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中国土木结构工程科技2035年发展趋势与路径的相关探究

作者:企业管理
出处:www.lunrr.com
时间:2019-10-25

一,前言

土木工程是直接针对经济和社会发展的科学技术,深刻影响着生活环境,城市化进程和社会的可持续发展。中央城市化工作会议将新型城镇化建设作为中国未来发展的重要战略。城市和基础设施建设已成为中国未来经济和社会发展的重要引擎。中国的城市化需要从“高速发展”转变为“质量提高”。土木工程建设作为城市化的重要载体和标志,创造生活环境,必将成为中国城市化质量提升的核心突破之一。从现在到2035年,中国的土木工程研究将处于关键的过渡时期和重要的机遇时期。为了全面应对土木结构工程领域前所未有的挑战,从2015年开始,在中国科学院联合发起的“中国工程科技2035发展战略研究”项目的总体框架下,从2015年开始工程学院和国家自然科学基金会(依托中国)工程学院土木工程,水利和建筑工程系在土木结构工程领域成立了一个专门研究小组,以开展一系列的研究工作。 2035年我国土木工程技术发展战略研究。本文综述了一些研究成果。

第二,土木工程领域的世界先进科学技术

土木工程技术的发展与国家的基本国情和发展阶段密切相关。因此,世界各国土木工程技术的发展都有自己的特点和不同的观念。例如,在日本,由于地震灾害的长期威胁,它在地震技术领域发展迅速,并在世界上处于领先地位。但是,它的整体技术风格和发展路径与美国完全不同,并且在世界上是独一无二的。从英国教育组织Quacquarelli Symonds(QS)在2015年发布的世界排名中可以看出,在土木工程学科的前十名大学中,欧洲有三席,在美国有两所大学,在中国和日本香港。新加坡的大学和学院各有一个席位。除了欧美日等发达的传统工程技术产业外,中国在土木结构工程领域的科技成就也在一定程度上反映了该领域的国际先进水平。

(1)中国的大型基础设施建设,促进结构体系的不断创新和大型复杂结构施工技术的不断改进

中国经历了前所未有的大规模基础设施建设,为中国的土木结构工程提供了前所未有的技术创新机会。中国已经自主开发了以钢混凝土复合结构,大跨度空间结构,预应力结构等为代表的一系列新的结构技术。其综合指标处于世界先进水平。节省资源,改善安全性,改善生活质量并减少劳动力和就业。优点是显而易见的。在大型复杂结构和超高层建筑关键技术的设计,分析和施工中,中国取得了一系列具有自主知识产权和国际先进技术的核心技术成果。它解决了材料,设计,构造,操作和维护方面的一系列关键问题。技术难题使技术极限和传统认识不断突破,有力地保障了中国重大标志性工程的建设水平。

(II)工程结构的可靠性,耐用性和全寿命设计概念已初步实现并得到广泛认可

土木工程结构的可靠性理论和方法取得了重要进展。在可靠性数学的基础上,逐步发展了适用于土木工程结构的可靠性设计理论体系,在提高土木工程结构的安全性和可靠性方面发挥了重要作用。关键的角色。随着社会经济的飞速发展,可持续发展已成为一项重大的全球挑战。在这种情况下,我们提倡结构耐久性的重要性,然后发展成为生命周期设计理论,以全面考虑工程结构设计,施工,运营和管理的各个方面。该方向已成为国内外最活跃,最前沿的研究领域之一,是国内外学者关注的焦点和研究热点。

(3)应用基于性能的抗震设计,不断创新抗震测试技术,促进大型结构性地震灾害仿真

近年来,土木工程结构的抗震性是该领域中发展最快的方向之一。在联邦紧急事务管理局(FEMA)和国家科学基金会(NSF)的共同资助下,美国科学家和工程师提出了基于性能的抗震设计思想,标志着结构抗震设计的新水平。由美国赞助的地震工程模拟网络(NEES)计划和在日本建造的全球最大的E-Defense振动筛,已经极大地推动了结构地震测试技术的发展。振动台试验和拟动力试验是世界上最重要的结构地震试验方法,已被国内外学者广泛接受。在此基础上开发的在线混合试验等新的实验技术,在揭示复杂结构系统的地震灾害机理方面也取得了令人满意的结果。此外,高性能计算方法的逐步成熟有效地促进了工程结构的地震分析和设计,并继续朝着精细的方向发展。

