中國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程科技2035發(fā)展趨勢(shì)與路徑研究

陶慕軒，聶建國(guó)，樊健生，潘文豪，汪家繼，劉誠(chéng)

（1. 清華大學(xué)土木工程系土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；2. 清華大學(xué)北京市鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京100084；3. 清華大學(xué)土木工程系，北京100084）

中國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程科技2035發(fā)展趨勢(shì)與路徑研究

陶慕軒1，聶建國(guó)2，樊健生3，潘文豪1，汪家繼1，劉誠(chéng)1

（1. 清華大學(xué)土木工程系土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；2. 清華大學(xué)北京市鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京100084；3. 清華大學(xué)土木工程系，北京100084）

中國(guó)城鎮(zhèn)化亟須從“高速推進(jìn)”轉(zhuǎn)向“品質(zhì)提升”的新階段，土木結(jié)構(gòu)工程作為城鎮(zhèn)化的重要載體和標(biāo)志，創(chuàng)造人居環(huán)境，將成為中國(guó)城鎮(zhèn)化品質(zhì)提升的核心突破口之一。從現(xiàn)在到2035年將是我國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期和重要機(jī)遇期。本文綜述了世界上土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域科技的先進(jìn)水平，總結(jié)了面向2035年土木結(jié)構(gòu)工程科技的發(fā)展方向和趨勢(shì)，識(shí)別了土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域我國(guó)需要解決的重大問(wèn)題及其對(duì)工程科技的需求，提出了土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展路徑，指出了面向2035年土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域需要國(guó)家層面部署的重大工程。

2035年；土木工程；結(jié)構(gòu)工程；發(fā)展趨勢(shì)；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展路徑；重大工程

一、前言

土木結(jié)構(gòu)工程是直接面向經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，深刻影響著人居環(huán)境、城鎮(zhèn)化進(jìn)程，以及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議將新型城鎮(zhèn)化建設(shè)作為中國(guó)未來(lái)發(fā)展的重要戰(zhàn)略，城鎮(zhèn)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已成為中國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要引擎。中國(guó)城鎮(zhèn)化亟須從“高速推進(jìn)”轉(zhuǎn)向“品質(zhì)提升”的新階段，土木結(jié)構(gòu)工程作為城鎮(zhèn)化的重要載體和標(biāo)志，創(chuàng)造人居環(huán)境，必將成為中國(guó)城鎮(zhèn)化品質(zhì)提升的核心突破口之一。從現(xiàn)在到2035年，我國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域研究將處于關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期和重要機(jī)遇期。為全面應(yīng)對(duì)未來(lái)20年土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的空前挑戰(zhàn)，從2015年開始，在中國(guó)工程院與國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)共同資助開展的“中國(guó)工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略研究”項(xiàng)目的總體框架下，依托中國(guó)工程院土木、水利與建筑工程學(xué)部，設(shè)立了土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域?qū)ｎ}研究組，對(duì)面向2035年我國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程科技的發(fā)展戰(zhàn)略開展了系列研究，本文綜述了其中的部分研究成果。

二、土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域世界科技先進(jìn)水平

土木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的發(fā)展與本國(guó)的基本國(guó)情和發(fā)展階段密切相關(guān)，因此世界各國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的發(fā)展各具特色，理念也各有差異。例如日本，由于長(zhǎng)期遭受地震災(zāi)害的威脅，因此在抗震技術(shù)方面發(fā)展迅猛，處于世界領(lǐng)先地位，但其總體技術(shù)風(fēng)格和發(fā)展路徑又與美國(guó)頗有差異，在世界上獨(dú)樹一幟。從2015年英國(guó)教育組織Quacquarelli Symonds（QS）頒布的世界學(xué)科排名可以看到，土木結(jié)構(gòu)工程學(xué)科排名前十位的高校中，歐美高校各占3席，中國(guó)及中國(guó)香港高校占2席，日本和新加坡高校各占1席。除了歐美發(fā)達(dá)國(guó)家和日本這些傳統(tǒng)工程科技強(qiáng)國(guó)外，中國(guó)近年來(lái)在土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域所取得的科技成就同樣也從一定程度上反映出本領(lǐng)域的國(guó)際先進(jìn)水平。

