土木工程科学技术.docx

土木工程科学技术.docx

《土木工程科学技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土木工程科学技术.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

土木工程科学技术

土木工程科学技术

一、国内外发展概况

（一）国内外发展现状及发展趋势

随着相关学科的发展、经济建设和社会进步的需要，土木工程不断丰富着自己的内涵，特别是材料的变革、新技术的应用以及计算机工业和计算技术的发展都对土木工程发挥了有力的推动作用。

可以预测今后一个时期，土木工程将引进更多的高新技术，从而促进自身提高、创新和发展，并将向太空、海洋、荒漠开拓。

具体表现在土木工程材料将向轻质、高强、多功能化发展，设计方法日趋精确化，设计工作日益自动化，信息化施工和智能化技术也将全面应用于土木工程。

发达国家土木工程建设得比较早，目前已过了大规模兴建土木工程的高潮，工程结构的鉴定、维修与加固、改造已成为土木工程的热点；我国目前尚处于基本建设与维修加固并举阶段，若干年之后，我国大部分地区建设高峰期过去，鉴定、加固与维修同样会成为工程领域的主流。

我国尚是一个发展中国家，但由于近年来经济建设的发展和国家整体实力的增强，建造一批规模更大、复杂程度更高的重大基础设施和土木工程项目成为十分现实的需求，而且这种需求在一定程度上要超过许多发达国家。

随着我国现代城市建设和2008年夏季奥运会申办成功、城市轨道交通发展、西部大开发战略实施、“三峡工程、”“西电东送”、“西气东输、”“南水北调”、“青藏铁路”、“五纵七横”国家公路网等工程项目的实施，我国在未来几十年内将有一大批超高层建筑、超大跨空间结构、大型桥梁、隧道、大坝等重大工程陆续兴建，这些都是一个国家建筑科学技术发展水平的重要标志。

在看到我国工程建设高速发展的同时，还要看到目前我国存在着地区发展严重不均衡的现实问题。

因此，加强土木工程领域基础研究和高新技术的应用研究，结合中国国情，提出一条适合中国土木工程发展的技术路线，对推动我国土木工程技术的国际竞争力和人民生活水平的提高有重大战略意义，对我国的经济建设与社会发展起着举足轻重的作用。

（二）目前存在的问题结合国内外土木领域发展现状和发展趋势，我国土木领域主要存在以下问题：

1．基础理论研究水平相对较低

基础研究是科技发展的先导，是科技创新和产业化的源头。

加强土木领域科技基础理论研究对提高未来国家竞争力具有重大意义。

目前，我国在土木学科及相关学科的基本理论研究存在水平较低、基本设计理论存在偏离实践环节、重复研究等问题。

2．土木领域科技含量偏低，高新技术产业化落后科技创新能力已成为国际竞争的主导因素，土木工程要吸取高新技术以促进自身的可持续发展。

我国在土木工程科技领域开展了一些研究工作，取得了一批研究成果，但尚不能满足国民经济和社会发展的需求，特别是科技可持续创新能力薄弱，应用开发和工程化不足；同时高校土木领域的国家重大科研任务不足。

3．人才建设投入偏少，科研基地重复建设现象严重科学研究必须以人才的建设和科研基地的建设为支撑。

目前，我国对人才培养和人才队伍建设的投入不足。

对于科研基地的建设，一方面，我国一部分高校的已有实验设备存在老化问题，实验室、科技研究中心资金投入少，在数据采集、数据处理、试验精度、设备适用性方面已跟不上工程技术发展的需要；另一方面，众多高校一窝蜂似的购置结构试验设备，搞重复建设，设备闲置浪费严重。

4．土木领域施工人员整体素质和工程项目管理水平有待提高土木领域高新技术的应用，土木工程机械化、工业化程度的提高，生产方式的重大变化，这些都对土木领域从业人员的综合素质提出越来越高的要求。