3. 2035年土木工程领域科学技术的发展方向和趋势

(1)高性能可持续土木工程将成为未来发展的主题

近年来,随着我国土木工程建设的空前发展,资源和能源消耗大,环境污染严重,使用寿命短,安全可靠性低,抗灾能力差等问题已成为该领域的主要挑战。中国土木工程专业。中国经济社会的可持续发展。 2035年土木工程项目所面临的问题将从结构的安全性转移到耐久性,使用寿命,工程结构的弹性,资源,能源和环境等危害地球生态的问题。因此,今后,土木工程技术将以生命周期设计理论和方法为主要突破,着眼于高性能结构工程的发展,以实现土木工程领域的可持续发展。对于在不同环境或使用要求下具有不同性能要求的不同工程结构,高性能结构工程应具有不同的性能特征和表现形式。例如,到2035年,中国无需建设大规模的城市群和深海工程建设。在新能源开发利用,战略物资储备和军事防护装备创新等领域取得了突破性的突破。这些领域的土木工程项目具有大型,复杂,超高,系统化的特点,因此具有很高的性能。连续结构工程提出了更全面,更复杂的性能要求。

(2)提高抵御多种灾害的能力,是土木工程和结构工程未来发展的重要任务

土木工程促进了人类社会文明的进步,也给人类带来了灾难。土木工程是灾害的主要载体,土木工程手段是防灾减灾的主要手段。全球地震,台风,洪水和其他自然灾害频繁发生,爆炸,大火和武器袭击等人为灾害正在潜伏。这些都要求对全面防灾和减轻土木工程结构有更深的要求。一方面,土木工程结构的地震技术一直是研究的热点,并有望成为未来的重要研究方向。从过去的安全单原理设计方法到公认的基于性能的设计方法,未来将能够恢复功能,甚至可控目标正在向前发展,并且工程结构的抗震设计概念仍具有广阔的发展空间。革新;另一方面,由灾害引起的继发性灾害和多重灾害的耦合效应将提出土木工程结构的防灾减灾技术。在全球气候灾难性条件下,新的挑战,多危害物理模型以及土木工程结构的灾难性模拟和控制将是这个方向上的主要挑战。

(三)劳动力短缺迫使土木结构工程行业不断转型升级。

2035年世界经济和社会发展的总体趋势是老龄化问题日益突出,劳动力持续减少,人力资本得到显着改善。这些趋势将对土木工程的产业结构产生深远影响。传统的土木工程行业模式将越来越无所适从。解决问题的核心在于提高土木结构工程行业的劳动生产率。随着劳动力价格的持续上涨,劳动力缺口将迫使土木结构工程行业继续转型升级,朝着工业化和智能化发展。预计到2035年,传统的土木工程行业分散,低水平和低效率的手工艺品生产方法将完全被现代,智能和灵活的制造,运输,安装和科学管理所取代。同时,劳动生产率将大大提高,施工速度将大大加快,工程成本将逐步降低,项目质量将更易于控制。

(4)多学科交叉和多学科协作促进土木工程技术创新

土木工程技术是一种古老的传统工程技术。其以消耗大量人力资源为特征的大规模,广泛的运作方式将越来越不适应世界经济和社会的发展方式和需求。未来,土木工程的产业结构将发生巨大变化,并将以崭新的面貌出现。出现在世界面前。到2035年,土木工程技术将表现出卓越的精致化和智能化特征。多学科整合将为旧的土木结构工程技术注入新的活力。先进的材料科学与土木工程学的有机融合可能会引发高性能土木工程材料的革命。先进的自动化技术,信息技术,机械技术和土木工程的有机融合,将实现土木工程施工过程的自动化和智能化,并实现土木工程的产业化。程度将大大提高;先进的控制技术,机械技术,电子技术,网络技术和土木工程技术的有机融合,将促进精细土木工程测试方法和健康监测技术的深入发展。发展先进的计算技术,软件工程技术,基础力学和土木结构工程。 Fusion将为土木工程的高性能计算注入新的活力。此外,土木结构工程技术不再局限于传统的建筑,桥梁,隧道和其他领域。在与清洁能源,海洋工程,国防工程等新兴领域的广泛合作中,一系列新技术的增长点将会出现,这将成为2035年土木工程技术进步的不竭动力。

4.中国土木工程领域需要解决的主要问题及其对工程科学技术的需求

中国的土木工程领域面临着可持续发展的严峻挑战。造成这一挑战的原因是:产业结构落后,缺乏创新机制,土木工程的原始理论和方法不足,土木工程的计算机辅助工程缺乏自主知识产权。工程(CAE)软件,规范性标准体系不能在技术创新中起主导作用。面对建设全球化的中国,安全的中国,可持续的中国和2035年的智慧中国的迫切需要,土木工程技术的发展必须首先着重解决四个需求。