（一）中國(guó)大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)結(jié)構(gòu)體系的不斷創(chuàng)新和大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的不斷進(jìn)步

中國(guó)經(jīng)歷了史無(wú)前例的大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為我國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程的科技創(chuàng)新提供了前所未有的機(jī)遇。我國(guó)自主研發(fā)了以鋼–混凝土組合結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等為代表的系列結(jié)構(gòu)新技術(shù)，其綜合指標(biāo)居于世界先進(jìn)水平；在節(jié)約資源、提高安全、改善居住品質(zhì)、減少勞動(dòng)用工等方面優(yōu)勢(shì)顯著。我國(guó)在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和施工關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)際先進(jìn)的核心技術(shù)成果，在材料、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等方面解決了一系列關(guān)鍵的技術(shù)難題[1]，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)極限與傳統(tǒng)認(rèn)知的不斷突破，有力地保障了中國(guó)重大標(biāo)志性工程的建設(shè)水平。

（二）工程結(jié)構(gòu)可靠性、耐久性及全壽命設(shè)計(jì)理念得到初步實(shí)現(xiàn)，并獲得廣泛認(rèn)同

土木工程結(jié)構(gòu)的可靠度理論和方法取得了重要進(jìn)展[2]，在可靠性數(shù)學(xué)[3]的基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展了適用于土木工程結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計(jì)理論體系，為全面提升土木工程結(jié)構(gòu)的安全和可靠性起到了至關(guān)重要的作用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展已成為全球性的重大挑戰(zhàn)。在這一背景下，倡導(dǎo)注重結(jié)構(gòu)耐久性并進(jìn)而發(fā)展為全壽命周期設(shè)計(jì)理論，來(lái)綜合考慮工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)。該方向目前已成為國(guó)內(nèi)外最活躍、最前沿的研究領(lǐng)域之一，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的焦點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。

（三）基于性能的抗震設(shè)計(jì)得到應(yīng)用，抗震試驗(yàn)技術(shù)不斷革新，大規(guī)模結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變模擬得到推廣

土木工程結(jié)構(gòu)抗震是近年來(lái)本領(lǐng)域進(jìn)展最快的方向之一。在美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理署（FEMA）和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的聯(lián)合資助下，美國(guó)科學(xué)家和工程師提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想[4,5]，標(biāo)志著結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法邁向了新的高度。美國(guó)發(fā)起的地震工程模擬網(wǎng)絡(luò)（NEES）計(jì)劃以及日本建造的世界最大規(guī)模振動(dòng)臺(tái)E-Defense強(qiáng)有力地推動(dòng)了結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)作為當(dāng)今世界最重要的結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛接受。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的在線混合試驗(yàn)[6]等新型試驗(yàn)技術(shù)，在揭示復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系地震災(zāi)變機(jī)理方面也取得了滿意的效果。此外，高性能計(jì)算手段的逐步成熟，有力地推動(dòng)了工程結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)不斷向精細(xì)化的方向發(fā)展。

三、面向2035年土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域科技的發(fā)展方向和趨勢(shì)

（一）高性能可持續(xù)土木結(jié)構(gòu)工程將成為未來(lái)發(fā)展的主旋律

近年來(lái)，隨著我國(guó)土木工程建設(shè)規(guī)?？涨皵U(kuò)大，資源能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重、使用壽命短、安全可靠性低、抗災(zāi)能力弱等問(wèn)題已成為我國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。面向2035年土木結(jié)構(gòu)工程所暴露的問(wèn)題，將從結(jié)構(gòu)的安全性轉(zhuǎn)移到工程結(jié)構(gòu)的耐久性、使用壽命、抗災(zāi)能力以及危及地球生態(tài)的資源能源與環(huán)境等。因此，土木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)未來(lái)將以全壽命設(shè)計(jì)理論及方法為主要突破口，重點(diǎn)發(fā)展高性能結(jié)構(gòu)工程，實(shí)現(xiàn)土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展[7]。高性能結(jié)構(gòu)工程針對(duì)不同工程結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境或使用要求下對(duì)其性能的不同要求，應(yīng)具有不同的性能特點(diǎn)和表現(xiàn)形式，例如，面向2035年我國(guó)亟須在大型立體城市集群構(gòu)建、深海工程建設(shè)、新型能源開發(fā)利用、戰(zhàn)略物資儲(chǔ)備、軍事防護(hù)設(shè)施革新等領(lǐng)域取得顛覆性突破，這些領(lǐng)域中的土木結(jié)構(gòu)工程具有巨型化、復(fù)雜化、超高化、系統(tǒng)化的突出特征，因此對(duì)高性能可持續(xù)結(jié)構(gòu)工程提出了更綜合且更復(fù)雜的性能需求。

