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關于中國橋梁技術發展的思考
2020-05-19 來源:中國工程院院刊 作者:周緒紅 張喜剛

  周緒紅,結構工程專家,中國工程院院士。

  長期從事結構工程學科鋼結構、鋼-混凝土組合結構等方向的科研與教學工作,在鋼結構、組合結構及新型結構體系的理論研究、工程應用與產業化發展方面取得了創新成果。采用半能量法求解薄板及板組的屈曲與屈曲后承載力問題,提出了考慮板組效應影響的卷邊板件有效寬度設計方法,完善了冷彎型鋼構件、板件、墻體與樓蓋的設計理論與設計方法。研發了橫孔連鎖空心砌塊墻體與新型疊合樓板,并提出了相應的設計理論與設計方法。研發了在鋼管約束型鋼混凝土結構,提出了鋼管約束混凝土柱的設計理論與設計方法。

  張喜剛,橋梁工程專家,中國工程院院士。

  長期從事橋梁工程技術研究和應用,攻克了多項重大工程關鍵技術難題。其中,首創了千米級斜拉橋結構體系、設計與施工控制關鍵技術;提出了大跨預應力混凝土梁橋主梁開裂和跨中下撓控制關鍵技術;研發了短線匹配法節段預制拼裝體外預應力橋梁關鍵技術;并在多塔斜拉橋關鍵技術、大跨徑變截面連續鋼箱梁橋關鍵技術、特大型橋梁防災減災與安全控制技術等方面取得重要成果。

  摘要

  在橋梁工程史上,需求一直是發展的首要驅動力。改革開放以來,在巨大的建設需求驅動下,中國橋梁完成了從“跟隨者”向“競爭者”再向“引領者”的轉變,在三個主要階段實現了量和質的飛躍。中國橋梁工程迎來了新的未來。作為中國交通基礎設施的重要組成部分,橋梁工程產業在新時期面臨著如何支撐新型交通方式建設的挑戰。本文基于對存量需求、增量需求和管理需求的基本分析,總結了中國橋梁技術的現狀。我們認為,中國橋梁工程產業必須滿足三大突出要求——高效建造、有效管養、長效服役。基于信息技術的智能化技術為橋梁工程創新提供了新機遇。因此,橋梁工程的發展路徑亟需被改變。本文提出以發展智能化為特征的“第三代橋梁工程”的構想,同時對智能化橋梁的定位、發展重點、發展規劃進行了探討,為中國橋梁工程產業核心競爭力的提升提供了方向。

  關鍵詞

  中國橋梁工程 ; 第三代橋梁工程 ; 智能橋梁 ; 科技計劃 ; 施工技術 ; 管養技術 ; 信息技術

  引言

  橋梁為擴大人類活動范圍提供媒介,克服了地緣政治障礙。橋梁已成為人類擴大生存空間的重要渠道,極大地促進了社會發展。橋梁工程的功能價值、社會價值和文化價值與人類社會的政治、經濟和文化活動密切相關。這些價值超越橋梁本身,將橋梁轉變成擁有社會屬性和文化屬性的基礎設施。現代橋梁是重要的社會資產,它已成為社會發展的縮影。

  改革開放以來的40年是中國橋梁建設發展的黃金時期。在遵循技術發展的一般規律以及走“集成—發展—創新”之路的基礎上,中國橋梁工程經歷了三個階段——20世紀80年代的學習與追趕、90年代的跟蹤與提高以及21世紀以來的創新與超越發展階段。中國橋梁工程的發展已取得了實質性的飛躍[1],建成了以蘇通長江公路大橋、天興洲長江大橋、盧浦大橋等為代表的許多結構新穎、設計施工難度大并采用復雜高科技材料和工藝的特大型橋梁。而且,中國積極參與國際競爭,參建了馬來西亞檳城二橋、巴拿馬運河三橋和奧克蘭新海灣大橋等許多國際知名橋梁工程。這些工程榮獲了國際咨詢工程師聯合會(FIDIC)“百年重大土木工程項目杰出獎”、美國土木工程師學會(ASCE)“杰出土木工程成就獎”和國際橋梁與結構工程協會(IABSE)“杰出結構工程獎”等34項著名國際大獎。這些獎項標志著中國橋梁產業的快速發展,同時中國橋梁產業也贏得了國際橋梁界的尊重和認可。中國橋梁工程已逐漸走向世界舞臺中心 [2–5]。

