探究結(jié)構(gòu)工程的挑戰(zhàn)及發(fā)展,結(jié)構(gòu)工程論文

探究結(jié)構(gòu)工程的挑戰(zhàn)及發(fā)展,結(jié)構(gòu)工程論文ThefutureofstructuralengineeringinChina--high-performancestructuralengineeringAbstract:Developingthehigh-performancestructuralengineeringthatischaracterizedbyexcellentperformanceinsafety,serviceability,workability,environmentalprotection,maintainability,anddurabilityetc.isthecorestrategyforthefuturedevelopmentofstructuralengineeringinChina,andisalsoaninevitablecourseforrealizingthegoalofsustainabledevelopmentinstructuralengineering.ThispaperanalyzestheseverechallengesofstructuralengineeringinChina,andputsforwardthedevelopmentstrategywiththecoreconceptofhigh-performancestructuralengineering.Somekeyissuesrestrictingthedevelopmentofhigh-performancestructuralengineeringinChinaarealsodiscussed.Finally,severalsuggestionsforachievingthestrategicobjectiveofhigh-performancestructuralengineeringarerecommendedfromtheaspectsofboththeengineeringconstructionsystemandthescientificresearchsystem.Keyword:high-performance;structuralengineering;civilengineering;sustainabledevelopment;developmentstrategy;1、我們國家構(gòu)造工程面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)改革開放以來，我們國家大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)對構(gòu)造工程產(chǎn)生宏大需求。隨著一大批標(biāo)志性重大土木工程在我們國家建成、構(gòu)造規(guī)模以及復(fù)雜程度不斷刷新，我們國家構(gòu)造工程在材料、構(gòu)造體系、構(gòu)造設(shè)計(jì)與分析、以及施工等各個方面的科技水平獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，到達(dá)了史無前例的高度。隨著城鎮(zhèn)化工作會議將新型城鎮(zhèn)化建設(shè)作為中國將來發(fā)展的重要戰(zhàn)略，城鎮(zhèn)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將成為中國將來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要引擎，這必將有力推動我們國家構(gòu)造工程新一輪的飛速發(fā)展，并為我們國家構(gòu)造工程學(xué)科水平躋身國際前列提供史無前例的契機(jī)。然而，我們國家土木工程建設(shè)固然獲得了宏大的成就，但在資源能源消耗、環(huán)境保衛(wèi)、使用壽命、安全可靠、抗災(zāi)能力等方面仍存在很多亟待解決的迫切問題，已成為我們國家構(gòu)造工程領(lǐng)域當(dāng)下面臨的重大挑戰(zhàn)。2018年，中國工程院戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目土木學(xué)科發(fā)展現(xiàn)在狀況及前沿發(fā)展方向研究綜合報(bào)告[1]指出：我們國家的建筑能耗占國家全部能耗的32%,已經(jīng)成為國家單項(xiàng)能耗最大的行業(yè)；每年我們國家消耗全球一半的鋼鐵和水泥用于建筑業(yè)，而水泥和鋼鐵的碳排放量占到總排放量的30%以上；我們國家大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，我們國家建筑垃圾的數(shù)量已占到城市垃圾總量的30%~40%.