（二）提升抵御多重災(zāi)害的能力是未來(lái)土木結(jié)構(gòu)工程科技發(fā)展的重要任務(wù)

土木工程推動(dòng)了人類社會(huì)的文明進(jìn)步，同時(shí)也給人類帶來(lái)了災(zāi)害。土木工程是災(zāi)害的主要載體，而土木工程手段則是防災(zāi)減災(zāi)的主要手段。全球地震、臺(tái)風(fēng)、洪水等自然災(zāi)害頻發(fā)，爆炸、火災(zāi)、武器打擊等人為災(zāi)害危機(jī)潛伏，這些都對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的綜合防災(zāi)減災(zāi)提出了更深層次的需求。一方面，土木工程結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來(lái)仍將成為重點(diǎn)的攻關(guān)方向，從過(guò)去的安全單一原則設(shè)計(jì)法，到現(xiàn)在普遍接受的基于性能的設(shè)計(jì)法，未來(lái)將向可恢復(fù)功能乃至可控的目標(biāo)邁進(jìn)，工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理念仍有廣闊的革新空間；另一方面，某一災(zāi)害引起的次生災(zāi)害以及多災(zāi)種的耦合作用，將對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)提出全新的挑戰(zhàn)，多災(zāi)種的物理模型以及全球氣候?yàn)?zāi)變條件下土木工程結(jié)構(gòu)的災(zāi)變模擬與控制將成為該方向的主要難題。

（三）勞動(dòng)力緊缺逼迫土木結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)

面向2035年世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的總體趨勢(shì)是：老齡化問(wèn)題日益突出、勞動(dòng)力持續(xù)減少、人力資本顯著提高，這些趨勢(shì)將對(duì)土木結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)業(yè)形態(tài)產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)業(yè)模式將愈發(fā)無(wú)所適從，破解難題的核心在于提升土木結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率。隨著勞動(dòng)力價(jià)格的不斷攀升，勞動(dòng)力缺口將逼迫土木結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)業(yè)持續(xù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，向工業(yè)化和智能化方向發(fā)展。預(yù)計(jì)到2035年，傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)工程行業(yè)分散的、低水平的、低效率的手工業(yè)生產(chǎn)方式將完全被現(xiàn)代化、智能化、柔性化的制造、運(yùn)輸、安裝和科學(xué)管理的生產(chǎn)方式所取代。同時(shí)，勞動(dòng)生產(chǎn)率將大幅提升，建設(shè)速度將顯著加快，工程成本將逐步降低，工程質(zhì)量將更易控制。

（四）多學(xué)科交叉與多領(lǐng)域協(xié)作助推土木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)創(chuàng)新

土木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)是一項(xiàng)古老的傳統(tǒng)工程技術(shù)，其大規(guī)模、粗放式、以消耗大量人力資源為特征的運(yùn)作模式將愈發(fā)與世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展模式和需求格格不入，未來(lái)土木工程產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)必將發(fā)生翻天覆地的變化，并將以嶄新的面貌展現(xiàn)在世人面前。面向2035年，土木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)將表現(xiàn)出顯著的精細(xì)化與智能化特征，多學(xué)科的交叉融合將為古老的土木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)注入新的活力。先進(jìn)材料科學(xué)與土木結(jié)構(gòu)工程的有機(jī)融合，或?qū)⒁l(fā)高性能土木結(jié)構(gòu)工程材料的革命；先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)與土木結(jié)構(gòu)工程的有機(jī)融合，將實(shí)現(xiàn)土木結(jié)構(gòu)工程建造過(guò)程的自動(dòng)化與智能化，土木結(jié)構(gòu)工程工業(yè)化程度將顯著提升；先進(jìn)控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與土木結(jié)構(gòu)工程的有機(jī)融合，將推動(dòng)精細(xì)化土木結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)方法和健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的深度發(fā)展；先進(jìn)計(jì)算技術(shù)、軟件工程技術(shù)、基礎(chǔ)力學(xué)的發(fā)展與土木結(jié)構(gòu)工程的有機(jī)融合，將為土木結(jié)構(gòu)工程的高性能計(jì)算注入新的活力。此外，土木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)不再局限于在傳統(tǒng)建筑、橋梁、隧道等領(lǐng)域，在和清潔能源、海洋工程、國(guó)防工程等新興領(lǐng)域的廣泛合作中，將催生出一系列全新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)，將成為面向2035年土木結(jié)構(gòu)工程科技進(jìn)步的不竭動(dòng)力。

