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邓文中:闲话桥梁美

2021-12-6 17:30 | 发布者: bristu | 查看: 9693 | 评论: 0

摘要 点击上方蓝字“桥梁杂志”关注我们人类的文明人类和野兽的分别是:人类在进化过程中创造了文明,野兽没有;野兽今天的生活和一万年前并没有分别,人类今天的生活与一万年前的生活是完全不同了。什么是文明?许多人一 ...


人类的文明


人类和野兽的分别是:人类在进化过程中创造了文明,野兽没有;野兽今天的生活和一万年前并没有分别,人类今天的生活与一万年前的生活是完全不同了。


什么是文明?许多人一定会想到火车、汽车和飞机这些野兽没有的东西;许多人也会想到音乐、摄影、文学等艺术作品。这些是我们在一个文明的社会中可以拥有的东西,但不是文明本身。


韦氏大词典 (Webster Dictionary)对“文明”的定义是:


“科学与技术为人类提供的现代的舒适与便利”。(Modern comforts and conveniences provided by science and technology)。


我觉得这是一个很好的解释。但还必须加上艺术,成为“科学,艺术与技术为人类提供的现代的舒适与便利”,才算完满。


让人能够容易得到想要的东西和容易做到要做的事情,就是便利。例如出行,从上海到南京:在机动交通工具出现之前,只能走路,大概需要60小时,有了自行车要24小时,有了汽车要4小时,有了高铁只要不到2小时。随着科技的进步,出行变得越来越容易。这就是文明提供的便利!


又例如通讯,从烽火台、驿站,到邮政、电报、电话、互联网,到手机,一个比一个便利!


便利当然也增加了人的舒适。但要达到真正的舒适,我们还必须有美好的环境,那就是生活中的“美”!没有美的人生是枯燥无味的,这就是为什么除了科学和技术之外还必须有艺术的原因。美有许多形式:声音的美,颜色的美,味道的美,形态的美,运动的美,感触的美,等等。但是,什么是美?


美的定义


在我们生活中,有许多十分常用的、简单的词,要解释起来却是十分困难的。“美”就是其中一个。“美”是一个被讨论了两千多年,但始终还没有定论的词。


在古希腊时代就开始在哲学上对“美”的讨论。柏拉图(Plato,公元前427-公元前347,苏格拉底的学生)。在《大希庇阿斯篇》(Hippias Major,或称 Great Hippias)中记载了苏格拉底和希庇阿斯对美的讨论。苏格拉底提出了“美是什么”的问题。希庇阿斯第一个答案是 “美人是美!”这当然是一个文不对题的答案。希庇阿斯第二个答案是 “黄金是美!”这又是一个文不对题的答案。他们最终未能给“美”下一个清晰的定义。而只以一个希腊的谚语做结论:“美的东西都是困难的!(“Beautiful things are difficult!”) 这里说的困难,其实就是说不清!


图1 柏拉图的大希庇阿斯篇


之后,许多哲学家,例如,黑格尔、康德、笛卡儿等等都尝试过给美一个大家都能接受的定义,但仍然没有成功!


中国学者易万成认为: 美是“人对自己的需求被满足时所产生的愉悦反应的反应,即对美感的反应。”我觉得,这是过于主观的定义。难道我们没有“需求”的时候,美就不存在吗?我们也许可以选择一个比较客观的定义,例如:“美是能够刺激人的感观使其感到愉悦的特质。”就是说,当人们并没有需求的时候,美仍然会剌激人的感观,让人得出美与不美的感觉。但这只是我的意见,大概不算数!


我觉得,“美”的定义被讨论了两千多年,始终没有结论的一个主要原因,是与美有关的事物太广泛了,很难找到这么强大、有包容力的定义。“美”的范畴,如上面提到的,有音乐的美,有味觉的美,有形态的美,有心灵的美,有感觉的美,等等,基本上包括了世界上所有的感知。


而且美是相对的,不是绝对的。很多因素可能影响一个人或一组人对美的感受。同一件物品,不同人会有不同的评价,一些人觉得它很美,另外一些人可能觉得它不美。那是因为不同的人在不同环境成长的过程中,会形成不同的爱恶,影响个人对事物的评价。例如:曾有人评论中国古代画中的美女,说她们都是 “樱桃小嘴鹅蛋脸,人人丹凤眼,个个猪胆鼻”。这个当然和一个社会的文化有关。从前的习俗认为樱桃小嘴、鹅蛋脸、丹凤眼和猪胆鼻是富贵相。所以画家们认为美人理所当然应该都有这些特征!一个不曾在中国生活过的人很难领会其中道理。


