推动土木工程领域创新发展

2016-09-29 22:50:40
  中国工程院院士王梦恕:

  创新不是为了自己的利益

  创新是谁说了算?这是影响我们国家科技发展一个很大的问题。领导说了算,领导到底懂不懂,不听专家意见,就拍脑袋决定。这一度成为创新最大的阻力。很多重大科研项目、很多需要研究的工程项目都因此“走偏”了。

  科学的研究是非常关键的。这几年,领导开始认识到这个问题,规划的方案都要经过专家讨论。专家讨论方案,不是你的业务水平问题,首要的是品德问题,好的品德才能得到好的方案。为老百姓服务、为国家服务,要有这个决心。

  还要学会找问题,找问题比看问题更重要。不要把不是问题的说成问题,把简单问题复杂化,这样的研究、这样的理念、这样的品德根本创新不了,我们也不需要这样的“人才”。搞创新是非常难的一个过程,要想没有风险是不可能的,创新不是为了自己的利益。

  对于工程来说,设计是创新的第一关。可实际上这往往却成了创新的一个阻力。有的设计人员根本不懂施工,抄图、套规范,设计图纸创新不了。现在要有所改变,设计支持结构。设计图纸包括结构设计、规模设计,施工单位成立设计院,图纸来了把它建成。设计、施工二者合到一起才是真正的设计图纸,这样才能出真正的预算。从设计上创新,不能因为设计阻挠了技术的发展。规划方案是非常重要的,再通过施工进行完善。

  我们需要创新,创新需要培养人才。我们培养的是能把复杂问题简单化的人才,不是简单问题复杂化的人才。学校老师应该掌握行业动态的发展,否则学生毕业后出去什么都不懂。现在的问题就是脱节很严重,大学培养的人才到了企业不好用,刚毕业的学生知识面太小,需要锻炼三到五年才能独立工作。

  中国的工程建设,包括水利、建筑、土木等,需要新一代年轻人接力,希望“80后”“90后”“00后”继续努力,在实践中锻炼自己,不断迸发出创新的火花。

  中国工程院院士周丰峻:

  创新海底工程建设技术

  怎么样搞好创新,解决我们工程实践当中面临的重大问题,对于大型海底工程建设至关重要。

  在铁路包括高铁的隧道的建设中,装备技术特别重要。我国的隧道施工装备,在短短的10年间发展非常快,在工程建设中又快、又好、又安全。比如,引洮供水工程。工程遇到的岩石是砂岩,开挖的直径将近6米,解决了刀盘切割问题,月平均推进近180米,一天平均近60米,这个速度世界上没有比我们更高的。欧洲日平均40米,最高纪录50米。

  港珠澳联通隧道连接珠江三角洲,一共36公里,包括26公里的桥梁、625米的人工岛,还有岛下5.6公里的海底隧道,目前都已经完工了。这个隧道在施工的时候遇到了很大的难度,其中最难的还是有关人工岛的建设。人工岛的建设采用了钢铁岩的办法,整个围着岛建一圈,全是钢做的,高度大概60米、直径23米,采用8个振动锤垂直从水面向下打下去,要求振动的过程中保持同相位、同频率。因为这项技术,我们整个施工进度提前了一年。

  香港铜锣湾避风塘的隧道是在已有的隧道下继续做的隧道。这样产生一个问题,上部已经建有隧道,下边再挖隧道,中间会有十几米间隔,怎么能保证不会因为下边的开挖导致上边工程的破坏。为了解决这个问题,采取了几项措施。洞口开挖采用高压喷射灌浆的技术,同时开挖面进行加固,用了12米长玻璃纤维锚杆进行加固,加强了整体的强度,提高了稳定性。整个施工过程非常安全。

  海洋工程中隧道工程多的话,不得不做离岸混凝土工程这样的技术准备。这个技术可以用在通风上,对跨海工程里边比较深的都可以做成垂直通风口,在风浪下是很平稳的,稳定性比钢结构要好。在岸上进行预浇筑,下水以后继续浇筑,在顶部进行安装,通过gps定位,到预定的位置进行安装,投入使用。