我們國家存在大量建筑、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)未到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限就嚴(yán)重劣化，耐久性堪憂。浙江大學(xué)于2004年開展的構(gòu)造耐久性調(diào)查[2]表示清楚，我們國家東南沿海地區(qū)興建的大量公路橋梁存在嚴(yán)重的耐久性問題，兼顧不同的建成年份、構(gòu)造型式和規(guī)模選擇的37座代表性橋梁中基本完好的僅2座。我們國家土木工程事故頻發(fā)，橋梁垮塌、腳手架坍塌等時有發(fā)生，表示清楚安全可靠這一最基本的構(gòu)造性能要求仍未完全解決。作為世界上自然災(zāi)禍多發(fā)的國家之一，我們國家面臨的災(zāi)禍風(fēng)險(xiǎn)日趨嚴(yán)重，華而不實(shí)土木工程作為災(zāi)禍的主要載體，負(fù)有難以推卸的責(zé)任。構(gòu)造工程近年來暴露出來的上述種種問題，和當(dāng)今世界可持續(xù)發(fā)展〔sustainabledevelopment〕的大潮流是不相稱的，不僅難以保持構(gòu)造工程本身的長期協(xié)調(diào)發(fā)展，而且還將損害子孫后代的長遠(yuǎn)利益?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是人類社會經(jīng)歷近半個世紀(jì)的教訓(xùn)與爭論所逐步構(gòu)成的共鳴。1962年，雷切爾卡遜發(fā)表(寂靜的春天〕[3]幅議論構(gòu)件的設(shè)計(jì)，卻很少議論構(gòu)造體系的選型及其創(chuàng)新。這種重構(gòu)件、輕體系的大環(huán)境必然導(dǎo)致構(gòu)造工程師的構(gòu)件計(jì)算能力強(qiáng)、而裝配集成能力弱。3.9構(gòu)造實(shí)際受力狀態(tài)與計(jì)算模型差距大必須成認(rèn)，我們國家當(dāng)下的構(gòu)造工程計(jì)算仍然是比擬粗糙的，主要表現(xiàn)為構(gòu)造實(shí)際受力狀態(tài)與計(jì)算模型差距大。例如，樓板是建筑構(gòu)造中非常重要的構(gòu)件，也是受力狀態(tài)非常復(fù)雜的構(gòu)件，在實(shí)際工程的計(jì)算中往往無法充分考慮樓板作用，這將可能導(dǎo)致高估自振周期、低估地震作用和構(gòu)造位移響應(yīng)、錯判構(gòu)造整體變形特征、薄弱樓層位置、出鉸位置和順序、毀壞機(jī)制、塑性損傷深度等[18];汶川地震中發(fā)現(xiàn)大量建筑物強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)意圖沒有實(shí)現(xiàn)，究其原因之一是由于沒有充分考慮樓板對梁端抗彎承載力的奉獻(xiàn)；某超高層建筑由于考慮了樓板作用對外框抗側(cè)剛度的奉獻(xiàn)，在知足同等外框剛度的要求下，相比不考慮樓板作用奉獻(xiàn)的方案節(jié)省用鋼量1800余噸。連梁是超高層建筑在地震作用下的重要耗能原件，但往往由于其高跨比大，剪切非線性和滑移非線性效應(yīng)顯著，毀壞形態(tài)復(fù)雜，然而實(shí)際工程中仍普遍采用傳統(tǒng)梁單元來計(jì)算，由此將造成構(gòu)造體系地震耗能計(jì)算結(jié)果的顯著偏差。基于仿真的工程科學(xué)〔simulation-basedengineeringscience〕將成為將來各國工程科技搶奪的全新制高點(diǎn)[19],但我們國家當(dāng)前實(shí)際工程中的構(gòu)造計(jì)算還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到達(dá)仿真的高度，華而不實(shí)最具仿真味道的構(gòu)造彈塑性分析由于和計(jì)算者的素質(zhì)關(guān)系極大、同時又缺乏統(tǒng)一的施行標(biāo)準(zhǔn)，至今仍處在非常輔助的地位。因而，大力發(fā)展構(gòu)造體系精細(xì)化模擬的高效數(shù)值模型已成為我們國家構(gòu)造工程領(lǐng)域非常緊迫的任務(wù)。3.10治標(biāo)多、治本少，標(biāo)本兼治不夠在構(gòu)造工程領(lǐng)域，面對很多長期以來未得到妥善解決的工程難題，我們有必要反思能否從根本源頭上考慮構(gòu)成這些難題的原因，并嘗試從源頭上加以解決。