桥梁科学技术体系及其发展问题探析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 桥梁科学技术体系及其发展问题探 析 关键词： 桥梁科学技术体系； 桥梁科学；桥梁技术；桥梁工程实践； 创新机制 中国论文网 /4/view-12857262.htm 摘要： 桥梁科学与技术是桥梁 工程建设的基础和灵魂。以建材技术、 设计技术和施工架设技术为主干的桥梁 技术体系，横向密切协同，纵向分化细 密。直接服务于桥梁建设实践的桥梁科 学，实用性、特殊性、现场性研究的特 征明显。桥梁科学与技术互动相长、渗 透融合，共同构成了统一的现代桥梁科 学技术体系。以解决桥梁工程实践问题 为核心的创新活动，是推动桥梁科学技 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 术发展的直接动力。发端于桥梁建设前 沿领域的高技术化、生态化、标准化、 艺术化和专业化协作，是现代桥梁科学 技术的五大发展趋势，将支撑和引领着 未来的桥梁工程实践。 中图分类号： N031 文献标志码： A 文章编号： 10094474(2012) 02009906 桥梁是一种特殊的建筑类型，也 是反映一个时代文明程度的重要标志。 桥梁建设多是在地质条件复杂的江河湖 海、沟壑峡谷上展开的，施工难度大， 建筑要求苛刻，极富挑战性，对科学研 究与技术开发的依赖性较强。桥梁科学 技术是在漫长的桥梁建设实践中逐步形 成和发展起来的，已成为现代桥梁建设 的坚实基础。剖析桥梁科学技术的体系 结构，揭示桥梁科学技术的发展趋势， 有助于自觉地推进桥梁科学技术进步， 更好地服务于桥梁建设实践。 一、桥梁技术体系结构 桥梁技术与桥梁建设实践同步发 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 生，互动共进。如何建构桥梁是桥梁技 术开发所要解决的核心问题，进而又会 派生出怎样建构才能使桥梁质量更高、 成本更低、寿命更长、工期更短等一系 列具体技术问题。克服地质、水文等自 然因素的限制，不断提高空间跨越尺度， 追求低成本、短工期、高载荷、高质量， 始终是桥梁建设的基本目标。不同的桥 梁建设任务，面对的地质、地形、地貌、 水文、交通流量、建设资金、人文景观 等自然与社会条件不同，需要综合考虑 这些因素的影响，进而具体制定桥梁建 设的最佳方案。因此，桥梁建设是一项 充满挑战、富有创造性的实践活动。 在什么地方建桥？建设什么样 的桥？用什么材料建桥？按什么程序建 桥？始终是桥梁工程活动展开的轴心， 也是孕育和催生桥梁技术的温床。从桥 梁建设实践的演进历程看，早期的桥梁 技术可以划分为桥梁作品技术形态与建 构工艺流程技术形态两大体系1 。前 者是指凝结在桥梁作品中，由特定结构、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 功能单元等要素构成的技术系统；后者 是指按照桥梁建构流程，由各环节的施 工工艺、设备及其操作规范等要素构成 的技术体系。桥梁技术属工程技术范畴， 目标指向明确，实用性强。在桥梁技术 体系中，桥梁作品技术形态处于主导地 位，是建桥目的的技术体现，实现的是 “建造什么”的职能；建构工艺流程技术 形态是建桥手段的技术体现，从属并服 务于桥梁作品的建构与塑造，实现的是 “如何建造”的职能。桥梁作品技术形态 与建构工艺流程技术形态之间相互作用、 协同并进，展现出建桥目的与手段之间 的内在联动性。 一般而言，桥梁作品技术形态结 构相对复杂，集约度较高，稳定性较强， 对建桥工艺流程技术形态的依赖性较弱。 同一座桥梁可以通过多种建构工艺流程 技术形态完成。相反，建构工艺流程技 术形态结构松散，集约度较低，可塑性 与流动性较强。同一建构工艺流程技术 形态稍作调整，就可以建造多种形式的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 桥梁。建构工艺流程技术形态是实现桥 梁设计与建设的技术前提，直接决定着 桥梁建设能力与桥梁作品的技术性能。 桥梁作品技术形态结构愈复杂、精度愈 高，对建构工艺流程技术形态的要求就 愈苛刻。在一定程度上可以说，有什么 样的建构工艺流程技术形态，就有什么 样的桥梁作品技术形态。