摘要：根据工程力学及建筑美学原理，提出了合理桥式所应遵循的20条准则。本文综合分析了现代桥式设计理论对于工程建筑的优化设计实践参考。
关键词：最优设计理论 桥式 工程力学 建筑美学
在漫长的古代和中世纪，从事建筑营造活动的工匠，既是建筑师，又是结构工程师。后来，随着建筑功能的大大增加及结构的复杂化，才出现了建筑师与结构工程师的分工。当今世界桥梁飞速发展，越来越多的桥梁需要我们去建造，尤其是正在酝酿的跨海峡大桥，其迫切需要超大跨径，于是，人们开始不满足于现有的桥式，而是正积极探索其它崭新的桥式，这就需要对桥梁建筑学进行研究。
一、合理桥式所遵循的规律
桥梁结构合理形式并非有特定的单一的结构形式，因此，研究其特性应从总体上把握其规律，然后，以其为标准评价所要讨论桥式的优劣。
1、良好的结构方案是良好结构设计的重要前提 因为在结构设计中，无论多么完美的结构计算都无法弥补经结构构思而形成的结构方案中的不足，相反，良好的结构方案却能够部分弥补结构计算中的不足。
2、功能准则 结构应满足全部功能的要求。
3、功能决定结构 桥梁的跨越功能是桥梁最基本的功能之一，桥梁的跨越功能决定了桥梁必须有桥跨结构，而为了支承桥跨结构，必须有支承结构。
4、几何不变准则 一般工程结构都必须是几何不变体系。为了保证车辆、行人等安全、舒适地通过桥梁，桥梁结构在主要受力面一顺桥向铅垂面内应保证几何不变，在次要受力面一横桥向铅垂面及水平面内亦应保证足够的刚度。
5、传力路径准则 合理的结构在荷载作用下，其传力路径较短。不论是桥跨结构还是支承结构，不论是横截面内还是细部构造，传力路径简捷、明快者为较好的形式。
6、应力均匀准则 结构应力应均匀流畅。对于杆系结构，应力均匀流畅包括杆件横截面内應力均匀，沿杆件长度方向内力均匀及结点、边界处应力均匀，总之，要求结构应力处处均匀流畅。只有结构应力均匀，才能较好地发挥材料的强度，取得经济效益。
7、承受轴向拉力或压力的结构，简称为“拉/压结构”是合理结构。由于拉/压结构应力均匀流畅，材料强度得到较好地发挥，且传力路径短。诸如桁架、拱、柱、悬索结构、网架、整体张拉式结构等均为拉/压结构。
8、承受轴向拉力的跨越结构可能是大跨优越结构，即索结构是大跨优越结构。目前，桥梁用索结构包括悬索桥，斜拉桥及拱桥(吊杆采用柔索者)等。结构的受力状态从本质上讲，只有拉和压这两种互为相反的状态；而受弯是拉与压的组合。跨越体系的受力状态可以是受拉、受压或受弯，而单纯受扭或受剪的结构是不能充当跨越结构的。
9、预应力索结构是大跨理想结构。在预应力索结构中，预应力使索系处于张紧与稳固状态，使结构体系具有承载能力及刚度(而不是降低或调整内力)。这种不以增加自重为代价而增强结构刚度及承载能力的特点正是预应力索结构的优越所在。如双曲悬索结构及笔者提出的全索桥新桥式便属于预应力索结构。
10、结构连续准则 合理的结构整体性好，构件体形变化平顺。这不仅是美观的要求，因为构件体形变化平顺、结点处或边界处过渡平滑、结构整体性强是力流平顺的必要条件，同时，也可提高结构的承载能力和刚度。
11、合理的结构应尽量使其各构件承受均布荷载，如受弯构件承受横向均布荷载，而拉/压构件承受轴向均布荷载等。这是应力均匀、传力简捷之要求。
12、均衡与稳定准则 一般工程结构必须保持静力平衡，即结构稳定。从力学与美学角度上讲，要求结构均衡。保持静力平衡是桥梁结构安全与美观的前提条件。
