重大基礎(chǔ)建設(shè)對美國土木工程高等教育的推動作用

王楠　楊成　蒲黔輝

摘要：中國已經(jīng)經(jīng)歷了近20年的大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)期，土木工程學(xué)科如何抓住國家大建設(shè)的機遇，全面提升自己的辦學(xué)水平，是當(dāng)前面臨的主要問題。而美國歷史上也經(jīng)歷了多次基礎(chǔ)建設(shè)高潮，也隨之誕生了一批蜚聲世界的土木工程高等教育辦學(xué)典范。文章以伊利諾伊大學(xué)香檳分校土木系為例，介紹了其主要學(xué)科方向在不同歷史時期介入大型工程項目，積極創(chuàng)新，將基礎(chǔ)理論研究和教學(xué)水平提升到世界領(lǐng)先地位的經(jīng)驗；分析了中國高校土木工程辦學(xué)中存在的問題，以及如何依托當(dāng)前大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)的機遇全面提升辦學(xué)水平的策略，以期為中國土木工程高等教育的發(fā)展獻計獻策。

關(guān)鍵詞：土木工程；基礎(chǔ)建設(shè)；科技服務(wù)；學(xué)科發(fā)展

中圖分類號：G40-059-3 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）01-0011-05

近20年來，中國的基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模逐步擴大，一系列大型基礎(chǔ)建設(shè)項目得以實施，特別是以高速鐵路網(wǎng)、高速公路網(wǎng)及大型公共建筑為代表的重點項目，特別是以“一帶一路”高鐵建設(shè)為代表，其中相當(dāng)一部分建設(shè)難度或建設(shè)水平都處于世界前列，中國部分高等院校的土木工程學(xué)科負責(zé)了其中部分項目的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題研究，并通過承擔(dān)這些使自身的研究能力和辦學(xué)水平得到了一定發(fā)展，但也隨之凸顯了一些矛盾和問題，如：土木工程高等教育辦學(xué)重科研、輕教學(xué)，基礎(chǔ)理論研究的積極性和水平有待提高等問題。無獨有偶，美國現(xiàn)代歷史上也經(jīng)歷了數(shù)次基礎(chǔ)建設(shè)高潮期，一批美國高校的土木工程院系充分把握了歷史機遇，無論在基礎(chǔ)理論還是工程實踐性研究，乃至專業(yè)教學(xué)水平上都得到了全面的發(fā)展，一躍成為美國和世界土木工程高等教育的翹楚，而且將其優(yōu)勢保存至今。

為了探究如何利用國家大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)機遇促進土木工程專業(yè)高等教育辦學(xué)發(fā)展的經(jīng)驗，筆者通過在美國為期一年的考察，系統(tǒng)研究了長期位于US news土木工程專業(yè)排名前列的著名大學(xué)的學(xué)科發(fā)展史，分析其借力于國家重大基礎(chǔ)設(shè)施項目，以實現(xiàn)學(xué)科提升的過程；同時介紹美國高等院校土木工程系當(dāng)今學(xué)科戰(zhàn)略布局的特點，以及其為長期可持續(xù)發(fā)展所秉持的一些重要辦學(xué)理念，以期為中國土木工程高等教育辦學(xué)提供參考。

一、UIUC土木系在美國重大建設(shè)項目中的參與及學(xué)科發(fā)展

伊利諾伊大學(xué)香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign，簡稱“UIUC”）土木工程及環(huán)境工程系（后簡稱“土木系”）自1867年建系以來，一直在美國工程教育界享有至高聲譽[1]，據(jù)US news & Report 美國高校土木工程專業(yè)排名顯示，UIUC土木系2012年位列第二，2013-2014年排名第一，2015年排名第二 [2]。在近150年辦學(xué)歷史上，培養(yǎng)了許多知名學(xué)者和工程師。如設(shè)計了Hancock和Brunswick大廈，并開創(chuàng)了新型結(jié)構(gòu)形式“筒中筒”的著名工程師Fazlur R. Khan[3]；動力積分方法Newmark-β法的創(chuàng)始人Nathan M. Newmark；中國著名水利工程專家黃萬里等。目前共有教職工約100人，其中正式教師（Faculty）50余人，涵蓋了環(huán)境工程和土木工程兩個主要方向，并通過學(xué)科交叉探索基于“可持續(xù)發(fā)展”和“社會風(fēng)險分析”等前沿問題的學(xué)科建立模式。

