生態(tài)道路科技夢

汲曉奇

“道路等土木設施工程與環(huán)境工程有什么關系？”在網(wǎng)絡中，類似這樣的問題有不少。事實上，兩個看似獨立的學科之間存在著許多內(nèi)在聯(lián)系。如今，在進行土木工程建設與研究過程中，同時平衡考量其對環(huán)境的影響因素，致力于建立生態(tài)、可持續(xù)的土木工程學科發(fā)展，這已經(jīng)成為國外土木工程學科發(fā)展的主流。

近些年來，環(huán)境問題在全世界范圍內(nèi)引發(fā)極大關注，我國對于環(huán)境保護與環(huán)境工程的重視程度也提升至前所未有的高度。各個學科與環(huán)境工程的交叉研究迫在眉睫，土木工程就是其中重要的一項。

2015年由中組部國家“青年千人計劃”引進回國的李輝教授，正是在道路工程與環(huán)境工程領域從事多年研究的青年學者。7年前，他選擇出國深造，拓展學科眼界，如今，他在科研的壯年回國，為了投身祖國建設需要。

深入交叉學科

2001年，李輝本科考入東南大學土木工程專業(yè)。4年后，他以優(yōu)異的成績被保送本校攻讀碩士研究生，在土木工程的大學科下，他選擇了道路與鐵道工程專業(yè)作為自己的研究方向。

研究生畢業(yè)后，李輝希望到國外繼續(xù)深造，“在土木工程領域，國外無論從技術還是理念上，都有值得我們學習的地方”。2008年，李輝進入加州大學戴維斯分校土木與環(huán)境工程系繼續(xù)攻讀博士學位，從此涉足土木工程與環(huán)境工程的交叉研究。

李輝介紹，美國多數(shù)大學的土木工程專業(yè)都被叫做土木與環(huán)境工程專業(yè)，因為土木工程除了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工程、橋梁工程、巖土工程、交通工程之外，還會涉及水資源、大氣等環(huán)境工程，要把環(huán)境放在土木工程中考慮。“土木工程與環(huán)境本身就是密切相關的?！?/p>

加州大學戴維斯分校本身就有著注重環(huán)境科學的傳統(tǒng)，學校在各個學科領域都對環(huán)境研究有所偏重。李輝在土木與環(huán)境工程專業(yè)的方向是交通，在專業(yè)課中，環(huán)境工程也是必修課。在這種氛圍的熏陶下，李輝很快就對土木工程與環(huán)境相關的交叉領域產(chǎn)生了濃厚興趣。因此在攻讀博士學位期間，李輝還攻讀了本校的環(huán)境與資源經(jīng)濟學碩士學位。

李輝的博士論文是有關涼爽路面的研究。人們所見的傳統(tǒng)道路路面，不管是城市道路、機場道面還是高速公路路面，大部分都是黑色瀝青路面。黑色路面吸熱能力強，在38攝氏度左右的室外氣溫下，路面溫度甚至高達六七十攝氏度。高溫會帶來路面損壞，縮短其壽命，同時，路面高溫亦會間接造成空氣溫度升高，惡化城市熱島效應。

是否有辦法降低路面基礎設施對環(huán)境的不利影響呢？這就是李輝開展涼爽路面研究的初衷。事實上，這一概念此前已有，然而相關的試驗工作相對較少。以往研究主要強調(diào)提高路面反射率，李輝指出，這種做法容易將路面熱量反射到建筑、車輛甚至人體上，造成建筑和車輛制冷能耗增加，更會對人體健康帶來不利影響。

通過大量模擬和實驗工作，李輝在博士論文中闡明了提高路面反射率后的降溫效果，以及可能造成的不利影響。李輝的工作將涼爽路面向可行性應用帶進了一大步，大量研究成果被美國聯(lián)邦公路局第一部《可持續(xù)路面系統(tǒng)指南》所采用。2012年，美國加州政府州長簽署通過了一個法案AB 296，旨在進一步推進涼爽路面的研究與應用。這一法案即建立在李輝的研究基礎上。