13、韵律感与节奏感准则 合理的结构应有韵律感和节奏感。
功能决定了结构。因此，结构并非由杂乱的构件拼凑而成，而是按功能要求有机地结合起来，这样形成的合理结构必然具有韵律感和节奏感。
14、桥梁轮廓尺寸协调准则
①梁桥或拱桥相邻跨度的比值(小跨比大跨)宜在[0.4，1]内，接近0.618时，桥跨变化会显得平顺、流畅、有韵律感与节奏感。
②梁桥墩高与跨度之比宜在[0.25，0.85]内，接近0.618时，桥高与跨度的比例最为和谐。
③拱桥之矢跨比宜在[1/8，1/4]内。
④斜拉桥索塔高度(自桥面算起)与中跨之比宜在[1/7，1/4]内，边跨与中跨之比宜在[1/3，1/2]内。
⑤悬索桥大缆矢跨比宜在[1/7，1/11]内，边跨与中跨之比宜在[1/4，1/2]内。
⑥带单悬臂的简支梁，悬臂长与简支跨长之比宜取0.41左右。
⑦带双悬臂的简支梁，悬臂长与简支跨长之比宜取0.35左右。
⑧带双悬臂的两等跨连续梁，当施工过程中未发生体系转换时，其悬臂长与跨度之比宜取1/3左右。
⑨三跨连续梁，当施工过程中未发生体系转换时，其边跨长与中跨之比宜取0.8左右。
⑩中间跨为等跨的多跨连续梁，其边跨与中跨跨度之比宜在[0.65，0.70]内。
15、形式感与量感准则 合理的结构应有形式感和量感。形式感是指艺术领域中形式因素本身对于^的精神所产生的某种感染力。
16、桥梁特有的美学特征：桥梁有别于其它结构的美学特征有：通达之美、凌空之美、流畅之美及刚柔之美。
17、桥梁与环境协调准则 工程结构的造型与体量应与周围环境协调。
18、地形与桥式准则 一般来说，山区地形宜修建拱桥或吊桥；平原地形宜修建梁桥或斜拉桥。
19、造型与受力准则 当跨度不大时，由于桥梁受力不大，其造型发挥的余地就大，能够很好地供人观赏；而当跨度较大时，由于桥梁受力较大，其造型当以结构受力合理为重心进行选择，而这种造型并不是不美。这是技术与艺术的统一。
20、可靠性准则 合理的结构应使结构在设计寿命期内安全可靠，即结构强度、刚度、稳定性及耐久性均应满足要求。
如前所述，由于桥梁建筑设计与结构计算联系紧密，因此，在桥梁的实际设计过程中，方案构思与结构计算应交叉进行、相互协作。
二、桥式方案研究
桥式最优设计理论丰富了桥梁科学，为桥式方案设计提供了理论基础。桥式方案设计包括
1、平面设计，即平面线形选取及桥梁平面布置等；
2、立面设计，即孔跨布置及式样选择等，
3、横断面设计，即桥面布置及桥梁横向布置等。
桥梁方案设计主要受桥址工程条件(如地形、地貌、地质、地震、水文、气象、通航或跨线等)、设计要求(交通量、路线等级、设计荷载、设计寿命等)及施工方法的制约，交通量等决定了桥梁宽度：通航净宽决定桥跨下限；通航净高、通航孔跨决定桥梁建筑高度：桥面纵坡及起桥高度、桥梁建筑高度三者决定了桥长。一般情况下，地质越差或下部结构投资越大，就越宜采用较大的跨度，以减少支承结构的工程量，从而节省投资。此外，桥式方案设计尚应考虑统一性或标准设计，以简化设计与施工。桥式候选方案应以桥式理论为基础，结合桥址工程条件提出(跨度、桥式及施工方法三者紧密联系)，对于明显较差的方案应及时舍去。桥式方案比选应从以下四个方面进行比较：适用(功能)、安全(可靠性)、经济与美观，
桥式最优设计理论是对桥梁各构件组成规律的研究，为桥式方案设计、乃至桥梁建筑学提供了理论基础，减少了桥式探索中的盲目性。以其为参考，希望将对未来大型桥梁的建设带来显著的经济效益及社会效益。