目前，我国土木领域施工人员总体素质有待提高，工程项目管理水平低，难以保证工程质量，制约了我国土木领域科技的发展以及国民经济和社会发展。

此外，高校对具有大专或高职学历的技能型工程师的培养不足；对具有硕士、博士学历的研究型人才的培养质量亦需进一步提高。

二、发展战略与目标

（一）发展战略发展战略是：

围绕国家发展目标对我国的土木工程领域科技发展进行部署，进一步落实邓小平同志“科学技术是第一生产力”的重要思想，全面贯彻实施“科教兴国”和“可持续发展”战略，面向国家基本建设主战场，统一规划，合理布局，加强协调，总体跟进，突出重点，培养适合社会发展需求的各层次高级技术人才，发挥高校理论创新和学科交叉优势，集中优势力量突破关键技术，将土木科技创新及其产业化放在首要地位，加速科技成果实用化和产业化，从整体上推动我国土木工程领域科技发展，增强未来科技和经济竞争力，为国民经济建设和社会发展服务。

（二）发展目标

1．2010年目标

根据我国土木工程发展现状和国际发展态势，着眼于国家长远发展，贯彻落实科教兴国战略，通过5年的努力，建立具有较高水平的教师队伍；采用新机制，充分调动科研人员积极性，推动各研究部门之间的交流合作，开展高水平国际交流与合作，实现软硬件资源共享；在“创新、产业化”方针指引下，依托学科现有基础，把握现代科学技术带来的土木工程热点发展方向和当代土木工程建设所面临的关键科学问题，土木领域基本理论、技术及应用三个方面统筹兼顾，在基础研究和高技术研究应用方面，努力探索，开拓创新，加强科研基地的建设，实现科技成果产业化，推动我国土木学科发展。

2．2020年目标

通过10〜15年的努力，建立高精尖的教师队伍，促进教学、科研和人才培养的国际交流与国际接轨；建设若干国际一流的实验和科技创新基地；在加强基本理论研究的同时，组织开展高层次的科技研究开发与重大工程实践，攻克一批重大关键技术，大幅度提高我国土木领域科技创新能力，促进科技成果的转化应用与产业化，努力完成我国高校土木领域科技研究与开发创新体系建设，带头推动我国土木工程学科的发展，使我国在土木领域科技的整体水平进入国际先进行列。

三、发展重点

分析土木学科国内外发展趋势和目前存在问题，土木学科领域的优先发展领域、重点研究方向、关键技术如下：

（一）重大工程建设项目关键技术与数字仿真研究我国目前正处在工程建设的高峰，许多重大工程建设项目具有工程规模特别大，安全性要求特别高的特点。

这些重大工程建设项目_l，由于有些所处的环境和地质条件极为复杂，使这些工程建设的安全性、可靠性问题日益突出，表现在施工事故时有发生，并给正常使用埋下隐患。

对重大工程建设项目关键技术开展研究，是具有战略意义的重大举措，可以消除工程隐患，确保工程质量，具有重要的经济效益和社会效益，同时也为重大工程建设项目的安全建设与运营提供科学依据。

探索提高重大工程建设项目的安全技术的新途径与新技术已成为当务之急。

因此，开展重大工程虚拟安全技术和智能仿真技术研究，以信息技术、仿真技术、可视化技术和虚拟技术为支撑，建立统一的数字化虚拟安全模型，构造一个集成的、综合的、可运行的重大工程安全仿真环境，实现重大工程全寿命周期演变的精确、逼真的仿真，实现重大工程结构安全分析与仿真的数字化、综合化、智能化。

（二）结构损伤机理、健康监测、损伤评估、防灾减灾与加固维修研究

由于各种灾害环境因素，如地震、洪水、台风、火灾、爆炸、低温等作用，易造成工程结构不同程度的损伤，因此，研究结构损伤机理和防护技术迫在眉睫。

损伤机理研究主要有三方面：

一是对已建工程结构进行损伤诊断和健康监控研究；二是以计算机仿真技术为基础，对结构损伤的各种因素进行敏感性分析；三是实验研究，通过实验得出结构损伤的各种因素的影响因子。

重大工程结构系统的损伤积累和灾变行为日趋突出，结构健康安全检测是保证重大工程结构安全运营的重要而有效的新型技术手段。

因此在对损伤机理研究基础上，寻找一种有效的能自动实时识别结构损伤的检测方法是很必要的。

目前检测方法有两类，一类是被动方式，即采用融合于结构中的传感器不间断地监测结构的状态参数，发现异常，发出警告；另一类是主动检测方法，一般采用激励元件对结构施加主动激励，传感器监测结构响应，通过分析，判断结构状态。