需求1:大力开发高性能结构工程技术,以实现土木工程行业的可持续发展。 2009年,中国工程院制定的《土木工程发展战略与前沿发展方向》研究报告指出,中国是世界上土木工程资源消耗最大的国家,工程行业已成为该国最大的单一能源消耗。行业。每年,中国在全球钢铁和水泥消费中约有一半用于基础设施建设,而水泥和钢铁的碳排放量占总排放量的30%以上,大规模的基础设施建设也产生大量废物。大量的建筑废料已经占领了这座城市。超过垃圾总量的30%。资源与能源约束之间的矛盾日益突出,环境生态承载力逐渐接近极限。因此,对高性能结构工程技术的需求日益增长。所谓高性能结构工程,是指土木工程施工整个生命周期的各个阶段,例如规划,设计,施工,运行,拆除等,具有高安全性能,高施工性能,高性能,高环境性能,高耐久性,高维护性能和高经济性能是土木工程可持续发展的重要途径。

需求2:建立健全土木工程项目综合防灾减灾技术体系,大大降低土木工程建设的灾害风险。中国工程院“民用科学发展状况与前沿发展方向”战略咨询项目的研究报告显示,尽管中国历来十分重视土木工程的防灾减灾,但随着人口集中度和社会物质财富的增加,不断积累,防灾减灾形势日益严峻。一方面,从灾害频发的现状来看,灾害越来越严重。另一方面,为了减轻资源,人口和环境的压力,有必要使地下空间和海洋等自然条件越来越复杂。具有更大灾害风险的区域发展。面对灾难,尽管土木工程工程师和技术人员已尽力而为,但由于存在太多尚未解决的科学问题和技术问题,仍然难以实现预期的目标。面对2035年,国际化的中国需要在防灾和防灾工作,重大国际危机事件中发挥重要作用,发挥关键作用并做出自己的贡献。安全中国需要建立强大的防灾和防灾能力。因此,社会基础设施必须建立一套全面的科学技术体系,以进行土木工程的综合防灾减灾。

需求三,构建高度现代化、智能化的土木工程施工技术体系,加快土木工程产业结构转型升级。到2035年,中国将成为高度智能化的中国,土木工程施工技术将逐步呈现现代化、工业化、智能化的特点。随着信息技术、三维打印技术、大数据、互联网等手段的不断涌入,土木工程项目将实现高水平的智能化施工过程,带来水、能量、时间、材料等。土地节庆、绿色建设、可持续建设理念等一系列效益也将得到推广。此外,土木工程产业结构也将加快转型升级。传统的大型混凝土结构由于能源利用效率低、劳动力成本高、资源和能源消耗高、环境污染严重等原因,将面临挑战。标准化和工业化建造的混凝土。结构、钢结构、组合结构等更符合绿色低碳要求的结构形式将逐渐成为土木结构工程领域的主流。

需求4突破了土木工程的原始理论,方法和软件,构建了引领技术潮流的土木工程结构标准体系。尽管中国在大规模基础设施建设的实践中解决了许多土木工程技术问题,但正如欧金平,崔俊之等学者所呼吁的那样:解决这些问题的大部分基础是土木工程理论,方法和软件。在发达国家建立。例如,一方面,抗震分析和结构工程设计中最常用的理论方法(如结构动力学和地震响应谱)最初是由欧美学者开发的。中国的土木工程分析和计算高度依赖国外的CAE软件。另一方面,规范标准作为土木工程建设的重要技术基础和准则,对于指导技术方向,确保工程质量和安全,促进先进技术的应用,增强竞争力具有不可替代的意义。核心技术,但在中国土木工程建设中。标准体系在顶层设计和编译机制上存在许多缺陷,严重限制了标准的发展及其领导作用。只有突破原始土木工程的理论,方法和软件,构建引领科学技术潮流的土木工程结构标准体系,才能逐步使中国成为土木工程强国。

五,土木工程领域的关键技术和发展路径

(1)基于技术预见的关键技术识别

为了筛选2035年左右中国土木工程领域的关键技术,研究团队进行了大规模的技术预见专家调查。专家调查进行了两轮。在第一轮调查之前,通过与行业专家进行广泛协商,形成了包括15种关键技术在内的候选技术清单。根据第一轮专家调查的结果,研究团队进一步修改了候选技术。该清单将替代技术压缩到14种,然后将其返回给专家进行第二轮调查。第一轮和第二轮调查的参与者人数分别为189和196。