在柏拉图之前,希腊哲学家普罗塔戈拉斯Protagoras (公元前490-公元前420)说:“人是衡量一切事物的尺度,Man is the measure of all things.” 在美的定义上可以解释为 “美纯粹是一个人主观的感受”。和我们常常说的“Beauty is in the eye of the beholder. 美是个人的直觉”相似。有人把它翻译为“情人眼里出西施”。

图2 有破洞的牛仔裤

图3 有破洞的建筑


近年流行“破洞牛仔裤”(图2),这些破洞是要额外付钱的。但是大家好像觉得牛仔裤有几个洞更好看,愿意花钱打洞。最近,有些建筑师似乎也受影响,开始在建筑上加上破洞了(图3)。这在30年前是不可思议的。这说明美的评判与社会风气也有关系!


形态美


我们工程师不去凑热闹,我们只谈工程建筑的美。这样,研究的范畴就大大缩小了。可以说,我们只考虑“形态的美”!研究形态美的对象是结构的形状。


“形态美”的研究什么时候开始,说不清楚了,但至少可以追溯到公元前约600年的毕达哥拉斯 (Pythagoras)。他提出了“美是数的和谐”的理论观点。大家都知道,他是一位数学家,也是日后许多美学家研究的“黄金分割 Golden Section”的提出者。


图4 黄金矩形


“黄金分割”有不同的推论,最普遍的是“黄金矩形Golden Rectangle”,这些人认为世界上最美丽的矩形、两个边长的比例应该是Ф,而Ф=(√5-1):2=0.61803……有些建筑师就把一个房间的两个边依照黄金矩形的比例设计。也有人把黄金分割应用在一些艺术品上,例如有人认为达文西的名画Mona Lisa的造型,就应用了黄金比例的原则(图5);还有希腊女神维纳斯(Venus)的雕像(图6),也与黄金分割吻合。不过,我觉得,这些大概率只是巧合。

图5 Mona Lisa

图6 Venus


因为桥梁的造型受很多条件影响,黄金分割的理念在桥梁上应用没有效果。我们曾经应业主建筑师的要求,尝试在一座有许多跨的长桥上,用黄金比例来确定跨度的大小,就是根据主梁离地的高度(H)调整桥的跨度(S),使每个桥跨 S=H/0.618,或者H=S/0.618, 但效果并不理想,而且会增加造价。


康德的话


我们桥梁工程师不去管这些哲学问题。我们只从直觉上考虑桥梁的“形态美”!大家觉得好看就是美。但是,康德先生还是不肯放过我们。康德先生(Immanuel Kant,1724-1804)是德国人,他写了很多关于“美学”(Aesthetics)理论的文章。对我们桥梁工程师影响最大的是他说的:


“实用的东西不可说是美丽,只能说是否正确或者合规。(The necessary cannot be judged beautiful, but only right or consistent.)” 


桥梁当然是实用的东西,我们不能说桥梁美丽吗?等于说,世界上没有桥梁美观这个事情?


还好,搞哲学有一个好处,就是任何事都可以有正反两面。那就是说,也有反对康德这个说法的哲学家。意大利建筑理论家卡洛·洛多利( Carlo Lodoli,1690-1761) 就认为:“只有被需要的东西才是美丽的!(Only the necessary is beautiful!)” 


被需要的当然是实用的!所以,他说的和康德说的刚刚相反!论哲学,当然是康德的名气大;论建筑,却是洛多利的经验多!作为桥梁工程师,我们同意洛多利的话!我们认为,桥梁可以是美丽的!而且,美观是桥梁设计的一个要求!


美观的代价


我们今天就谈谈桥梁美观的事情!很多时候,当我们谈到桥梁美观时,第一个反应大都是:“要多花多少钱?”


其实,真正的桥梁美观不一定要花钱。瑞士的沙吉纳托贝桥 (Salginatobel Bridge)就是一个好例子。这是一座十分成功的拱桥,是桥梁界公认世界十座最美的桥梁之一!工程师罗伯特.马亚特(Robert Maillart)是以最低价中标的 (注:从前工程师和建造商大都是同一个人)。他没有为美多花过一分钱!