因此，通过改 进建构工艺流程技术，就可以达到提高 桥梁建设速度与质量、降低建设成本的 目的。反过来，新型桥梁的设计也必然 要求原有建构工艺流程技术形态做出相 应改进，甚至需要创建全新的建构工艺 流程技术形态。例如，在 20 世纪 60 年 代末，为了实现双曲拱桥无支架施工， 郑皆连及其所带领的团队创造出了拱肋 分段预制、缆索起重机吊运、钢丝绳扣 挂、滑轮组减力、手摇绞车收放、松索 合龙的双曲拱桥无支架吊装施工新工艺， 推进了我国双曲拱桥建设的发展。 随着社会分工的深化，在桥梁 技术演进过程中，逐步分化出了以建材 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 技术、设计技术和施工架设技术为主干， 横向密切协同，纵向分化细密的现代桥 梁技术体系，如图 1 所示。设计技术是 现代桥梁技术体系的“ 龙头 ”，扮演着 “编剧者”的角色。它从具体建桥目标出 发，立足建材技术与施工架设技术现状， 构思和设计最佳的桥梁形态及其建构方 案，直接描绘桥梁作品技术形态“蓝图” ； 同时，它也规范和引导着施工架设技术 的发展，刺激建材技术的开发。材料是 现代社会的三大支柱之一，建材技术是 现代桥梁建设的物质基础，影响着桥梁 设计方案的制定和设计蓝图的勾画。不 同的建筑材料要求不同的施工架设工艺， 建材技术的进步势必带动施工架设技术 的革新；同时，作为建构桥梁的材料或 单元，建材技术成果也会凝结在桥梁作 品技术形态之中。例如，水泥、钢材、 高强钢索等材料的出现，使现代新桥型 不断涌现。施工架设技术是现代桥梁技 术体系的“组织者 ”，扮演着 “导演”和“演 员”的双重角色。它以施工技术设备为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 依托，按照桥梁设计蓝图的编排顺序渐 次展开建构过程，是实现桥梁设计方案 的技术保障。当然，施工架设技术创新 也会促进桥梁设计技术变革，刺激建材 技术革新。 二、桥梁科学体系结构 实践是认识的基础和动力，桥梁 建设实践与桥梁技术发展过程中必然会 不断派生出众多认识问题。例如，不同 类型桥梁结构的受力状况如何？桥梁基 础的地质状况如何？水流、风力、地震 等是怎样影响桥梁结构的等等，这些问 题迫切需要及时分析和探究，从而催生 了桥梁科学。同时，桥梁科学的发展又 支撑和引领着现代桥梁技术创新。 与桥梁技术相比，桥梁科学的 出现较晚，经历了一个漫长的孕育、分 化和成长过程。人们对桥梁工程问题的 早期认识大多停留在经验层面上，这些 问题的解决也主要依赖长期的实践摸索 与经验积累。近代以来，随着力学、数 学、地质学等基础学科的快速发展，人 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 们才开始尝试运用这些学科的理论与方 法，分析和解决桥梁设计与建设问题， 探讨桥梁工程的特点与规律，逐步形成 了桥梁科学体系2 。作为一门典型的 工程科学，桥梁科学直接服务于桥梁建 设实践，实用性、特殊性、现场性的研 究特征明显。它立足于桥梁科学实验与 技术试验，以相关科学理论与方法为基 础，对桥梁建设过程中面临的实际问题 进行理论分析，力图揭示这些问题的成 因、属性、本质与规律，探寻解决它们 的可能路径与方案，从而规范和引导桥 梁工程实践与技术创新。 从逻辑结构上看，桥梁科学是 以桥梁建设过程中遇到的实际问题为主 线展开的，形成了一个包括桥梁勘测、 设计、施工、检测、试验和养护等环节 在内的复杂知识体系，如图 2 所示。其 中，中间一排是桥梁建设的基本环节与 主要问题，下面一排是解决这些问题的 主要理论与方法。其实，解决任一实际 问题所需要的理论工具与背景知识众多， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 早已超越了单一学科范围，这里未作详 细标注。上面一排表示在解决这些实际 问题的过程中所提炼出来的相关桥梁理 论，它们彼此衔接，联为一体，形成了 现代桥梁科学体系的分支领域。一般地 说，每一座桥梁的建设都要经过规划与 勘测、方案设计、结构设计、施工工艺 流程、检测、试验与维护等环节，每一 个环节都会遇到许多具体问题，都需要 进行深入探究。