橋梁設計
橋梁設計的四大原則
1、剛柔相濟
合理的橋梁結構體系應該是剛柔相濟的。結構太剛則變形能力差,強大的破壞力瞬間襲來(lái)時(shí),需要承受的力很大,容易造成局部受損最后全部毀壞;而太柔的結構雖然可以很好的消減外力,但容易造成變形過(guò)大而無(wú)法使用甚至全體傾覆。結構是剛多一點(diǎn)好,還是柔多一點(diǎn)好?剛到什么程度或柔到什么程度才算合適呢?這些問(wèn)題歷來(lái)都是專(zhuān)家們爭論的焦點(diǎn),現今的規范給出的也只是一些控制的指標,但無(wú)法提供“放之四海皆準”的精確答案。最后,專(zhuān)家們達成難以準確言傳的共識:剛柔相濟乃是設計者的追求。也許都是相通的。
想想看,人應該是剛多一點(diǎn)好還是柔多一點(diǎn)好呢?做人太剛和太柔都不受推崇。過(guò)份剛強者,應變能力差,難以找到共同受力的合作者,即使面對任何突然襲來(lái)的惡勢力,亦敢于硬頂硬撞而不留變通的余地,這種時(shí)候必須有足夠的剛度才能立于不敗,否則一旦后繼乏力,油盡燈枯就會(huì )發(fā)生脆性破壞,導致傷痕累累、體無(wú)完膚的滅頂之災。
世人處世多以“柔”為本,退一步海闊天空,和為貴。柔者易于找到共同受力的構件以協(xié)同消化和抵抗外力。但過(guò)柔亦為人所不恥。因為“柔”必然產(chǎn)生變形以適應外力,太柔的結果必然是太大的變形,甚至會(huì )導致立足不穩而失去根本。處世極為圓滑者,八面玲瓏,見(jiàn)風(fēng)使舵,整日上竄下跳,左右逢源,活得游刃有余,這種柔得無(wú)形,表面上著(zhù)實(shí)不容易受到傷害,骨子里卻難免有“似我非我”的疑問(wèn),弄不好會(huì )個(gè)性喪失、面目全非,可能還免不了要背上奴顏婢膝的罵名。
古人在長(cháng)期的實(shí)踐后發(fā)現了中庸之道最適合生存。用現代的話(huà)來(lái)講大意是做人最好既有原則性又有靈活性,也就是剛柔相濟。剛是立足之本,必要剛度不能少,如此方能控制變形在可以忍受的范圍內,才不會(huì )失掉本質(zhì)的東西;柔為護身之法,血肉之軀剛度畢竟有限,要學(xué)會(huì )以柔克剛,不斷提高消化轉換外力的能力,有時(shí)候,犧牲一點(diǎn)變形來(lái)抵抗突然到來(lái)的摧毀力是必要的,也是值得的,但應以不失去自我為度。“剛與柔,融與合”正是中國儒家思想的精髓! 剛柔相濟和核心就是平衡,對橋梁結構來(lái)說(shuō)是內力和外力的平衡。否則整個(gè)結構就會(huì )失去平衡而倒塌,所以橋梁設計的第一原則就是要找到結構內力和外力的平衡點(diǎn),例如連續梁中跨活載和邊跨反力的平衡,自錨式拱橋水平力的平衡等都是內力和外力的平衡,構件截面應力積分就是內力等,此乃橋梁設計的第一要素。其實(shí)社會(huì )和許多行業(yè)又何嘗不是平衡呢?只不過(guò)是人和人的平衡。這種平衡是動(dòng)態(tài)的,所以會(huì )出現今天東風(fēng)壓倒西風(fēng),明天出現西風(fēng)壓倒東風(fēng)。天平就是一個(gè)平衡最好的例子,一邊是忠臣,一邊是佞臣,天平就這樣時(shí)而此邊高,時(shí)而彼邊高,但是天平的支點(diǎn)總是在移動(dòng),目的就是為了讓天平保持動(dòng)態(tài)的平衡。如果那天天平的一側太高而失去了平衡,必然導致社會(huì )的變革,又會(huì )形成一種新的平衡狀態(tài),社會(huì )也是在這種動(dòng)態(tài)的平衡中發(fā)展。只可惜“道可道,道難行”。不是想剛就能剛,想柔便得柔的,剛柔相濟只是理想中的“模糊結構”,每個(gè)人的組成材料千差萬(wàn)別,生存的地基也不盡相同,所受的外力更難統一定性。如此的差異下,企望哲人們找到統一的、萬(wàn)無(wú)一失的處世良方實(shí)在勉為其難。不過(guò),每個(gè)人如果都能給自己多一點(diǎn)時(shí)間,去思考一下適合于自身的結構體系,想必這世界會(huì )有另一番光景。