假如我們只注重外表功夫，治標(biāo)不治本，亦或是頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳,那么我們將始終無法在構(gòu)造工程重大工程難題方面獲得突破性進(jìn)展。正交異性鋼橋面的疲憊問題就是典型一例，有很多學(xué)者專注于U肋以及橫隔板處的局部構(gòu)造，取出各類疲憊細(xì)節(jié)進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，或是動用大型疲憊試驗(yàn)機(jī)對橋面構(gòu)造進(jìn)行疲憊加載試驗(yàn)，還有學(xué)者將該問題怪罪于頻繁超載，并建議進(jìn)一步增加橋面板板厚來應(yīng)對這一問題。當(dāng)然，這些努力對改善正交異性鋼橋面的疲憊性能起到了一定的作用，但未從根本源頭上予以解決，由于這一問題反映的是正交異性鋼橋面這種構(gòu)造形式的固有缺陷，必須從構(gòu)造形式的原始創(chuàng)新入手，才能實(shí)現(xiàn)標(biāo)本兼治.大跨度混凝土連續(xù)橋或剛構(gòu)橋的長期下?lián)蠁栴}是困擾橋梁工程界的另一難題，這也是全世界普遍存在的難題[5],當(dāng)前主要采用施工階段嚴(yán)格控制線形、設(shè)置預(yù)拱度等方式加以控制，同時還有學(xué)者提出優(yōu)化預(yù)應(yīng)力束布置、改良混凝土收縮徐變計(jì)算、加強(qiáng)變形監(jiān)控與合攏控制等建議，但筆者以為，假如不從構(gòu)造形式本身加以革新，很難徹底解決這一問題。4、實(shí)現(xiàn)高性能構(gòu)造工程戰(zhàn)略目的的對策建議4.1對我們國家工程建造體系的建議首先，應(yīng)盡快建立健全重大土木工程方案階段的論證決策機(jī)制。重大土木工程建設(shè)牽涉多個專業(yè)互相協(xié)同，當(dāng)前的現(xiàn)在狀況為：建筑專業(yè)為龍頭，其他專業(yè)作配合，建筑方案首先確定，其他專業(yè)再圍繞既定的建筑方案進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，那么一旦建筑方案不合理，其他專業(yè)再努力彌補(bǔ)也是杯水車薪。建筑方案如此重要，其甄選本應(yīng)慎之又慎，但當(dāng)前這個環(huán)節(jié)卻缺乏科學(xué)嚴(yán)格的論證決策機(jī)制。為此建議：超過一定投資規(guī)模的重大土木工程建設(shè)項(xiàng)目必須在方案階段啟動嚴(yán)格的論證決策機(jī)制，組織包括規(guī)劃、建筑、構(gòu)造、施工、環(huán)境等一系列相關(guān)專業(yè)的專家開展論證，其最終決策應(yīng)遵循重大行政決策的法定程序。其次，應(yīng)加速推進(jìn)土木工程設(shè)計(jì)-施工總承包。當(dāng)下我們國家土木工程的設(shè)計(jì)和施工分別獨(dú)立承包、互相割裂，這種形式的弊端已日益突出：①直接阻礙從全壽命的角度評價項(xiàng)目的優(yōu)劣，容易造成建造各環(huán)節(jié)的總體浪費(fèi)。例如：設(shè)計(jì)方案只單純控制設(shè)計(jì)階段的材料成本，其施工措施費(fèi)、建成后的維養(yǎng)費(fèi)、以及工期等包含的隱性費(fèi)用卻可能很高，而很多更先進(jìn)的方案固然在設(shè)計(jì)階段的材料成本較高，但全壽命造價卻很低，而按當(dāng)前的承包形式，這些先進(jìn)方案均無競爭力；②直接影響項(xiàng)目建設(shè)的綜合質(zhì)量。設(shè)計(jì)方不熟悉或不重視施工，不考慮施工的可行性和安全性，而施工方不熟悉設(shè)計(jì)經(jīng)過，采取違犯設(shè)計(jì)意圖的施工措施，最終導(dǎo)致質(zhì)量、工期和造價失控。為此建議：①盡快健全完善設(shè)計(jì)-施工總承包配套法律法規(guī)，加強(qiáng)設(shè)計(jì)-施工總承包政策引導(dǎo)，推行全壽命周期成本控制評價標(biāo)準(zhǔn)，激發(fā)總承包企業(yè)的積極性；②培育高水平的具備設(shè)計(jì)施工綜合素質(zhì)以及統(tǒng)籌協(xié)調(diào)管理能力的總承包企業(yè)及相應(yīng)的人才隊(duì)伍，調(diào)整勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理企業(yè)的經(jīng)營構(gòu)造，加強(qiáng)其綜合競爭實(shí)力。