需要说明的是，建设不 同类型的桥梁遇到的实际问题各不相同， 从而在纵向上派生出了多簇桥梁科学的 分支学科。处于不同分支领域的相关知 识单元之间在横向上又彼此衔接、互动 共进，进而构成了处于演进之中的立体、 开放的桥梁科学体系。 值得一提的是，桥梁科学与 桥梁技术始终是在桥梁建设实践以及相 关学科与技术进步的共同推动下发展的， 问题与挑战层出不穷。缺少理论的实践 是盲目的，脱离实践的理论则是虚妄的。 在当今科学技术一体化的进程中，桥梁 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 技术的科学化与桥梁科学的技术化进程 不断加快，桥梁科学与桥梁技术之间互 动相长， “道”、 “术”相融，逐步形成了统 一的桥梁科学技术体系。现代桥梁科学 技术是处于社会文化环境之中的开放系 统，与其他产业技术体系之间又存在着 横向相干性，与科技、人文体系之间则 存在着纵向构成关系，如图 3 所示。一 方面，桥梁科学技术紧紧围绕着新的桥 梁工程建设实践展开研究与开发；另一 方面，它又及时而广泛地吸收相关学科 与技术领域的新成果。正是通过这种纵 横交错的立体文化网络，当代桥梁科学 技术才融入了现时代的文化体系之中， 与时俱进，步入了快速发展的规范化轨 道。 三、桥梁科学技术的基本矛盾与 创新驱动 跨越空间阻隔，连通此岸与彼岸， 是桥梁工程建设的基本目标。在桥梁工 程实践活动中，人们始终面临着跨越与 垮塌之间的对立，这就构成了桥梁技术 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 的基本矛盾；而导致垮塌的因素及其消 除途径又是未知的，有待于进一步认识。 在消除垮塌威胁或隐患，实现空间跨越 的进程中，人们积累了丰富的经验，并 揭示出不同地质条件、桥型、跨度、材 质的桥梁的属性、特点与规律等，这些 都是已知的。同时，面对具体的桥梁建 设任务，桥位的水文地质状况如何？应 当选择和设计什么样的桥型？如何进一 步提高桥梁的技术性能？等等，往往又 是未知的，需要进一步探究和论证。这 就构成了桥梁科学的基本矛盾。这两类 矛盾相互交织，互动转化，共同推动着 桥梁科学技术的发展。事实上，桥梁科 学技术就是在跨越与垮塌、已知与未知 矛盾的不断形成与解决过程中发展的， 而解决这两类基本矛盾的根本出路就在 于创新。 桥梁建设是一项古老而常新的 事业。这里的“ 新” 根源于时代的发展会 不断萌生出新的交通运输需求，提出新 的桥梁建设任务。同样，桥梁科学技术 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 也会主动迎接新挑战、探究新问题，通 过创新途径改进桥梁结构与性能，提高 建桥速度和效率；其他相关学科领域的 新进展、新成果，也会渗入桥梁科学技 术领域，从外部推动桥梁科学技术的发 展。同时，人们挑战自我、探索未知领 域的求知欲望，以及追求卓越技术效果、 提高技术效率的内在要求，从内部驱动 着桥梁科学技术进步。正是这种“外推 内驱”的动力机制，促使桥梁科学技术 的持续发展。 从桥梁科学技术的矛盾运动机 制看，桥梁科技工作者是这些矛盾的认 识者和解决者，创新是桥梁科学技术发 展的动力之源。经济与社会发展会不断 提出越来越高的桥梁建设要求，这是孕 育新的桥梁科学技术矛盾形态的社会根 源。然而，离开了桥梁专家们的创造性 工作，这些矛盾是不会自行解决的。在 桥梁工程实践中，具体的跨越与垮塌、 已知与未知之间的新型矛盾，往往是现 有桥梁理论与技术难以解决的，必须进 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 行新的探索与尝试。桥梁科技工作者总 是充分发挥各自的主观能动性，调动一 切积极因素，想方设法展开技术创新与 理论创新，最终成功地解决所面临的众 多问题与挑战，进而推动桥梁科学技术 的发展。 “RB（LB）模块式多向变位桥 梁伸缩装置” 的研制过程就是一例 3 。 宁波路宝集团自主研发的这一装置，通 过变位铰构造主动适应桥梁的竖向、水 平、扭转等多向变位运动，克服了原有 悬臂式梳齿板和模数式伸缩装置的结构 缺陷，解决了长大型、抗风型桥梁的多 向变位和装置的抗疲劳难题。 