2、多道防線(xiàn)
安全的結構體系是層層設防的,災難來(lái)臨,所有抵抗外力的結構都在通力合作,前仆后繼。這時(shí)候,如果把“生存”的希望全部寄托在某個(gè)單一的構件上,是非常非常危險的。也許我們會(huì )自信計算的正確性,但更要牢記絕對安全的防備構件是存在的。
人生也應該是多道設防的吧。再好的汽車(chē),都會(huì )有一個(gè)備胎在后面。一輩子平平安安、無(wú)災無(wú)難的人實(shí)在很幸運。而每當看到飽經(jīng)滄桑、歷盡苦難的人盡力呵護甚至溺愛(ài)他們的子女時(shí),總有一股曖流涌入心中??蓱z天下父母心,他們不希望自己的不幸在下一輩去重演的!他們時(shí)時(shí)設防,企圖讓子女在暴風(fēng)雨來(lái)臨時(shí)免受傷害。能有這樣的父母作為人生的第一道防線(xiàn)是該知足了。但進(jìn)一步想想,這第一道防線(xiàn)就已經(jīng)足夠了嗎?父母是否也該注意到去督促和幫助子女學(xué)會(huì )構筑人生的第二、第三道防線(xiàn)呢?因為大多時(shí)候,最終陪我們走完一生路程的可能不會(huì )是別人,不會(huì )是父母,而只有自己。
記得有個(gè)同行朋友,在精心做完一個(gè)橋梁的結構設計之后對我說(shuō),他煞費苦心地設計了一道又一道的防線(xiàn)來(lái)抵抗可能出現的地震破壞,真希望來(lái)一場(chǎng)地震檢驗一下他的成果,可接著(zhù)他又說(shuō)心底里有點(diǎn)害怕地震真會(huì )到來(lái)。想一想,最好還是沒(méi)有檢驗的機會(huì )吧,因為安全的儲備能夠名副其實(shí),永遠處于儲備狀態(tài)才是我們設計者的心愿。類(lèi)似地,培養一個(gè)人堅強,當然決不是希望他去遭受磨難的,而是讓他具有化解磨難的能力而已,如果能平平安安豈不更好?只是,我們千萬(wàn)千萬(wàn)不能放棄培養一個(gè)人變得堅強起來(lái)的努力。
偶爾在報上會(huì )讀到百折不撓者,他們象堅不可摧的建筑,無(wú)數次風(fēng)雨雷電、天崩地裂之后依然立在那里,讓人肅然起敬。但我并不贊成“經(jīng)歷磨難越多越偉大”的觀(guān)點(diǎn),我以為我們的生命真的不需要用磨難來(lái)證明些什么:生命原來(lái)可以不偉大的,但應當快樂(lè ),所以我們要努力使其免遭傷害,因為生命只有一次。我想到的只是,雖然生命歷程中最好沒(méi)有任何災難,但是抵抗災難的防線(xiàn)卻是越多越好,我們寧愿這些防線(xiàn)一輩子都用不上,可誰(shuí)又會(huì )認為建立這些防線(xiàn)就是多余、是空費時(shí)間和精力呢?就象橋梁結構的安全儲備,用不上可不等于沒(méi)有用的!
3、抓大放小
“強柱弱梁”、“強剪弱彎”等是建筑結構設計中非常重要的概念。有人問(wèn):為什么不是“強柱強梁”或“強剪強彎”呢?為什么所有構件都很強的結構體系反而不好,甚至會(huì )有安全隱患呢?