不管采用哪种方式，均要求能够对结构损伤进行智能化检测，以及评估方法本身是准确的。

另外，工程结构的防灾减灾与防护在今后相当长的时间内将是土木工程领域关注的研究课题。

只有采用针对性的防护措施和进行健康监测及损伤诊断评估，才能有效防止灾害环境下工程结构受损伤而失效或结构寿命缩短。

根据结构损伤机理和影响因素，研究损伤防护措施和已损伤结构的加固维修技术是很重要的工作，这一方向的研究将在基础理论与技术实践方面取得重大进步，从而为重大工程的设计、安全运行与管理提供强有力的科学依据。

（三）新材料和新技术在土木工程中的开发应用研究发展可持续的土木工程，必须吸收高新材料和高新技术，提高土木领域的基础理论研究及工程设计、施工、监测和实验等方面的技术水平。

建造高质量的建筑物或构筑物，必然要求采用新材料，土木工程材料正在向高性能、多功能、多品种和组合利用方向发展，例如高性能隔声隔热材料，轻质高强砖和混凝土，新型钢筋的替代材料，自动防腐金属材料，防尘防辐射材料，高强高性能快速修复材料，形状记忆合金，具有建筑装饰和结构构件、受力、热工、隔音、绝缘、防火等方面新性能的复合材料，以及可融入结构基体材料或结构中可实现传感和驱动功能、实现结构的感觉和自我调节功能的“智能材料-结构系统”等。

经济高速发展，城市化进程加快，对水质、水量要求不断提高，对优质饮用水的需求迅猛增长；水资源短缺和水污染致使我国大多数城镇饮用水水源污染水质差。

因此，解决普遍存在的饮用水水源污染与对优质饮用水日益增长的需要之间的矛盾，是在未来很长一段时间内需要关注并研究解决对策的重大问题，必须关注和研究优质饮用水供给的高新技术问题。

土木工程技术与高新技术相互融合相互依赖，高科技的发展必将对土木工程带来革命性的变化。

有必要研究高新技术在土木工程中的应用。

高新技术中如信息技术、生物技术、新能源技术和海洋技术都会不同程度地应用于土木工程。

计算机技术和信息技术已经在建筑材料和制品的生产、各类土木工程的设计、计算、施工、开发的领域中得到日益广泛的应用。

尽管如此，大力发展计算机技术和信息技术在土木工程中的应用，如发展智能建筑、智能交通系统，利用计算机仿真分析进行基本理论研究、结构抗灾防灾、维修加固的模拟试验，以及开发建筑“机器人”等，仍是今后相当长时期内的重要任务。

此外，利用生物技术可以延长建筑物寿命，增强防腐防破坏功能，减轻或消除施工带来的污染。

例如，利用细菌技术可增加海水、酸碱盐等腐蚀性环境工作中的混凝土、钢材抵抗腐蚀的能力，从而延长建筑物的寿命。

有效利用新能源技术是节能建筑的重要措施，例如利用太阳能技术、自然光和自然风，地热等能源。

在海洋技术方面，海上人工岛、海底城市的建造开发，对解决全球人口爆炸、资源短缺、环境污染等严重问题来说，是有希望的探索。

四、重大项目

（一）学科方向建设

根据国际、国内土木学科发展趋势，结合我国国民经济发展的需求，土木工程学科领域的主要研究内容、关键技术、热点研究问题如下：

1．工程结构耐久性、失效机理与防灾减灾、健康安全监测各类工程结构，由于材料制作、结构设计、施工及使用过程中存在的不确定性，其完成预定功能概率不断发生变化，结构的性能逐步劣化，抗力不断下降，这是不可逆转的自然现象。