面对不断产生的桥梁科学技术 矛盾，广大桥梁科技工作者总是立足当 代科学技术发展，积极探索、大胆创新， 进而推动桥梁科学技术的不断发展和完 善。由此可见，矛盾或问题是桥梁科学 技术发展的起点，创新是解决桥梁科学 技术难题的关键，是推动桥梁科学技术 发展的直接动力。正是基于创新的这一 原动力属性，当今众多企业、地区和国 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 家都把科技创新列为优先发展战略，这 成为当今时代的一个突出特征。 四、当代桥梁科学技术的发展趋 势 支撑和引领现代桥梁建设实践， 是桥梁科学技术的历史使命。随着经济 社会的快速发展，在复杂地质条件下修 建特大型、高难度、长寿命桥梁的任务 被不断提上议事日程。例如，国道主干 线同江至三亚线路就有 5 个跨海工程： 渤海湾跨海工程、长江口跨海工程、杭 州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程 以及琼州海峡工程。其中，难度最大的 是渤海湾跨海工程，海峡宽 57 公里， 建成后将成为世界上最长的桥梁2 。 这些大型工程既是当今桥梁科学技术面 临的重大挑战，也是桥梁科学技术发展 的历史机遇，预示着桥梁科学技术的锦 绣前程。立足当代科学技术与桥梁建设 实践，以实用、安全、经济、美观、低 碳的桥梁建设原则为依据，展望桥梁科 学技术的未来发展趋势，有助于增强推 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 进桥梁科学技术发展的自觉性。 1高新技术化趋势 当今高新技术成果向桥梁建设 领域的全方位、多层次渗透，推动着桥 梁技术体系内涵与外延的快速拓展。现 代桥梁工程出现了结构精致化、功能多 元化、布局集约化、施工机械化、控制 自动化的发展趋势。同时，高速、重载、 低耗、集约化、大流量的现代交通发展 指向，也向桥梁建设提出了越来越高的 要求。在现代桥梁的高新技术化进程中， 桥梁设计技术形成了结构耐久性设计、 全寿命设计、精细化设计、系统规划与 中长期规划等新观念，并向动态设计、 优化设计、模型模拟与计算机辅助设计 方向推进。例如， “在设计阶段采用高度 发展的计算机辅助手段，进行有效的快 速优化和仿真分析，运用智能化制造系 统在工厂生产部件，利用 GPS 和遥控 技术控制桥梁施工。 ”4 再如，在建 设世界第一高桥法国的米约大桥的 过程中，施工人员就采用了全球卫星定 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 位系统（GPS ）纠正施工中可能出现的 偏差，最终使大桥的垂直建筑误差小于 5 毫米。建材技术向高性能、构件化、 多功能材料方向发展。 “新材料应具有高 强、高弹模、轻质的特点，研究超高强 硅粉和聚合物混凝土、高强双相钢丝钢 纤维增强混凝土、纤维塑料等材料取代 目前桥梁用的钢和混凝土。 ”4施工 架设技术则向精准化、机械化、信息化 方向发展，施工速度进一步加快、质量 不断提高。 在桥梁工程的高新技术化进程 中，新桥型不断被创造出来，正朝着大 跨径、结构轻型化、柔性、抗震、抗风、 深水基础、整体及快速施工等方向推进。 一大批特大型（如直布罗陀海峡桥、墨 西拿海峡桥、马六甲海峡桥、港珠澳大 桥、琼州海峡大桥、台湾海峡大桥、白 令海峡大桥） 、高难度（如桥墩高达 343 米的法国米约大桥，以及在多年冻土、 高寒缺氧、生态脆弱的青藏高原与水文 地质条件复杂地区架设桥梁）的桥梁工 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 程，逐步进入了规划与实施阶段，必将 加快桥梁工程的高新技术化进程。 2生态化趋势 第二次世界大战以来，肇始于 工业化进程的环境污染、资源枯竭与生 态危机日趋严重，迫使人们重新审视人 与自然之间的关系，调整不适当的生产 与生活方式，抑制技术活动的负面影响， 从而形成了产业技术的生态化趋势。桥 梁科学技术的生态化是全方位、多层次 推进的，其中有许多问题需要认识、许 多技术有待开发。这一趋势要求从规划、 勘测、设计、施工、检测与维修到最终 废弃、拆除的全过程都应尽量减少对生 态环境的消极影响，降低资源消耗，减 少环境污染。