图7 沙吉纳托贝桥


意大利著名结构工程师佩里·路易吉·内尔维 (Peri Luigi Nervi, 1891-1979)表示,他的工程中,90% 都是以最低价格和最短工期中标的。他说:


“美不是来自装饰效果,而是来自结构连贯性。正式的美感和技术的完美是分不开的。(Beauty does not come from decorative effects but from structural coherence. Formal beauty and technical perfection are inseparable.)”


这里,技术的完美要看设计师的修养和造诣。我从前一篇文章中说过,造桥艺术有“能、会、美、雅” 四层境界。“美”是第三层境界。要达到美的境界,一个工程师必须在“能”和“会”这两个技术境界中有足够修养和心得,才能够生产出技术完美的设计!

所以,如果技术完美,美观才能得心应手,构筑美的结构,不用花钱!如果技术不能完美,就只能花钱装饰了!但装饰是虚浮的,没有价值。


桥梁美


可以说:“能让个人感受到舒适的一种状态就是美”。但如何让人看了会感到舒适?很多人都对桥梁美观给过建议,其中最完整的大概是德国莱昂哈特(Fritz Leonhardt)教授的建议。下列是他给大家提供的十个桥梁美观的重点:


1.Fulfilment of purpose/function 实用

2.Proportion 比例

3.Order 层次

4.Refinement of form 形式的深化

5.Integration into the environment 融入环境

6.Surface texture 表面条纹

7.Color 颜色

8.Character 性格

9.Avoid Complexity 避免复杂性

10.Incorporating nature 渗入自然因素


我认为,这十点要求可以简单地用“自然”“简洁”和“协调”三个词概括。之外,桥梁美是造型美,是艺术,应该要求“原创”。所以,总结起来就是 “自然、简洁、协调和原创”。一座桥能满足这四个要求,应该会是很美的桥梁了。


图8 桌子


自然——人生长在大自然中,受到大自然的熏陶,习惯了大自然的结构形象。所以,对自然的事物比较认同。我们看到能认同的东西,容易引起共鸣。例如金字塔形的结构,上窄下宽,我们看了觉得很稳定、很放心。如果反过来,上宽下窄,我们会不喜欢,觉得它不稳定、不放心。


图8a是我在一个餐厅看到的桌子,觉得不自然,主要是它四条腿弯曲的位置不对;我们知道这样的折点会产生一个水平力,和图8c类似。所以,如果把这些折点向上移到平板的地方,图8b,看起来就稳定很多。这是很自然、很直觉的事情,不需要学习力学才会明白。因为在日常生活中常常遇到相似的经验。这就是自然!


简洁——简洁就是没有负担!人大都不喜欢累赘的事物,那就是不喜欢没有用处的东西。大自然的定律都很简洁:例如:F=ma; E=mC2。这些方程式虽然简单,但对人类的文明有着极重大的影响。

艺术史上的奇才里昂纳多·达·芬奇(Leonardo Da Vinci)说:“简单是极端的精练(Simplicity is the ultimate sophistication)”。这和老子提倡的“大道至简”是同一个道理。


爱因斯坦甚至认为,物理上的方程式如果太复杂无序,大概率是错的。


一个自然和简洁的结构容易引起人的共鸣。共鸣是喜爱的先决条件!而且,结构理论中有“最小能量定理,(Theorem of least energy)”,说明最自然简洁的结构应该是最经济的结构!


原创——大家都知道,艺术品的价值在于原创。真迹才有价值!原创的定义是自己的作品 ,不是抄人家的东西。但是,八大山人画了山水,不等于张大千就不应该再画山水了。“原创” 的意思是你要根据你的桥的要求和环境,设计最适当的方案。重要的是思维的过程和合理性!


图9 今日酷装


造桥,和所有艺术一样,都是以经验为基础。这些经验都是千百年间慢慢累积起来的。不管你是有意或无意,你都在使用很多人家用过的技术!在这方面,乔布斯 (Steve Jobs) 曾引毕加索(Pablo Picasso)的话说:


“好的艺术家抄;大艺术家偷!(Good artists copy, great artists steal)”  


首先,这句话很有趣!因为我上学时国文课老师也说:“熟读唐诗三百首,不会作时亦会偷!”看来,偷好像也是一个办法,但是必须偷得高明,不是顺手牵羊那种。那么,根据老师的教导,在看了图9的酷装之后,念出一句“追星学酷何时了,破洞知多少”是不是也算偷?(原话出自李煜的《虞美人》,“春花秋月何时了,往事知多少?”)