10〜20年之后，

鉴定、加固与维修将成为土木工程领域的主流。

因此，提前对工程结

构失效机理、表征、寿命预测以及检测和加固技术进行研究是很有必要的。

工程结构的失效主要由材料自身性能退化或外界环境作用引起。

因此，首先必须对工程结构的失效表征进行研究。

对现役结构，根据其已经使用年限的不同，对其继续使用期要求也不同，即其继续使用期所具备的安全可靠指标也应该不同。

因此，必须进行相当数量的工程调查，对不同安全分级标准的结构物，在经历不同使用年限后，给出合理的现役结构可靠指标。

在现役结构可靠指标的范畴内，对服役结构的具体抗力性能，即劣化程度评估，进行工程结构的劣化时变分析。

通过服役年限内的劣化速率，评价在现役结构可靠指标下工程结构的可靠性。

通过对工程上程构损伤规律、损伤叠加和失效机理、表征的研究，提出符合客观规律的评估耐久性新方法和寿命预测数学模型，并进一步建立和完善新的耐久性理论体系。

风灾、火灾、爆炸等灾害表明，灾害严重危及人民生命财产安全，造成重大的经济损失和社会影响。

特别是随着重大工程和基础设施的建设、中国城市化进程的加快、人口增长及社会财富密集，灾害易损性和灾害链易发性增强，进一步增加了灾害的破坏程度。

现代土木工程规模、造型和相应的建筑技术越来越大型化、复杂化和多样化，结构朝着更高、更轻、更柔的方向发展，使结构在灾害作用下的非线性效应、动力效应等冋题更加突出。

为减少灾害性损失，急需提咼重大工程的防灾减灾理论体系和技术水平。

结合基于性能的抗震设计方法、结构的振动控制以及结构的健康诊断与系统识别技术的工程结构智能化将成为防震减灾的一个新的研究热点。

重大工程结构的健康安全监测是保证重大工程安全运营的重要而有效的新型技术手段。

然而，重大工程结构体系体积大、跨度长、环境恶劣、使用期限长，传统的监测系统性能稳定性和耐久性都不能满足工程实际的需要。

因此，研究和发展高性能的安全智能监测与控制在未来十年内是土木工程健康安全监测的热点问题。

主要研究内容如下：

（1）结构失效表征的具体评价参数及不同安全等级、不同使用年限的可靠性指标；

（2）材料性能劣化速率与结构劣化速率的相关性及结构安全概率的分级和劣化速率的可执行标准研究；

（3）受损结构建模、灾变分析与预测的理论和方法；

（4）基于性能的抗震设计、振动控制以及健康诊断为一体的智能化工程结构的研究；

（5）基于GIS的城市灾场的仿真技术与防灾减灾设计理论研究及构建城市数字减灾系统；

（6）生命线工程结构的健康诊断及其振动控制装置的研发和应用。

2．数字技术、信息技术和新材料在土木工程中的应用研究传统建筑技术的发展已经进入了瓶颈状态，不借助新的科技手段，不移植嫁接新技术，现代土木工程就不可能有大的发展，只会停留在低水平的重复上。

只有掌握和运用土木工程高新技术的数字化、

信息化技术，才能在建筑业的国际竞争和土木工程学科的发展中取得优势。

发展土木工程的计算机仿真分析可以解决传统技术解决不了的难题。

利用计算机仿真分析可以对结构进行灾害下的原型模拟实验，并且土木工程中基本理论研究的一些热点问题也必须借助于计算机技术才能大大提高精确度和可靠性。

发展智能建筑、智能交通系统是计算机技术和信息技术在土木工程应用的另一个方面。

在施工技术的发展中，随着多媒体计算机的高速发展和普及，建筑机械数字化，先进的雷达量测设备、GIS技术等高新技术的成熟应用，正在迅速提高施工技术的科技水平，并为数字化和信息化施工提供了可能。

给水排水系统数字化是发达城市、中等发达城市的重要标志之一。

以数字技术、仿真技术、可视化技术和虚拟技术为支撑，开展给水排水系统数字化研究，对保证城市水系统的良性社会循环意义重大，是21世纪给水排水领域的发展方向。

开发多功能和环保型的建筑材料是材料发展的热点。

今后，具有多功能和新性能的复合材料和化学合成材料的开发应用；可融入结构基体材料或结构中可实现传感和驱动功能、实现结构的感觉和自我调节功能的“智能型”材料的开发，新型节能墙体和屋面的保温、隔热、防水技术与材料的研究等，都会成为材料发展的新天地。