在所有调查结果中,最能反映技术方向重要性的指标是技术和应用重要性的综合指标,“新型高性能结构系统的关键技术”,“土木工程综合防灾减灾技术”。 ”和“基于终身绩效的构建”。在两轮调查中,结构设计,施工和运行维护技术均得到了调查专家的广泛认可,技术和应用重要性的综合指数位居前三名。两轮技术预见到了“新型高性能结构系统的关键技术”。该调查排名第一。作为土木工程学进步的根本动力的结构系统的创新应该是土木工程未来发展中最重要的突破。 “新型高性能结构系统关键技术”的发展,是结构工程和产业转型升级中实现可持续发展的根本途径,应是未来土木工程项目的战略发展方向。 “土木工程综合防灾减灾技术”和“基于生命周期性能的建筑结构设计,施工与运营与维护技术”是实现新型高性能结构系统的重要支撑技术,必将成为人们不断关注的问题。土木结构工程领域。热点方向。

(二)土木工程技术的总体发展路径

在国家新城镇化建设战略,“一带一路”发展战略,可持续社会建设的压力,人口红利衰退,高发展等一系列国民经济和社会发展形势的背景下高性能可持续土木工程技术将成为2035年中国土木工程领域科学技术发展的核心战略。多学科交叉整合将成为土木工程技术未来发展的突出特点。现代自动化技术,信息技术,机械技术,控制技术,电子技术,网络技术,软件技术,计算技术等将为传统的土木工程技术的发展带来新的活力。土木工程的先进技术也将扩展到更广阔的领域,在清洁能源,海洋工程,军事保护和战略仓库等领域发挥重要的支持作用。预计到2035年,土木工程项目将充分实现绿色低碳可持续,现代,智能,产业结构转型升级,民生质量改善的发展愿景。

1.核心目标

开发以高安全性能,高建筑性能,高性能,高耐久性,高维护性能和高经济性能为特征的高性能结构系统,包括三维综合巨型结构系统,智能结构系统和广义复合结构系统。该功能可以恢复结构系统,绿色生态结构系统,长寿命深海结构系统,高性能仓库结构系统以及高性能军事保护结构系统。

2.手段与方法

理论,实验和计算仍是土木工程技术研究与发展的三种支持手段。从理论上讲,通过系统集成创新,建立与中国工程结构服务环境相适应的全寿命结构设计理论体系;在工程结构测试方面,着重于结合现代信息和控制技术开发复杂和苛刻的服务环境条件。土木工程施工细粒度试验方法在工程结构计算中,关键是要突破高性能土木工程结构仿真分析和优化设计的计算方法。

3.关键突破的关键关键技术

着眼于高性能结构系统的发展目标,到2035年,土木工程领域将掌握多项国际领先的高性能土木结构工程核心技术,重点是高性能和智能材料技术,综合灾难防治技术和地下空间结构的建设。技术,工业化和绿色建筑技术,结构健康监测技术以及现有的结构性能改进技术。

4.估计的里程碑结果

土木工程CAE软件和规范标准体系一直是反映各国土木工程技术水平的标志性成就,也是制约我国土木工程技术国际竞争力的两个不足。为了迈向世界土木工程大国的行列,中国必须在具有自主知识产权的土木工程CAE软件和高水平规范标准体系方面取得突破,从而引领国际土木工程技术的发展趋势。

VI。将在国家级部署的大型项目极端恶劣环境中的巨型复杂土木工程

今后,中国将不必在与国民经济,民生和国家战略有关的一系列重大领域取得颠覆性突破,例如三维城市,深海项目,新能源,战略储备和军事。保护。这些领域的土木工程项目具有巨大的复杂性和复杂性。他们还面临各种严峻而复杂的环境的影响,例如自然灾害,极端气候和武器袭击。因此,在极其恶劣的环境下实施大规模,复杂的土木工程项目具有重要意义。

开发用于大规模三维城市群建设的超大规模地下空间结构和空中城市结构新系统;为跨海岛屿项目开发新型的超大跨度桥梁,深海基础和超长海底隧道结构;深海研究与开发开发和利用新型海洋发电结构和超大型浮平台岛结构的新系统;研究和开发适用于国家战略物资储备的大型粮仓和煤仓的新结构系统;具有优良的反武器打击能力和重大军事目标结构的军事保护系统的研究与开发。同时,还需要突破复杂,恶劣的服务环境和极端灾害条件下各种复杂的土木工程结构的测试技术,计算方法和设计理论。

到2035年,中国将在极端严峻的环境下,采用巨型复杂土木工程的核心关键技术取得原创性成果,有力地促进土木工程与自然界的和谐发展。这些原始的成果,不仅解决了中国关键战略领域的土木工程重大问题,而且在世界上发挥了举足轻重的示范作用。

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