深入科研寄夢 擇“土木”以踐志
——記清華大學(xué)副教授張熠

倪海波

“青年是祖國的前途、民族的希望、創(chuàng)新的未來。青年一代有理想、有本領(lǐng)、有擔(dān)當(dāng)，科技就有前途，創(chuàng)新就有希望?！?/p>

——習(xí)近平

張熠

2018年的夏天，清華大學(xué)迎來了一位海歸學(xué)者——張熠。他是一位充滿朝氣卻踏實(shí)內(nèi)斂的青年科研者，他沉穩(wěn)、自信卻又“野心勃勃”。無論是年少時(shí)選擇出國留學(xué)，還是如今選擇回國踐志，用青春夢想、實(shí)際行動為“中國夢”的實(shí)現(xiàn)奉獻(xiàn)力量一直是他奮斗的目標(biāo)。為了目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，他然荻讀書、潛精積思、勇于創(chuàng)新，在土木工程領(lǐng)域進(jìn)行了深入的科研探索，并取得了一系列創(chuàng)新成果。

寄情“土木”科研

2018年9月，張熠入職清華大學(xué)土木工程系防災(zāi)減災(zāi)工程研究所，擔(dān)任教研系列副教授。在這之前，他已經(jīng)旅居海外10多年，在土木工程領(lǐng)域有著海外多國求學(xué)深造背景和多學(xué)科交叉的科研工作經(jīng)歷。其研究方向涉及結(jié)構(gòu)可靠性分析、海洋結(jié)構(gòu)工程、不確定性分析和模糊量化、巖土工程、港口經(jīng)濟(jì)、港口風(fēng)險(xiǎn)管理等。

土木工程是為人類生產(chǎn)生活提供服務(wù)的各種工程設(shè)施，在工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工中，可靠性和穩(wěn)定性是首要因素。工程結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長的使用期內(nèi)，不但需要安全可靠地承受設(shè)備、人群、車輛等使用載荷，還要經(jīng)受風(fēng)、雨、冰、雪、日照、波浪、水流、地震等自然環(huán)境的作用，保證工程結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的安全性不僅事關(guān)生命財(cái)產(chǎn)安全，還關(guān)系到社會生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

“建筑結(jié)構(gòu)的荷載和它本身的材料會隨著環(huán)境的變化產(chǎn)生變化，在這種變化下，需要對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期的觀測，去評估它的可靠性，進(jìn)行一定的科學(xué)研究，以確保它在服役期內(nèi)的功能性和安全性。我的主要研究內(nèi)容就是通過一些數(shù)學(xué)和工程方面的知識對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期的性能評估。”張熠深入淺出地介紹著自己的專業(yè)。

博士期間，張熠師從Michael BEER教授（現(xiàn)任漢諾威風(fēng)險(xiǎn)研究所所長）和QUEK Ser Tong教授（現(xiàn)任新加坡國立大學(xué)土木工程學(xué)院院長），主攻方向?yàn)楹Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)可靠性。結(jié)合新加坡自然觀測數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)可靠度理論，張熠提出了關(guān)于copula的多變量模型在結(jié)構(gòu)長期可靠度分析的簡化方法，并結(jié)合可靠度計(jì)算的步驟提出了一種分割subcopula模型的計(jì)算方法。利用這種算法，在估計(jì)海洋結(jié)構(gòu)的生命周期計(jì)算中，可減少近80%的計(jì)算量。之后，利用模糊模型對結(jié)構(gòu)受長期腐蝕造成的結(jié)構(gòu)損失，他提出了一種基于結(jié)構(gòu)腐蝕不確定性大小的穩(wěn)固性評估方法。利用這一理論，在分析結(jié)構(gòu)的安全性上，增加了對不確定性大小對于整體結(jié)構(gòu)安全的考量。因此，可以針對不同的不確定性模型進(jìn)行相應(yīng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

博士畢業(yè)后，張熠先后在新加坡南洋理工大學(xué)、日本京都大學(xué)和德國漢諾威大學(xué)擔(dān)當(dāng)高級研究員，在新加坡教育部、日本學(xué)術(shù)振興會、德國洪堡基金會的支持下獨(dú)立開展了土木可靠度領(lǐng)域的大量研究，在方法分析、實(shí)例運(yùn)用方面做了大量工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并取得了一系列研究成果。

基于實(shí)際工程問題，張熠分析了不同不確定性模型對于同一可靠度問題的處理方法。這包括利用切比雪夫不等式(Chebyshev's inequality)、區(qū)間模型、模糊模型以及隨機(jī)子集在內(nèi)的數(shù)據(jù)融合方法。結(jié)果表明根據(jù)數(shù)據(jù)所有量的大小，應(yīng)采取不同的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)的概率模型在很多方面尤其是對極值的估計(jì)上不夠保守，達(dá)不到結(jié)構(gòu)安全分析的要求。由此，他提出了在可靠度分析方面不確定性模型的選取與數(shù)據(jù)量之間的關(guān)系。