四、我國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域需要解決的重大問(wèn)題及其對(duì)工程科技的需求

我國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域面臨著可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這一挑戰(zhàn)背后的原因是：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)落后，創(chuàng)新機(jī)制匱乏，原創(chuàng)性土木結(jié)構(gòu)工程理論和方法不足[1]，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的土木結(jié)構(gòu)工程計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件[8]，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系無(wú)法起到引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新的作用。面對(duì)2035年建設(shè)全球化的中國(guó)、安全的中國(guó)、可持續(xù)發(fā)展的中國(guó)、智能化的中國(guó)的迫切需求，土木結(jié)構(gòu)工程科技的發(fā)展必須首先著眼于解決四項(xiàng)需求。

需求一：大力發(fā)展高性能結(jié)構(gòu)工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)土木工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。2009年，中國(guó)工程院設(shè)立的“土木學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀及前沿發(fā)展方向研究”戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目的研究報(bào)告指出：我國(guó)是世界上土木工程資源能源消耗最多的國(guó)家，土木工程行業(yè)已經(jīng)成為國(guó)家單項(xiàng)能耗最大的行業(yè)。每年我國(guó)消費(fèi)全球大約一半的鋼鐵和水泥用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，而水泥和鋼鐵的碳排放量占總排放量的30 %以上，且大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)還產(chǎn)生大量垃圾，土建垃圾數(shù)量已占城市垃圾總量的30 %以上[1]。資源能源約束矛盾日益突出，環(huán)境生態(tài)承載能力逐步逼近極限，因此對(duì)高性能結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的需求與日俱增。所謂高性能結(jié)構(gòu)工程，即指土木結(jié)構(gòu)工程在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)、拆除等全壽命周期的各個(gè)階段，具有高安全性能、高施工性能、高使用性能、高環(huán)保性能、高耐久性能、高維護(hù)性能和高經(jīng)濟(jì)性能，是土木工程可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[7]。

需求二：建立完善土木結(jié)構(gòu)工程綜合防災(zāi)減災(zāi)科技體系，大幅降低土木結(jié)構(gòu)工程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。中國(guó)工程院“土木學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀及前沿發(fā)展方向研究”戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目研究報(bào)告表明：盡管我國(guó)一直以來(lái)對(duì)土木工程防災(zāi)減災(zāi)給予了極大的重視，但隨著人口聚居度的提高和社會(huì)物質(zhì)財(cái)富的不斷積累，防災(zāi)減災(zāi)的形勢(shì)卻日趨嚴(yán)峻。一方面，從近年來(lái)災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀可以看到，災(zāi)害有愈演愈烈的趨勢(shì)；另一方面，為了緩解資源、人口、環(huán)境等壓力，不得不向地下空間、海洋等自然條件更為惡劣復(fù)雜、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)更大的區(qū)域發(fā)展[1]。災(zāi)害面前，土木結(jié)構(gòu)工程科技工作者雖然竭盡全力，但仍然難以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，因?yàn)橛刑嗟目茖W(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題沒(méi)有攻克。面向2035年，國(guó)際化的中國(guó)要求在災(zāi)害防治這一國(guó)際重大危機(jī)事件的處理中有重要話語(yǔ)權(quán)，發(fā)揮關(guān)鍵作用并做出自身貢獻(xiàn)，安全的中國(guó)要求構(gòu)建對(duì)事故和災(zāi)難有較強(qiáng)防御能力的社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，為此，建立完善的土木結(jié)構(gòu)工程綜合防災(zāi)減災(zāi)科技體系刻不容緩。