  然而,近年來國內外環境的不斷發展與變化,使中國橋梁產業又站在了一個新的起點上,這給橋梁工程的發展提出了新的要求。中國橋梁工程產業在新時代面臨的主要問題都與如何支撐“交通強國”的建設相關。這些問題包括橋梁工程如何才能支撐中國的重大國家戰略?如何才能確保橋梁安全?如何才能實現橋梁強國夢?面臨這些新的歷史任務,我們必須立足中國橋梁工程技術的現狀,以更開闊的視野審視中國橋梁技術前進的方向,抓住當前進一步發展的機遇,并以合理、科學的方法推動中國橋梁工程的發展。

  中國橋梁技術的現狀

  伴隨著經濟發展,中國的改革開放為中國橋梁工程的發展帶來了前所未有的機遇,橋梁建設規模不斷擴大。截至2017年年底,中國已建成的橋梁數量超過83萬座。中國建成了許多有重大國際影響的世界著名橋梁工程,已獲得了全世界對中國橋梁工程的認可。在世界排名前十的各類橋梁中,中國橋梁占據了一大半(表1)。中國橋梁產業取得的輝煌成就已獲得社會的廣泛認可。橋梁已成為中國基礎設施建設中最重要的品牌之一,中國橋梁的國際認可度正在不斷提升。

  表1 排名前十的各類橋梁

 


  中國橋梁工程產業取得的這些成就要歸功于其根據自身需求所做的大量技術研究。中國橋梁工程產業在以下四個方面取得了長足的進步——材料技術、勘察設計技術、施工技術和管養技術。

  2.1. 關鍵技術成就

  2.1.1. 材料技術

  材料是橋梁工程的基礎,因此,特大橋梁的發展是以材料技術的發展為基礎的。到目前為止,中國已經實現能在國內生產混凝土、鋼材、電纜、復合材料和智能材料。其中某些材料的生產技術也處于世界領先水平 [6–8]。

  在混凝土方面,C50和C60在中國應用廣泛。研究人員對纖維混凝土、輕質混凝土和超高性能混凝土進行了研究,這些材料在實踐中也逐漸得到應用。同時研究人員也越來越重視通過提高混凝土材料性能來改善其結構性能。

  中國鋼材的發展經歷了低碳、低合金、高強度和高性能階段。目前,Q345和Q370鋼材得到廣泛應用,Q420鋼材的應用正逐步展開。Q500鋼材已研發成功,并被應用于滬通長江大橋和其他工程。700 MPa級鋼材目前正處于研發階段,環氧樹脂涂層鋼筋和不銹鋼鋼筋正逐步得到應用。

  在纜索材料方面,1770 MPa鋼絲和1860 MPa鋼絞線已實現國產化并在工程中得到應用。2000 MPa鋼絲(鋅鋁合金)也被研發成功并得到應用。

  玻璃鋼(FRP)等復合材料在橋梁修復、加固方面得到了應用,在纜索材料中的應用研究也已逐步展開。記憶合金、壓電材料、光導纖維、自修復智能混凝土等新型智能材料在橋梁監測和加固工程中的研究和應用也已逐步開展。

  2.1.2. 勘察設計技術

  勘察設計技術是橋梁工程發展的先決條件。中國幅員遼闊,地質和地形條件多種多樣。這促進了橋梁類型的多樣化發展,并帶動了勘察設計技術的發展。因此,中國橋梁工程已在勘察技術、設計理論與方法、橋型與結構體系、關鍵結構、防災減災技術和橋梁信息技術方面取得了很大進步。

  在勘察技術領域,遙感、全球定位系統、地理信息系統等現代空間信息技術可被用來獲取地質解釋地圖、正射影像地圖、數字高程模型(DEM)、點云數據等。無人機攝影技術的使用在勘察領域取得很大進展。無人機攝影技術為設計提供了準確的地質判讀數據,為土方量和工程量的準確計算提供支持,并為智能選線和三維(3D)設計提供基礎數據平臺。

  同樣,橋梁的設計理論也在逐步完善,正在從容許應力設計法向基于性能的設計方法發展。決策方法也變得更加可靠,因為它從基于經驗的判斷方式轉變為基于概率和經驗相結合的判斷方式。目前中國橋梁工程產業已建立集經驗、概率和風險評估為一體的決策方法。設計概念已逐漸完善,已從可靠性設計向壽命周期設計轉變。而且,以可持續發展理論為基礎的可持續設計目前正處于發展初期。設計理論與方法的進步極大地促進了中國橋梁技術的國際認可度[9–11]。

  在橋型和結構體系方面,中國工程師已掌握各類橋梁設計方法,并不斷創新和發展結構體系與關鍵結構。同時,在四大橋梁類型(梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋)的基礎上,研發了適用于當地條件的技術。其中包括各種創新橋型,比如具有靜力限位和動力阻尼的斜拉橋[12]結構體系、分體式鋼箱梁懸索橋、空心連續鋼橋和鋼管混凝土拱橋(圖1)。基于這些成就,中國工程師研發了矮塔斜拉橋、斜拉拱橋和斜拉懸索組合橋等新橋型。這些成就一起構成了以梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋為主體的現代橋型和結構體系。

