桥梁工程品质提升与技术创新

文

品质的定义：是“质量”还是“质量+”？

“品质”这个词有狭义和广义两种定义。从狭义上看，品质与质量同义，从广义上看，除质量之外，品质还应包括对社会的贡献和影响。

以桥梁工程为例，我们对一座桥梁的基本要求是“安全、实用、经济、美观”。如果一座桥能满足这四方面要求，通常认为它的质量是好的。但如果除了上述质量要求之外，我们还要求它对社会做出贡献，产生积极影响，例如要求它成为一座城市的名片，或者可用来纪念某一历史事件，或者可促进区域发展能力的提升等，就显然超出了一般意义上对桥梁质量的要求，变成了广义上对桥梁品质的要求，这可以简单表述为“品质=质量+”。在这里，“+”可以涵盖对一座桥梁在质量之上附加的任何要求，对不同桥梁而言，这些附加要求可能各不相同，而且通常不是桥梁工程师所能决定的。

例如，要确保一座桥对所处区域的贡献实现最大化，就必须充分考虑桥梁选址、与交通路线的结合、区域发展的趋势甚至国家发展方针等，这些都属于城市规划的命题，并不属于一般桥梁设计范畴。因此，在本文中，我们暂且把讨论的主题限定于狭义上的品质概念，即“品质=质量”。

本刊记者 潘永辉 摄

品质的提升：把每项要求做得更好！

在对桥梁质量的要求上，有些学者认为，除了“安全、实用、经济、美观”，还应加上“耐用”和“环保”。当然，一座桥梁必须满足耐用和环保的要求，才算质量好。但事实上，如果一座桥梁满足了“安全、实用、经济、美观”的要求，就等于满足了“耐用”和“环保”的要求。

以安全为例，我们评价一座桥梁安全，当然指这座桥在整个设计寿命中都安全。显然，一座桥不能只在建成之初安全，后期就不安全了。所以，桥梁在满足安全要求的同时，必须满足耐久要求。例如，在设计美国旧金山海湾大桥东段时，为满足业主提出的150年设计寿命的要求，我们把所有钢管桩可能被海水侵蚀的部位都加厚了，目的就是保证它们即使在海水中被侵蚀150年仍然具备足够的承载能力，仍能满足设计要求。如果这座大桥从通车到150年后都足够安全，它在安全方面当然是耐久的；反之，如果桥梁服役不到150年就变得不安全了，它显然既不耐久，也没能满足安全的基本要求。

同理，一座桥在整个设计寿命中要满足实用、经济、美观的要求，也都必须同时满足耐久要求。因为只有耐久才称得上实用，才称得上经济，才称得上美观。如果一座桥的保养和维护费用过高，就是经济上“不耐久”；如果一座桥只在刚通车时好看，慢慢就变得难看，就是美观上“不耐久”。

环保也是如此，它已经被包含在“安全、实用、经济、美观”的要求里了。一项不环保的工程，在我看来，肯定不能算是经济和实用的。

这样看来，当一项桥梁工程满足了“安全、实用、经济、美观”的要求，我们就可以说它的质量是好的；反之，如果它不能满足这些要求，我们就会评价它质量不好或者不及格。但满足这些最基本的要求，其实只是一条“及格线”而已，因为这四项要求，每一项都不是绝对的，而是相对的，都有提升的可能。所以，把工程做到“更安全、更实用、更经济、更美观”，就为工程品质提升创造了空间。

此外，每个人对品质的要求也不尽相同，例如公众可能更注重实用和美观，工程师更注重安全，艺术家更注重美观，业主则更注重经济。

提升的途径：要么完善，要么创新

通常，提升桥梁品质有两个主要途径，一是把现有的建桥技术发挥得更加完善；二是通过创新使建桥技术更加先进。

完善现有的建桥技术

一座桥的全寿命过程可以简单地分为通车前、使用期间和关闭后三个阶段，从通车到关闭这一段时间就是这座桥的使用寿命，设计寿命则是在设计阶段假设的桥梁使用寿命。桥梁通车前的工作包括前期计划、斟察、设计、施工等，这些工作的质量决定一座桥的先天质量。桥梁使用期间的工作包括运营、检测、保养、维修等，这些工作是为了保障桥梁的健康状态。当桥梁不再能满足设计要求时就会被拆除，这意味着一座桥使用寿命的终结。