這里面首先包含著(zhù)一個(gè)簡(jiǎn)單的道理:絕對安全的結構是沒(méi)有的。簡(jiǎn)單地說(shuō),雖然整個(gè)結構體系是由各種構件協(xié)調組成一體,但各個(gè)構件擔任的角色不盡相同,按照其重要性也就有輕重之分。一旦不可意料的破壞力量突然襲來(lái),各個(gè)構件協(xié)作抵抗的目的,就是為了保住最重要的構件免遭破壞,這時(shí)候犧牲在所難免,讓誰(shuí)犧牲呢?明智之舉是要讓次要構件先去承擔災難。“寧為玉碎,不為瓦全”,如果平均用力,可能會(huì )“玉石俱粉”,損失則更大矣!在橋梁結構中,塔、墩柱倒了,梁會(huì )跟著(zhù)倒;而梁倒了,墩和塔柱還可以不倒的??梢?jiàn)墩(塔)承擔的責任比梁大,柱不能先倒。為了保證柱是在最后失效,我們故意把梁設計成相對薄弱的環(huán)節,使其破壞在先,以最大限度減少可能出現的損失。如果梁柱等同看待,企圖讓他們都“堅不可摧”,則可能會(huì )造成同時(shí)破壞,后果會(huì )更糟糕,損失會(huì )更大。所以關(guān)鍵時(shí)刻要分清主次,抓大放小。有舍才有得,舍是為了得。但取誰(shuí)舍誰(shuí),真是個(gè)難題。整個(gè)社會(huì )縮小了就象建筑結構體系。人們竟不住要自問(wèn):在冥冥眾生中,我是一根梁還是一根柱?我能做一根梁還是能做一根柱?我愿做一根梁還是愿做一根柱?取舍在所難免時(shí),我是被“取”還是被“舍”?按理說(shuō),不管梁還是柱,都屬于社會(huì )體系的一分子,都不可或缺。但我相信很少有人甘心去做陪襯、做墊腳石的--每個(gè)人都希望成為頂梁柱之類(lèi)的重要角色。只可惜總要有人擔任其他次要角色,去成為梁、拉索乃至欄桿等等的。于是這世界充滿(mǎn)了競爭,充滿(mǎn)了矛盾;于是在這種競爭和矛盾中導演了一出出角色互換的悲喜??;于是這社會(huì )最后必然要論功行賞才顯得公平。大概每個(gè)人都能在相應的崗位各得其所,社會(huì )才會(huì )變得有序起來(lái)。
身居高位者,承擔的責任較大,其行動(dòng)會(huì )影響到多數人的利益,所以他不能倒,他只能最后倒;所以在給予相應特權的同時(shí)更要嚴格要求他,以確保大眾的利益。如果高官和平民享受同樣的待遇,不知道還能有多少人想去做官想去承擔更多責任。但是倘若手握重權而不慎用,享受特種待遇卻沒(méi)有做出相應的貢獻,最終這樣的官是做不長(cháng)久的。就象一根柱子如果沒(méi)有發(fā)揮柱子的作用,大廈將傾,最后倒掉的還包括它自己??梢?jiàn)柱的選材設計須當謹慎,否則即害了柱,還要殃及整個(gè)大廈的。
擔任次要角色、身處低位的人,身上的擔子當然很輕,只能從自己的利益出發(fā)去要求社會(huì ),因為自身的存亡對他人影響不大,所以獲得的特權保護相對很少,甚至沒(méi)有什么特權,非常時(shí)刻還要“舍車(chē)保帥”,但幸虧大多時(shí)候還可以擁有活得輕松的心情,因為責任小嘛。想實(shí)現角色由低到高的轉換,首先要搞清楚自己?承受能力,然后再去努力把能力提高,如此方能擔起重任,好高騖遠是不明智的。也許我們所需要的,我們想爭取的,其實(shí)只是一份發(fā)熱后輕松的心情。
如果說(shuō)“大材小用”導致的是對個(gè)人的浪費浪費,那么“小材大用”蘊藏的則是危險,是對社會(huì )資源的浪費。所以嚴守“大”關(guān)實(shí)在很有必要。道理是簡(jiǎn)單的,比較起來(lái)卻很殘酷--誰(shuí)愿意承認自己是“小”呢?