如今，上述學(xué)科分布雖然較為完備，但歷史上，UIUC土木系是在不同時期，借助于不同類型的大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)，著力提升了不同的學(xué)科分支而發(fā)展成為今天所看到的如此完備的專業(yè)體系。從19世紀初的大北方鐵路，到50年代州際國防高速公路體系建設(shè)，再到60年代冷戰(zhàn)戰(zhàn)備建設(shè)高潮，UIUC抓住機遇分別提升了鐵道工程、道路工程、結(jié)構(gòu)工程、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等學(xué)科的辦學(xué)水平和研究條件，并不斷調(diào)整得以持續(xù)發(fā)展。

（一）鐵道工程

1870～1900年，美國鐵路運營里程從85 000公里，擴張到305 775公里，鐵路網(wǎng)全面形成[4-6]。恰逢UIUC土木系建系伊始，就迎來了鐵路建設(shè)的突飛猛進，所以最初設(shè)立的培養(yǎng)方向與此緊密相關(guān)。根據(jù)1870～1871年的學(xué)校董事會記錄，該校主要進行鐵道線路設(shè)計、地形地質(zhì)勘測、橋梁建造等專業(yè)培養(yǎng)，工程實踐部分著重強調(diào)了線路測量能力；又如Ira Osborn Baker在1878～1915年任系主任期間，先后親自講授工程制圖、測量、鐵道工程、隧道工程等課程?？梢娺@一時期辦學(xué)是以鐵道為重點，所培養(yǎng)的畢業(yè)生也陸續(xù)在圣菲鐵路和大北方鐵路中擔(dān)任技術(shù)骨干。作為合作的一部分，各鐵路公司也為UIUC測量實驗室的籌建從實習(xí)基地和設(shè)備兩個方面提供了相應(yīng)的幫助，成為UIUC土木系早期辦學(xué)的重要基礎(chǔ)?；?9世紀末和20世紀初土木系深度參與鐵道建設(shè)的成果，一些經(jīng)典的軌道和車輛分析模型得以發(fā)展，并被UIUC土木系的教授們寫入課本成為經(jīng)典教材。即便在二戰(zhàn)后的美國鐵路發(fā)展低潮期，這些經(jīng)典鐵路技術(shù)理論也保持了一定程度的發(fā)展。1983年起，美國鐵路協(xié)會（AAR）將三個附屬實驗室中的一個設(shè)置在UIUC土木系，自此該系開始系統(tǒng)承接或協(xié)同研究AAR研究項目[1]。

進入21世紀后，受全世界高速鐵路建設(shè)高潮以及美國既有鐵路設(shè)施老化且事故頻發(fā)的影響，鐵路建設(shè)技術(shù)重獲重視。1998年起，在首席教授Christopher Barkan帶領(lǐng)下，重組并快速擴大了UIUC鐵道技術(shù)的研究隊伍，成立了鐵道研究中心（RailTech）（圖2），現(xiàn)已成為全美高校最大的鐵道科學(xué)研究中心，是美國客運鐵道公司（Amtrack）， 美國交通技術(shù)中心（TTCI）和美國鐵路協(xié)會主要的科研合作機構(gòu)[7]。

（二）軍事及防災(zāi)減災(zāi)工程

在二戰(zhàn)以前，UIUC土木系對軍事工程介入甚少，主要以民用建設(shè)工程教育為主。二戰(zhàn)結(jié)束后，情況得以改變。二戰(zhàn)接近尾聲時，美軍各兵種都選送了相當(dāng)數(shù)量的技術(shù)軍官到知名工科院校進修深造（包括完成因戰(zhàn)爭中斷的本科課程或讀研究生），UIUC因為過去卓著的工科辦學(xué)成績，成為戰(zhàn)后美軍官兵進修的首選?；谂c軍方良好的合作關(guān)系，土木系不僅從國防部得到了大量的項目和經(jīng)費支持，且美國軍方還罕見地將位于內(nèi)華達州和太平洋上的核試驗基地向UIUC土木系的項目開放，用于進行大比例結(jié)構(gòu)模型的抗爆炸沖擊試驗。

