2.1 Introduction
Oftentimes engineers deceive themselves into believing that if they have gathered enough information about a bridge site and the traffic loads, the selection of a bridge type for that situation will be automatic. Engineers seem to subscribe to the belief that once the function of a structure is properly defined, the correct form will follow .Furthermore, that form will be efficient and aesthetically pleasing .Perhaps we believe some great differential equation exists ,and ,if we could only describe the relationships and the gradients between the different parameters, apply the correct boundary conditions, and set the proper limits of integration, a solution of the equation will give us the best possible bridge configuration .Unfortunately ,or perhaps fortunately, no such equation exists that will define the optimal path
If we have no equation to follow, how is a conceptual design formulated? (In this context, the word design is meant in its earliest and broadest sense; it is the configuration one has before any calculations are made.) Without an equation and without calculations, how does a bridge get designed? In this chapter we address this question by first examining the nature of the structural design process, then discussing aesthetics in bridge design, and, finally, by presenting a description of candidate bridge types.
2.2 Nature of the Structural Design Process
The structural design process itself is probably different for every engineer because it is so dependent on personal experience. However, certain character is tics about the process are common and serve as a basis for discussion
For example, we know (1) that when a design is completed in our minds, we must then be able to describe it to others; (2) that we have different backgrounds and bring different knowledge into the design process; and (3) that the design is not completely open ended, constraints exist that define an acceptable solution(s). These characteristics are part of the nature of structural design and influence how the process takes place
A model of the design process incorporating these characteristics has been presented by Addis (1990) and includes the following components: output, input, regulation, and the design procedure. A schematic of this model is shown in Figure 2.1.
2.2.1 Description and Justification
The output component consists of description and justification. Description of the design will be drawings and specifications prepared by or under the direction of the engineer. Such drawings and specifications outline what is to be built and how it is to be constructed .Justification of the design requires the engineer to verify the structural integrity and stability of the proposed design.
In describing what is to be built, the engineer must communicate the geometry of the structure and the material from which it is made. At one time the engineer was not only the designer but also the drafter and specification writer. We would sit at our desk, do our calculations, then turn around, maybe climb up on a stool, and transfer the results onto fine linen sheets with surfaces prepared to receive ink from our pens .It seemed to be a rite of passage that all young engineers put in their time on the “board.” But then the labor was divided .Drafters and spec writers became specialists, and the structural engineer began to lose the ability to communicate graphically and may have wrongly concluded that designing is mainly performing the calculations.
This trend toward separation of tasks has been somewhat reversed by the increased capabilities of personal computers. With computer-aided drafting (CAD), structural analysis software, and word processing packages all on one system, the structural engineer is again becoming drafter, analyst, and spec writer, that is, a more complete structural designer. In fact, it is becoming necessary for structural engineers to be CAD literate because the most successful structural analysis programs have CAD-like preprocessors and postprocessors.
Justification of a proposed design is where most structural engineers excel. Given the configuration of a structure, its material properties, and the loads to which it is subjected, a structural engineer has the tools and responsibility to verify that a design satisfies all applicable codes and specifications. One note of caution: A structural engineer must not fall into the trap of believing that the verification process is infallible. To provide a framework for this discussion, a few words about deductive and inductive reasoning are required.
Deductive reasoning goes from broad general principles to specific cases. Once the general principles have been established, the engineer can follow a series of logical steps based on the rules of mathematics and applied physics and arrive at an answer that can be defended convincingly. An example would be the principle of virtual work, which can be used for a number of applications such as beam deformations and element stiffness matrices. Just follow the rules, put in the numbers, and the answer has to be correct. Wrong
Inductive reasoning goes from specific cases to general principles. An example would be going from the experimental observation that doubling the load on the end of a wire doubled its elongation to the conclusion that a linear relationship exists between stress and strain. This conclusion may be true for some materials, and then only with restrictions, but it is not true for others. If experimental observations can be put into the form of an algebraic equation, this is often convenient; however, it is also fallible.