最后，應(yīng)加強(qiáng)土木工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層設(shè)計(jì)，改革現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)編撰機(jī)制。當(dāng)前土木工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系由于在頂層設(shè)計(jì)和編撰機(jī)制方面存在缺乏，制約了標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性及其引領(lǐng)作用的發(fā)揮：①標(biāo)準(zhǔn)的修訂周期過長，無法反映最新科技成果，嚴(yán)重滯后工程實(shí)踐的需求；②我們國家土木工程標(biāo)準(zhǔn)的編撰和修訂組織工作長期被某些固定部門或單位主持，且互相之間缺乏協(xié)調(diào)和溝通，由此導(dǎo)致技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系不清，不同規(guī)范間內(nèi)容穿插重疊甚至存在矛盾，先進(jìn)技術(shù)難以被充分吸收；③針對標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵條文缺乏長期深切進(jìn)入的原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究和廣泛充分的調(diào)研，編撰時缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論證。為此建議：①縮短標(biāo)準(zhǔn)修訂周期，理想的修訂周期宜控制在五年內(nèi)；②標(biāo)準(zhǔn)的編撰工作應(yīng)向全社會各部門或單位開放；③國家科技項(xiàng)目應(yīng)加強(qiáng)專門針對標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵條文的基礎(chǔ)研究和調(diào)研投入；④規(guī)范發(fā)行所獲利潤宜用于標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)工作，以改變當(dāng)前參編標(biāo)準(zhǔn)人員自帶餐票的尷尬局面。4.2對我們國家工程科技研發(fā)體系的建議首先，應(yīng)注重科研成果的創(chuàng)新性、系列性、系統(tǒng)性和完好性，堅(jiān)持科研工作源于工程、服務(wù)工程、高于工程、指導(dǎo)工程、引領(lǐng)工程。當(dāng)下，我們國家構(gòu)造工程領(lǐng)域的科研成果主要存在如下問題：①只注重工程個性，簡單圍繞某類工程展開重復(fù)研究；②立項(xiàng)滯后于工程迫切需求，成果經(jīng)常為設(shè)計(jì)施工經(jīng)過的簡單總結(jié)；③閉門造車，不結(jié)合工程需求，為了創(chuàng)新而創(chuàng)新；④原始創(chuàng)新不夠，形式創(chuàng)新偏多；⑤成果實(shí)用性不強(qiáng)，推廣應(yīng)用困難；⑥碎片式成果多，大成果、系統(tǒng)成果少，達(dá)不到應(yīng)用水平；⑦成果轉(zhuǎn)化渠道不暢通，華而不實(shí)過時的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是屏障之一。當(dāng)下，我們國家每個重大土木工程都設(shè)立科研項(xiàng)目支持攻關(guān)，看似特別熱鬧，但重復(fù)研究比擬多且水平有待提高，很多關(guān)鍵技術(shù)研究投入不少，但沒有很好地解決工程的同類問題，原因是沒有出系統(tǒng)的成果。其次，科研工作應(yīng)嚴(yán)密結(jié)合中國國情，突出中華特點(diǎn)，解決中國問題。與西方國家相比，我們國家社會文化不同、國土資源不同、地理環(huán)境不同、發(fā)展階段不同、發(fā)展水平不同、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)不同，因而簡單照搬國外經(jīng)歷體驗(yàn)是解決不了中國的問題，必須自力更生。洋為中用必不可少，但一些洋不一定適用于中國，要避免吃國外的藥不治中國的病.科學(xué)無國界千真萬確，但必須成認(rèn)科學(xué)家有國籍的事實(shí)，任何一個國家的科學(xué)家的任務(wù)都是要首先服務(wù)于本國科技、社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中碰到的難題，尤其是土木工程科技專家，更有服務(wù)本國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的責(zé)任和義務(wù)，在嚴(yán)密結(jié)合國家需求的基礎(chǔ)上做出引領(lǐng)的成果。