来源:温州交通 字号:[ ]

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生产总值增速稳居世界第一

这样的祖国,我们为之骄傲!

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而温州瓯江口大桥公司同样在拥抱这个伟大的新时代!

让我们一起来领略下

温州这座世界级大桥的设计之魂!

钢筋铁骨的身躯,刚中带柔的性格,在时空变幻承载历史与未来之间,在滚滚浪涛的瓯江之上,一座世界性的大桥 —— 温州瓯江北口大桥,就这样“横空出世”,它将带给我们的美和感动,注定弥久而新。

如果说瓯江北口大桥是一座有灵魂的大桥,那么这灵魂一定是大桥设计师们所赋予的。设计者们从品质设计出发,把因地制宜、创新突破、经久耐用、协调共生的设计理念融入了大桥设计的骨髓当中,使大桥拥有了雄浑的力量,文化的积淀,美丽的灵魂和生命的活力。

美源自因地制宜

一座大桥并不是越新奇就越好,而是要找到适合这座桥的建设方案,因地制宜的设计和选择桥梁的位置、桥型,以及结构。唯有与地理位置、周边环境相协调,才能突显出大桥之美。因此,瓯江北口大桥作为一座世界级的大桥,第一个要做的就是根据周边制约因素,选择最合理的建桥方案。

早在 2004 年,浙江省交通规划设计研究院就开始了建桥方案的研究与分析,从“三桥合一”到“两桥合一”,在历经了12 载的努力之后,2015 年12 月,高速与国道“共线过江,两桥合建”的工程可行性研究报告终于获得了国家发改委的批复。

正所谓“功夫不负有心人”。这12 载的认真研讨与分析也为瓯江北口大桥的建设换来了资源的有效节约。浙江省交通规划设计研究院副院长、瓯江北口大桥项目设计负责人戴显荣说,通过高速公路和普通国道“两桥合建”的创新设计,实现了廊道和岸线资源的集约式发展,不仅节约土地约193 亩,还节约建设资金达4 亿元左右。

事实上,在确定大桥建设方案的同时,选择什么样的桥型和结构,也决定了瓯江北口大桥这座世界级大桥的“设计之美”。考虑到瓯江北口大桥位于瓯江入海口,受强台风、强潮涌、深厚软土影响,以及受通航尺度大、航空限高严、周边环境等诸多因素制约,设计师团队创造性地首次选择了“三塔四跨”双层悬索桥,首次采用了混凝土结构做中塔,首次在淤泥土质中用沉井做基础的设计。

据了解,瓯江北口大桥作为世界上首座“三塔四跨”的双层钢桁梁悬索桥,是目前我国乃至世界上技术难度最大、建造工艺最为复杂的桥梁之一。而之所以做出这样的设计,主要有两大方面的制约条件。

戴显荣说,由于瓯江北口大桥南面临近温州机场,飞机起飞的时候对航空净高有要求,所以大桥修建得不能太高。同时,桥下又需要允许3 万吨的货船通行,也不能太低。正是在这样两个条件的制约下,选择了“三塔四跨”悬索桥的结构形式,再加上为集约使用过江通道资源,则采用了两桥合建双层方案。因此,瓯江北口大桥之所以成为一座世界级桥梁,就是因各种因素制约和特殊的建设条件使然,并不是追求“之最”和“第一”的结果,而是因地制宜的具体实践。

因地制宜,突出功能实效,这是瓯江北口大桥的设计团队遵从的一项原则。为了提升海洋环境下结构耐久性能,探索实践多塔悬索桥技术发展,瓯江北口大桥中塔采用了A 形框架混凝土结构,这比现在常用的钢塔造价低,而且整体刚度更强。

此外,将一个平面面积3600多平方米,相当于9个标准篮球场大小,高 68 米,相当于 20 层楼高度,重达1.8万吨,相当于15000 辆小汽车重量之和的沉井作为中塔的基础,可以有效地提高中塔基础抗船舶撞击和防潮水冲刷能力,使基础变得更加安全稳固。

一座大桥,并不是越新奇就越好,而是要找到适合这座桥的建设方案,因地制宜的设计和选择桥梁的位置、桥型,以及结构。唯有与地理位置、周边环境相协调,才能突显出大桥之美。因此,瓯江北口大桥作为一座世界级的大桥,第一个要做的就是根据周边制约因素,选择最合理的建桥方案。