It must be realized that deductive justification is based on quantities and concepts determined inductively. Consider, for example, a structural analysis and design program utilized to justify the adequacy of a reinforced concrete frame. Early on, screens
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2.1简介
工程师们常常欺骗自己相信，如果他们已经收集了足够的关于桥址和交通荷载的信息，那么针对这种情况选择桥型将是自然而然的。工程师们认为，一旦结构的功能确定，正确的公式将随之而来。此外，该公式将提高科学性和美观性。尽管如此，他们相信存在一个很大的微分方程，如果我们只能描述不同参数之间的关系和梯度，应用正确的边界条件，并设置适当的积分极限，方程的解将提供最佳的布里奇配置。不幸的是，或者幸运的是，没有这样的方程将定义最佳路径。如果我们没有资格学习，那么概念设计是如何形成的？（在这种情况下，设计这个词的意思是最早和最广泛的意义；它是在进行任何计算之前所具有的配置。）没有方程式和计算，桥梁是如何设计的？在本章中，我们首先检查结构设计过程的性质，然后讨论桥梁设计中的美学，最后，通过对候选桥梁类型的描述来解决这个问题
2.2结构设计过程的性质
对于每个工程师来说，结构设计过程本身可能是不同的，因为它非常依赖于个人经验。但是，在讨论过程中，某些特性是通用的，并且是有根据的。
例如，我们知道：（1）当一个设计在我们的脑海中完成时，我们必须能够向其他人描述它；（2）我们有不同的背景，并将不同的知识带入设计过程；以及（3）设计不是完全开放的，存在确定可接受解决方案的约束。这些特性是结构设计本质的一部分，并影响过程的发生。
Addis（1990）提出了一个包含这些特征的设计过程模型，它包括以下组成部分：输出、输入、调节和设计过程。
2.2.1说明和理由
输出组件包括描述和调整。设计说明将是由工程师编制或在工程师指导下编制的图纸和规范。这些图纸和规范概述了什么是基础和如何建造。设计的合理性要求工程师验证设计的结构完整性和稳定性。
在描述将要建造的东西时，工程师必须传达结构的几何结构和材料。有一段时间，工程师不仅是设计师，而且还是起草者和规范编写者。我们会坐在办公桌旁，做计算，然后转身，也许爬到凳子上，把计算结果转移到一张亚麻床单上，床单的表面是准备好的，从我们的笔上取下来的。这是一个让所有年轻的工程师都能在“板”上找到自己的时间的惯例。但是这个过程被分开了。起草者和编写者都是专家，而且结构长度不足以进行信息交流，可能错误地认为设计主要是进行计算
个人电脑能力的提高也改变了这一趋势。随着计算机辅助绘图（CAD）、结构分析软件和文字处理软件都集成在一个系统中，结构工程师再次成为绘图员、分析员和规范编写者，即更完整的结构设计师。事实上，由于大多数成功的结构分析程序都有类似于CAD的预处理器和后处理器，因此结构分析程序必须迭代
大多数结构工程师擅长的地方是建议设计的合理性。考虑到结构的配置、材料特性和所需的荷载，结构工程师应负责验证设计是否满足所有应用代码和规范。需要注意的一点是：结构工程师不得陷入相信验证过程是绝对正确的陷阱。为了提供这个讨论的框架，需要一些关于演绎推理和归纳推理的词汇。
演绎推理从广义的一般原则到具体的原则。一旦确立了一般原则，工程人员就根据数学和应用物理的规则，遵循一系列逻辑步骤，得出一个可以令人信服地加以辩护的答案。一个例子是虚功原理，它可以用于许多应用，如梁变形和单元刚度矩阵。只要遵循规则，输入数字，答案就必须正确。这是错的。
归纳推理从具体案例到一般原则。一个例子是，通过实验观察，将多个导线上的荷载加倍，得出应力和应变之间存在线性关系的结论。这一结论对某些材料可能是正确的，而且不受任何限制，但对其他材料则是不正确的。如果实验观察能用公式来表示，这通常是方便的；然而，这也是错误的。