目前，防水和保温隔热材料的寿命以及智能性建筑中“智能控制"部分的耐久性已经不能满足工程实际的需要，研制高性能、高耐久性的建筑材料成为急需解决的问题。

此外，钢材是可以回收再利用的材料，因此要加大钢材在建筑（尤其是民用建筑和住宅建筑）中的使用。

随着我国建筑业及市政建设的发展，在旧建筑物拆除过程中、道路重建过程中及建筑施工过程中，都产生大量的废旧混凝土，如此巨量的并日益增长的废旧混凝土处理费用惊人，需占用大量土地堆积，并导致严重的环境污染，破坏生态环境。

因此，低能耗、低污染、高性能的新型建材的发展以及建筑材料的循环利用和废弃物的利用非常急迫。

节能、环保和可持续发展的建筑材料是今后建筑材料发展的方向。

主要研究内容如下：

（1）智能建筑系统技术和智能交通系统技术；

（2）给水排水系统数字化检测技术、智能化运转管理及其工厂化与数字化；

（3）数字化施工技术基础平台系统和施工过程三维实时动态仿真技术；

（4）多功能、智能型与节能环保型建筑材料的开发应用；

（5）高性能和高耐久性材料的研究；

（6）废弃混凝土的循环和再生利用；

（7）可持续发展的生态型建材开发。

3．新型结构体系的研究与开发近年来我国国民经济发展迅速，国家整体实力提高，人们物质生活和精神生活水平日益提高，传统结构体系已经很难满足人们对居住环境和美好生活的需求。

此外，当前国家很重视建筑节能和环保问题，而目前制约节能发展的基础性关键技术主要是结构体系的问题。

木材、土墙是可再生的绿色建材，研究其新型结构体系为中国广大农村提供居住房屋有重要意义。

具有开创性、高科技以及环保节能的新型结构体系成为建筑业的研究热点。

新型结构体系。

如：

巨型结构、大跨度网壳、悬索结构、薄膜结构、超高层组合结构体系、杂交结构体系、轻钢组合结构、新型住宅结构体系及超大跨度桥梁新型结构体系与传统结构相比具有强大的竞争力，以其新颖的造型、巧妙的构思和良好的技术经济效果越来越受到世界工程师的青睐。

随着我国现代城市化进程的加快、世博会和奥运会的申办成功，我国在未来几十年内将会陆续兴建一大批新型节能环保住宅结构体系、超高层组合建筑、超大跨空间结构等重大工程。

此外，适应经济发展需要的现代交通网络的建设离不开桥隧工程的建设，由于我国特殊的地理条件（具有长江、黄河、珠江等大河以及海峡等），建设超长大桥更应是我国桥梁技术人员必须挑战的目标。

桥梁建设技术的难度随着桥梁跨度变长而加大，更随着基础位置的水深变深而更加增大。

实现超长大桥的建设，不仅仅是解决如何“建"的问题，也是必须解决怎样做才能减少建设费用和建成后的维修管理费用的问题。

新型结构体系的理论问题、关键核心技术问题需要进一步研究，新型结构形式、结构规模、材料、施工技术等方面需要进一步提高。

无论是从我国国民经济发展的需要，还是从土木工程发展的推动力量和发展趋势，新型结构体系的开发应用将成为今后相当长的时间内研究的热点。

主要研究内容如下：

（1）大跨、高耸、组合结构新体系与施工技术研究；

（2）超大跨桥梁新型结构形式的开发和应用；

（3）现代预应力结构体系设计理论与应用研究；

（4）城市、农村住宅建筑新型材料及结构新体系研究；

（5）灾害性能设计和控制设计的理论和技术应用。

4．岩土工程与地下空间开发岩土体的变形和强度特性受到很多因素的影响。

目前在弹塑性、粘弹塑性特性研究方面取得了较多的成果，但对岩土体在复杂受力和工作环境下的变形和强度特性的研究还很浅，微观变化和宏观反应间的相互关系与工程应用尚有较大的差距，特殊土的工程特性研究还有待深入。