  圖1. 創新橋型。(a)靜力限位與動力阻尼組合結構體系(蘇通長江大橋);(b)分體式鋼箱梁懸索橋(西堠門大橋);(c)剛構橋(中國-馬爾代夫友誼橋)。

  橋塔、主梁、纜索、拱肋和基礎等橋梁關鍵結構構件正在被不斷地研發和創新[13,14]。研究人員掌握了高度在300 m以上的混凝土橋塔、鋼塔和鋼-混凝土組合橋塔等結構的設計技術,并提出了內置式鋼錨箱和同向回轉拉索等新型錨固結構。主梁的結構形式已實現創新與突破:分體式鋼箱梁首次被成功應用于懸索橋,同時,研究人員正在研發三主桁鋼桁梁。此外,鋼-混凝土組合梁和混合梁的設計技術也越來越成熟。纜索和錨固系統的強度、壽命和智能化水平已穩步提高,研究人員已研發出設計壽命為50年的高強度耐久型的平行鋼絲拉索體系、分布傳力錨固系統和懸索橋主纜“即時監測無黏結可更換式”預應力錨固系統。混凝土拱肋、鋼箱拱肋、鋼桁拱肋和勁性骨架鋼管拱肋均得到廣泛應用,使得各類型拱橋跨度突破了世界紀錄。在基礎結構方面,研究人員已研發出了異形變截面超大型啞鈴型承臺群樁基礎、超大直徑鉆孔灌注樁基礎、大型鋼-混凝土組合沉井基礎、大型圓形地下連續墻圍護結構錨碇基礎、沉井加管柱的復合基礎以及“∞”字形地下連續墻基礎等新型基礎形式的關鍵設計技術。

  防災減災的理論方法、實驗和控制技術均已得到發展。研究人員所提出的方法包括橋梁3D顫振分析的狀態空間法和全模態分析法、斜風作用下抖振分析法、風振概率性評價方法[15]、基于橋梁壽命周期和性能的抗震設計理論[16]、多點平穩/非平穩隨機地震響應分析的虛擬激勵法以及基于性能的船撞橋設計方法。研究人員還研發了波流數值水池模擬技術和具有自主知識產權的橋梁分析軟件[17]。利用這些方法,研究人員初步制定了涵蓋風、地震、船舶碰撞、波浪流、車輛等作用的橋梁防災減災技術體系,保障了橋梁的功能實現和安全。目前,中國橋梁防災減災技術研究正在從單因素災變向多災害耦合災變方向發展。

  在橋梁信息技術領域,與橋梁分析軟件相關的研發和應用取得了重大進展,在主要功能、計算精度、計算與分析效率等方面已接近國外軟件水平(表2)[18]。建筑信息模型(BIM)技術作為提高橋梁信息化水平的有效手段,已得到國家各個層面的高度重視,并且在試點工程中已被應用于橋梁的正向設計、碰撞檢查、施工過程模擬和施工進度管理。同時,研究人員通過將BIM技術與虛擬現實/增強現實(VR/AR)技術相結合,將其用于方案優化和選擇。另外,集成建模與分析技術、基于BIM的管理平臺的建設也已取得突破。

  表2 中國自主研發的計算機輔助設計(CAD)和橋梁分析軟件

  2.1.3. 施工技術

  中國擁有不同施工條件下各類型橋梁的施工控制技術,隨著自動化水平、生產效率和質量穩定性的不斷提升,行業施工技術正發展迅速。橋梁建設中使用的主要施工裝備大多數由中國制造。自動化水平和裝備生產能力也有顯著提高[19–22]。

  在超高橋塔施工技術及裝備方面,研究人員研發了混凝土橋塔液壓爬模技術、混凝土超高泵送技術、預制構件吊裝施工技術與鋼橋塔高精度拼裝施工技術。混凝土橋塔澆筑最大節段長度(每節長6 m、高6 m)、爬模施工效率(每節12 d)、塔頂傾斜度誤差(≤1/42 000)、鋼橋塔最大吊重提升速度(7.5 m·min–1 )已達到了國際領先水平。中國自主研制的5200 t塔式起重機已在實際工程中得到應用。

  在主梁施工技術及裝備方面,研究人員研發了鋼箱梁數字化制造生產線、混凝土箱梁整孔預制與架設技術、梁上運梁與架設技術、短線匹配法預制拼裝施工技術、鋼箱梁整體吊裝施工技術以及與纜載吊機、橋面吊機、頂推法和滑模法相結合的主梁架設與施工技術。研究人員還自主研發了浮式起重機、架橋機、橋面吊機、纜載吊機、大型龍門式起重機、滑模設備等關鍵裝備。其中纜載吊機的吊裝能力(900 t)和其轉體施工技術(轉體長度為198 m,轉體重量為22 400 t)均達到了國際領先水平。