20世紀五十年代末，隨著冷戰(zhàn)局勢和核戰(zhàn)爭危險的加劇，為了準確計算結(jié)構(gòu)物在動力沖擊下的反應(yīng)，美國軍方不再滿足頻域分析和功率譜形式的動力學(xué)概率分析，需要較為準確的時程響應(yīng)表達，因此在軍方項目資助下，Nathan M. Newmark于1959年提出了Newmark-β法，可以較為精確地進行動力時程響應(yīng)分析。該方法強有力地奠定了UIUC土木系在計算力學(xué)、結(jié)構(gòu)控制工程研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，至今仍然是計算結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的主要方法之一。今天，以Newmark命名的UIUC土木系結(jié)構(gòu)實驗室（圖3）是全球知名的大型結(jié)構(gòu)試驗研究中心[1]。

1994年北嶺地震后，美國軍方和政府開始關(guān)注交通網(wǎng)絡(luò)震后最大通行能力及修復(fù)成本，以保證震后交通順暢。美國陸軍工程兵團（USACE）和緊急狀態(tài)委員會（FEMA）決定對以孟菲斯和圣路易斯為中心的美國中部公路鐵路交通網(wǎng)進行抗震災(zāi)害評估。以UIUC土木系為依托的美國中部地震工程研究中心（MAE）承擔(dān)了這一項目，進行了長達數(shù)年的調(diào)研，給出了震后災(zāi)害預(yù)測報告；同時，以保證震后路網(wǎng)的基本通行能力，促進交通盡快恢復(fù)為目標，提出了交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)加固方案。如今MAE已經(jīng)成為包括NEES（Network for Earthquake Engineering Simulation）在內(nèi)的美國多個重大研究項目的合作成員[2]。

除了上述介紹，UIUC土木系還承擔(dān)著相當(dāng)一部分美國軍方的長期研究項目，如在抗沖擊和減震技術(shù)方面與陸軍工程兵團，在重載鐵路運輸技術(shù)方面與海軍的固定合作等[1]。

（三）交通工程

UIUC的交通工程辦學(xué)隨著美國公路系統(tǒng)發(fā)展也經(jīng)歷了三個主要階段[1]， [7]。

1.主干公路建設(shè)階段

1916～1939年，依據(jù)政府公路建設(shè)法案，聯(lián)邦政府總投資約5億美金，建設(shè)連接首都及各大重要城市的主干公路。基于對公路路面工程和橋梁工程技術(shù)發(fā)展的需要，1910年代在伊利諾伊交通署資助下，成立了“水泥及混凝土實驗室”，后發(fā)展為著名的“Talbot材料工程實驗室”，它是美國公路工程早期重要的研究基地。這一時期Harald Westergaard教授提出了第一個混凝土路面的力學(xué)模型，奠定了美國混凝土路面設(shè)計的理論基礎(chǔ)。由于UIUC土木系在公路工程上卓有成效和特色的工作，1941年，伊利諾伊交通署與UIUC正式簽訂了在交通工程方面的合作協(xié)議，土木系開始長期、系統(tǒng)地與州政府合作辦學(xué)。

2.地區(qū)公路建設(shè)階段

1939～1956年，美國城市化進程發(fā)展迅猛，地區(qū)性公路建設(shè)成為重點，一些著名城市的公路橋建造技術(shù)成為關(guān)注焦點，此時Wilbur M Wilson教授在橋梁研究方面進展卓著，他系統(tǒng)分析了鋼筋混凝土拱橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、圓柱及薄壁殼體構(gòu)件的行為特征，其成果在加州舊金山-奧克蘭海灣大橋、金門大橋等一系列重要的橋梁工程上應(yīng)用。這一階段土木系在交通土建工程上的成就，不僅體現(xiàn)在實際工程項目的科技服務(wù)中，而且還使得工程理論積累有了很大進步，例如Hardy Cross教授在這一時期發(fā)明的用于高次超靜定體系分析的“彎矩分配法”，至今仍是結(jié)構(gòu)力學(xué)的經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容。