必须认识到，演绎公正是基于归纳确定的数量和概念。例如，考虑用于证明钢筋混凝土框架的充分性的结构分析和设计程序。早期，显示器上会显示屏幕，要求分析员提供接头坐标、构件连接和边界条件。根据这些信息，计算机程序生成具有节点深度、没有厚度的接头以及被建模为滚柱、铰链或完全约束的支架的数学模型。通常，数学模型归纳地假设平面截面保持平面，分布的力值集中在节点处，以及理想的支承边界条件。下一步，用户将被要求使用由实验观察归纳确定的用于描述材料的参数
最后，由程序中的计算方法确定的力值必须与整个世界的感受值进行交互。该验收基于感应确定的安全系数、负载和阻力系数或可用性标准。简言之，对一个设计方案的演绎性合理化似乎是绝对正确的，事实上，它是建立在归纳概念的基础上的，可能会有错误，因此是错误的
工程师们经常根据设计的合理性来选择设计。如果工程师对特定桥梁类型的分析感到满意，则该桥梁配置将被反复使用。例如，在计算机广泛应用之前，20世纪50年代，悬索桥和悬索桥的静定桥梁结构因其易于分析而广受欢迎。早期的铁路桁梁桥也是如此，其分析是通过图形静力学来简化的。选择易于调整的设计的一个优点是，负责检查设计的人不难看到力从一个组件到另一个组件的流动。现在，有了复杂的计算机软件，工程师必须了解力是如何分布在更复杂的系统中，才能获得完整的设计。静定结构简单分析的优点是由于缺乏冗余度或多条荷载路径而容易被抵消。因此，最好选择具有多个冗余的连续梁，即使调整过程需要更多的努力来确保正确完成。
演绎推理和归纳推理之间不仅存在相互关系，而且描述和公正之间也存在相互关系。桥梁结构的配置将决定其性能。桁架、连续梁、拱和悬挂系统中的三角形具有明显不同的空间特征，因此其行为也不同。描述和公正是联系在一起的，桥梁工程师必须在这两个领域都精通，并理解它们之间的相互
2.2.2公共和个人知识
图2.1所示设计过程的输入端包括工程知识和经验。工程师把公众和个人的知识都带到设计过程中。公共知识积累在书籍、数据库、软件和图书馆中，可以代代相传。公共知识包括材料特性手册、成功设计说明、标准规范、理论力学、施工技术、计算机程序、成本数据和其他信息，这些信息太多，无法在此描述。
个人知识是个人通过经验获得的，很难传给别人。有经验的人似乎对结构动作和行为有了直观的理解。他们了解力是如何分布的，以及如何将这些力集合在一起，以简单有效的方式携带这些力。如果你问他们是如何做到的，他们可能无法解释为什么他们知道某个特定的配置会起作用，而另一个配置不会。判断和经验之间的联系是这样解释的：好的判断来自经验，而经验来自坏的判断。有时经验是一个难教的老师，但它总是增加我们的知识基础。
2.2.3规定
我们的桥梁设计不是开放式的。有许多约束条件可以定义可接受设计的边界。这些限制包括客户的愿望、建筑师的设计、相关规范、公认惯例、工程师的教育、可用材料、承包商的能力、经济因素、环境问题、法律因素以及最后并非不重要的政治因素。例如，如果一座桥要穿越沿海湿地，那么对其建造方式的限制往往会决定桥型的选择。如果某一地区的承包商对工程师提出的施工方法缺乏经验，则这可能不是该地区的适当设计。乡村州际立交桥的线形几何约束与人口密集的城市立交桥的线形几何约束大不相同。不知怎的，一个桥梁设计师必须能够满足所有这些限制，并仍然有一个令人愉快的外观，个人和公众满意的桥梁
2.2.4设计过程
设计过程是在图2.1的矩形框中发生的。一个工程师现在知道，未来必须有什么样的规则来管理设计，但是因为每个人都积累了不同的知识和经验，所以很难描述一个在任何情况下都能工作的设计过程。正如Addis（1990）所说，“一个结构工程师如何以及为什么选择或构思一个特定的结构来达到特定的目的，这是一个非常模糊和个性化的过程，我怀疑是否有可能对其进行研究。”
可能无法明确概述设计过程的程序，但可以确定其一般阶段。首先是数据收集阶段，然后是概念、修辞和示意阶段。在数据收集阶段，我们可以收集尽可能多的关于桥址、地形、功能要求、土壤条件、材料可用性、水文和温度范围的信息。最重要的是，设计师必须参观桥址，看到设置和环境，并与当地人交谈，因为他们中的许多人可能已经考虑了很长一段时间的桥梁项目。