早在 2004 年,浙江省交通规划设计研究院就开始了建桥方案的研究与分析,从“三桥合一”到“两桥合一”,在历经了12 载的努力之后,2015 年12 月,高速与国道“共线过江,两桥合建”的工程可行性研究报告终于获得了国家发改委的批复。

美源自创新突破

正所谓“功夫不负有心人”。这12 载的认真研讨与分析也为瓯江北口大桥的建设换来了资源的有效节约。浙江省交通规划设计研究院副院长、瓯江北口大桥项目设计负责人戴显荣说,通过高速公路和普通国道“两桥合建”的创新设计,实现了廊道和岸线资源的集约式发展,不仅节约土地约193 亩,还节约建设资金达4 亿元左右。

事实上,在确定大桥建设方案的同时,选择什么样的桥型和结构,也决定了瓯江北口大桥这座世界级大桥的“设计之美”。考虑到瓯江北口大桥位于瓯江入海口,受强台风、强潮涌、深厚软土影响,以及受通航尺度大、航空限高严、周边环境等诸多因素制约,设计师团队创造性地首次选择了“三塔四跨”双层悬索桥,首次采用了混凝土结构做中塔,首次在淤泥土质中用沉井做基础的设计。

据了解,瓯江北口大桥作为世界上首座“三塔四跨”的双层钢桁梁悬索桥,是目前我国乃至世界上技术难度最大、建造工艺最为复杂的桥梁之一。而之所以做出这样的设计,主要有两大方面的制约条件。

戴显荣说,由于瓯江北口大桥南面临近温州机场,飞机起飞的时候对航空净高有要求,所以大桥修建得不能太高。同时,桥下又需要允许3 万吨的货船通行,也不能太低。正是在这样两个条件的制约下,选择了“三塔四跨”悬索桥的结构形式,再加上为集约使用过江通道资源,则采用了两桥合建双层方案。因此,瓯江北口大桥之所以成为一座世界级桥梁,就是因各种因素制约和特殊的建设条件使然,并不是追求“之最”和“第一”的结果,而是因地制宜的具体实践。

因地制宜,突出功能实效,这是瓯江北口大桥的设计团队遵从的一项原则。为了提升海洋环境下结构耐久性能,探索实践多塔悬索桥技术发展,瓯江北口大桥中塔采用了A 形框架混凝土结构,这比现在常用的钢塔造价低,而且整体刚度更强。

此外,将一个平面面积3600多平方米,相当于9个标准篮球场大小,高 68 米,相当于 20 层楼高度,重达1.8万吨,相当于15000 辆小汽车重量之和的沉井作为中塔的基础,可以有效地提高中塔基础抗船舶撞击和防潮水冲刷能力,使基础变得更加安全稳固。

一座大桥的伟大,源自于设计师们大胆的创新突破。瓯江北口大桥之所以为世界级大桥,就是因其在技术和管理方面创造了在国内首次选择“三塔四跨”双层钢桁梁悬索桥,首次在多塔连跨悬索桥体系中采用大刚度混凝土中塔,首次在超强河口深厚软土地区修建超大型沉井基础等多项“第一”,而且部分技术工艺在国内外尚无成熟先例可循,这就需要技术精湛的设计团队和专家团队给予坚实的技术支撑和服务保障。

都说技术创新是不断发展进步的驱动力。瓯江北口大桥的设计团队以创新技术为大桥的建设解决了诸多的难题。如为了解决三塔乃至多塔悬索桥核心技术——主缆与索鞍之间的抗滑移问题,浙江省交通规划设计研究院投入 600 多万与高校及科研单位合作开展大量研究工作,形成了从理论、制造,到工艺、质控的一整套原创技术,并在国际上首次将这一“全竖向磨擦板防滑索鞍”技术运用到了瓯江北口大桥之上。

不仅如此,瓯江北口大桥也是国内首个采用“BIM+互联网”技术进行全寿命周期信息化协同管理的桥梁工程。这项技术可以将现场沉井施工、索塔施工、主缆架设、锚碇施工、钢桁梁安装等分部分项工程现场的实施进度实时上传至平台,实现可视化、系统化、科学化管理,以达成桥梁建管养信息无缝衔接。