3.州際國防公路體系建設(shè)階段

1956～1989年，出于冷戰(zhàn)產(chǎn)生的國防需求，美國政府依據(jù)《聯(lián)邦政府資助公路法案》，興建了規(guī)模龐大的“州際國防公路體系”。雖然州際國防公路占美國公路總里程4%，但承擔(dān)了美國運輸量的70%，建設(shè)標準必然高于普通的地區(qū)性公路?；谶@項龐大、高標準的工程所需要的科學(xué)研究支撐，UIUC土木系積極投身其中。從1950年代中期起，通過伊利諾伊交通署設(shè)立的長期資助項目“伊利諾伊公路及交通聯(lián)合研究計劃”（ ICHTR）的資助，Newmark聯(lián)合了力學(xué)系的Richart教授，對公路橋面板力學(xué)性能進行了長達十年的系統(tǒng)研究，全面掌握了各類型板結(jié)構(gòu)的特點，對美國公路協(xié)會（ASSHTO）的相關(guān)結(jié)構(gòu)規(guī)范產(chǎn)生了深遠影響。

20世紀上半頁，為了解決重載卡車運輸?shù)膯栴}，在ASSHTO資助的渥太華道路測試項目中，UIUC土木系在全美最早展開了軟路面試驗研究，該研究有針對性地考慮了不同車載重量和軸距的卡車作用對路面的影響，極大地促進了彈性路面的研究（如圖4）。在此基礎(chǔ)上，Barenberg教授完善了路面的半力學(xué)半經(jīng)驗設(shè)計框架，所提出的微觀力學(xué)演變模型能夠較好地預(yù)測路面的長期工作狀態(tài)。此外，他還與Thompson教授一起在石灰粘土路基穩(wěn)定性方面進行了開創(chuàng)性研究。

從1993年起，為致力于發(fā)展環(huán)保和可持續(xù)性強的新型道路，由伊利諾伊州交通署（IDOT）和聯(lián)邦公路管理處（FHWA）投入1 800萬美金，在含室外實驗場地在內(nèi)的47英畝占地上，建立了全美最大的道路工程實驗室（Advanced Transportation and Research Engineering Laboratory，簡稱“ATREL”），該實驗室自成立至2012年，已承擔(dān)了130余項科研項目，年度科研經(jīng)費在600萬美金以上，協(xié)作研究單位多達16家，成為美國交通部最重要的科技合作對象之一[7]。

二、基礎(chǔ)理論研究和教學(xué)水平的提高

在參與國家重大工程項目，實踐性工程研究能力提高的同時，如何兼顧專業(yè)基礎(chǔ)理論研究提升，保證教學(xué)水平的提高，是促進高水平工程教育可持續(xù)發(fā)展必須考慮的問題。

UIUC土木系在百余年的辦學(xué)歷史上高度重視土木工程的基礎(chǔ)——力學(xué)，UIUC土木系長期保留了專門從事力學(xué)研究的固定崗位，并高度重視力學(xué)研究的傳承，沒有落入“土木辦學(xué)工程技術(shù)化”的不利循環(huán)。

1930年代Hardy Cross建立了“彎矩分配法”超靜定結(jié)構(gòu)力學(xué)經(jīng)典求解方法。

1960年代Hardy Cross的學(xué)生Newmark創(chuàng)立了第一個動力學(xué)時程分析解法“Newmarke-β法”。

70年代 Alfredo H-S. Ang奠定了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)可靠度計算理論的基礎(chǔ)。

80年代 W K Wen在非線性動力響應(yīng)的等效線性化的研究過程中提出了今天得到廣泛應(yīng)用的Bouc-Wen模型。

上述里程碑式的原創(chuàng)性力學(xué)成就奠定了UIUC土木系深厚的發(fā)展基礎(chǔ)，大量的應(yīng)用性研究成果依托其得以產(chǎn)生，也使得學(xué)校

在USnews土木排名長期穩(wěn)居全美前三。無獨有偶，分析加州大學(xué)伯克利分校土木系歷史可以發(fā)現(xiàn)，有從40年代起Clough 到Wilson， Kiureghian到Chopra這樣的有限元和結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究承襲，而土木工程排名不及這兩所學(xué)校的其他美國院校就無法溯源出如此悠久的工程力學(xué)研究歷史。