概念或创意阶段会因人而异，因为我们都有不同的背景、经验和知识。但有一件事是不变的。一切都是从脑海中的画面开始的。在头脑中，人们可以吸收桥址上的所有信息，然后在头脑中建造桥，尝试不同的形式，改变它们，组合它们，从不同的角度看它们，开车过桥，在桥下行走，所有的一切都在头脑中。有时，这种配置是灵感的源泉，而另一些时候，随着基本设计在设计师心中的调整和修改，它发展缓慢。
工程师们常常把解决问题和解方程联系起来。所以我们倾向于在最方便的时候拿出计算板或上电脑。这并不是创作过程的运作方式，事实上，过早地将想法写在纸上可能会限制创作过程，因为第三空间维度和自发性的感觉已经丧失
创造性的突破不是靠解方程来实现的。想想爱因斯坦在给他的朋友雅克·哈达马尔德的信中说的话：
“这些文字或语言，无论是书面的还是口头的，似乎在我的思维机制中没有任何作用。作为思想要素的精神实体是某些符号和或多或少清晰的图像，可以“自愿”复制和组合。这种组合计划似乎是生产性思维的基本特征，而不是与语言中的逻辑结构或其他可以与他人交流的符号有任何联系。（弗里德霍夫和安本，1989年）”
所以，如果你认为这位伟大的物理学家用大量的论文和狂热地操纵四阶张量发展了他的理论，那是错误的。你可能会说爱因斯坦是个天才，非常抽象，他所做的并不一定适用于普通人设计桥梁。
然后考虑一下Leonhardt（1982）在数据收集阶段之后所说的话：
“然后，桥必须在设计师的想象中初步成形。设计师现在应该找一个安静的地方，仔细考虑这个概念，闭上眼睛专注于它。每一个要求都满足了吗？它会建造得很好吗？这个或那个看起来不是更好吗？”
这些都是一位成功的桥梁设计师的话，可以说是他家族中的一员，在50多年的桥梁设计中所学到的。在他杰出的职业生涯中，当他意识到这一点时，我不知道，但我们应该听他的。桥梁的设计始于头脑
修辞和图解阶段不一定按顺序进行。它们只是设计过程中出现的阶段，可能以任何顺序出现，然后再次出现。一旦一个设计在脑海中被模拟出来，人们可能会想做一些草图，作为与同事讨论的基础。通过谈论设计并向其他人解释，设计的特点变得更加突出。如果有缺点，就有可能被发现，并提出改进方案。除了愿意谈论一个设计，我们还必须愿意让它受到批评。
在Leonhardt（1982）概述的设计程序中，他鼓励设计师通过在办公室周围的墙上张贴拟议设计的草图来寻求批评，以便其他人可以对其进行评论。令人惊讶的是，当他们看草图时，另一对受过训练的眼睛能看到什么。好吧，也许这并不奇怪，因为每一双眼睛背后都有一套完全不同的经验和知识，这让我想起德米兰达（1991）所说的设计过程中必须具备的三种心态：
“一个应该是创造性的和审美的，第二个是分析性的，第三个是技术性的和实践性的，能够对建筑技术和所涉及的主体的可能性作出现实的评价。如果这些伦理精神不是在一个头脑中共存的，它们必须总是在群体或团队中绝对平等的条件下存在负责设计。”
简言之，画草图，谈论草图，修改草图，让其他人评论草图，捍卫设计，愿意做出调整，并保持互动，直到获得最佳的设计结果。这可能是一个刺激、挑战和智力奖励的过程。
设计过程的功能是生成一个桥梁配置，可以对其他人进行调整和描述。现在是时候应用方程式来调整设计，并准备其平面图和规格说明。计算机可以帮助分析和绘制图纸，但仍有大量的任务让工程师们忙个不停。计算机软件包将进行数千次计算，但必须进行检查。计算机驱动的硬件可以绘制全尺寸的平面图，但必须协调数百个细节。型号规格可以存储在文字处理器文件中，但每个项目都是不同的，并且有唯一的描述。桥梁结构的选择需要付出大量的劳动，因此必须正确地进行。正如Leonhardt（1982）所说：
“概念设计和美学设计阶段所需的时间相对较少，但对作品的表现质量起着决定性的作用。”
在第2.3节中，我们将更仔细地研究美学设计阶段。
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