羅伯特?馬亞爾(Robert Maillart，1872-1940)，瑞士工程師，現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先驅(qū)之一。馬亞爾畢業(yè)于瑞士蘇黎世高等工科學(xué)校ETH，在混凝土剛剛興起的年代，他設(shè)計(jì)出許多堪稱完美的混凝土三鉸拱橋，以及無梁樓蓋、薄殼結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，賦予了混凝土結(jié)構(gòu)靈性和活力。

羅伯特·馬亞爾 (Robert Maillart, 1872-1940)

著名的 Salginatobel 三鉸拱橋被國際橋協(xié)評(píng)為20世紀(jì)最優(yōu)美的橋梁。馬亞爾對(duì)圖解分析的嫻熟應(yīng)用，以及對(duì)結(jié)構(gòu)工程的思辨，依然能夠給當(dāng)代的工程師啟發(fā)。

瑞士薩爾基納山谷橋，三鉸拱橋， 1930年

三鉸拱橋

佐茲橋 Zuoz Bridge

佐茲橋是馬亞爾早期設(shè)計(jì)的一座混凝土橋，主拱和橋面由縱墻連起來，構(gòu)成了一個(gè)空腹箱形整體。這是鋼筋混凝土橋的最早的實(shí)踐案例之一，相比傳統(tǒng)的磚石橋，佐茲橋跨度更大，形體更加輕盈。

佐茲橋Zuoz Bridge，1901

佐茲橋建成不久，箱形橋臺(tái)的腹部混凝土出現(xiàn)了一些裂縫，市政當(dāng)局委托ETH的里特教授重新評(píng)估橋梁的安全。里特認(rèn)為以當(dāng)時(shí)理論分析的條件，精確計(jì)算混凝土箱形拱橋的承載力是有困難的，于是進(jìn)行了一次足尺載荷試驗(yàn)，證明了佐茲橋的可靠性。

塔瓦納薩橋 Tavanasa Bridge

鑒于佐茲橋橋臺(tái)的裂縫問題，一般的工程師首先會(huì)想到采取加強(qiáng)措施。馬亞爾則從另一角度考慮，既然裂縫部位不能繼續(xù)承載，而橋整體仍然足夠安全，能不能干脆去掉橋臺(tái)的腹板部分？

因此，馬亞爾在1905年設(shè)計(jì)塔瓦納薩橋時(shí)，去掉了多余的(容易開裂的)橋臺(tái)腹部，使得拱頂和拱腳處截面最小，創(chuàng)造出一種嶄新的結(jié)構(gòu)---箱型截面三鉸拱橋。

塔瓦納薩橋 Tavanasa Bridge，1905

塔瓦納薩橋跨度51m，呈現(xiàn)出一種非常輕盈的形態(tài)，優(yōu)雅地跨越河流，徹底改變了混凝土結(jié)構(gòu)粗重的形象，開啟了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的大門。

塔瓦納薩橋的箱形截面

塔瓦納薩橋在1927年的一次雪崩中毀壞

經(jīng)過幾年的設(shè)計(jì)實(shí)踐，1902 年馬亞爾創(chuàng)辦一家公司，隨后快速發(fā)展了西班牙和俄國的分公司。

鋼筋混凝土橋梁配筋詳圖,馬亞爾,1910

正當(dāng)一切向美好發(fā)展的時(shí)候，1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。他與家人滯留在俄國，直到1919 年馬亞爾才返回瑞士，成立了個(gè)人事務(wù)所，重新開始設(shè)計(jì)事業(yè)。

薩爾基納山谷橋Salginatobel

1927年一次雪崩毀壞了馬亞爾心愛的塔瓦納薩三鉸拱橋。在次年的薩爾基納山谷橋設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，馬亞爾提出與塔瓦納薩橋相似的三鉸拱橋方案。在眾多競(jìng)標(biāo)方案中，這一方案的造價(jià)最低，且形式優(yōu)美，最終贏得了設(shè)計(jì)合同。

薩爾基納山谷橋 SalginatobelBridge, 1930

薩爾基納山谷橋主跨90m，全長(zhǎng)133m，橋?qū)?.5m，混凝土箱形截面三鉸拱結(jié)構(gòu)。拱的截面形狀契合了拱結(jié)構(gòu)的彎矩包絡(luò)圖(對(duì)稱和非對(duì)稱荷載)。它鑲嵌在阿爾卑斯山的山谷間，白色的橋身在藍(lán)天和青山的背景映襯下顯得格外清新。

