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橋梁設計

橋梁設計的四大原則

新聞時間:2017-07-26 文章來源: 文章作者:ztcjjt

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時,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,但容易造成變形過大而無法使用甚至全體傾覆。結構是剛多一點好,還是柔多一點好?剛到什么程度或柔到什么程度才算合適呢?這些問題歷來都是專家們爭論的焦點,現今的規范給出的也只是一些控制的指標,但無法提供“放之四海皆準”的精確答案。最后,專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,人應該是剛多一點好還是柔多一點好呢?做人太剛和太柔都不受推崇。過份剛強者,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的惡勢力,亦敢于硬頂硬撞而不留變通的余地,這種時候必須有足夠的剛度才能立于不敗,否則一旦后繼乏力,油盡燈枯就會發生脆性破壞,導致傷痕累累、體無完膚的滅頂之災。

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同消化和抵抗外力。但過柔亦為人所不恥。因為“柔”必然產生變形以適應外力,太柔的結果必然是太大的變形,甚至會導致立足不穩而失去根本。處世極為圓滑者,八面玲瓏,見風使舵,整日上竄下跳,左右逢源,活得游刃有余,這種柔得無形,表面上著實不容易受到傷害,骨子里卻難免有“似我非我”的疑問,弄不好會個性喪失、面目全非,可能還免不了要背上奴顏婢膝的罵名。

古人在長期的實踐后發現了中庸之道最適合生存。用現代的話來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,才不會失掉本質的東西;柔為護身之法,血肉之軀剛度畢竟有限,要學會以柔克剛,不斷提高消化轉換外力的能力,有時候,犧牲一點變形來抵抗突然到來的摧毀力是必要的,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,對橋梁結構來說是內力和外力的平衡。否則整個結構就會失去平衡而倒塌,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,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。其實社會和許多行業又何嘗不是平衡呢?只不過是人和人的平衡。這種平衡是動態的,所以會出現今天東風壓倒西風,明天出現西風壓倒東風。天平就是一個平衡最好的例子,一邊是忠臣,一邊是佞臣,天平就這樣時而此邊高,時而彼邊高,但是天平的支點總是在移動,目的就是為了讓天平保持動態的平衡。如果那天天平的一側太高而失去了平衡,必然導致社會的變革,又會形成一種新的平衡狀態,社會也是在這種動態的平衡中發展。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”,每個人的組成材料千差萬別,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、萬無一失的處世良方實在勉為其難。不過,每個人如果都能給自己多一點時間,去思考一下適合于自身的結構體系,想必這世界會有另一番光景。 

2、多道防線

安全的結構體系是層層設防的,災難來臨,所有抵抗外力的結構都在通力合作,前仆后繼。這時候,如果把“生存”的希望全部寄托在某個單一的構件上,是非常非常危險的。也許我們會自信計算的正確性,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,都會有一個備胎在后面。一輩子平平安安、無災無難的人實在很幸運。而每當看到飽經滄桑、歷盡苦難的人盡力呵護甚至溺愛他們的子女時,總有一股曖流涌入心中。可憐天下父母心,他們不希望自己的不幸在下一輩去重演的!他們時時設防,企圖讓子女在暴風雨來臨時免受傷害。能有這樣的父母作為人生的第一道防線是該知足了。但進一步想想,這第一道防線就已經足夠了嗎?父母是否也該注意到去督促和幫助子女學會構筑人生的第二、第三道防線呢?因為大多時候,最終陪我們走完一生路程的可能不會是別人,不會是父母,而只有自己。 

記得有個同行朋友,在精心做完一個橋梁的結構設計之后對我說,他煞費苦心地設計了一道又一道的防線來抵抗可能出現的地震破壞,真希望來一場地震檢驗一下他的成果,可接著他又說心底里有點害怕地震真會到來。想一想,最好還是沒有檢驗的機會吧,因為安全的儲備能夠名副其實,永遠處于儲備狀態才是我們設計者的心愿。類似地,培養一個人堅強,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,我們千萬千萬不能放棄培養一個人變得堅強起來的努力。 

偶爾在報上會讀到百折不撓者,他們象堅不可摧的建筑,無數次風雨雷電、天崩地裂之后依然立在那里,讓人肅然起敬。但我并不贊成“經歷磨難越多越偉大”的觀點,我以為我們的生命真的不需要用磨難來證明些什么:生命原來可以不偉大的,但應當快樂,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有任何災難,但是抵抗災難的防線卻是越多越好,我們寧愿這些防線一輩子都用不上,可誰又會認為建立這些防線就是多余、是空費時間和精力呢?就象橋梁結構的安全儲備,用不上可不等于沒有用的! 

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: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,甚至會有安全隱患呢? 