  在纜索制造與架設技術及裝備方面,研究人員研發了斜拉橋熱擠聚乙烯防護拉索技術和熱擠纜索護套成型技術;研發了軟-硬組合與三級牽引的超長斜拉索架設技術,并將其廣泛應用于斜拉橋和拱橋;掌握了使用預制平行鋼絲索股(PPWS)法的主纜架設技術。

  在拱肋施工技術及裝備方面,研究人員研發了斜拉扣掛懸拼懸澆、勁性骨架、鋼筋混凝土拱橋轉體及鋼拱橋大節段提升等施工技術。其中采用勁性骨架施工法建設的滬昆鐵路北盤江特大橋主跨跨徑達到了445 m,橋梁跨度遠超國外水平(210 m)[23]。勁性骨架拱肋外包混凝土澆筑技術采用了真空輔助三級連續泵送工藝,使輸送效率提升到30.8 m3 ·h–1 。采用斜拉扣掛懸拼架設法建設的朝天門大橋主跨跨徑達到了552 m。在拱肋轉體施工法方面,平轉法的最大噸位被提升至17 300 t,研究人員還提出了上提式豎轉法。大節段吊裝法的最大吊重達到了2800 t。同時研究人員研發了大噸位纜索起重機(最大吊重為420 t,最大高度為202 m)等施工裝備。此外,拱肋施工技術在行業中的應用也越來越普遍。

  在橋梁基礎施工技術與裝備方面,研發成功的技術包括大直徑鉆孔樁、大直徑鋼管樁、預應力高強混凝土(PHC)管樁、鋼管復合樁、大型群樁基礎、大型沉井基礎、超深地下連續墻基礎等施工技術。自主研發的裝備包括打樁船、液壓打樁錘、鉆機、混凝土攪拌船、雙輪銑槽機等在內的橋梁施工裝備。其中打樁船能力(? 為7 m,樁長100 m以上、重600 t)已經超過了國外水平(? 為2.5m,樁長80 m、重100 t)[24]。

  在橋梁架設技術方面,工業化施工技術在快速發展,自動化水平也在不斷提高。在結構構件安裝方面,預制樁基整體打樁、承臺和墩體預拼裝、預制鋼橋塔整體吊裝已實現。對于主梁,所有作業均采用了大規模預制和安裝技術,包括混凝土箱梁小節段預制和拼裝、桁架梁大節段預制和吊裝、水道上鋼箱梁超大節段整體架設以及采用架橋機進行預制混凝土主梁架設。從上部結構到下部結構都采用了自動化安裝。此外,為了改造和升級老橋梁,研究人員研發了促進大型橋梁節段快速修理和更換的技術,從而盡量減少施工對繁忙交通的干擾。

  在施工控制技術方面,在傳統的“變形-內力”雙控基礎上,研究人員結合無應力狀態控制理念提出了幾何控制法,同時研發了一種用于解決橋梁分段施工的理論控制方法——分階段成形無應力狀態法[25]。此外,研究人員還提出了一種設計、制造和無應力構件安裝全過程的幾何控制方法。這大大提高了大跨徑斜拉橋施工控制精度。目前研究人員正在研發一種集計算、分析、數據收集、指令發出、誤差判斷等功能為一體的施工控制系統。基于網絡的橋梁智能化信息化施工控制技術正成為研究熱點。

  2.1.4. 管養技術

  伴隨著橋梁建設的迅猛發展,中國在橋梁管養、監測、檢測和評估技術方面取得了很大進步[26,27]。在管養方面,建立了以預防性養護為主、以糾正性養護為輔的兩級方法。

  在監測技術領域,厘米級實時動態差分式全球定位系統、全系列光纖光柵測量儀等一系列傳感器和監測產品得到廣泛應用。研究人員還研發了微秒級時鐘同步振動信號調理器、百赫茲級高速掃描光纖解調儀等一系列信號采集設備,制定了基于雙環冗余光纖環網和工業以太網的監測技術。數百座橋梁已安裝了結構安全監測系統。系統集成技術日臻成熟。

  在檢測技術方面,研究人員研發了橋梁混凝土無損檢測、鋼結構橋梁疲勞裂紋探測、水下樁基礎檢測、高清攝像損傷識別、橋梁靜載試驗等檢測技術以及纜索檢測機器人、橋梁檢測車等一系列檢測裝備。檢測裝備越來越專業化和智能化,檢測技術的重心已從破壞性檢測向無損檢測方向轉移。

