探究结构工程的挑战及发展,结构工程论文

探究结构工程的挑战及发展,结构工程论文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、我们国家构造工程面临的严峻挑战改革开放以来，我们国家大规模基础设施建设对构造工程产生宏大需求。随着一大批标志性重大土木工程在我们国家建成、构造规模以及复杂程度不断刷新，我们国家构造工程在材料、构造体系、构造设计与分析、以及施工等各个方面的科技水平获得了突飞猛进的发展，到达了史无前例的高度。随着城镇化工作会议将新型城镇化建设作为中国将来发展的重要战略，城镇与基础设施建设将成为中国将来经济社会发展的重要引擎，这必将有力推动我们国家构造工程新一轮的飞速发展，并为我们国家构造工程学科水平跻身国际前列提供史无前例的契机。然而，我们国家土木工程建设固然获得了宏大的成就，但在资源能源消耗、环境保卫、使用寿命、安全可靠、抗灾能力等方面仍存在很多亟待解决的迫切问题，已成为我们国家构造工程领域当下面临的重大挑战。2018年，中国工程院战略咨询项目土木学科发展现在状况及前沿发展方向研究综合报告[1]指出：我们国家的建筑能耗占国家全部能耗的32%,已经成为国家单项能耗最大的行业；每年我们国家消耗全球一半的钢铁和水泥用于建筑业，而水泥和钢铁的碳排放量占到总排放量的30%以上；我们国家大规模的基础设施建设产生了大量的建筑垃圾，我们国家建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的30%~40%.我们国家存在大量建筑、桥梁等基础设施远未到达设计使用年限就严重劣化，耐久性堪忧。浙江大学于2004年开展的构造耐久性调查[2]表示清楚，我们国家东南沿海地区兴建的大量公路桥梁存在严重的耐久性问题，兼顾不同的建成年份、构造型式和规模选择的37座代表性桥梁中基本完好的仅2座。我们国家土木工程事故频发，桥梁垮塌、脚手架坍塌等时有发生，表示清楚安全可靠这一最基本的构造性能要求仍未完全解决。作为世界上自然灾祸多发的国家之一，我们国家面临的灾祸风险日趋严重，华而不实土木工程作为灾祸的主要载体，负有难以推卸的责任。构造工程近年来暴露出来的上述种种问题，和当今世界可持续发展〔sustainabledevelopment〕的大潮流是不相称的，不仅难以保持构造工程本身的长期协调发展，而且还将损害子孙后代的长远利益。可持续发展战略是人类社会经历近半个世纪的教训与争论所逐步构成的共鸣。1962年，雷切尔卡逊发表(寂静的春天〕[3]幅议论构件的设计，却很少议论构造体系的选型及其创新。这种重构件、轻体系的大环境必然导致构造工程师的构件计算能力强、而装配集成能力弱。3.9构造实际受力状态与计算模型差距大必须成认，我们国家当下的构造工程计算仍然是比拟粗糙的，主要表现为构造实际受力状态与计算模型差距大。例如，楼板是建筑构造中非常重要的构件，也是受力状态非常复杂的构件，在实际工程的计算中往往无法充分考虑楼板作用，这将可能导致高估自振周期、低估地震作用和构造位移响应、错判构造整体变形特征、薄弱楼层位置、出铰位置和顺序、毁坏机制、塑性损伤深度等[18];汶川地震中发现大量建筑物强柱弱梁的设计意图没有实现，究其原因之一是由于没有充分考虑楼板对梁端抗弯承载力的奉献；某超高层建筑由于考虑了楼板作用对外框抗侧刚度的奉献，在知足同等外框刚度的要求下，相比不考虑楼板作用奉献的方案节省用钢量1800余吨。连梁是超高层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，剪切非线性和滑移非线性效应显着，毁坏形态复杂，然而实际工程中仍普遍采用传统梁单元来计算，由此将造成构造体系地震耗能计算结果的显着偏差。基于仿真的工程科学〔simulation-basedengineeringscience〕将成为将来各国工程科技抢夺的全新制高点[19],但我们国家当前实际工程中的构造计算还远远没有到达仿真的高度，华而不实最具仿真味道的构造弹塑性分析由于和计算者的素质关系极大、同时又缺乏统一的施行标准，至今仍处在非常辅助的地位。因而，大力发展构造体系精细化模拟的高效数值模型已成为我们国家构造工程领域非常紧迫的任务。