在科學(xué)研究取得巨大進展的同時，教授們將最新的研究成果及時寫入教材，教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)了當(dāng)時土木工程科學(xué)發(fā)展的前沿水平，教學(xué)質(zhì)量得到了根本性提高，畢業(yè)生廣受歡迎。據(jù)UIUC土木系檔案記載，到1970年代末，全美60%的知名土木設(shè)計公司結(jié)構(gòu)首席工程師都畢業(yè)于UIUC土木系。至1945年，土木系自編教材已超過50種，幾乎都成為經(jīng)典，名揚中外。如Bauer撰寫的《公路工程》、Pickel的《線路勘測》，Huntington的《建筑施工》、Shed的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計》，等等，隨著這些教材被美國乃至世界其它高校所采用，為UIUC土木系贏得了良好的聲譽。“教研并重”也成為UIUC土木系的優(yōu)良傳統(tǒng)， UIUC土木系檔案記載，從1950年代后期Newmark執(zhí)掌土木系之后，原有的“教學(xué)型”和“科研型”兩種教師類型逐漸融合成“教研合一”的教師隊伍，這種轉(zhuǎn)型引領(lǐng)了二戰(zhàn)以后美國公立大學(xué)高等工程教育的發(fā)展模式[1]。

三、對中國高校工科辦學(xué)的啟示

（一）對專業(yè)院校學(xué)科發(fā)展的啟示

基于1952年的院校調(diào)整，中國有一批專業(yè)性非常突出的工科院校，往往全校都圍繞某個固定行業(yè)進行學(xué)科建設(shè)，相比綜合型大學(xué)，這些高校進行學(xué)科調(diào)整和大學(xué)科交叉的難度更大[5]， [8]，因此，在市場經(jīng)濟時代，要根據(jù)建設(shè)需求，適時調(diào)整與土木相關(guān)的“小專業(yè)”的發(fā)展，而不定格于某個固定的專業(yè)方向。要憑借敏銳的建設(shè)發(fā)展意識，抱著積極服務(wù)社會的態(tài)度，面向工程需求開展教學(xué)和研究。要通過多方合作，在不同時期借助不同的建設(shè)機遇發(fā)展不同的專業(yè)方向，逐步提高學(xué)科發(fā)展整體水平。

同時，強化基本工程理論的積累與發(fā)展，拓展基本工程理論的應(yīng)用面，在大專業(yè)背景下通過教學(xué)、科研及社會服務(wù)多方參與國家的建設(shè)發(fā)展，尋求自身發(fā)展動力。

（二）對高校專業(yè)教學(xué)建設(shè)的啟示

UIUC土木系不斷將前沿科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容。通過對經(jīng)典課程教學(xué)的長期更新完善，補充最前沿的研究進展，間接地實現(xiàn)了“教研并重”的目的。這對于改善中國當(dāng)前教研分離現(xiàn)象，在及時更新教學(xué)內(nèi)容的同時，系統(tǒng)整理提升科研成果有重要的啟示。事實上，由完成項目的具體帶頭人負責(zé)專業(yè)課程教學(xué)建設(shè)，是國外大學(xué)普遍采用的方式，這不僅有利于將最新的科研成果納入教材，還保持了一線教學(xué)教師的科研素質(zhì)。中國高校學(xué)科帶頭人和專業(yè)課程建設(shè)負責(zé)人存在分離現(xiàn)象，其不足之處顯而易見[5]，[8-9]。

綜上所述，在UIUC土木系百年發(fā)展史中，敏銳地洞察國家建設(shè)需求，積極調(diào)整學(xué)科發(fā)展的重點，保持良好的社會服務(wù)意識，多方合作，拓寬學(xué)科發(fā)展路徑；同時注重工程理論深化和積累，將最新的科研成果融入教學(xué)內(nèi)容，上述舉措使這一傳統(tǒng)專業(yè)總在不同時期能夠捕捉到發(fā)展機遇，獲取充分的社會資源，促進學(xué)科發(fā)展和自我提升，提高辦學(xué)影響力。其經(jīng)驗和辦學(xué)理念對于中國當(dāng)前的土木工程專業(yè)，乃至工科高等教育的發(fā)展有很好的借鑒意義。

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（編輯 梁遠華）