基于压迫感分析的城市高架桥美学设计研究

陈昊凡 ，宁华晶

（1.安徽建筑大学 土木工程学院 安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学 建筑健康检测与灾害预防技术国家地方联合工程实验室，安徽 合肥 230601 3.合肥学院 建工系 安徽 合肥 230000）

0 引言

随着社会经济的高速发展与城市规模的迅速扩大，城市交通需求快速增长，近年来越来越多的城市相继建设城市高架桥来缓解交通压力。城市高架桥是城市快速路的一种形式，是架空的城市道路，其体量较大、占地较多，因此对城市的景观产生了一定的影响，其中城市高架桥对于两侧地块产生的压迫感较强这一问题比较突出。

桥梁的压迫感即人的心理感受，其研究属于建筑美学范畴。在建筑学上，目前对建筑所产生压迫感问题的研究理论模型有形态率理论模型、立体角理论模型等，未形成统一的理论体系，但多数研究倾向于立体角理论模型[1-7]。该理论模型多应用于房屋建筑，且计算较为复杂，工程适用性不强，因此有其局限性；而国内对于城市高架桥美学方面的研究多数从宏观角度出发，虽有提及压迫感这一因素，但多数研究过于概括，未对压迫感因素做系统的研究[8-14]；在工程方面，由于缺乏有效的理论作为支撑，在对城市高架的规划和设计时偏重于其交通功能而忽视其人文美学方面的考虑，致使桥梁影响了城市景观。

根据目前的问题和研究状况，对城市高架桥的压迫感的研究就具有了现实意义。本文就城市高架桥对地面道路及周边地块产生的压迫感做初步研究，从人的视角探寻其结构尺寸与影响点的压迫感的关系，以期对城市高架桥的规划和设计有借鉴作用。

1 压迫感主要影响因素分析

压迫感是建筑通过人的视觉对其心理产生的消极感受，因此研究应从人的角度展开。人眼的视野在受到限制时会产生不同程度的消极心理感受，如压迫感、紧张感等，限制程度的大小决定了其消极心理感受的强弱[15-18]。视野又可分为水平视野和垂直视野[19]，因此建筑对人眼的视野限制分为水平方向和竖直方向。根据人眼的视野透视特性[17-18]即“远小近大”，建筑在视野中的视角即观察物体时从物体两端如上、下或左、右引出的光线在人眼光心处所成的夹角[19]决定了其在人视野中的大小，从而影响了视野的限制程度，即视角越大，视野受限程度越高，所产生的消极心理感受（如压迫感）越强，反之则越弱。因此，观察的视角决定了视野的受限程度，是影响压迫感强弱的主要因素。

2 研究理论模型优化

2.1 现有理论模型适用性分析

根据视角是影响压迫感的最主要因素这一推断，多数对建筑所产生压迫感问题的研究倾向于立体角理论模型，立体角表示所观察的建筑表面所有微小面积dA与其距观察点距离r平方的比值积分，Ω则作为压迫感的评价指标反映了建筑在水平视野和垂直视野中的综合视角[2-8]。

笔者认为该理论多应用于房屋建筑压迫感的研究，若运用于桥梁类似的大体量走廊式建筑则计算过于繁琐，工程实用性不强。一般房屋建筑随着与视点距离的不同，其水平视角和垂直视角均有变化，但城市高架桥一般平行于两侧地块，在其两侧观察时，桥梁始终贯穿水平视野，则其对视野的限制在水平方向恒定即水平视角恒定，仅在垂直方向对视野的限制随着视点与桥梁的距离改变而改变，即垂直视角为变量，则仅需要考虑最不利点即视点与桥梁边缘垂点处的垂直视角即可，因此针对本文所研究的问题，其研究方法可对立体角理论进行优化，将空间角转化为平面角简化计算。

2.2 优化模型及参数的确定

根据以上内容分析，选择视点与桥梁边缘垂点处的垂直视角作为切入点构建模型，由于桥墩对人眼视野限制程度与支座以上结构相比可忽略，则主要对支座以上结构的视角进行分析，如图1所示，支座以上结构高度、桥梁宽度、桥梁与视点的相对高度及距离四个因素共同决定了垂直视角的大小，因此该四个因素为研究的重要参数。

定义桥梁宽度W、支座以上结构高度h、桥梁边缘与视点距离D、桥梁与视点的相对高度H，视角a，根据几何关系可得视角与四参数的关系式(1)：

对此分析，当H、h及W确定时，D与a为负相关。

图1 桥梁压迫感研究模型图

2.3 研究思路

已确定视角a与桥梁4参数的关系，但视角a与压迫感的关系并未明确，需通过调查研究确定。因压迫感为人的心理感受，对其进行量化较为困难，则以压迫感接受率（即某一视角对应的压迫感可接受的人数/接受调查的总人数）作为衡量压迫感大小的指标。研究以调查统计的形式，确定不同视角对应的压迫感接受率，再通过数据处理，确定两者的关系。