一座桥的全寿命

目前，大部分桥梁规范要求桥梁设计寿命为100年，对特别重要的桥梁会要求其设计寿命更长一些，例如港珠澳大桥的设计寿命是120年，旧金山海湾大桥的设计寿命是150年。我个人认为150年还是太短了，对世界可持续发展影响太大，以目前的技术水平，把桥梁设计寿命提高到300年、甚至500年都是完全可能的。

显然，要提高桥梁寿命，就要提升桥梁质量。目前，世界各国的桥梁技术都是相当公开的，要建造一座高质量的大桥应该不是太困难的事情，那么为何有些桥梁工程还是达不到应有的质量呢？我认为有三方面原因：“不知”“不能”和“不为”。

既然桥梁技术基本上是公开的，“不知”和“不能”就显得很不合理，所以，桥梁质量不及格最主要的原因还是“不为”，即“可为而不为”——这是最令人痛心的事情，因为即使设计和技术的标准都提升了，如果执行者“不为”，质量还是无法达标。这不是一个新问题，也不是中国特有的问题。要避免“不知”“不能”“不为”的发生，最简单、直接的方法就是加强监理力度，因为，严格的监理既可以禁止“不知、不能”的人上岗，也可以禁止不及格的产品通过验收，这样一来，所有能通过监理验收的工程，理论上都能达到业主要求的质量水平。而且对质量水平的要求还可以根据需要进行调节，监理负责对调节后的质量要求把关。在这方面，目前国内还是比较欠缺的。

通过创新使技术更先进

创新可以增加我们的建桥技术实力，让我们的桥梁质量比人家好；创新还可以让我们做到人家做不到的事情，提升我们桥梁的质量。

什么是创新？我认为，创新包括“发明”“改良”和“组合”。

“发明”就是引进一个新的理念，使当时没有的变成有，或者使从前不能的变成可能，例如电灯泡，从无到有，改变了人们照明的方式，又如用以建造预应力混凝土桥梁的现浇悬臂施工方法，是Ulrich Finsterwalder的发明，其主要技术是一个专为刚度较大的梁桥设计的挂篮，它使建造大跨度混凝土大桥变成可能，也打破了钢桥在大跨度桥梁领域的垄断地位。1955年至今，使用该方法建造的大跨度混凝土大桥已有千余座。

现浇悬臂施工方法与挂篮的结构

美国但点大桥（Dames Point Bridge）

这一方法也被成功用于刚性斜拉桥，但是还有一些斜拉桥的主梁并不是刚性的箱形梁，而是很柔软的板梁，对于这些桥梁，上述挂篮因为太重就不能胜任了。在建造马来西亚第一槟城大桥的时候，我创造了一个两段式的挂篮，用来建造这一世界首座柔性主梁斜拉桥，虽然工程顺利完成，但我觉得施工速度比较慢。在建造世界第二座柔性主梁斜拉桥——1985年建成的美国但点大桥（Dames Point Bridge）时，我又发展了一种新的挂篮，命名为索辅挂篮（Cable-supported Traveler），利用前端的拉索把挂篮吊起来，减少浇筑新一段主梁时引起已建成主梁的弯距。这座大桥建成后，基本上所有柔性主梁斜拉桥都采用这种挂篮建造。

在建造加拿大温哥华的ALRT Skytrain捷运桥的时候，这种索辅挂篮又不适用了，因为这座主跨340米的斜拉桥主梁只有1.1米高，跨高比达到309，几乎堪称世界上最柔的主梁了。为了建造这座大桥，我又发展出一种新的建桥方法，用一条钢缆把整个安装预制节段的吊机吊起来，这样一来，大部分吊机和预制块的重量都没有传到主梁上。

上述几个连续创新的例子，让很多当时大家认为不可能的事情都变成了可能。

再谈谈“改良”，即把现有的理念和方法变得更好。例如钢筋混凝土，我开始工作的时候，混凝土的强度大约相当于今天的C20。几十年间，经过不断改良，混凝土强度从C20到C30、C35、C40、C50、C60，今天，我们已经常用到C70，在特殊结构中甚至可以用到C200。在这过程中，每一步都是创新！

“组合”是把已经有的、不同的东西组合起来成为一样新的东西。最典型的例子就是智能手机，它里面的零件或者App大多不是智能手机厂商自己的发明，而是集成市场上的已有部件组合而成。