科研成果全面開花

2012年年底，李輝進入加州大學路面研究中心（伯克利-戴維斯），從事博士后研究工作。2014年，他成為該研究中心的項目科學家，與該中心的Carl Monismith院士和John Harvey教授開展合作研究。在此期間，李輝有多項兼具理論與實用價值的科研成果相繼誕生。

基于城市地表雨洪管理的透水路面研究，啟發(fā)于涼爽路面的研究。在研究涼爽路面的反射率期間，李輝關注到沙漠中沙子的反射率很高，但沙漠依舊溫度很高。這是由于沙漠沒有水分蒸發(fā)造成的。而城市路面除了黑色瀝青路面容易吸熱外，大部分路面的不透水性也是路面降溫不利的一大原因?！敖陙?，國內(nèi)許多大城市經(jīng)常出現(xiàn)一下雨就‘看海的現(xiàn)象，其實路面也會對城市內(nèi)澇產(chǎn)生一定影響。人們在努力考慮交通承載功能和延長路面壽命的同時，將路面做得密實、硬化，導致路面不透水不透氣，一旦下雨后地下管線的排水能力不足，就會加劇內(nèi)澇?！蓖瑫r，路面不透水還容易引發(fā)水污染問題，城市雨洪將路面的汽油、金屬等污染物沖刷到河流后會造成水體污染。

研究透水路面的難點在于，既要考慮路面的承載力和耐久性，也要在一定程度上恢復路面的生態(tài)功能。為此，李輝開發(fā)了新型全透水路面材料的力學（面層、基層和土基材料的強度、模量、抗車轍性能、疲勞性能等）和透水性能的試驗評價方法，提出了不同透水路面材料（透水瀝青混凝土、透水水泥混凝土及透水鋪磚）和路面結(jié)構(gòu)的設計原理和方法，并利用重載模擬車HVS加速加載試驗路驗證了透水鋪磚路面在重載交通條件下的實際路用性能，并探究了降低空隙堵塞問題的透水路面的施工工藝和養(yǎng)護技術。

該研究完善了平衡強度和透水率的透水路面材料的設計和評價方法，首次提出了透水路面結(jié)構(gòu)的力學和水力雙性能設計方法，并驗證了部分透水路面在重載條件下的設計方法和實際路用性能，有效推進了該功能路面的工程應用。

如今李輝的這項研究已經(jīng)在美國加州、新澤西州等多個州的試驗和實體工程中應用，并被采用編寫進美國加州交通廳第一部《透水路面設計指南》。透水路面更是我國目前大力推廣緩解城市雨洪和水污染的“海綿城市”的一大潛在技術措施。隨后，李輝又進行了一些其他項目的研發(fā)，并形成了自己環(huán)境友好及多功能路面系統(tǒng)的技術研究體系。

在美國的7年時間里，李輝沿著一個主題研究方向，一方面進行深化，一方面進行擴展。除了上述基礎研究外，李輝還從事了道路的全壽命周期分析研究。他說：“要評價一種路面技術是否有效，是否具有可持續(xù)性，要將其放在整個壽命周期框架下考慮，而不僅僅是考慮某一個階段。從建設，到使用、后期養(yǎng)護、回收利用階段，這些都要放在一起分析考慮。此外還要結(jié)合環(huán)境影響評價去考慮技術。最終要真正做到基礎設施全壽命周期的有效可持續(xù)性，推動交通基礎設施的可持續(xù)性發(fā)展?！?/p>

在這項技術研究中，李輝制定了可持續(xù)性道路工程全壽命周期分析的框架，收集和完善了各種路面材料和施工技術的環(huán)境影響清單，開發(fā)和改進了道路使用階段的各種環(huán)境影響分析模型，并集成全壽命周期成本、能耗、排放及污染等計算模型于傳統(tǒng)路面管理系統(tǒng)，開發(fā)用于道路項目級和網(wǎng)絡級的全壽命周期分析應用軟件，分析道路項目級和網(wǎng)絡級的全壽命周期成本、能耗、排放、污染等多個指標，為道路工程的可持續(xù)性發(fā)展提供全壽命周期的決策支持。部分研究成果已被加州交通廳用于其新一代基礎設施全壽命周期管理系統(tǒng)。