著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家、教育家陳岱孫先生1926年在美國哈fo大學(xué)完成的博士論文題目為：馬薩諸塞州地方開支和人口密度的關(guān)系,充分具體表現(xiàn)出了科研工作嚴(yán)密結(jié)合國家和地方的發(fā)展需求，而這樣的科研經(jīng)歷同樣成就了陳岱孫先生享譽(yù)海內(nèi)外的經(jīng)濟(jì)學(xué)家地位。最后，科技政策應(yīng)遵循科技工作的基本規(guī)律。①在科研立項(xiàng)方面，應(yīng)鼓勵原始創(chuàng)新，跟蹤國際熱門很重要，但創(chuàng)造熱門更重要，創(chuàng)造熱門有可能成為引領(lǐng)者，加強(qiáng)對可能成為引領(lǐng)者的關(guān)注和支持，這就需要在確定科技項(xiàng)目立項(xiàng)指南時注重前瞻性、開放性、包涵性、延續(xù)性和可持續(xù)性，鼓勵獨(dú)立考慮，百家爭鳴，不可急功近利，盡可能營造十年磨一劍的科研氣氛，建立鼓勵十年磨一劍的長效機(jī)制。土木工程的科技工作必須堅(jiān)持不趕時髦，不隨大流，不湊熱鬧，不湊數(shù)量；②在項(xiàng)目管理方面，應(yīng)創(chuàng)新出大成果、出系統(tǒng)成果、出專家的管理機(jī)制，進(jìn)一步完善同行評議和考評機(jī)制，充分發(fā)揮專家作用，弱化行政干涉，簡化項(xiàng)目申請程序，適當(dāng)延長考評〔評估〕周期，簡化考評環(huán)節(jié)，確保科技工作者的科研時間；③在科技成果及工程科技人才評價方面，應(yīng)充分考慮構(gòu)造工程學(xué)科實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，避免照搬歐美等國基礎(chǔ)學(xué)科指標(biāo)〔例如SCI論文數(shù)、影響因子、H因子等〕來單一而機(jī)械化地評價構(gòu)造工程的成果和人才水平，鼓勵出綜合成果，出系統(tǒng)成果，出大成果，解決大問題。梁思成和林微因先生從20世紀(jì)30年代到40年代，用15年時間，走遍190個縣，對2738處古建進(jìn)行實(shí)地考察勘測，住過寺廟，最終寫成了(中國建筑史〕，長期艱辛的實(shí)踐成就了這部鴻篇巨著，而我們國家的構(gòu)造工程學(xué)科恰恰缺少的是這樣的大成果，究其原因是由于深切進(jìn)入實(shí)踐缺乏，紙上談兵偏多。5、結(jié)束語發(fā)展以高安全性能、高使用性能、高經(jīng)濟(jì)性能、高施工性能、高環(huán)保性能、高維護(hù)性能、高抗災(zāi)性能、高耐久性能等為特征的高性能構(gòu)造工程將成為我們國家將來構(gòu)造工程發(fā)展的核心戰(zhàn)略，也是實(shí)現(xiàn)我們國家構(gòu)造工程可持續(xù)發(fā)展的必由之路。土木工程屬于社會作品，是人類的共同財(cái)富，構(gòu)造工程從業(yè)人員應(yīng)該以高度的社會責(zé)任感和責(zé)任感、高尚的職業(yè)道德以及對子孫后代高度負(fù)責(zé)的態(tài)度，履行自個的相關(guān)職責(zé)，使土木工程更安全、更適用、更經(jīng)濟(jì)、更綠色、更耐久、更美觀。很多前輩和專家一直以來都在強(qiáng)調(diào)我們國家土木工程需要從粗放走向精細(xì),從大國邁向強(qiáng)國,筆者經(jīng)過長期的現(xiàn)場調(diào)研和反復(fù)深切進(jìn)入的考慮，建議還應(yīng)強(qiáng)調(diào)從感性到理性,從繁榮到文明,由于我們國家當(dāng)下一些土木工程很感性，但并不理性，我們國家當(dāng)下土木工程規(guī)模之大史無前例，看似一片繁榮景象，但距離文明仍有差距，另外，我們國家土木工程同樣還需要從制造走向創(chuàng)造.以下為參考文獻(xiàn)[1]中國工程院土木、水利與建筑工程學(xué)部。土木學(xué)科發(fā)展現(xiàn)在狀況及前沿發(fā)展方向研究[M].北京：人民交通出版社，2020〔AcademicDivisionsofCivilEngineering,HydraulicEngineering,andArchitecturalEngineering,ChineseAcademyofEngineering.Thedevelopmentstatusandfrontiersofcivilengineering[M].B