  在評估技術方面,研究人員提出了采用分層綜合評定與五類單項控制指標相結合的橋梁技術狀況評定方法,評定指標得到進一步細化;提出了以橋梁試驗結果和結構驗算得出的承載力結果為基礎的評定方法;提出了基于橋梁承載力評估、耐久性評估及適用性評估的綜合評估方法。評估結果的可靠性和全面性進一步提高。

  在加固技術方面,碳纖維復合材料和體外預應力加固等新方法和新工藝已被應用于橋梁維修加固工作中。纜(吊)索更換技術、主梁更換和加固技術均得到快速發展。同時,研究人員還自主研發了新型涂層和陰極保護聯合防護技術。較為完善的橋梁養護、維修與加固技術體系被建立,使得對橋梁的保護由被動保護轉變為主動保護。

  在信息管養方面,信息化決策支持系統被建立,以便于橋梁資產的養護和管理建。目前,橋梁施工人員僅使用一個識別碼,便可對各種施工文件、監測設備、監測數據、養護數據和橋梁施工與管理過程中的其他信息進行管理,同時可以將其用于協助決策,從而確保信息管理的獨特性、可視化、自動化和可控性。

  2.2. 存在的問題

  自改革開放40年來,中國在橋梁工程方面取得了輝煌成就。然而,與發達國家相比,中國橋梁工程在四個關鍵領域還存在一些問題和不足。一些基礎理論研究和共性關鍵技術尚需突破。而且,施工精細化程度不高,工業化、信息化和智能化水平有待進一步提高,科技創新與成果轉化能力不足,產業化程度較低。這些問題進一步影響了中國橋梁產業的長期發展,具體情況如下 [4,28]:

  (1)材料技術。在先進材料的研發和應用方面,中國仍然在追趕西方國家。高性能混凝土材料的研究仍處于初級階段(即模仿國外的產品),且高性能鋼材的力學性能指標也低于國外水平。與西方國家相比,在鋼材的焊接性、強度、板材厚度和耐候性方面都存在較大差距。而且,基于高性能、大型FRP和形狀記憶合金(SMA)的產品仍需要進口。

  (2)勘察設計。中國在基礎理論、前瞻性研究、智能化技術以及具有自主知識產權的軟件等方面的研究和應用落后于西方國家。

  (3)施工。中國的施工技術產業化程度不高且施工設備的性能和可靠性亟待提高。智能化施工技術和設備也有待開發。施工質量的穩定性也亟待提高。

  (4)養護與管理。從養護與管理的角度看,監測和檢測技術與裝備、結構狀態評估理論與方法、養護與維修加固技術、智能化技術發展等方面仍然相對不發達。首先,橋梁工程師在設計、制造、施工、管理和養護方面仍面臨缺乏核心技術與裝備的現實。缺乏核心技術與裝備就限制了中國橋梁工程的進一步發展,對中國橋梁工程產業的競爭力構成風險。目前,我們除了承認當前在關鍵技術上的差距,還應該認識到中國在創新體系建設、觀念引領、機制建設和技術應用方面存在的一系列根深蒂固的問題,具體如下:

  (1)創新體系。創新體系建設存在兩個薄弱環節——能力建設不足和戰略領導能力不足。現有橋梁的建設和養護技術優勢不足以支撐中國向世界領先的橋梁制造行列邁進。

  (2)觀念引領。中國既缺乏堅定的科研意志,又缺乏腳踏實地的態度。目前的觀念存在兩個極端——要么為了避免風險而完全不去創新,要么純粹為了創新而創新。

  (3)機制建設。阻礙中國建設創新機制的兩個問題是創新平臺的同質化和研究的重復性。同時,科研成果共享機制的建設比較缺乏且科研資源浪費嚴重。

  (4)技術應用。精細化程度不高和規模化水平不足是影響創新技術應用的兩個問題。新技術的產業轉化水平較低,使得開發者難以盈利并限制了產業的持續發展。

  上述問題限制了中國橋梁工程產業核心技術的發展,同時也進一步加重了目前中國橋梁工程產業缺乏核心技術這一現狀。為此,我們必須繼續研究橋梁建設特點,抓住新一輪產業革命和發展的機遇,實施科技攻關的長遠戰略規劃,創新體制機制,從根本上提高橋梁建設的創新發展能力。