3.10治标多、治本少，标本兼治不够在构造工程领域，面对很多长期以来未得到妥善解决的工程难题，我们有必要反思能否从根本源头上考虑构成这些难题的原因，并尝试从源头上加以解决。假如我们只注重外表功夫，治标不治本，亦或是头痛医头，脚痛医脚,那么我们将始终无法在构造工程重大工程难题方面获得突破性进展。正交异性钢桥面的疲惫问题就是典型一例，有很多学者专注于U肋以及横隔板处的局部构造，取出各类疲惫细节进行大量试验研究，或是动用大型疲惫试验机对桥面构造进行疲惫加载试验，还有学者将该问题怪罪于频繁超载，并建议进一步增加桥面板板厚来应对这一问题。当然，这些努力对改善正交异性钢桥面的疲惫性能起到了一定的作用，但未从根本源头上予以解决，由于这一问题反映的是正交异性钢桥面这种构造形式的固有缺陷，必须从构造形式的原始创新入手，才能实现标本兼治.大跨度混凝土连续桥或刚构桥的长期下挠问题是困扰桥梁工程界的另一难题，这也是全世界普遍存在的难题[5],当前主要采用施工阶段严格控制线形、设置预拱度等方式加以控制，同时还有学者提出优化预应力束布置、改良混凝土收缩徐变计算、加强变形监控与合拢控制等建议，但笔者以为，假如不从构造形式本身加以革新，很难彻底解决这一问题。4、实现高性能构造工程战略目的的对策建议4.1对我们国家工程建造体系的建议首先，应尽快建立健全重大土木工程方案阶段的论证决策机制。重大土木工程建设牵涉多个专业互相协同，当前的现在状况为：建筑专业为龙头，其他专业作配合，建筑方案首先确定，其他专业再围绕既定的建筑方案进行深化设计，那么一旦建筑方案不合理，其他专业再努力弥补也是杯水车薪。建筑方案如此重要，其甄选本应慎之又慎，但当前这个环节却缺乏科学严格的论证决策机制。为此建议：超过一定投资规模的重大土木工程建设项目必须在方案阶段启动严格的论证决策机制，组织包括规划、建筑、构造、施工、环境等一系列相关专业的专家开展论证，其最终决策应遵循重大行政决策的法定程序。其次，应加速推进土木工程设计-施工总承包。当下我们国家土木工程的设计和施工分别独立承包、互相割裂，这种形式的弊端已日益突出：①直接阻碍从全寿命的角度评价项目的优劣，容易造成建造各环节的总体浪费。例如：设计方案只单纯控制设计阶段的材料成本，其施工措施费、建成后的维养费、以及工期等包含的隐性费用却可能很高，而很多更先进的方案固然在设计阶段的材料成本较高，但全寿命造价却很低，而按当前的承包形式，这些先进方案均无竞争力；②直接影响项目建设的综合质量。设计方不熟悉或不重视施工，不考虑施工的可行性和安全性，而施工方不熟悉设计经过，采取违犯设计意图的施工措施，最终导致质量、工期和造价失控。为此建议：①尽快健全完善设计-施工总承包配套法律法规，加强设计-施工总承包政策引导，推行全寿命周期成本控制评价标准，激发总承包企业的积极性；②培育高水平的具备设计施工综合素质以及统筹协调管理能力的总承包企业及相应的人才队伍，调整勘察、设计、施工、监理企业的经营构造，加强其综合竞争实力。最后，应加强土木工程建设标准体系的顶层设计，改革现有标准编撰机制。当前土木工程建设标准体系由于在顶层设计和编撰机制方面存在缺乏，制约了标准的先进性及其引领作用的发挥：①标准的修订周期过长，无法反映最新科技成果，严重滞后工程实践的需求；②我们国家土木工程标准的编撰和修订组织工作长期被某些固定部门或单位主持，且互相之间缺乏协调和沟通，由此导致技术标准体系不清，不同规范间内容穿插重叠甚至存在矛盾，先进技术难以被充分吸收；③针对标准关键条文缺乏长期深切进入的原创性基础研究和广泛充分的调研，编撰时缺乏严谨的科学论证。为此建议：①缩短标准修订周期，理想的修订周期宜控制在五年内；②标准的编撰工作应向全社会各部门或单位开放；③国家科技项目应加强专门针对标准关键条文的基础研究和调研投入；④规范发行所获利润宜用于标准的建设工作，以改变当前参编标准人员自带餐票的尴尬局面。4.2对我们国家工程科技研发体系的建议首先，应注重科研成果的创新性、系列性、系统性和完好性，坚持科研工作源于工程、服务工程、高于工程、指导工程、引领工程。