3.研究调查及结果分析

根据上述研究思路，为确定合理视角a进行现场调查。调查前明确几点：

(1)选择周边较为空旷的桥梁进行调查，避免因其他环境因素的干扰影响结果；

(2)调查采用激光测距仪，其误差对于视角a的影响很小，故可忽略；

(3)忽略墩柱对视野的限制，前文已分析，墩柱对视野的限制程度相对于梁可忽略不计；

(4)忽略因纵坡及观察者身高不同而导致桥梁与视点相对高度H的差异，因为该两个因素的影响与H不在同一个数量级，其对视角a的影响很小，故可忽略。

(5)由于压迫感影响的对象为随机人群，则调查对象的选取为随机选取，现场每个调查点处随机调查一定数量的行人，忽略年龄、职业、性别、身高等个体差异的影响。

(6)在每个调查点处，询问被调查者是否能接受该点处桥梁所产生的压迫感，统计可接受的人数。

3.1 调查统计

选择调查地A为合肥市方兴大道与莲花路交口高架处，桥下净空约5.5 m，支座以上结构高度约3.3 m，观察者视点距地面高度取1.7 m，则桥梁与视点相对高度H约为7.1 m，分离式双向六车道，其宽度W约27.5 m，则以5 m为单位间隔，选取在距离桥梁北侧边缘5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m处及南侧边缘2 m、7 m、12 m、17 m、22 m、27 m、32 m、37 m处作为调查点，分别随机选取100人的样本对桥梁压迫感是否可接受进行调查统计，结果如表1、表2所示。

表1 北侧调查结果汇总表

表2 南侧调查结果汇总表

选择调查地B为合肥市包河大道与锦绣大道交口高架处，桥下净空越为10.5 m，支座以上结构高度约3.3 m，视点距地面高度取1.7 m，则桥梁与视点相对高度H约为12.1 m，桥面为双向6车道，桥梁宽度为25 m，则以5 m为单位间隔，选取在距离桥梁东侧边缘8 m、13 m、18 m、23 m、28 m、33 m、38 m、43 m处及西侧边缘10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m处作为调查点，分别随机选取100人的样本对桥梁压迫感是否可接受进行调查统计，结果如表3、表4所示。

表3 东侧调查结果汇总表

表4 西侧调查结果汇总表

3.2 研究结果分析

用origin Pro9.0对调查数据以最小二乘法进行拟合，如图2所示，视角a-压迫感接受率y基本符合函数关系式(2)，

拟合效果R2=0.984。

图2 视角-压迫感接受率关系曲线图

根据该函数分析，当视角约在45°～13°范围内，随着视角的变化，其压迫感变化较为明显，而当视角大于45°时，压迫感接受率趋近于0，视角小于13°时，压迫感接受率接近于1。

根据确定的视角a-压迫感接受率y的关系式(2)，结合桥梁四参数与视角a的关系式(1)，则桥梁对周边产生的压迫感可以用如下关系式(3)表示：

根据式(3)及以上分析，因桥面宽度、桥梁高度、梁高及防撞墙高度均以满足结构或交通功能为主，调整的空间有限，则控制桥梁所产生的压迫感主要通过调整地面道路的红线宽度来实现，使之在道路两侧地块所产生的压迫感在合理的范围以内，即通过调整距桥梁边缘的距离D而控制压迫感接受率y。当W、h、H为确定参数时，D与y为正相关，如调查点A：W=27.5，H=7.1，h=3.3，则D与y的关系曲线如图3所示。

图3 D-y关系曲线示意图

根据图3分析，当D超过一定范围后随着D的增加y的增幅逐渐减小，即超过一定的范围，通过增加地面道路红线宽度或两侧地块退红距离而减小压迫感的效果逐渐减弱。按照接受人数比例不小于60%的原则，将压迫感接受率进行划分如表5所示。

表5 压迫感等级划分表

4 实例应用

确定桥梁的结构尺寸可计算桥梁范围外任一点的压迫感接受率，因此该经验公式可用于现有桥梁对地面道路及周边地块的压迫感分析；亦可通过控制观察点距桥梁边缘的距离或调整桥梁的高度而使某处压迫感大小达到既定的范围，则在规划和设计阶段，可以确定合理的桥梁下方地面道路红线宽度及两侧地块与桥梁的净距等。

咸阳市城西快速路（高架桥）设计项目，选取K0+650～K1+300段为例，其梁高为一般段约2.1 m、跨线段约2.6 m，防撞墙高度为1.1 m，则支座以上结构总高度约为3.2 m～3.7 m，其桥梁断面宽度25 m，桥梁设计高程与地面道路设计高程高差为9.855 m～9.891 m，视点距地面高度以1.7 m计，则桥梁与视点相对高度为9.255m～9.291 m，地面道路红线宽度60 m。

若分析高架桥对地面道路红线边缘处的压迫感接受率，如表6在Excel中输入特征点处对应的H、W、h及D根据计算即可得出y。

图4 桥梁压迫感接受率影响线图

表6 压迫感计算表

通过计算，该段压迫感接受率小于0.6，即不到60%的人认为其压迫感大小可以接受，因此若调整地面道路红线宽度或两侧地块的退红净距时，可在excel中做如下计算，如表7的计算结果，根据结果在c a d中绘制压迫感接受率范围线，如图4绘制出压迫感接受率的范围线，可结合用地要求，通过合理选择红线宽度或退红净距。

表7 影响点距离计算表

5.结论

城市高架桥对于地面道路或两侧地块的压迫感影响可用以上经验公式计算，该公式构建了桥梁结构尺寸与影响点处人所受压迫感的关系，其压迫感大小以压迫感接受率表征，该公式可应用于城市高架桥的设计和规划，使之在满足交通功能和用地要求的基础上兼顾人文美学考虑。