需求三，構(gòu)建高度現(xiàn)代化與智能化的土木結(jié)構(gòu)工程建造技術(shù)體系，加速土木工程產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。到2035年，中國(guó)將是高度智能化的中國(guó)，土木結(jié)構(gòu)工程建造技術(shù)將逐步展現(xiàn)出現(xiàn)代化、工業(yè)化、智能化的特征。隨著信息化技術(shù)、3D打印技術(shù)以及大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等手段的不斷涌入，土木結(jié)構(gòu)工程將實(shí)現(xiàn)高水平智能化的建造過(guò)程，并由此帶來(lái)節(jié)水、節(jié)能、節(jié)時(shí)、節(jié)材、節(jié)地、節(jié)人等一系列效益，綠色建造以及可持續(xù)建造理念也將得到普及。此外，土木工程產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也將加速轉(zhuǎn)型升級(jí)，傳統(tǒng)意義的量大面廣的混凝土結(jié)構(gòu)由于能效低、勞動(dòng)力成本高、資源能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題將受到挑戰(zhàn)，標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化建造的混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等一系列更符合綠色低碳要求的結(jié)構(gòu)形式，將逐步成為土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的主流。

需求四，突破原創(chuàng)性土木結(jié)構(gòu)工程理論、方法與軟件，構(gòu)建引領(lǐng)先進(jìn)科技潮流的土木結(jié)構(gòu)工程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系。雖然我國(guó)在大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的實(shí)踐中解決了諸多土木工程技術(shù)難題，但正如歐進(jìn)萍和崔俊芝等學(xué)者呼吁：我們解決這些難題的基礎(chǔ)大多是發(fā)達(dá)國(guó)家最早建立的土木工程理論、方法與軟件。例如，一方面，目前在結(jié)構(gòu)工程抗震分析和設(shè)計(jì)中最常用的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、地震反應(yīng)譜等理論方法都由歐美學(xué)者原創(chuàng)，我國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程的分析和計(jì)算對(duì)國(guó)外CAE軟件的依賴程度很高；另一方面，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)作為土木工程建設(shè)的重要技術(shù)依據(jù)和準(zhǔn)則，對(duì)引領(lǐng)技術(shù)方向、保障工程質(zhì)量安全、推廣應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)、提升核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力具有不可替代的重要意義，但我國(guó)土木工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系在頂層設(shè)計(jì)和編撰機(jī)制方面存在諸多不足，因此嚴(yán)重制約了標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性及其引領(lǐng)作用的發(fā)揮[7]。只有突破原創(chuàng)性土木結(jié)構(gòu)工程的理論、方法與軟件，構(gòu)建引領(lǐng)先進(jìn)科技潮流的土木結(jié)構(gòu)工程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系，才能逐步使我國(guó)邁向土木工程強(qiáng)國(guó)之列。

五、土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展路徑

（一）基于技術(shù)預(yù)見的關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別

為篩選面向2035年前后我國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，課題組開展了較大規(guī)模的技術(shù)預(yù)見專家調(diào)查。專家調(diào)查共進(jìn)行兩輪，第一輪調(diào)查前首先通過(guò)廣泛征求行業(yè)內(nèi)專家意見凝練形成了包括15項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的備選技術(shù)清單；根據(jù)第一輪專家調(diào)查結(jié)果，課題組又進(jìn)一步修改備選技術(shù)清單并將備選技術(shù)壓縮至14項(xiàng)，再次交由專家進(jìn)行第二輪調(diào)查。第一輪、第二輪調(diào)查的參與人數(shù)分別為189位和196位。

在所有調(diào)查結(jié)果中，最能反映技術(shù)方向重要性的指數(shù)為技術(shù)與應(yīng)用重要性綜合指數(shù)，兩輪調(diào)查的相關(guān)結(jié)果如圖1所示。從圖1中可清楚地看到，“新型高性能結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵技術(shù)”“土木工程綜合防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)”“基于全壽命期性能的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維技術(shù)”在兩輪調(diào)查中均得到了調(diào)查專家的普遍認(rèn)可，技術(shù)與應(yīng)用重要性綜合指數(shù)位列前三；而“新型高性能結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵技術(shù)”在兩輪技術(shù)預(yù)見調(diào)查中均排名第一。結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新作為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科進(jìn)步的根本源動(dòng)力，應(yīng)當(dāng)作為土木工程領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的最重要突破口。發(fā)展“新型高性能結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵技術(shù)”是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的根本途徑，應(yīng)當(dāng)作為未來(lái)土木結(jié)構(gòu)工程的戰(zhàn)略發(fā)展方向。而“土木工程綜合防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)”和“基于全壽命期性能的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維技術(shù)”是實(shí)現(xiàn)新型高性能結(jié)構(gòu)體系的重要支撐技術(shù)，也必將成為土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)方向。