低碳化是生态化的具体表 现形态，它促使建材技术向开发高质量、 低消耗、长寿命、高性能，以及生产过 程或废弃后的降解过程对环境影响最小 的建筑材料方向发展。生态化还要求尽 量采用对生态环境破坏较小的桥型与施 工方案，力求使桥梁与周边的生态和人 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 文环境和谐一致；尽可能选用低污染、 耗能少的建筑材料与技术设备，提高桥 梁的使用寿命等。例如，国际桥梁大师 邓文中在修建美国北卡罗来纳州的 Linn Cove 桥时，为了保护植被和景区游览 环境，创造并采用了从空中向下做桥墩 的施工新工艺。同时，生态化也促使 桥梁施工架设技术向改善施工劳动条件， 减少建筑材料与能源消耗，减少建筑垃 圾、噪音以及对周边生态环境破坏的方 向发展。 3标准化趋势 由于地形地貌、通行需求、资 金投入、建筑队伍等方面的差异，早期 的桥梁作品大多是个别建造的，即一座 桥梁一个设计与施工方案，而且多以分 散、独立的方式建构，耗时费力，效率 低下。同时，桥梁建设多依附于建筑行 业，尚未形成专业化的桥梁设计与施工 队伍。在工业革命的推动下，以机器大 工业为核心的工业化生产方式开始向众 多传统产业领域扩散，进而开启了工业 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 19 化进程。在这一时代进程中，桥梁建设 开始从传统建筑行业中分化独立出来， 桥梁设计与施工环节也逐渐分离，逐步 形成了一支相对稳定、分工细密的专业 化桥梁建设队伍。 在不断探索新型桥梁及其建筑 技术的同时，以往主要桥型的设计、施 工方案和规范也被逐步固定下来，并得 以传播和推广应用，成为大规模复制同 类型桥梁的技术基础。为了提高建桥效 率，产品互换性和生产流水线等工业化 理念也被引入到桥梁工程领域，并开始 采用工业化的成套技术改造和重塑桥梁 行业的传统生产模式。桥梁建设的标准 化要求统一设计与施工的类型、图纸、 建材、构件与架设装备型号等，以提高 施工质量和水平；以工业化方式批量生 产不同规格的标准化的桥梁构件，以降 低生产成本，提高产品的互换性，从而 使桥梁行业形成了彼此配套、规范统一 的工业化生产体系。例如，预制化是桥 梁技术产业化、标准化的重要环节，也 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 20 是建材产品链条向施工领域延伸的具体 体现。在工厂中预先制作各种桥梁构件， 形成规格化、系列化、通用化的预制产 品，然后再根据施工进度要求运送到施 工现场，按设计要求拼接、安装。这样 既可以简化施工环节，缩短施工周期， 也可以减少气候、场地等因素对桥梁建 设的不利影响。 4艺术化趋势 桥梁可视为一座具有实用功能 的巨型雕塑，多成为当地的标志性建筑 和人文景观，体现着桥梁设计理念、审 美情趣、民族精神、价值观念等多重文 化内涵，是追求经济价值的技术性与追 求审美价值的艺术性的有机统一。随着 社会物质财富的不断丰富，人们越来越 认识到桥梁建筑造型的艺术价值，以及 艺术性与经济性之间的内在统一，越来 越要求桥梁兼具更为丰富的文化内涵， 城市中的桥梁更成为人文景观中的关键 性建筑物。因此，现代桥梁结构更加重 视艺术造型，并刻意营造与周围环境和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 21 谐相融的人造景观。正如邓文中所强调 的：“工程师们一定要将艺术化的理念 贯穿于设计的全过程，提高自身对美的 鉴赏力，而不是一味地抄袭和模仿；一 定要对整体的美学环境有协调的规划， 领悟美的多重表现形式；认识标志性建 筑的突出特征是美，融入式的协调也是 美。只有将艺术化在设计中的地位提升 到足够的高度，我们才能够为子孙后代 留下一个方便、舒适的环境，而不是留 下一堆丑陋的构造物，让后代去叹气！ ”5因此， “21 世纪的桥梁结构必将更 加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和 景观设计，重视环境保护，达到人文景 观同环境景观的完美结合”4 。 近年来，桥梁界关于最美桥梁 的评选活动就是艺术化趋势的具体体现。 在这一时代背景下，追求艺术美感，展 示个性化的审美价值开始成为桥梁建筑 的时尚。现代桥梁技