当下，我们国家构造工程领域的科研成果主要存在如下问题：①只注重工程个性，简单围绕某类工程展开重复研究；②立项滞后于工程迫切需求，成果经常为设计施工经过的简单总结；③闭门造车，不结合工程需求，为了创新而创新；④原始创新不够，形式创新偏多；⑤成果实用性不强，推广应用困难；⑥碎片式成果多，大成果、系统成果少，达不到应用水平；⑦成果转化渠道不畅通，华而不实过时的标准规范是屏障之一。当下，我们国家每个重大土木工程都设立科研项目支持攻关，看似特别热闹，但重复研究比拟多且水平有待提高，很多关键技术研究投入不少，但没有很好地解决工程的同类问题，原因是没有出系统的成果。其次，科研工作应严密结合中国国情，突出中华特点，解决中国问题。与西方国家相比，我们国家社会文化不同、国土资源不同、地理环境不同、发展阶段不同、发展水平不同、经济基础不同，因而简单照搬国外经历体验是解决不了中国的问题，必须自力更生。洋为中用必不可少，但一些洋不一定适用于中国，要避免吃国外的药不治中国的病.科学无国界千真万确，但必须成认科学家有国籍的事实，任何一个国家的科学家的任务都是要首先服务于本国科技、社会、经济发展中碰到的难题，尤其是土木工程科技专家，更有服务本国基础设施建设的责任和义务，在严密结合国家需求的基础上做出引领的成果。着名经济学家、教育家陈岱孙先生1926年在美国哈fo大学完成的博士论文题目为：马萨诸塞州地方开支和人口密度的关系,充分具体表现出了科研工作严密结合国家和地方的发展需求，而这样的科研经历同样成就了陈岱孙先生享誉海内外的经济学家地位。最后，科技政策应遵循科技工作的基本规律。①在科研立项方面，应鼓励原始创新，跟踪国际热门很重要，但创造热门更重要，创造热门有可能成为引领者，加强对可能成为引领者的关注和支持，这就需要在确定科技项目立项指南时注重前瞻性、开放性、包涵性、延续性和可持续性，鼓励独立考虑，百家争鸣，不可急功近利，尽可能营造十年磨一剑的科研气氛，建立鼓励十年磨一剑的长效机制。土木工程的科技工作必须坚持不赶时髦，不随大流，不凑热闹，不凑数量；②在项目管理方面，应创新出大成果、出系统成果、出专家的管理机制，进一步完善同行评议和考评机制，充分发挥专家作用，弱化行政干涉，简化项目申请程序，适当延长考评〔评估〕周期，简化考评环节，确保科技工作者的科研时间；③在科技成果及工程科技人才评价方面，应充分考虑构造工程学科实践性强的特点，避免照搬欧美等国基础学科指标〔例如SCI论文数、影响因子、H因子等〕来单一而机械化地评价构造工程的成果和人才水平，鼓励出综合成果，出系统成果，出大成果，解决大问题。梁思成和林微因先生从20世纪30年代到40年代，用15年时间，走遍190个县，对2738处古建进行实地考察勘测，住过寺庙，最终写成了(中国建筑史〕，长期艰辛的实践成就了这部鸿篇巨着，而我们国家的构造工程学科恰恰缺少的是这样的大成果，究其原因是由于深切进入实践缺乏，纸上谈兵偏多。5、结束语发展以高安全性能、高使用性能、高经济性能、高施工性能、高环保性能、高维护性能、高抗灾性能、高耐久性能等为特征的高性能构造工程将成为我们国家将来构造工程发展的核心战略，也是实现我们国家构造工程可持续发展的必由之路。土木工程属于社会作品，是人类的共同财富，构造工程从业人员应该以高度的社会责任感和责任感、高尚的职业道德以及对子孙后代高度负责的态度，履行自个的相关职责，使土木工程更安全、更适用、更经济、更绿色、更耐久、更美观。很多前辈和专家一直以来都在强调我们国家土木工程需要从粗放走向精细,从大国迈向强国,笔者经过长期的现场调研和反复深切进入的考虑，建议还应强调从感性到理性,从繁荣到文明,由于我们国家当下一些土木工程很感性，但并不理性，我们国家当下土木工程规模之大史无前例，看似一片繁荣景象，但距离文明仍有差距，另外，我们国家土木工程同样还需要从制造走向创造.以下为参考文献[1]中国工程院土木、水利与建筑工程学部。土木学科发展现在状况及前沿发展方向研究[M].北京：人民交通出版社，2020〔AcademicDivisionsofCivilEngineering,HydraulicEngineering,andArchitecturalEngineering,ChineseAcademyofEngineering.Thedevelopmentstatusandfrontiersofcivilengineering[M].B