  橋梁工程發展的機遇與挑戰

  歷史表明,需求是橋梁工程發展的第一動力。近年來,國內外需求的變化(其中包括新需求的提出)讓中國橋梁工程的發展站在了新的起點上。

  第一個變化是增量需求變化。隨著“一帶一路”、長江經濟帶和京津冀協同發展等一系列國家發展戰略的提出,橋梁建設需求依然旺盛。然而,未來橋梁建設將逐漸向中國及歐亞大陸的重要跨海通道、深山峽谷拓展。這一轉變將使得施工條件變得更加復雜,橋梁跨度和結構規模也變得更大。而且,我們必須要轉變之前只考慮單一災害的觀點,要同時考慮多種災害。在確保橋梁使用壽命和性能的基礎上,未來橋梁工程將更加注重質量安全、經濟耐用、環保和節能。許多新問題和新技術都亟待解決。

  第二個變化是存量需求變化。截至2017年年底,中國公路橋梁總數達8325萬座,居世界第一。以目前中國橋梁3%的年增加率計算,預計到2025年中國公路橋梁總數將超過100萬座。同時,由于橋梁“老齡化”和服役條件惡化,大量橋梁病害問題將會越來越突出,安全事故也會日益增多。目前,中國危橋總數約為7萬座(圖2),占中國現有橋梁總數的1/12,且今后這一比例仍會維持在較高水平。我國老舊橋梁的修復工作對橋梁養護技術提出了新的要求。

  圖2. 近年來中國橋梁總數(藍色)及危橋總數(紅色)發展現狀。

  第三個變化是管理需求變化。中國社會發展正從高速發展向高質量發展轉變。因此,橋梁工程發展的主要理念已從“能建” (can be built)向“能建并能管理好” (can be built and managed well)轉變,這對施工質量和管理質量提出了更高要求。此時,橋梁工程的發展必須以質量改革、效率改革、動力改革為指導,中國橋梁的建設效率和工程質量必須通過技術創新來提高。

  總之,未來中國橋梁工程產業必須要解決如何滿足國內對施工技術、養護技術、科學決策的需求,還要解決如何滿足質量改進、快速建立和創新的管理需求。如何高效建造、有效管養、長效服役的問題就概括了當今中國橋梁發展面臨的三大挑戰。中國橋梁產業的長期生存和健康發展需要對整個產業鏈進行改革。

  目前,新一輪科技革命和產業轉型正在興起,全球科技創新呈現出智能化、信息化的新發展趨勢。新一代信息技術正在改變人類的生活方式,并給傳統產業帶來了革命性的變化。橋梁建設和養護技術是材料、設備制造、信息、節能和環保等產業發展的重要載體。因此,在新科技革命和產業轉型的浪潮中,我們應抓住時代的機遇,實現橋梁建設和養護技術與新一代信息技術的全面融合,促進橋梁產業的全面轉型升級,從而促進“第三代橋梁工程”的發展。

  “第三代橋梁工程”的主要發展方向為“智能橋梁”(intelligent bridge)。“智能橋梁”的發展戰略與國家戰略定位和產業痛點高度契合,代表了橋梁工程的發展方向。向社會展示解決現實問題的能力將有力地支撐中國實現“橋梁強國”的目標。

  橋梁工程的發展戰略

  4.1. “智能橋梁”的定義

  目前,“智能橋梁”無確切的定義。顧名思義,“智能橋梁”的核心是橋梁建設和養護技術的智能化。因此,“智能橋梁”宜包含三個基本要素:

  (1)橋梁建設和養護技術。這是“智能橋梁”的前提,因為智能化技術必須堅持先進的橋梁技術,才能滿足橋梁工程的實際需求。若建設和養技術不發達,則橋梁工程中的智能化技術就會像無本之木。

  (2)信息技術。信息化是智能化的基礎,建立具有規模龐大、自上而下、有組織的信息網絡體系需要智能化。因此,橋梁的智能化離不開信息通道的支持。科學統一的信息體系可以為“智能橋梁”提供可靠的數據支持,為橋梁的智能化奠定基礎。

  (3)智能化技術。這是解決橋梁建設和養護問題的現代人工智能化技術。智能化技術將促進橋梁智能化的實現并促進橋梁技術范圍的進一步擴大。

  因此,與傳統橋梁相比,“智能橋梁”具有三個基本特征——產業化、信息化和智能化。其中,產業化為橋梁建設和養護提供了完整的產業體系,實現了橋梁設計、建造和管養全過程的管理標準化;信息化為橋梁建設和養護全過程構建信息通道,實現了橋梁全壽命期的信息標準化和數字化;智能化為橋梁建設和養護全過程建立智能決策系統,從而減少對人力的依賴并實現無人值守的橋梁建設和養護模式。

  顯然,“智能橋梁”的發展需要以兩個主要方面的發展做指導。第一個方面是技術鏈,即信息智能化技術與橋梁理論、材料、裝備和軟件等基本技術的融合。通過在各種技術環節與現代智能信息技術建立接口,可以為智能化技術和橋梁技術創造深度融合的條件。第二個方面是產業鏈:在產業鏈的組織管理和協調發展范圍內,有必要建立面向“智能橋梁”的制度機制,從而營造良好的發展環境,使智能化技術能夠貫穿于橋梁產業并進一步推動技術鏈的智能化發展。