如何评价创新的价值？ 厘清了什么是创新，我们还应该思考为什么要创新？创新的目的是创造价值，没有创造价值就不是创新，而只是拿出了一些不同的替代方案而已。所以，评价一件事是不是创新，标准就是看它能不能增加价值。

以桥梁为例，我们可以根据对一座桥的要求来评价其创新的价值。上文说过，我们对一座桥的基本要求是“安全、实用、经济、美观”，虽然每个人对这四项要求的评分权重不同，但我们对每一项要求总会有一定的“定价”，即安全的价值、实用的价值、经济的价值、美观的价值。一座桥的“总价值”就是这四个价值的总和，如果一个新理念或者新方法能够增加桥梁的总价值，它就是创新，反之则不是创新。按照这一评价标准，把桥建得长一些、把楼盖得高一些、把雕塑造得大一些，诸如此类，只要肯多花钱，谁都可以做到，这样的做法并没有增加工程实际价值，显然都算不上创新。

斜拉桥拉索的创新历程 斜拉桥拉索的发展是通过技术创新提升桥梁质量的经典案例。利用斜拉索来代替部分桥墩的理念其实早已有之，但由于没有适当的拉索，早期的斜拉桥都以失败告终。世界公认的第一座成功建造的斜拉桥是瑞典的Stromsunde Bridge，这座桥由德国教授Dischinger设计，由德国DEMAG公司施工，建成后因适逢德国二战后重建，德国相继建造了很多座大跨度斜拉桥。

值得一提的是，在早期的斜拉桥设计中，斜拉索一直是一个弱点。我在1965年到1968年间先后设计了两座当时世界最大跨度的斜拉桥，分别是德国杜塞尔多夫城的格尼大桥（Knie Bridge，跨度320米）和杜伊斯堡的纽安坎大桥（Neuenkamp Bridge，跨度350米），当时我就一直在考虑拉索的问题，作为唯一的可选项，封闭式钢缆原本是为登山缆车设计的，用在斜拉桥上并不十分恰当，除了价格高，安装和保养也都很困难，而且不防火。但在没有更好产品可用的情况下，确实别无他选。

1968年，我移居美国。美国第一座大跨度斜拉桥是Pasco Kennewick Bridge（国内一般称之为“P-K桥”），于1978年通车。该桥由德国教授莱昂哈特（Fritz Leonhardt）设计，采用了他本人发明的平行钢丝索，拉索被放置在PVC套管内，套管里的空间用水泥砂浆填充，从而避免了封闭式钢缆存在的部分问题，堪称一项创新。然而，1983年美国通过了《买美国货条例》（Buy American Act），要求所有联邦政府资助的桥梁上的钢材都必须产自美国，而美国并不生产斜拉桥拉索使用的平行钢丝，所以，P-K桥上的拉索无法继续在美国其他斜拉桥上使用。

格尼大桥（Knie Bridge）

纽安坎大桥（Neuenkamp Bridge）

为了提高拉索的技术标准，国际上一群致力于斜拉桥技术研究的工程师和学者在美国Post Tensioning Institute（PTI）内成立了“斜拉桥拉索设计委员会”，我也是该委员会的发起人之一。我们成立“斜拉桥拉索设计委员会”的目的，就是编写斜拉索规范，从而推进斜拉索技术的发展创新，在这过程中，有几段比较重要的创新历程值得回顾：

首先，我们要求拉索有足够的抗疲劳性能，并经过不断地创新和改进拉索结构满足了这一要求；之后，我们要求拉索具备高度防锈蚀的性能，经过创新镀锌方法，满足了高效防锈能力的要求；发现PVC会引起拉索腐蚀后，我们又开始改用PVF套管，并为了增加保险系数为拉索提供了三层保护层；期间，大家发现有些拉索在微风和微雨共同作用下可能产生强烈振动，这个问题一度让业内专家非常头疼，经过全世界许多工程师和学者不断研究，终于给出了解决方案：现在的拉索多会在表面加一条螺旋线，或通过一些其他形式的表面处理，防止或大大降低风雨引起的振动。此外，研究期间，“斜拉桥拉索设计委员会”共发表了7版《斜拉索的设计和测试推荐书》，以帮助桥梁工程师设计斜拉索。

经过不断创新，今天的斜拉索质量比20世纪80年代有了极大进步，针对可能出现的问题都能拿出可靠的解决方法，斜拉桥质量也因此得到明显提升。