抄和偷有什么分别?抄是大家都看得出来的;偷是大家看不出来的!将人家的好理念,借鉴过来,改良,加入新元素,可以变成一个更先进的创新。这可以说是偷!所以,这里说的偷和抄的确是不同的!


我看也应该在这里交代一下,毕加索究竟有没有说过上面这句话。因为乔布斯很有名,既然他说是毕加索说的,许多人就都相信这是毕加索说的话。


其实不是!


毕加索说的是:“比较低级的艺术家借,大艺术家偷!(Lesser artists borrow; great artists steal.)”这句话听起来斯文很多,比较适合毕加索的身份。

据说,毕加索这句话其实也是偷来的。原主应该是T.S. Eliot。他说:“不成熟的诗人模仿,成熟的诗人偷!(Immature poets imitate; mature poets steal! )”


这些都是大艺术家,如果他们都偷,“偷”大概也是正常的事?


图10(a)纽约地岳门大桥

(b)纽约巴约纳大桥

(c)悉尼湾大桥


我们看看世界上三座有名的拱桥(图10):图10a是纽约的地岳门大桥(Hellgate Bridge), 于1916年通车,跨度298米,Gustav Lindenthal 设计;图10c是悉尼的海湾大桥,(Sydney Harbor Bridge),1932年通车,跨度503米,是设计师Ralph Freeman去看了地岳门大桥之后改成这个样子的,跟他原来的设计完全不同;图10b是纽约巴约纳大桥(Bayonne Bridge),是Lindenthal设计地岳门大桥时的助手Othmar Ammann设计,1931年通车,主跨503.6米。看来偷的成分也蛮重。实在偷了,但加进了自己的理念,也还可以吧!(注:巴约纳大桥通车时是世界最大跨度的拱桥,直到1977年被518米跨径的新河峡大桥取代。)


协调——协调是桥形与周边环境的配合。旧金山的金门大桥,在蓝天白云下蔚蓝的海湾中十分漂亮;悉尼海湾大桥在悉尼港湾也很漂亮。但是如果我们把这两座大桥的地点互换,就不好看了。所以,不同的环境应该考虑与该环境相配的桥型。


在设计重庆两江大桥——东水门长江大桥和千厮门嘉陵江大桥的时候,最重要的事情就是如何达到和周边环境协调。这两座桥一左一右位于重庆最重要的地标,嘉陵江和长江交汇的朝天门。桥梁美观是投标时的首要要求。我觉得这两座桥虽然必须本身漂亮,但不能喧宾夺主,把重庆市的景观破坏了。所以这两座桥必须尽量窈窕和通透,人们除了看到大桥,同时也必须能看到大桥后面重庆市漂亮的风景。所以我利用主梁桁架的刚度,采用了一对简洁的单索面的矮塔斜拉梁桥的桥型,只有很少数目的拉索,达到窈窕和通透的目的。而且这两座桥也必须是同类型的桥梁。在两江大桥的实例中,我们必须考虑每一座桥本身的美观,要考虑两座桥的联合体的美观,同时也要考虑两座大桥和城组合一起的美观。 


图11 重庆东水门大桥(左)与千厮门大桥 (右)


意大利文艺复兴时期的名建筑师莱昂·巴蒂斯塔·阿尔贝蒂(1404-1472)将《美》定义为:“整体中所有部分理性的和谐,使任何东西的添加、删除或者改变都会使它变得糟糕”。(Leon Battista Alberti,Italian Renaissance architect, 1404-1472,who defined beauty as “that reasoned harmony of all the parts within a body, so that nothing may be added, taken away, or altered, but for the worse”.)


就是说:“加一点,减一点,改一点,都不行!”如果一座桥梁设计能够达到这样的境界,就是完美!

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2021年 第5期 总第103期

作者 / 邓文中

作者系美国工程院院士、中国工程院外籍院士

林同棪国际工程咨询(中国)有限公司董事局主席

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