  總之,“智能橋梁”是在橋梁產業鏈充分發展的基礎上,利用現代信息技術構建建設和養護全過程信息通道,進一步融合人工智能等智能化技術所形成的新一代橋梁技術。通過智能設計、智能建造、智能管養,實現橋梁工程的安全、高效、長壽、環保目標。

  4.2. “智能橋梁”的發展重心

  “智能橋梁”技術是在橋梁建設和養護技術充分發展的基礎上,融合大數據、云計算、物聯網、虛擬現實和人工智能等先進技術所形成的新一代橋梁建設和養護技術。“智能橋梁”技術能夠實現橋梁工程全壽命周期的風險感知、快速響應和智能管理。而且,在包括勘察、設計、制造、施工、運營和養護在內的整個橋梁工程壽命周期內,“智能橋梁”技術能夠從根本上促進科技創新、管理模式創新和企業間協同管理創新。“智能橋梁”以智能化技術為起點,因此,“智能橋梁”的建造將促進基礎橋梁研究、信息監管、智能決策和壽命期信息共享技術的發展,以及促進人員培訓、技術交流和產業化示范。

  “智能橋梁”的發展涉及各種維度。“智能橋梁”不是簡單的“智能化技術+傳統橋梁建設和養護技術”,而是涉及在智能化技術指導下重組產業結構。需要橋梁、材料、設備和信息等領域多個產業群協同發展,推動合作領域、合作模式和合作機制的變革。

  目前,共享和協同已成為一種發展趨勢,這一趨勢已逐漸形成一種社會共識,并成為解決以往問題和新需求的一種方式。“共享”概念可作為“智能橋梁”發展中多產業創新資源整合的共同價值基礎。因此,共享有助于解決現有科技體系中的低水平重復、資源分散、產業鏈未完全成形、成果轉化不足和多產業合作困難等產業痛點。為促進“智能橋梁”和橋梁產業的可持續發展,我們必須構建以協同和共享為基礎的一種新型的“橋梁生態”(bridge ecology)模式。這需要從技術、平臺、機制三個方面入手:

  (1)從產業化、信息化、智能化等方面來發展橋梁建設和養護技術;

  (2)建立國家級全產業鏈科技發展和產業化平臺;

  (3)探索“智能橋梁”多產業協同的創新模式。

  按照上述方式,我們就可以實現需求共享、資源共享和成果共享,可以實現產業協同創新,并可以構建起一種以產業鏈創新、平臺創新、生態創新為特征的橋梁創新體系。

  4.3. “智能橋梁”的發展建議

  為實現橋梁智能化,我們可以在培育階段、實施階段和產業化階段采用三步戰略。此戰略將有助于“智能橋梁”科技計劃的實施,可顯著提高橋梁的產業化、信息化和智能化水平。正如下面三個小節所述,在橋梁建設和養護技術發展、平臺構建、創新機制建設中,我們需要開展如下工作。

  4.3.1. 運用“智能橋梁”重點研發計劃

  鑒于中國橋梁產業在設計、制造、建造、管養等關鍵技術和設備方面缺乏核心技術,所以我們亟需科學的解決方案。通過系統的頂層設計,我們可以突破目前影響橋梁建設和養護技術裝備的關鍵共性和產業化問題。以“智能橋梁”為主題的“中國橋梁2025”科技計劃是中國橋梁工程未來10~20年的頂層科技發展規劃。按照加強頂層設計、注重全產業鏈一體化實施的原則,該科技計劃以需求為出發點,涵蓋橋梁設計、施工、管養、材料、裝備和軟件等全產業鏈。該科技計劃包括“橋梁智能化設計建造技術及裝備”“橋梁智能化管養技術及裝備”和“橋梁智能化建設和養護一體化技術及平臺”三個項目。而且,按照基礎前沿、共性關鍵技術、系統集成及產業化示范布局29個項目(圖3)。通過橋梁建設和養護技術與互聯網、物聯網、大數據和云計算等新一代信息技術的深度融合,研究將側重于橋梁智能化設計建造技術及裝備、智能化管養技術及裝備、智能化建設和養護一體化技術及平臺。此外,我們應加強建設相應的研究基地和團隊,打造以產業化、信息化、智能化和綠色建造為特征的橋梁全產業鏈創新體系,提升橋梁建設和養護技術水平和產業化能力。

