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立交桥:被忽视的壮丽风景

图片:jpenrose / CC0

本篇文章来自 8 月 19 日知乎晚报 

星球研究所,一群国家地理控,专注于探索极致世界。文章首发同名公众号

立交桥,是当代城市美学的集大成者,是一种几何美学的高度体现。

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毋庸置疑的是,现代城市发展至今,已然是一个不折不扣的垂直空间。

高楼大厦拔地而起,如同钢铁森林一般直指苍穹,

甚至连路面也脱离地表,在立体空间中垂直展布,层层叠叠交织错落。

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人们早已习惯于用日常的视角在这个垂直世界里往来穿行,但如若从高空俯瞰,呈现在我们眼前的将是一个极为复杂、却又极为惊艳的几何世界。

那么,人们为何要修建如此复杂的工程?

又是如何做到的呢?

1.终极难题的曙光

以一个十字路口为例,4 个直行方向、8 个转弯方向,共计 12 个方向的往来车流在这里分离、汇合、相交,形成 32 个潜在冲突点。一旦车流量增大,极易发生拥堵和事故。

为了减少车辆的冲突,红绿灯、环道等多种解决方案相继诞生,令十字路口“四通八达”。

然而随着车流量日益增加,路口的通行能力逐渐捉襟见肘,加之高速公路和城市快速路的建设,传统路口已然无法承担如此重担,寻找新的通行方式迫在眉睫。

于是,人们将原本平面交叉的道路,在垂直空间上进行分离,令车流在不同高程上实现各行其道、互不干扰,这便出现了立交桥。

而连接立交桥正线,专门用于转弯的单向道路,则被称为“匝道”。

在右侧通行的规则下,立交桥右转匝道的设置往往直接、简单、灵活。相较之下,如何有效地实现左转,便成为了立交桥设计和建设的终极难题。

自上世纪 20 年代,西方国家开始修建一种特殊的环圈匝道。在这种匝道上,车辆需要连续右转 270°才能最终完成左转。凭借四条环圈匝道以及四条右转匝道,上下分离的两条正线便能在所有方向上均实现连通,这种立交形式也因其独特的外型被人们称为苜蓿叶式立交。

此类立交形式没有道路交叉,外观完美对称,且只需一座跨线桥梁,因其建设简单、造价经济,在世界各地应用极为广泛。尽管其问世近 50 年后才引入中国,但如今已是大江南北、遍地开花。

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可这并非是一种完美的形式,其中最大的缺陷之一便是交织问题。汇入正线的车辆想靠左,即将驶出的车辆想靠右,二者交织令正线的通行效率和安全性都大打折扣。

为此,人们设计了一种集散道,将交织区域从正线中分离,从而保证直行方向畅行无阻。

在苜蓿叶式立交中,为了避免转弯过于急促,环圈匝道必须保持足够大的半径,以提高行驶速度和安全性,这就意味着较大的占地面积,而增设集散道则令问题愈发严峻。

一般情况下,苜蓿叶式立交可占地7-9 万平方米,相当于10 个标准足球场的大小,因而在寸土寸金的密集城区,减少土地占用势在必行。例如压缩环圈匝道面积,令其变得扁平细长;

又或者干脆将占地较大的环圈舍去,选择新的左转模式,比如菱形立交。这种较为“粗糙”的立交形式直接将左转匝道全部省去,由次级道路承担所有左转功能。

由于只需设置右转匝道,菱形立交的形态更为灵活,其占地面积一般仅为苜蓿叶式立交的1/3 左右。

至此,面对立交桥左转这一难题,人们终于看到了一丝曙光。然而无论是菱形立交亦或是苜蓿叶式立交,都无法完全避免车流交织。因此若要进一步提高通行效率,立交形式势必面临一场“进化”。而这场“进化”,是通过排列组合完成的。

2.排列组合的魔力

在实际应用中,包括已出场的环形匝道在内,可供选择的左转匝道共有 10 种。这就意味着通过它们的排列组合,仅一个十字交叉口上,立交形态便可达10^4=10000 种之多。即便对其外观进行严格甄选,剩下的组合结果也达172 种。