岩土工程灾害防治、预测和加固技术是重大工程和基础设施安全性的重要保证。

软弱地基、岩土质边坡加固、地下工程加固等新材料、新技术、新工艺的计算理论研究与工程应用将会是今后一段时期的发展方向。

随着我国一批重大工程和基础设施的兴建，现代立体城市的发展，地下空间的开发建造成为土木领域的重要任务。

地下空间开发的建设项目种类繁多，如地铁、隧道、建筑物附建地下室、地下街、防空洞、各类市政基础设施管线等。

地下空间是很复杂的，具有其特殊性、封闭性，无自然采光，必须通过合理的设计和环境再造才能形成符合人体生理需要的空间。

城市在制定地下空间开发规划的时候应当贯彻以下五项原则：

一是综合原则——实现城市土地的集约化使用，对城市空间进行立体综合设计，分合得体，整体有序。

二是防护原则——地下空间具有良好的抗震、防空袭和防化学武器的功能，是防止自然灾害和战争危险的重要场所。

三是环保原则——地下空间开发要有利于改善城市生态环境。

四是法制原则——依法规划、依法实施、依法管理，一切活动在法制框架内运行。

五是效益原则——社会、经济、环境效益兼顾。

当代地下空间的开发应该在新材料、新技术的发展下，更新概念，向高层次发展，赋予地下空间新的形象，把我国地下空间的建设推向一个新的境界。

主要研究内容如下：

（1）复杂受力条件下的岩土体变形、强度特性及其工程效应研究；

（2）岩土工程设计、施工过程、灾害预测、防治的计算机仿真；

（3）岩土工程新材料、新技术与成套设备开发；

（4）城市地下空间结构设计理论及整体系统开发研究；

（5）地下建筑物理（声、光、保温）技术研究；

（6）爆炸、冲击作用下的结构动力分析及现代战争条件下抗震防震的设计理论与方法；

（7）地下空间工程的平战结合与临战前加固技术的研究。

5．水的良性循环与水质水量保障问题水是社会和经济可持续发展的命脉。

然而，由于水资源短缺和水环境污染日趋严重，人类社会面临着严重水危机。

水危机已成为我国社会经济发展的重要制约因素。

此外，我国水资源时空分布极不均匀，使得一系列国家重大工程，如东北老工业基地改造、重要中心区域华

．东北

北的建设、南水北调工程等实施中的水质水量保障问题突出老工业基地水资源紧缺，老企业污永处理设施落后，水温低使水处理难度大。

华北地区人口密集，工业集中，人均水资源量比极度缺水的以色列还要少，严重缺水；经济发展与水污染控制不同步的长江三角洲和珠江三角洲等地区污染型水资源紧缺，严重制约了这些地区的社会经济可持续发展。

随着现代水工业的发展，市政工程应该以水的社会循环为研究对象，以水质为中心，研究其水质和水量的运动变化规律，以及相关的工程技术问题，以实现水的良性社会循环和水资源可持续利用为目的，以水资源可持续利用为核心，从水资源保护、水资源的调蓄方法、受污染水体修复、减污与资源合理利用、污水资源化、安全优质饮用水保障、节水与节能、水务管理等多方面进行研究，并进行多学科高新技术交叉，联合攻关。

多尺度水的良性社会循环指不同层次、不同区域在保证用水水质的前提下对水资源有序合理的利用。

水质是实现多尺度水良性循环的重要基础，更是国内外研究的重点。

针对我国水危机现状，研究适合国情、并具有自主知识产权的水良性循环对策，是社会经济高速发展的迫切需要。

此外，研究水资源利用安全可靠性、节水与开发可再生水资源、水污染防治措施与工程技术等，是解决合理利用有限水资源，缓解缺水，控制水污染，实施国家重大工程的关键和重要保障。

主要研究内容如下：

（1）我国多尺度水的良性社会循环理念及其体系的研究；

（2）工业区水循环利用技术与零排放问题；

（3）城市水良性循环利用与区域或流域水的间接循环问题；

（4）低温环境下水与污水的处理和污泥的处置；

（5）缺水地区与经济发达地区的水资源可持续利用；

（6）南水北调工程中的水质水量保障问题。

6．建筑环境与设备随着我国经济飞速发展，建筑能耗在城镇总能耗中占重要份额，人们对健康舒适、保护环境以及高新技术产业工艺过程对室内微气候提出了更高的要求。

建筑环境学科面临的中心任务：

一是既要创造舒适健康、可接受的建筑热环境和空气质量环境，又必须达到节能环保，保证人居环境可持续发展；二是