  圖3. “智能橋梁”重點專項方案。

  目前,“智能橋梁”已被列為中國交通建設集團的專項技術項目,是中國交通建設集團首先開展的研究項目,這決定了中國未來“智能橋梁”重點項目研究工作的技術路線,夯實了研究基礎。同時,按照國家科技研究新政策,中國交通建設集團正在積極發展一種以企業自主投資為主、政府支持為輔的新項目模式。

  4.3.2. 搭建“智能橋梁”研究與實現平臺

  以往突出的問題包括科技創新要素相對孤立、創新平臺水平相對較低、創新體系不完善、創新成果轉化渠道不暢。因此,中國亟需有效整合資源,搭建國家級科技創新平臺,并解決當前的產業發展難題。

  為此,國家發展和改革委員會、交通運輸部和中國交通建設集團共同搭建了“公路長大橋建設國家工程研究中心”(以下簡稱“中心”)這一高端平臺。這是國內公路橋梁產業唯一的國家級橋梁技術研究與產業化平臺。該中心的主要任務是圍繞國家重點工程和行業需求,推動符合橋梁深水基礎、長大橋梁結構體系與關鍵結構、橋梁高效裝配、長大橋結構安全監測與檢測和風險評估這四大發展方向的業務發展,參與技術標準制定,促進國際合作與交流,向相關企業提供技術咨詢服務,以及提升我國橋梁建造產業的核心競爭力和創新能力。

  目前,該中心已開始運營。根據國家對技術創新平臺的相關要求,中心將被定位為技術創新和成果轉化平臺,專注于共性產業關鍵技術開發和成果轉化應用,充分發揮科技進步在產業中的帶動作用,并成為“智能橋梁”重點研發計劃的實施平臺、產業化轉型平臺和人才培養平臺。

  4.3.3. 建立新型橋梁產業協同創新機制

  鑒于中國橋梁建設和養護領域存在的科技成果轉化渠道不暢、“產學研用”市場化機制與合作機制不完善、成果轉化二次投資不足、“智能橋梁”科技創新的外部創新資源需整合等問題,我們有必要建立橋梁產業協同創新機制。

  如上所述,按照共享與協同發展理念、“產學研用”相結合以及“資源共享、優勢互補、聯合開發、協同共贏”的原則,我們有必要對重點企業、知名高校、科研院所以及橋梁和相關領域的國家和行業重點實驗室與技術中心等優勢資源進行整合。此外,我們有必要建立“長大橋梁建設和養護一體化協同創新平臺”,并組建“橋梁產業技術創新戰略聯盟”(圖4)以獲取更高層次的產業內外創新資源。協同創新機制以創新發展的內在需求和相關方的共同利益為基礎,遵循市場經濟規律,通過具有法律約束力的合同對各成員形成有效的行為約束和利益保護。同時,協同創新機制在產學研之間建立起一種持續和穩定的合作關系。這樣,協同創新機制將重塑橋梁產業的創新生態。

  圖4. 中國橋梁產業技術創新戰略聯盟組建方案。

  在未來一段時間,橋梁協同創新機制將主要由兩個主體構成——面向產業內部資源創新的“長大橋梁建設和養護一體化協同創新平臺”和以面向產業內外資源創新的“智能橋梁”為指導的“橋梁產業技術創新戰略聯盟”。為組織和實現未來“智能橋梁”的發展,中國已圍繞橋梁智能化發展開展了多項重大科研和工程項目研究。

  總結

  改革開放40多年來,中國橋梁工程已走出了一條自主建設和創新發展的成功道路,取得了一批自主創新成果,建成了一大批具有國際影響力的橋梁。而且,中國培養了一批橋梁工程領軍人物和技術專家,在世界上榮獲了許多大獎,贏得了國際橋梁界的尊重和認可。這些成就為中國未來發展成為世界橋梁強國奠定了堅實的基礎。然而,與發達國家相比,中國橋梁產業仍有一些問題要克服。中國橋梁產業在設計、制造、施工和養護等關鍵技術及裝備相關領域缺乏核心技術,面臨一系列深層次的制度機制問題。

  中國橋梁工程目前面臨巨大的戰略機遇、政策相關機遇和技術機遇,在未來10~20年,中國橋梁工程產業將步入創新、轉型和升級的重要戰略機遇期。為完成支撐國家重大發展戰略、確保大型橋梁的安全和使用壽命以及實現橋梁強國夢的三大歷史任務,中國橋梁工程產業必須抓住這些機遇,并進行科學規劃,以實施“智能橋梁”科技計劃并組建“橋梁產業技術創新戰略聯盟”。這樣,中國將引領智能化技術、產業化體系和專業化橋梁工程平臺的一體化發展,將中國橋梁工程升級為以“智能橋梁”為特征的“第三代橋梁工程”。這一轉變標志著橋梁產業發展的一次飛躍。

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