三鉸拱的截面取為結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖的形狀

薩爾基納山谷橋的圖解法分析示意

薩爾基納山谷橋建造時(shí)的支撐架結(jié)構(gòu)

三鉸拱橋是馬亞爾最常用的結(jié)構(gòu)形式，它的優(yōu)點(diǎn)是溫度作用小。當(dāng)季節(jié)溫度變化時(shí)，橋梁沿長(zhǎng)度熱脹冷縮，三個(gè)鉸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)使得拱頂自由地上下微動(dòng)，釋放溫度應(yīng)力。

建筑師和工程師對(duì)薩爾基納山谷橋的評(píng)價(jià)非常高， 1991年被列入ASCE土木工程歷史遺產(chǎn)，于2001年被國際橋協(xié)評(píng)為20世紀(jì)最優(yōu)美的橋梁，“是真正的藝術(shù)和橋梁結(jié)合的精品”。

Rossgraben Bridge, 1932

橋面加勁拱橋

施萬巴赫橋 Schwandbach Bridge

馬亞爾的多數(shù)項(xiàng)目是通過設(shè)計(jì)競(jìng)賽贏得的，且經(jīng)常位于偏遠(yuǎn)的地區(qū)。因此，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮施工便利和經(jīng)濟(jì)性，也促使他不斷地改良結(jié)構(gòu)形式和建造方法。

1933年建成的Schwandbach橋是一種全新的形式。橋梁寬度4.2~6.0m，總長(zhǎng)55.6m，主拱跨度37m。主拱為拋物線，混凝土厚度僅200mm，再以160mm的橫隔板支承混凝土橋面。橋面與拱共同工作，既增加了結(jié)構(gòu)剛度，又把橋面作為拱的支撐，防止纖薄的拱失穩(wěn)。

施萬巴赫橋 Schwandbach，1933

Schwandbach橋的加勁拱結(jié)構(gòu)，整體抗扭剛度比較弱。馬亞爾將橋梁走向設(shè)計(jì)為曲線形狀，一端垂直河岸，另一端延伸至公路。曲線形態(tài)有助于增加整體抗扭剛度，實(shí)現(xiàn)了橋梁功能與受力的形式統(tǒng)一。

施萬巴赫橋,曲線形的橋身設(shè)計(jì)

馬亞爾設(shè)計(jì)的其它拱橋

馬亞爾設(shè)計(jì)的連續(xù)梁橋

薄殼和空間結(jié)構(gòu)

將結(jié)構(gòu)形態(tài)按力學(xué)圖形設(shè)計(jì)，以保證各構(gòu)件的受力合理，既真實(shí)地反映了力，又具有形態(tài)上的美，是結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的基本策略之一。

馬亞爾作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最早的實(shí)踐者之一，綜合運(yùn)用直觀結(jié)構(gòu)、圖解靜力計(jì)算、模型研究以及足尺度測(cè)試方法保證結(jié)構(gòu)安全。除了橋梁以外，他設(shè)計(jì)的薄殼結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)同樣出色。

基亞索倉庫(Chiasso Warehouse Shed,1924) 的屋架，以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)描繪出了梁的彎矩圖曲線，是力學(xué)和形式的契合。

基亞索倉庫ChiassoWarehouse Shed

鋼筋混凝土曲線屋架，1923-1925

 水泥館薄殼結(jié)構(gòu)，瑞士蘇黎士世博會(huì)，1939

水泥館薄殼的建造過程

馬亞爾設(shè)計(jì)的無梁樓蓋體系，鋼筋混凝土柱帽

ETH的設(shè)計(jì)理念

說到馬亞爾，必須介紹一下瑞士蘇黎世高等工科學(xué)校ETH。這是一所頗具特色的現(xiàn)代工程學(xué)校，培養(yǎng)了眾多世界級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，包括羅伯特·馬亞爾 Robert Maillart、奧斯馬·安曼Othmar Ammann、海因茲·伊斯勒Heinz Isler、克里斯蒂安·門Christian Menn、卡拉特拉瓦Santiago Calatrava、約格·康策特Jürg Conzett等。