與祖國一同進步

2015年5月，李輝回國展開工作，成為同濟大學交通運輸工程學院道路與機場工程系教授、博士生導師。選擇回國源于國家向好的大環(huán)境與一個科研人的報國心與成就感?！皣野循h(huán)境放在越來越重要的位置，強調(diào)除了物質(zhì)文明和精神文明之外，還要建設生態(tài)文明。我在美國做了很多工作，都有很好的應用，但始終沒有主體感和成就感。作為一個中國人，我還是想能有機會在國內(nèi)做更多事情。國家現(xiàn)在發(fā)展得很好，回來能做更多事和做出更大的貢獻?！?/p>

李輝選擇同濟大學，是由于同濟大學與加州大學路面研究中心自上世紀八十年代開始便展開密切合作。近30年來，同濟大學持續(xù)不斷地將人才送去加州大學路面研究中心訪問交流，李輝也正是在美國期間，與同濟大學開展了不少合作，雙方有了交集。同時，同濟大學的真誠邀請與提供的實力雄厚的科研條件，也讓李輝下定了決心。

雖然回國僅僅數(shù)月，但李輝并沒有為科研啟動花費多少精力。在國家“青年千人計劃”與同濟大學的配套政策支持下，李輝獲得了充足的啟動資金，同濟大學交通運輸工程學院也給予歸國人才全方位的大力支持，作為全國重點學科及教育部重點實驗室，學院的主要實驗設備一應俱全，整體實力很強，李輝對回國后的科研條件十分滿意。

回國后，李輝希望以同濟大學交通、土木、環(huán)境等相關優(yōu)勢學科為基礎，充分吸收交通運輸工程學院道路與機場工程領域豐富的科研經(jīng)驗，依托國家重點學科和道路與交通工程教育部重點實驗室等科研平臺，圍繞重點實驗室的交通可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能減排和道路工程材料多功能化及高性能化的重大需求為發(fā)展方向，針對中國可持續(xù)道路交通研究、開發(fā)與應用中急需解決的關鍵技術問題和前瞻性發(fā)展問題及相關政策，開展全面多學科交叉的基礎和應用研究工作。

目前，李輝已成功申請到一項國家自然科學基金，他說，這也得益于學校為他提供的幫助，讓他得以在回國前就提前準備?！皬膶W校到學院都對我們青年海歸教師寄予很大希望，希望我們能夠帶動學科的國際化發(fā)展。我們面臨很好的發(fā)展機遇，同時也面臨巨大挑戰(zhàn)。我相信，在這個平臺下，我們能做更多更好的事情。”

當然，一切也并非一帆風順。李輝坦言，未來一段時間內(nèi)，他的精力主要將放在團隊完善上。目前李輝團隊有碩士、博士及博士后多人，他還在物色兩名青年教師做助手。“畢竟，一個團隊的建設不是一件小事，關系到以后科研的進展。”

李輝認為，遴選團隊成員，除了要有一定研究基礎之外，還需要其有較高的研究興趣。“因為有興趣才會有激情去從事研究，才不會感到厭倦和疲憊。”對于團隊管理，在西方接受多年教育的李輝認為，應結(jié)合國情考慮，采用中西結(jié)合的管理方式。在團隊成員的關系上，他希望為大家提供更加寬松的環(huán)境?！皥F隊成員之間應該是相對平等的，大家不應該有層級差別，只有分工的不同?！崩钶x認為，一個人的知識與精力畢竟是有限的，大家有效分工合作，各自發(fā)揮特長，才能共同推動研究發(fā)展。

在指導研究生的過程中，李輝也注重培養(yǎng)他們獨立思考與批判思考的能力。主動思考，而不是被動接受，這是李輝對學生的要求。在上課時，他也注意采用引導式的方法，而不是灌輸式。“科技進步很多時候是建立在前人研究的基礎上，我們發(fā)現(xiàn)并改進以前研究中不完善的地方，這樣才能進步?！?/p>

盡管剛剛回國，李輝的感悟與見解并不少，他說回國后，擺正心態(tài)是最重要的。很多不完善的地方要慢慢改進，祖國也在逐步向好的方向發(fā)展。他愿意與祖國、與學科一同發(fā)展進步，一點點繪制自己心中的生態(tài)科技藍圖。