在時(shí)變環(huán)境下的可靠度分析方法中，張熠提出了基于時(shí)間分割（time series discretization）的可靠度分析方法。他利用外在環(huán)境荷載隨時(shí)間尤其是季節(jié)變化的統(tǒng)計(jì)特性，將不同時(shí)段的結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行分段分析；通過闕值模型，有效地估計(jì)出了失效概率的時(shí)變特性。此外，結(jié)合可靠度理論以及港口物流管理，他還提出了計(jì)算港口在災(zāi)害影響下的經(jīng)濟(jì)損失模型；通過對颶風(fēng)災(zāi)害的研究，將港口以及港口集群產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了詳細(xì)估計(jì)。這為地區(qū)性經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析及管理提供了可能。

基于這些學(xué)術(shù)成果，張熠發(fā)表SCI國際期刊論文37篇，2篇入選ESI，WoS個(gè)人H因子為11；發(fā)表國際會議論文18篇，另有3篇國際刊物章節(jié)。

展望“韌性城市”

在土木領(lǐng)域，無論是哪個(gè)方向的科學(xué)研究，成果落地、實(shí)地踐行是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。博士后期間，在理論創(chuàng)新的同時(shí)，張熠大量地參與到工程應(yīng)用方面的工作中，將自己所學(xué)變?yōu)榭蒲谐晒麘?yīng)用在了多個(gè)海外重點(diǎn)國家級項(xiàng)目之上，取得了多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新成果。

在對新加坡裕廊島的基建規(guī)劃項(xiàng)目中，張熠將Petri Net跟蹤分析利用到對裕廊島工業(yè)集群的基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評估當(dāng)中。他通過跟新加坡政府合作，對整個(gè)裕廊島產(chǎn)業(yè)集群對于基建的依賴程度，提出了基建維護(hù)及檢查的規(guī)劃方案，大大降低了新加坡裕廊島一帶工業(yè)集群因?yàn)榛ㄊФa(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。

2015年，張熠入選日本學(xué)術(shù)振興會“JSPS 特別研究員計(jì)劃”，獲得前往日本為期2年的科研工作機(jī)會。在這期間，他通過對日本姬路縣有年橋的長期健康監(jiān)測，加強(qiáng)了老化結(jié)構(gòu)的安全控制。有年橋是日本姬路縣內(nèi)的一座重要的大型跨河大橋，已有60年之久的使用歷史且存在大量老化現(xiàn)象。張熠在對有年橋的觀測中，準(zhǔn)確地預(yù)測了橋梁未來的老化強(qiáng)度，延長了有年橋的使用壽命，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，為日本政府在老化橋梁結(jié)構(gòu)的管理上撰寫了長期維護(hù)報(bào)告。除此之外，張熠還將數(shù)字化技術(shù)引入到了基建設(shè)施的監(jiān)測當(dāng)中。他幫助京都大學(xué)開發(fā)了一款可以直接利用手機(jī)來對路面狀況進(jìn)行評估和檢測的手機(jī)APP，軟件可以利用手機(jī)自帶的加速度傳感器來測量車輛在行駛當(dāng)中的顛簸程度來衡量路面的狀況，并根據(jù)手機(jī)的GPS功能將路面狀況及時(shí)更新到Google Map當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)地圖同步更新。這大大減少了實(shí)地測量所需的儀器要求，并有效地利用了社會資源。目前軟件已在北愛爾蘭進(jìn)行測試，將來有望實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

這些產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新工作讓張熠積累了豐富的科研經(jīng)驗(yàn)，為他回國后的科研工作奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。建筑結(jié)構(gòu)可靠性分析、安全評估是我國未來在綠色建筑方向發(fā)展不可或缺的方向，分析并提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性也是防災(zāi)減災(zāi)工作的關(guān)鍵所在。張熠加入清華大學(xué)土木工程系防災(zāi)減災(zāi)工程研究所后，結(jié)合過往經(jīng)驗(yàn)，將重點(diǎn)在數(shù)字防災(zāi)減災(zāi)方面展開工作。

近年來，防災(zāi)減災(zāi)越來越重視承災(zāi)體是否具有不依靠或少依靠外部援助而“反彈”或恢復(fù)的能力，從而提出“韌性”概念并掀起了建設(shè)“韌性城市”的新浪潮。說起“韌性城市”之前不得不先提到“海綿城市”。隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)腳步的加快，城市這個(gè)開放的復(fù)雜系統(tǒng)面臨的不確定性因素和未知風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增加。尤其是近年來由于氣候變化，各種自然災(zāi)害頻登舞臺，對城市的影響也越來越嚴(yán)重。而城市的建筑設(shè)施因?yàn)楦鞣N不同的原因逐步顯現(xiàn)出老化、容量不足等問題。在突如其來的災(zāi)害面前，城市表現(xiàn)出了極大的脆弱性，這逐漸成為制約我國城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。2013年，我國在華沙氣候大會上正式在城市層面提出建設(shè)“海綿城市”，即城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將儲存的水“釋放”并加以利用。而“韌性城市”進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了對城市災(zāi)害的“適應(yīng)”。