 華盛頓大橋，奧斯馬·安曼，1931年

Sicli Company Building薄殼,海因茲·伊斯勒,1970

1855年學(xué)校建校之初，聘請(qǐng)了卡爾·庫爾曼（Karl Culmann，1821～1881）擔(dān)首席工程教授，他把在德國接受的工程教育、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和法國的視覺分析思想引入ETH。1866年庫爾曼出版的著作《圖解靜力學(xué)》是那個(gè)時(shí)代對(duì)結(jié)構(gòu)分析最有影響力的一本書。他認(rèn)為圖紙是工程師的語言，結(jié)構(gòu)行為應(yīng)該通過幾何圖形形象表達(dá)，而不是抽象的代數(shù)公式。

庫爾曼的繼任者威廉·里特（Karl Wilhelm Ritter，1847～1906）繼承并發(fā)揚(yáng)了這一理念，提倡的設(shè)計(jì)原則可歸納為三條：1）強(qiáng)調(diào)計(jì)算的簡(jiǎn)化性；2）設(shè)計(jì)師對(duì)結(jié)構(gòu)美學(xué)的追求和責(zé)任；3）把計(jì)算準(zhǔn)確度和施工質(zhì)量控制結(jié)合，強(qiáng)調(diào)荷載試驗(yàn)的重要性。

瑞士薩爾基納山谷橋，三鉸拱橋， 1930年

與理論力學(xué)的嚴(yán)密數(shù)學(xué)演繹方法不同，材料力學(xué)和工程力學(xué)的理論往往帶有一定程度的近似性。在實(shí)際的工程問題中，荷載、材料、施工建造都不可以精確測(cè)定，如果一味地追求精確的數(shù)學(xué)解，有點(diǎn)過于迂腐了。

對(duì)于非常復(fù)雜的工程問題，有時(shí)難以得到可靠的計(jì)算結(jié)果，那么試驗(yàn)檢驗(yàn)和實(shí)際監(jiān)測(cè)就成為重要的設(shè)計(jì)手段。馬亞爾在ETH求學(xué)期間(1890-1894) 師從里特教授，雖然成績(jī)并不突出，但深受ETH設(shè)計(jì)理念的影響。

Arve橋，羅伯特·馬亞爾，1936

鋼筋混凝土隔板變化為X形支柱

二十世紀(jì)初是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的時(shí)期，結(jié)構(gòu)計(jì)算理論落后于實(shí)踐需求。圖解靜力學(xué)和模型試驗(yàn)是主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

直到 二十世紀(jì)下半葉，力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，在復(fù)雜荷載條件下比圖解方法更加精確、適用廣泛。圖解方法逐漸衰落，幾乎只保留了力的分解與合成等少數(shù)內(nèi)容，現(xiàn)在只有個(gè)別高校仍然保留圖解方法的教學(xué)。

馬亞爾一生短暫，又經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，但仍然留下了許多優(yōu)秀作品。他共設(shè)計(jì)了47 座橋梁，多數(shù)至今仍然在使用，他設(shè)計(jì)的建筑物也大多完好無損。這些作品在結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)表現(xiàn)方面都具有開創(chuàng)性，啟發(fā)了無數(shù)后輩工程師。

馬亞爾的著作大多數(shù)以德文發(fā)表在《瑞士建筑學(xué)報(bào)》上，以致于在德語區(qū)之外沒有什么影響力，他為人謙遜，生前寂寂無名。1947 年他去世后七年，紐約現(xiàn)代藝術(shù)博物館展出了馬亞爾的設(shè)計(jì)作品。這是歷史上的第一次單獨(dú)將結(jié)構(gòu)工程師的工作納入到現(xiàn)代藝術(shù)的范疇加以討論。

紐約現(xiàn)代藝術(shù)博物館關(guān)于馬亞爾的展覽

與同時(shí)代的理論分析學(xué)者相比，馬亞爾是一位叛逆者，他的設(shè)計(jì)因?yàn)椴荒艿玫骄_的計(jì)算而常常被人非議?？泊?Félix Candela，1910-1997) 曾寫道：“馬亞爾的思想令人愉快而鼓舞，??闡述觀點(diǎn)新奇，在別的工程文章中難以見到的。??如果一名叛逆能造出如此漂亮而又堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，那么當(dāng)一名叛逆也沒有什么錯(cuò)。”