以中塔钢壳沉井加工制作为例,设计阶段用 3D 模型能更直观地表述工程结构、实现工程自动算量,协助吊装程序由36 次优化到 18 次,首节钢沉井制作仅用3 个月就顺利完成了。而在沉井注水着床过程中,BIM 手机端载入沉井姿态监控系统,协助各参建方实时查看沉井厘米级偏差,及时纠偏,确保精准定位。据监控显示,超大钢沉井最终的中心偏差为11 厘米,小于44 厘米的控制值,水平角度偏差为0.21°,小于1°的控制值,达到了国内水中超大沉井定位着床精度控制的新高度。

大桥的设计是一项系统性的工程,瓯江北口大桥的任何创新突破,都离不开强而有力的技术支撑。为了确保大桥建设的科学合理性和解决大桥建设中的技术难题,瓯江北口大桥的设计团队对国内 10 家在悬索桥设计、施工及科研方面经验丰富的单位进行了两轮科研课题的征询,共征集科研课题29 个。最后筛选出了“三塔四跨双层钢桁架悬索桥结构体系构造与设计参数研究”、“强潮河口深厚软土土层超大型沉井基础施工关键技术研究”、“强台风登陆地区双层大节段钢桁梁整体架设与安装施工关键技术研究”、“基于移动互联网+BIM 技术的建养一体化信息平台关键技术与应用”、“长大桥梁智慧运营和养护关键技术研究”等5 大科研课题。

此外,设计团队还积极地整合技术资源,在面对强潮河口、台风气候、软土地基等难点问题时,整合几十家大专院校和科研院所的优势技术资源,开展了70余项技术类专题研究来强化大桥方案设计。例如,同济大学承担了抗风性能研究,西南交通大学承担了主缆抗滑移性能研究,南京水利科学研究院承担了沉井施工期河床冲刷及预防护研究,浙江大学承担了沉井施工全过程仿真模拟分析复核,上海船舶研究所开展了船舶撞击及防撞研究,大连理工大学开展了波流力计算分析研究等等。

美源自经久耐用

瓯江北口大桥伫立在瓯江的入海口,必然的要经历风雨的淬炼与岁月的打磨。而优秀的设计师们要做的就是想尽一切方法,让这座世界级的大桥经受住一切的考验,构筑起一座经久耐用的安全的大桥。

戴显荣说,建造一座耐久而又安全的大桥,更多涉及到的是将来运行过程中的安全,它包含了大桥结构物本身是否安全,也包含了运行管理的水平。因而,设计师们必须要以大桥的安全耐久为核心,奉行全寿命周期的设计理念。

为了切实的保证瓯江北口大桥的使用寿命,设计师们将大桥施工、运营养护、环境保护、灾害防御等都纳入了工程设计统一考虑,坚持系统化的设计。比如,在大桥施工中坚持“宜钢则钢”的原则,大力推行钢结构应用,预计瓯江北口大桥全桥用钢量将达40 万吨;在标准化设计中坚持以构件设计标准化为先导,推进模块化建设,全桥上部结构可工厂化生产、装配化施工的比例达到了70%。

对于一座世界级的大桥而言,安全耐久的设计往往需要设计师们不断的打磨,并精心地雕琢每一个环节。从大桥的全局性和健康可持续发展出发,瓯江北口大桥的设计师们在运营养护层面做了充分的考量。例如针对超限超载车辆威胁桥梁结构安全与使用寿命的情形,设计师们将大桥和周围路网进行了统筹设计,即通过采用主线高速预检加场区精检,以及非现场执法等多样化的手段控制超限车辆驶入大桥,进而确保桥梁的营运安全。

除此之外,为了方便大桥在运营期实现检查和维护的便捷,设计师们还专门设计了大桥健康安全监控系统,设计了主梁检查车、主梁上下层桥面检修道,以及主缆、锚碇、鞍室的检修通道和塔内爬梯、电梯等,可实现随时到达随时检修。