如果说号环圈匝道需要右转 270°才能实现左转,如同“曲线救国”,那么①-⑨号匝道则显得“直截了当”。在它们的相互组合下,一类形态丰富的立交形式就此登场。

其中,4 个⑥号匝道汇聚一堂,则成为“X 形立交”。

所有左转匝道自右侧与正线分离,也自右侧和正线汇聚,车辆行驶更为流畅、安全。

不过它并不完美,短距离内连续跨越两条正线,令其层多桥长、造价高昂,于是人们试图压缩跨线桥梁的长度,直至四条左转匝道的交点与两条正线的交点重合,形态如同闪耀的四芒星,是为“四星式立交”。

这种立交形态格外规则、格外对称,转向也更加平滑流畅,令车辆能够避免频繁减速,全程保持高速行驶。

可是人们对速度的需求没有最快、只有更快,于是工程师们利用 4 条⑦号匝道,再次加大弯道的绕行里程,构成形如涡旋的涡轮式立交。

其造型宏伟、坡度缓和、行驶安全,极其适宜高速通行。

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然而所谓“福祸相依”,随着通行效率的提升而来的,是庞杂的建设难度和高昂的建造成本。

这些立交桥上,正线、匝道相互穿插,层层道路相互交叠。

例如位于上海市中心的延安东路立交,上下路面形成共 5 层的立体空间,中央桥墩直径 5 米、高度 32 米,柱身金龙盘绕,有如一柱擎天。

(请横屏观看)

宏伟的涡轮式立交虽能达到极高的通行速率,但却要付出更长的绕行成本,且共需建设至少 5 座跨线桥梁,造价同样不菲。

当然,排列组合创造的几何世界远比此更加丰富,同类型匝道“复制粘贴”后,外观往往规则而对称,在三肢路口上也能构成外形独特的“大 Y 式立交”“小 Y 式立交”。

而不同类型的匝道也可以同框出镜,经过工程师的巧妙设计,便是城市中最为醒目的美学符号。

然而,由这些匝道组合而成的立交形式固然通行高效、造型美观,但由于其占地多、造价高,终究不是万能的解决方案。因此在实际工程中,人们不得不因地制宜,权衡利弊、做出妥协,如同跳着一支戴着镣铐的舞蹈。

3.戴着镣铐的舞蹈

于是我们不难看到,现实中还有很多立交桥,它们的左转匝道并非完全一致,而是环圈匝道与其他匝道的排列组合。有的将苜蓿叶式立交中的某一条环圈匝道,用直接或半直接式匝道代替;

有的则恰好相反,即用一片苜蓿叶取代某一方向上的直接或半直接式匝道

甚至在通行量较低的方向上,直接放弃连通需求,形成半互通式立交桥。

如果说这些立交形式在形态上看来略有缺憾,那么相较之下,保留两片“叶片”的半苜蓿叶式则显得更加对称、美观。

若由于河道、铁路、房屋等原因,令正线道路一侧空间受限,则尤其适合在道路同侧设置两个相邻的环圈匝道

苜蓿叶式立交类似,这样的匝道形式面临着同样的交织问题,也需要同样的解决方案,即集散道。而如果环圈匝道以对角方向设置,则不仅能保留对称的形态,同时还能避免出现交织,并且由于其形状细长,极为适合空间狭长的地带。

例如,将对角线上的两片“叶片”和⑥号匝道进行组合,则立交桥身形苗条、如同沙漏。

而若和⑦号匝道进行组合,根据环绕方式的不同,几何曲线的美感被体现的淋漓尽致,或形如八卦双鱼;

或如同炯炯有神的双眼,直视天空。

总而言之,即便现实中困难重重,却依然无法阻挡人们源源不断的想象力。

在贵阳市东南部,川黔铁路和黔灵山之间,两条城市快速路赫然交汇,然而仅存的夹缝空间却再难以容纳一座规模庞大的四肢立交,于是人们将其“拆分”为两个三肢立交,以应对极为苛刻的空间条件。