圖1 技術(shù)與應(yīng)用重要性綜合指數(shù)

（二）土木結(jié)構(gòu)工程科技總體發(fā)展路徑

面向2035年土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域科技發(fā)展的總體架構(gòu)如圖2所示。在2035年國(guó)家新型城鎮(zhèn)化建設(shè)戰(zhàn)略、“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略、可持續(xù)社會(huì)建設(shè)壓力、人口紅利消退等一系列國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情景的大背景下，發(fā)展高性能可持續(xù)土木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)將成為面向2035年我國(guó)土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域科技發(fā)展的核心戰(zhàn)略。多學(xué)科交叉融合將成為未來(lái)土木結(jié)構(gòu)工程科技發(fā)展的突出特征?，F(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)、計(jì)算技術(shù)等將為傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)工程科技發(fā)展帶來(lái)全新的活力。土木結(jié)構(gòu)工程先進(jìn)技術(shù)也將向更廣闊的領(lǐng)域拓展，在清潔能源、海洋工程、軍事防護(hù)、戰(zhàn)略倉(cāng)儲(chǔ)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的支撐作用。預(yù)計(jì)到2035年，土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域?qū)⑷鎸?shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)、現(xiàn)代化與智能化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)、民生保障質(zhì)量提升的發(fā)展愿景。

圖2 面向2035年土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域科技發(fā)展的總體架構(gòu)

1. 核心目標(biāo)

發(fā)展以高安全性能、高施工性能、高使用性能、高耐久性能、高維護(hù)性能和高經(jīng)濟(jì)性能等為特征的高性能結(jié)構(gòu)體系，具體包括立體綜合巨型結(jié)構(gòu)體系、智能結(jié)構(gòu)體系、廣義組合結(jié)構(gòu)體系、功能可恢復(fù)結(jié)構(gòu)體系、綠色生態(tài)結(jié)構(gòu)體系、長(zhǎng)壽命深海結(jié)構(gòu)體系、高性能倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體系、高性能軍事防護(hù)結(jié)構(gòu)體系等。

2. 手段與途徑

理論、試驗(yàn)、計(jì)算仍然是土木結(jié)構(gòu)工程科技研發(fā)的三大支撐手段。在理論方面，通過(guò)系統(tǒng)集成創(chuàng)新，建立與我國(guó)工程結(jié)構(gòu)服役環(huán)境相適應(yīng)的各類結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)理論體系；在工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方面，重點(diǎn)發(fā)展與現(xiàn)代信息及控制技術(shù)相結(jié)合的復(fù)雜惡劣服役環(huán)境條件下的土木結(jié)構(gòu)工程精細(xì)化試驗(yàn)和測(cè)試方法；在工程結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，重點(diǎn)突破現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的高性能計(jì)算方法。

3. 重點(diǎn)突破的核心關(guān)鍵技術(shù)

圍繞高性能結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展目標(biāo)，2035年土木工程領(lǐng)域?qū)⒄莆找慌鷩?guó)際領(lǐng)先的高性能土木結(jié)構(gòu)工程核心關(guān)鍵技術(shù)，其中重點(diǎn)突破高性能與智能材料技術(shù)、綜合防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)、地下空間結(jié)構(gòu)建造技術(shù)、工業(yè)化與綠色建造技術(shù)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)、既有結(jié)構(gòu)性能提升技術(shù)等。

4. 預(yù)計(jì)取得的標(biāo)志性成果

土木結(jié)構(gòu)工程CAE軟件以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系歷來(lái)是反映各國(guó)土木工程科技水平的標(biāo)志性成果，也是制約我國(guó)土木工程科技國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的兩大短板。我國(guó)要邁向世界土木工程強(qiáng)國(guó)之列，就必須在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的土木結(jié)構(gòu)工程CAE軟件以及高水平規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系方面取得突破性進(jìn)展，從而引領(lǐng)國(guó)際土木工程科技的發(fā)展潮流。