  中国工程院院士杜彦良:

  保障重大工程安全可靠

  我国现在在安全保障方面存在哪些问题?一是短寿命、安全隐患突出,在复杂环境条件下长期服役、长期作用,导致结构性能早期退化,承载力下降,耐久力降低;二是个别工程设计建造存在一些不合理,导致承载力不足或使用寿命较短;三是人为因素,对于运营维护管理不及时、严重超载导致下降。另外,就是突发自然灾害导致意外结构损伤,使使用寿命下降或者发生严重的破坏。其中,人为因素占主体。所以说科学的管理、科学的维护、科学的施工应该引起我们的高度重视。从桥梁事故的特征分析来说,自然灾害人为因素,人为因素占主体,严重损伤和中度损伤占主体,从建造、运营和拆除阶段,运营阶段占主体,这样采用如何合理的先进的维修方式,实施能发现重大工程结构的隐患,及时排除这些安全隐患,保证它的安全性,应该是我们大家关注的问题。

  值得注意的是,虽然我们交通基础设施的规模位居世界第一,但平均使用寿命低于发达国家。为了提高重大工程服役期间的安全性、适用性、耐久性,确保大动脉的安全畅通,必须推进重大工程结构的长寿命。

  围绕当前和今后重大工程安全保障技术如何积极进行推进?首先需要全寿命周期的信息覆盖,从项目决策阶段、施工建造、项目勘察、运营维护到废除和拆除阶段,应该建立一个完整的全生命周期的实时管控。其次是全社会周期的性能保持与提升,采用何种先进技术、保障技术、评价技术,能够使我们的结构达到寿命和延长它的使用时间,对出现一些病害和一些其他问题的采用何种技术提升性能。再次是安全评估与控制。最后是预知性性能控制与主动维护,预知性维护通过先进的监测技术及时发现隐患与不足,提前采取措施,达到提前运营,保证运营安全,延长使用寿命。

  中国工程院院士陈政清:

  探寻阻尼减振新技术

  阻尼就是阻碍运动的一种机制。到目前为止,业界成熟的阻尼系统主要是依靠摩擦来实现的。有的是固体和固体之间的摩擦,最直观的就是骑自行车蹬刹车,还有一个流体和固体之间产生阻力。既然依靠摩擦来实现,不可避免有一个问题,摩擦就会带来消耗,带来损耗。如果你用油,就容易漏油,这也是目前阻尼器普遍存在的问题。

  利用电磁感应原理可以产生阻尼力。两个磁铁放在铜板的同一边,铜板后面有一层铁板,形成开放性的结构,但是它的磁力线是密闭的,类似于水涡流形状,故称之为电涡流。电涡流可以作为一个元件,放在调谐质量减振器上面。用电涡流的阻尼器除了有阻尼力以外,还可以提供惯性力。

  不过,电涡流阻尼器有一定的条件。当速度超过一定的限度以后,它还能不能保持原来的性状,这是值得研究的问题。我们用一种电机旋转的方式,初步模拟了一下它的规律,这样全部掌握了以后,也把一些具体困难克服了。现在这个阻尼器可以做高速的运转,达到每秒0.15公里的速度。

  这种阻尼器可用于隔震结构。北京将要修建一座星体桥,普通桥梁大概是10万吨以下,这座星体桥相当于10座桥梁,它如果不装阻尼器,光是橡胶柱,会很晃,如果装了阻尼器可以降到0.6米以内的振幅,但是阻尼器的速度一定要大于每秒1米。我们很快就要进行这个实验。

  另外,在水上漂浮式发电机的浮体结构里面,摇摆是主要的控制技术,电涡流阻尼器应该是可以起到有效的作用,可以实现稳态的着陆。未来,还可以对电涡流阻尼器进行广泛的研究。希望年轻人能有兴趣,共同来研究这个问题。

  北京大学建筑与景观设计学院院长俞孔坚:

  让城市发展具有弹性

  中国的水和生态问题是多样的,但是解决之道却是单一的。洪水来了修大坝,涝来了修水道,所以这是用单一的解决方法去解决复杂的问题。具体表现为中国目前的小决策。以水为核心的问题,处理部门很多,但是他们都是分割的,地区分割、部门分割、功能分割。整个水系统管理都分掉了,复杂化了。水和土是分离的,水和生物是分离的,水和城市是分离的,甚至连排水跟供水都是分离的,洪水抗旱和抗涝又是分离的。水是世界上最不应该分离的元素,却被我们分离了,导致系统变得更加复杂,单一地去解决问题。

  出路在哪儿?出路就是要把这些东西整合在一起,变成一个简单的东西,就是生态基础设施、绿色基础设施,提供综合的生态服务,比如生物生产、旱涝调节、人的生物保育、生活游憩等。实际就是海绵系统,深度反应要有弹性,现在的城市很脆弱,没有弹性。

  海绵城市建立在这样的生态基础设施之上,具体包括两方面的工作。一是规划,这样一套综合的生态基础设施如何来规划,实现综合问题的解决;二是设计,工程、技术到底有哪些关键的技术,来实现这样一个问题的综合解决。

  讲到规划,常规的解决方法是小小的解决方法,单一的高度人工化。其实,自然系统能够解决好多问题,比如湿地、河流、湖泊构成一个系统本身就可以解决涝的问题,修那么多管道反而解决不了,这样的自然系统如何保护规划好,非常重要。但是因为人要生活要居住,这就需要实现最小的面积保持自然的完整性,就像围棋,用最少的棋子把效益发挥到最高。

  通常我们搞城市规划都是先预测人口,这是常规的城市化,但我们城市的人口预测往往是失败的,结果往往导致一些自然系统受到破坏,水、生物、文化遗产丧失。如果建立一个最低安全标准,把这样一个生态系统、基础设施作为城市化的基础,这时候我们就可以用最基本的空间来限定城市化的发展,使城市具有一个空间发展的弹性。

  国家“千人计划”专家尹学军:

  减少土木工程的振动危害

  土木工程经常受到振动的危害。以大型冲击设备为例,如果振动控制措施不当,将会影响周围精密设备工作,影响周围居民休息。在交通领域我们的振动噪声也会扰民,桥梁领域大风情况下则会影响桥梁的安全。为了控制这些振动,国内外都有相应的标准,如果这些振动超出了相应的标准,就要进行振动控制。像桥梁的风力激振,我们要采取阻力的办法,提高阻力是非常有效的降低振幅。

  振动控制的理论是非常简单的,而如何把一个产品应用到工程中去,就要经历以下创新的过程。首先是设计方面,要进行仿制分析和振动预测,通过一些模型实验或者实验进行验证,最后进行工程设计,选定参数之后选择合适的产品。产品不是一成不变的,要不断地进行改变,善于从市场中发现问题、捕捉问题,进行研究改进,进行专利保护,通过中试和实验检测进行安全的产品,最后才进行工程沿用,形成知识产权和工程规范。

  工业工程振动控制不是控制设备的振动,而是保证建筑结构、工业装备、振动控制装备等整个系统的正常工作的同时,环境振动不超标。大型冲击装备的动载压力可以达到3.5万吨甚至4万吨,精密设备现在要求的分辨率达到10个纳米、1.5个密度每秒的振速,非常非常安静。

  我们国家是先有城市后有地铁。轻轨从居民楼旁边经过,引发结构共振和结构二次噪声。这个振动控制的主要难点是列车载重大、轴重次数高,而且桥梁限重限高,要求非常严格,所以隔振需要非常高承载能力的弹簧,对于最近出现的一些钢轨噪声和钢轨波磨,我们需要非常精准的阻尼比和精准的调谐比。

  像音乐厅、演播厅、剧院,其振动控制则需要非常高的承载能力和非常紧凑的隔振装置。比如国家大剧院5个录音厅采用房中房隔振技术,只有底部通过塌方、隔振器支撑;上海交响乐音乐厅是首座采用整体隔振技术的建筑,得到艺术家们的赞扬。这也是科学为艺术服务的一个典范。

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