而在重庆鹅公岩立交中,环圈匝道的设置更是独辟蹊径,甚至将右转匝道的部分功能也一并承担。

其设计之精妙,极尽曲线盘桓之魅力,令人叹为观止。

在人们的想象力下,一支戴着镣铐的舞蹈,却迸发出全新的韵味。

当然,这还远没有到达尽头。

4.永不完美

实际上,在城市纵横交错的路网中,三肢、四肢路口早已不足为奇,甚至五肢以上路口也屡见不鲜。而面对如此众多的道路交叉,最简易且美观的方式便是环道。

当交叉道路等级有高级和次级之分时,这种立交形式则尤为常见。次级道路上的所有通行需求均能通过环道完成,高级道路则直接上跨或下穿而过,与环道完全分离,避免对直行产生干扰。

然而,环道的缺陷也显而易见,除了动辄数十米的直径规模,各向车流的交织运行也大大限制了通行能力。当交通负荷异常繁重时,出、入口极易发生堵塞,将整个环道彻底“锁结”。

于是,人们不得不对环道进行升级,在交通量较大的方向额外增设新的匝道,形成“组合模式”。

若车流量持续增大,匝道数量也将随之增加,与环道共同分担通行压力。有时甚至在环道之上再次叠加一套完整的立交,为路口通行提供双重保障。

而如果多条高级道路相交,对效率的要求往往更为迫切。当环道无法满足通行需求时,则将被匝道彻底取代。但要完全使用匝道,又要保证多个方向均可互通,立交桥的规模必然将变得极为庞大、极为复杂,建造成本和建造难度也将持续攀升。

因此,多数情况下人们只能根据实际需求不断进行权衡和取舍,甚至“退而求其次”,舍弃部分转向匝道,形成半互通式立交

即便如此,这些立交的外观之宏伟、结构之复杂,仍然令人眼花缭乱、瞠目结舌。

2017 年,历时近 8 年的修建和改造,重庆黄桷湾立交正式完工,其五个方向均由匝道连接,上下路面共五层,匝道达 15 条之多,以一桥之力将解放碑、江北嘴、弹子石和江南新城四个经济区连为一体,是名副其实的“枢纽型立交”。

而在强大的连通能力背后,则是格外庞大的占地面积。尽管出入口的设置经过层层优化,但虎踞龙盘般的结构,对初来乍到的驾驶者来说依然是不小的挑战。

和此前出镜的所有立交一样,它同样不够完美,但依然在这座高速运转的城市中扮演着至关重要的角色。

时至今日,立交桥早已不是什么稀罕事物。放眼全国,立交桥数量达 5000 余座,仅北京一市便有超过 400 座立交桥,分布在全市的各重要路口,支撑着每天超过数千万人次的出行需求。

然而,即便司空见惯,但却不可或缺。

它们遍布城市、连通城市,并在无形之中成为一种全新的城市美学。

回顾立交工程的历史,人们用无尽的想象力创造出丰富多彩的几何空间。

然而,通行效率要高、建造成本要低、外观造型简洁、占地空间要少,或许几代人终其一生都无法找到如此“完美”的立交形式。

但当人们面对现实中的种种限制,不得不做出种种所谓“权衡”与“妥协”。

即便看似无奈和遗憾,但这本身也就是人类工程的终极魅力

全文完,感谢你强忍着早就被绕晕的大脑看完。


创作团队:

  • 编辑:王昆
  • 图片:余宽&刘白
  • 设计:郑伯容&赵榜
  • 地图:陈思琦
  • 审校:王朝阳
  • 封面摄影师:吕威

本文主要参考文献:

  1. 刘旭吾. 互通式立交线形设计与施工[M]. 人民交通出版社, 1997.
  2. 王伯惠. 道路立交工程[M]. 人民交通出版社, 1992.
  3. 贺栓海. 道路立交的规划与设计[M]. 人民交通出版社, 1994.
  4. 万明坤等. 桥梁漫笔[M]. 中国铁道出版社, 2015.
  5. 邵春福. 城市交通设计[M]. 北京交通大学出版社, 2016.
  6. 高速公路丛书编委会. 高速公路立交工程[M]. 人民交通出版社, 2001.
  7. 乔翔等. 公路立交规划与设计实务[M]. 人民交通出版社, 2001.
  8. 李海泉. 北京立交桥[M]. 北京出版社, 1996.
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