六、需在國(guó)家層面部署的重大工程——極端惡劣環(huán)境下巨型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)工程

我國(guó)未來(lái)亟須在立體城市、深海工程、新型能源、戰(zhàn)略儲(chǔ)備、軍事防護(hù)等一系列關(guān)乎國(guó)計(jì)民生和國(guó)家戰(zhàn)略的重大領(lǐng)域取得顛覆性突破。這些領(lǐng)域中的土木結(jié)構(gòu)工程具有巨型化和復(fù)雜化的突出特征，同時(shí)還面臨自然災(zāi)害、極端氣候、武器打擊等各類惡劣復(fù)雜環(huán)境的影響，因此實(shí)施極端惡劣環(huán)境下巨型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)工程意義重大。

研發(fā)適用于大型立體城市集群建設(shè)的超大規(guī)模地下空間結(jié)構(gòu)和空中城市結(jié)構(gòu)新體系；研發(fā)適用于跨海連島工程的新型超大跨度橋梁、深?；A(chǔ)、超長(zhǎng)海底隧道結(jié)構(gòu)新體系；研發(fā)適用于深海資源開發(fā)利用的新型海洋發(fā)電結(jié)構(gòu)和超大規(guī)模漂浮平臺(tái)島嶼結(jié)構(gòu)等新體系；研發(fā)適用于國(guó)家戰(zhàn)略物資儲(chǔ)備的大型糧倉(cāng)、煤倉(cāng)等結(jié)構(gòu)新體系；研發(fā)具有優(yōu)越的抗武器打擊能力的軍事防護(hù)和重大軍事目標(biāo)結(jié)構(gòu)新體系。同時(shí)，還應(yīng)突破各類復(fù)雜惡劣服役環(huán)境和極端災(zāi)害條件下巨型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)工程的試驗(yàn)技術(shù)、計(jì)算方法和設(shè)計(jì)理論。

到2035年，我國(guó)將在極端惡劣環(huán)境下巨型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)工程的核心關(guān)鍵技術(shù)方面取得原創(chuàng)性成果，有力地促進(jìn)土木結(jié)構(gòu)工程與自然圈的和諧發(fā)展。這些原創(chuàng)性成果不僅將解決我國(guó)重點(diǎn)戰(zhàn)略領(lǐng)域中土木結(jié)構(gòu)工程的重大難題，還將在世界范圍內(nèi)發(fā)揮顯著的示范效應(yīng)。

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Development Trends and Path for China’s Civil and Structural Engineering Science and Technology to 2035

Tao Muxuan1, Nie Jianguo2, Fan Jiansheng3, Pan Wenhao1, Wang Jiaji1, Liu Cheng1
(1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of Ministry of Education of the PRC, Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Beijing Engineering Research Center of Steel and Concrete Composite Structures, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

China’s urbanization development needs to shift from rapid growth to quality improvement. As a major carrier and symbol of urbanization, civil and structural engineering will become one of the key development methods for China to improve the quality of its urbanization by creating higher quality living environments. China’s civil and structural engineering will undergo crucial transformations and will embrace important opportunities in the period between now and the year 2035. This paper provides an overall review of world-leading technologies in civil and structural engineering felds; summarizes the development direction and trends of civil and structural engineering technologies to 2035; and identifes pending major issues in China’s civil and structural engineering, along with their demands for engineering science and technology. This paper then proposes key technologies and a development path for civil and structural engineering, and suggests major projects that need to be implemented on a national level for China’s civil and structural engineering to 2035.

2035; civil engineering; structural engineering; development trends; key technology; development path; major projects

TU3

A

2016-12-09；

2016-12-21

陶慕軒，清華大學(xué)土木工程系土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，特別研究員，主要研究方向?yàn)殇摠C混凝土組合結(jié)構(gòu)等；E-mail: taomuxuan@tsinghua.edu.cn

中國(guó)工程院咨詢項(xiàng)目“中國(guó)工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略研究”(2015-ZD-14)、“高性能可持續(xù)結(jié)構(gòu)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究”(2015-ZCQ-09)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(L1522025)

本刊網(wǎng)址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.01.011