而更值得一体的是,对于悬索桥最重要的承重构件——主缆,瓯江北口大桥的设计师们更是倾注了大量的心力。据了解,为了减弱腐蚀性环境对主缆的影响,设计师们在主缆外围采用隔水密封防护外,还在钢丝间充干空气加以防护。同时,对于主缆的锚固系统,设计师们则采用可更换无粘结式多股成品索预应力锚固系统,其成品索索体有环氧喷涂护层、PE 内外护套等多层防腐,索体间可灌干燥空气,能有效保证其安全耐久性。

瓯江北口大桥的主缆就像是其生命线。因此,设计师们在安全层面就考虑的更为深入和更为全面。在位于桥梁上下层桥面之间的主缆,设计师们通过消防安全评估,对部分区域做了防火设计,并对上下层桥面设置了完善的消防设施;与大桥两侧当地政府统筹协调社会消防设施和大桥实现共享,以确保灾害发生时能在可接受的时间内开展救灾,为大桥安全耐久增加保障。

美源自协调共生

瓯江北口大桥是交通运输部首批 8 个绿色公路建设典型示范项目中唯一的桥梁工程,未来更是温州标志性的建筑。因此,如何把人、自然和社会三者更多地结合起来,以达到和谐共生之美,就是设计师们必须去不断寻求合理契合点的设计之本。

如何让有限的资源发挥最大的效益,这是瓯江北口大桥的设计师们需要通过各种方法去克服解决的问题。比如,为了极大的减少大桥建设对农田的占用,设计师们因地制宜的将130 亩废弃船厂设计转换为了施工临时用地;再比如,与甬台温复线灵昆至阁巷段项目共建管理中心实现了资源的联通共享,与下层普通国道的统一管理实现了社会资源和建设成本的有效节约。

而除了将资源发挥最大化效益之外,生态环保也是设计师们必须用心去推敲和琢磨的一项功课。正所谓“最小程度的破坏就是最大程度的保护”,遵循这样的理念,设计师们对瓯江北口大桥的桥型结构和锚碇进行深入的研讨、分析和优化,大幅减少了林木砍伐和山体开挖,其中挖方减少了近11 万方,坟墓拆迁减少了3000 余穴,节约建设资金约2 亿元。

大桥的美,源自于协调共生。无论是资源、生态,抑或是景观设计,都是相互依存、相互渗透、相互影响、相互制约的。因而,在景观设计上,瓯江北口大桥的设计师们将大桥结构造型元素充分的与温州的自然环境、地域文化相融合,从桥外、桥内两个层面,分主桥、引桥,以及日景、夜景,进行了宽视野、多视角的设计,并由此来提升大桥的建设品位和景观效果。

桥外景观层面,设计师们主要是从江中、岸上,仰视、俯视等多个视角来检视瓯江北口大桥的总体表现的。在充分尊重结构需求的基础上,设计师们对 4 跨吊方案和 2 跨吊方案进行了细致地比选,综合美观、合理、造价、施工等诸多因素,最后决定选取效果较好的4 跨吊方案。而被视作视觉焦点的中塔,设计师们更是花费了不少的心血。为了让瓯江北口大桥主桥呈现出雄伟挺拔、刚柔并济、环境融合的最佳整体效果,设计师们专门研究了多种中塔A 型开放角度对景观的影响,同时对锚碇造型、桥塔、主梁色彩展开了大量的比选研究。

此外,作为主桥不可分割的引桥,设计师们从协调性和统一性的角度出发,经多种方案的对比,决定采用线条柔和、墩顶弧线与斜腹板箱梁相承接、景观过渡性好的花瓶墩造型。

在日夜景设计上,设计师们将重心聚焦在人的行车与视觉感受:如利用耐久性涂装增加色彩,提升环境融合度、结构表现力和大桥辨识度;通过勾勒线条和色彩变换,突出大桥的轮廓与立体感。

用设计点亮品质之美

瓯江北口大桥除了拥有技术性的美感之外,它也需要文化的渗透与积淀。如果说,日夜景赋予了瓯江北口大桥以“眼”,那么文化则赋予了瓯江北口大桥以“神”。在桥内景观设计上,设计师们从行车的视觉感受出发,结合瓯越文化、开埠文化的历史气息,引用了瓯派建筑中举折平缓的出檐设计。在桥塔视觉焦点之塔顶造型上,选取了温州开埠后民国时期的门楣元素,寓意“瓯江之门”。

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