“‘韌性城市’就是指城市或城市的建筑能夠化解和抵御災(zāi)害，保持其主要特征和功能不受到明顯的影響。也就是說，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，城市可以快速地應(yīng)對、恢復(fù)，保持城市的正常運(yùn)行。‘韌性’越高的城市在面對災(zāi)害時(shí)損失越小，恢復(fù)得也越快?！睆堨诮忉屨f。

“韌性城市”的概念產(chǎn)生于21世紀(jì)初，是清華大學(xué)土木工程系多年來一直致力的方向，也是張熠回國后的重點(diǎn)方向之一。目前，相關(guān)研究正在進(jìn)行當(dāng)中，他坦言，希望自己可以在這一方面能做出一些成績，貢獻(xiàn)一分力量。

家國情懷永存

回國后的張熠一直處于忙碌的狀態(tài)，盡管在海外生活了10多年，但這并沒有讓他對國內(nèi)的生活和工作產(chǎn)生多少不適應(yīng)?！皩W(xué)有所成，回國效力”是這位年輕的教授少年選擇出國的理由，也是青年選擇回國的原因。就像法國著名微生物學(xué)家、化學(xué)家巴斯德所說“科學(xué)雖沒有國界，但是學(xué)者卻有他自己的國家”，張熠的去與歸都包含著他對祖國的熱愛。

“當(dāng)時(shí)選擇出國是希望自己能借助出國留學(xué)的機(jī)會，可以學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的知識和技術(shù)，然后回國后可以更好地為我國做一些事情。我當(dāng)時(shí)也覺得，土木工程領(lǐng)域?qū)ξ覈?，是一個(gè)非常有需求的領(lǐng)域。如果能夠跟國際接軌，將國際領(lǐng)先技術(shù)引入我國，可以大大提升我國有關(guān)土木技術(shù)的應(yīng)用水平?！痹诨貒?，張熠也曾收到國外一些高校的邀請，但稍作考慮后，他還是決定回國發(fā)展。因?yàn)樵趶堨诳磥?，讀書人最高的追求是為國效力，通過提升自己的能力為國家做些有益的事情是非常光榮的。回國后，他也常常這樣對學(xué)生說。

“我在國外待了這么多年，也去過一些國家，可以說各有各的好，但是無論我去哪里，終究還是覺得‘家’里好，最愛的還是自己的國家?！睆堨诔Ｕf，有些人總是夸國外的條件好，但其實(shí)“國外的月亮并沒有比較圓”。他曾在新加坡的一家餐館見到餐館老板對華人服務(wù)員大喊：“你滾回中國去！”他也曾在日本見過一位華人女孩兒說自己絕不會嫁給中國人。這兩件事情都讓張熠覺得憤怒和難過。他常常教導(dǎo)學(xué)生，作為一個(gè)中國人，一定不能崇洋媚外，也絕不能丟掉自己的民族自尊心?！皣獾拇_有很多值得我們學(xué)習(xí)的地方，但是我們還要客觀地看問題，崇洋媚外并不能讓中國人得到應(yīng)有的尊重。我們一定要有民族自尊心，要保持國格、人格。我們要做的就是加快腳步讓自己強(qiáng)大起來，只有強(qiáng)大起來才能得到應(yīng)有的尊重，才會有更大的話語權(quán)。”

教書先育人，回國后，張熠常常把自己在海外求學(xué)工作的所見所感與學(xué)生們分享，除了一些本科課程，他還負(fù)責(zé)培養(yǎng)兩名博士生，盡管忙碌，他卻倍感充實(shí)。海外的求學(xué)經(jīng)歷讓張熠在教育上更加開放，他坦言，他不會強(qiáng)行給學(xué)生制定任務(wù)，而是給學(xué)生適當(dāng)?shù)淖杂煽臻g和時(shí)間，讓他們選擇做自己感興趣的研究。在這個(gè)過程中，他會在適當(dāng)?shù)牡胤竭M(jìn)行一定的指導(dǎo)，他希望學(xué)生能夠具有獨(dú)立做科研、獨(dú)立創(chuàng)造的能力。

張熠說：“科研就是一個(gè)厚積薄發(fā)的過程，你可能會經(jīng)歷一個(gè)看不到任何成果的階段，但是等你熬過那段時(shí)間，你就會慢慢看見收獲。我在博士5年間只發(fā)過3篇論文，但是博士畢業(yè)后的1年內(nèi)卻發(fā)了七八篇論文。所以，我也跟我的兩個(gè)博士生講，我希望他們以后是比我強(qiáng)的，要比我懂得多。讀博是需要承受一定的壓力的，畢業(yè)壓力、工作壓力都有。甚至，在科研上，你熬破腦袋都做不出成果的情況也會時(shí)常發(fā)生。但是不管做什么工作，前期的基礎(chǔ)必須要扎實(shí)。尤其是科研這條路，不能著急，必須要沉下心來，一步一個(gè)腳印地走。只要做好自己的工作，很多事情都是水到渠成的。”

我國橋梁專家茅以升說過：“對搞科學(xué)的人來說，勤奮就是成功之母?！眲傔^而立之年的張熠還很年輕，在科研這條漫漫長路上，他不曾著急，也不曾懈怠，他一直在路上并將在路上，堅(jiān)定且奮發(fā)。