這里面首先包含著一個簡單的道理:絕對安全的結構是沒有的。簡單地說,雖然整個結構體系是由各種構件協調組成一體,但各個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,各個構件協作抵抗的目的,就是為了保住最重要的構件免遭破壞,這時候犧牲在所難免,讓誰犧牲呢?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“玉石俱粉”,損失則更大矣!在橋梁結構中,塔、墩柱倒了,梁會跟著倒;而梁倒了,墩和塔柱還可以不倒的。可見墩(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”,則可能會造成同時破壞,后果會更糟糕,損失會更大。所以關鍵時刻要分清主次,抓大放小。有舍才有得,舍是為了得。但取誰舍誰,真是個難題。整個社會縮小了就象建筑結構體系。人們竟不住要自問: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,我是被“取”還是被“舍”?按理說,不管梁還是柱,都屬于社會體系的一分子,都不可或缺。但我相信很少有人甘心去做陪襯、做墊腳石的--每個人都希望成為頂梁柱之類的重要角色。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。于是這世界充滿了競爭,充滿了矛盾;于是在這種競爭和矛盾中導演了一出出角色互換的悲喜劇;于是這社會最后必然要論功行賞才顯得公平。大概每個人都能在相應的崗位各得其所,社會才會變得有序起來。 

身居高位者,承擔的責任較大,其行動會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,享受特種待遇卻沒有做出相應的貢獻,最終這樣的官是做不長久的。就象一根柱子如果沒有發揮柱子的作用,大廈將傾,最后倒掉的還包括它自己。可見柱的選材設計須當謹慎,否則即害了柱,還要殃及整個大廈的。 

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去要求社會,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,甚至沒有什么特權,非常時刻還要“舍車保帥”,但幸虧大多時候還可以擁有活得輕松的心情,因為責任小嘛。想實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,其實只是一份發熱后輕松的心情。 

如果說“大材小用”導致的是對個人的浪費浪費,那么“小材大用”蘊藏的則是危險,是對社會資源的浪費。所以嚴守“大”關實在很有必要。道理是簡單的,比較起來卻很殘酷--誰愿意承認自己是“小”呢? 

4、打通結點

 在橋梁結構體系中有許多構件相交的結點。結點是指變化相聚之處,或變化出現的地方。不同類型的構件相接處,同一構件截面改變之處,是結點。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。結點無處不在,因為結構體系乃是變化的統一。外力突然襲來之時,對于單一的構件,力量的傳遞簡明,因而容易控制。對于復雜的結構體系,結點的復雜性難于預測和控制,即使從理論上保證了每個組成構件的強度和剛度,但因結點的普遍存在,力量的傳遞往往不能暢通而出現集中甚至中斷,破壞由此而發生。歷次災害表明,從節點開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--也就是沒有任何結點的,這樣的結構體系使任何外力都能迅速傳遞和消減。基于這個思路,設計者要做的就是要盡可能地把結構中各種各樣的結點“打通”,使力量在結點處暢通無阻。中醫上云:“通則不痛,痛則不通”,結構就象一個人,氣穴若不能暢通,癥結和隱患就會產生。在設計的四項基本原則中,“剛柔相濟”,“多道防線”,“抓大放小”是概念設計中的戰略問題,但要想得讓這些戰略思想得以實現,靠的是“打通結點”這個原則作為保證的,結構設計的具體操作,最后全都歸到“打通結點”的貫徹和實施上來。 

如何打通結點?在概念設計里,要解決的是外力在結構體系內重分配的問題,要確保力量是按照各構件的剛度大小進行分配的,避免出現不合理的集中,最終達致靜態的平衡。因結構形本為“靜”,滅于“動”中。所有 “動” 的因素對于結構均為不利。打通結點保持平衡的目的其實就是使其永遠處于原始的靜態,當力量不能暢通時,構件與構件之間,構件的組成元素與元素之間的靜態平衡一旦被破壞,結構變成機動,“動”即是死,即為終結。可見設計者是協調者,其任務是讓所有互不相關的靜態構件相聚之后依然處于靜態(也就是使其保持常態),或者是處在相對的靜態之中。 

對比由構件與構件組成的靜態“結構體系”, 來看看由人與人組成的動態的“社會體系”,這一靜一動之間,實在有異曲同工之妙。 

社會體系既是由動態的人組成,變化乃是其常態。如果把變化亦稱為結點的話,這種結點是無形的,或者稱為動態的。社會的存在和發展,關鍵在于“動”字,因為其形本為“動”,滅于“靜”中,“靜”即是死,即為終結。同樣的,打通結點的方法是要解決各種各樣的,諸如情感、金錢、地位等等的重分配的問題,要確保這種分配是按某種合理、有效的規則來進行的,避免形成集中而不暢,以期達到動態的平衡。任何靜態--也許是強制性的靜態,出現了對社會都是不利的。打通結點的目的是使社會永遠處在動態之中。無論是思想意識、還是行為舉止,一旦被限制,一旦處于停滯,出現靜態的死角,社會必將有癥結和隱患。是以對于任何動態異端,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,如此方為長治久安。 

其實處理和成就世間萬物,必須使動為動,靜為靜,才能平衡;必須動者動之,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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