4、打通結點(diǎn)
在橋梁結構體系中有許多構件相交的結點(diǎn)。結點(diǎn)是指變化相聚之處,或變化出現的地方。不同類(lèi)型的構件相接處,同一構件截面改變之處,是結點(diǎn)。廣義上,諸如結構拉索連接之處、分跨之處,體量改變之處,有外力和結構尺寸變化之處亦是結點(diǎn)。結點(diǎn)無(wú)處不在,因為結構體系乃是變化的統一。外力突然襲來(lái)之時(shí),對于單一的構件,力量的傳遞簡(jiǎn)明,因而容易控制。對于復雜的結構體系,結點(diǎn)的復雜性難于預測和控制,即使從理論上保證了每個(gè)組成構件的強度和剛度,但因結點(diǎn)的普遍存在,力量的傳遞往往不能暢通而出現集中甚至中斷,破壞由此而發(fā)生。歷次災害表明,從節點(diǎn)開(kāi)始破壞的建筑占了相當大的比例。
所以理想的結構體系當然是渾然一體的--也就是沒(méi)有任何結點(diǎn)的,這樣的結構體系使任何外力都能迅速傳遞和消減?;谶@個(gè)思路,設計者要做的就是要盡可能地把結構中各種各樣的結點(diǎn)“打通”,使力量在結點(diǎn)處暢通無(wú)阻。中醫上云:“通則不痛,痛則不通”,結構就象一個(gè)人,氣穴若不能暢通,癥結和隱患就會(huì )產(chǎn)生。在設計的四項基本原則中,“剛柔相濟”,“多道防線(xiàn)”,“抓大放小”是概念設計中的戰略問(wèn)題,但要想得讓這些戰略思想得以實(shí)現,靠的是“打通結點(diǎn)”這個(gè)原則作為保證的,結構設計的具體操作,最后全都歸到“打通結點(diǎn)”的貫徹和實(shí)施上來(lái)。
如何打通結點(diǎn)?在概念設計里,要解決的是外力在結構體系內重分配的問(wèn)題,要確保力量是按照各構件的剛度大小進(jìn)行分配的,避免出現不合理的集中,最終達致靜態(tài)的平衡。因結構形本為“靜”,滅于“動(dòng)”中。所有 “動(dòng)” 的因素對于結構均為不利。打通結點(diǎn)保持平衡的目的其實(shí)就是使其永遠處于原始的靜態(tài),當力量不能暢通時(shí),構件與構件之間,構件的組成元素與元素之間的靜態(tài)平衡一旦被破壞,結構變成機動(dòng),“動(dòng)”即是死,即為終結??梢?jiàn)設計者是協(xié)調者,其任務(wù)是讓所有互不相關(guān)的靜態(tài)構件相聚之后依然處于靜態(tài)(也就是使其保持常態(tài)),或者是處在相對的靜態(tài)之中。
對比由構件與構件組成的靜態(tài)“結構體系”, 來(lái)看看由人與人組成的動(dòng)態(tài)的“社會(huì )體系”,這一靜一動(dòng)之間,實(shí)在有異曲同工之妙。
社會(huì )體系既是由動(dòng)態(tài)的人組成,變化乃是其常態(tài)。如果把變化亦稱(chēng)為結點(diǎn)的話(huà),這種結點(diǎn)是無(wú)形的,或者稱(chēng)為動(dòng)態(tài)的。社會(huì )的存在和發(fā)展,關(guān)鍵在于“動(dòng)”字,因為其形本為“動(dòng)”,滅于“靜”中,“靜”即是死,即為終結。同樣的,打通結點(diǎn)的方法是要解決各種各樣的,諸如情感、金錢(qián)、地位等等的重分配的問(wèn)題,要確保這種分配是按某種合理、有效的規則來(lái)進(jìn)行的,避免形成集中而不暢,以期達到動(dòng)態(tài)的平衡。任何靜態(tài)--也許是強制性的靜態(tài),出現了對社會(huì )都是不利的。打通結點(diǎn)的目的是使社會(huì )永遠處在動(dòng)態(tài)之中。無(wú)論是思想意識、還是行為舉止,一旦被限制,一旦處于停滯,出現靜態(tài)的死角,社會(huì )必將有癥結和隱患。是以對于任何動(dòng)態(tài)異端,治理者只能以合理之規則加以疏導,不可強其靜止,不可逆之堵之,如此方為長(cháng)治久安。
其實(shí)處理和成就世間萬(wàn)物,必須使動(dòng)為動(dòng),靜為靜,才能平衡;必須動(dòng)者動(dòng)之,靜者靜之,才能持久;必須知其本源,施以規則,順之導之,才能達至繁榮昌盛。一切的一切,以順應自然為始,達到平衡為終,諸多規則,只是手段,只為平衡,只為暢通。
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