結(jié)構(gòu)工程是分析和設(shè)計(jì)受自重和外荷載作用的建筑、橋梁和其他建造結(jié)構(gòu)的工程學(xué)科，以國(guó)內(nèi)的領(lǐng)域劃分，是土木工程下重要的二級(jí)學(xué)科。而在國(guó)外，結(jié)構(gòu)工程則可作為一門獨(dú)立學(xué)科來(lái)研究。最近，加拿大麥吉爾大學(xué)土木系的謝亞洲(https://www.mcgill.ca/civil/yazhou-tim-xie)教授團(tuán)隊(duì)以The twenty-first century of structural engineering research: A topic modeling approach在Structures 雜志上發(fā)表了一篇很有啟發(fā)性的工作，為我們洞悉結(jié)構(gòu)工程在過(guò)去20年的變化中給予了數(shù)字化的視角。謝老師團(tuán)隊(duì)基于表1中列出的從 Web of Science核心合集土木類23本核心期刊，收集了51,346篇文章，分析了這些文獻(xiàn)的摘要，基于大數(shù)據(jù)對(duì)過(guò)去20年里結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的主題進(jìn)行了劃分。值得注意的是，這23本雜志并不包括一些土木領(lǐng)域類其他方向的頂級(jí)期刊，例如側(cè)重交通運(yùn)輸、水資源工程和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)管理的Infrastructure Engineering；專注建筑能源、維護(hù)和管理是《Journal of Building Engineering；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與動(dòng)力學(xué)頂級(jí)期刊International Journal of Structural Stability and Dynamics；計(jì)算相關(guān)的CACIE, Computers & Structures以及建筑材料和巖土工程的一流期刊，例如，Construction and Building Materials，Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering等。

依靠專家判斷區(qū)分研究主題的差別，生成如圖1、圖2所示的主題詞云(Wordclouds)，發(fā)現(xiàn)50個(gè)研究主題可以為結(jié)構(gòu)工程的研究領(lǐng)域進(jìn)行全面分類，其中49個(gè)研究領(lǐng)域都是結(jié)構(gòu)工程的經(jīng)常研究主題，而主題#29是學(xué)術(shù)寫作中的一般主題——其相關(guān)詞包括建設(shè)、研究、材料、建筑、評(píng)論、工程、性能、問(wèn)題、項(xiàng)目、模塊、工程師等；FEM(有限元方法)在主題#6與主題#21中都高頻次出現(xiàn)，但二者的側(cè)重點(diǎn)不同，前者更多地是使用FEM，后者則側(cè)重于發(fā)展FEM；研究主題#38有一個(gè)關(guān)鍵詞ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），這表明機(jī)器學(xué)習(xí)可以作為一種可行的工具來(lái)處理結(jié)構(gòu)工程中與可靠性相關(guān)的問(wèn)題。

進(jìn)一步，通過(guò)圖3(a)說(shuō)明主題間區(qū)別，將每個(gè)研究主題都用帶其編號(hào)的圓圈表示，它的區(qū)域則代表了該主題在整個(gè)研究領(lǐng)域語(yǔ)料庫(kù)中的頻率, 圓圈之間的距離可以直接度量主題之間的相似性。其中，重疊圓圈表明了具有共同研究主題的相互關(guān)聯(lián)，例如主題#46與主題#41中用于鋼接頭的冷彎型鋼，主題#16與主題#28中梁柱節(jié)點(diǎn)的剪切行為，主題#4與主題#48中風(fēng)荷載下的結(jié)構(gòu)控制等。另外，圖3(b)還顯示了主題#35(傳感器監(jiān)控)的詞云頻率，直方圖列出了主題 #35（紅色）中每個(gè)主題詞在整個(gè)研究領(lǐng)域語(yǔ)料庫(kù)中的總頻率（藍(lán)色）中的估計(jì)詞頻。

為了發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程研究主題之間的聯(lián)系，將主題詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視化，如圖4所示，其中最大的連接組件包含482個(gè)頂點(diǎn)和6588條邊，每個(gè)主題詞的大小與其出現(xiàn)頻率成正比，而來(lái)自同一研究主題的詞云具有相同的聚類顏色。首先，關(guān)鍵詞的字體越大表示具有最頻繁共現(xiàn)的研究主題，可以看出，數(shù)值模擬(FEM, simulation, database)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試(test, experiment, specimen)是在研究中廣泛使用的兩個(gè)主要工具。相關(guān)詞也靠近網(wǎng)絡(luò)中心，代表數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和其余研究主題之間的緊密聯(lián)系。此外，其他經(jīng)常出現(xiàn)的詞還包括性能、地震、建筑、地震、損壞、材料、鋼材、預(yù)測(cè)等，它們表示對(duì)地震相關(guān)研究的重大貢獻(xiàn)。

結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的研究主題正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，例如，有限元法、結(jié)構(gòu)控制、風(fēng)流與湍流等一度熱門的研究勢(shì)頭近年來(lái)有所減弱；相比之下，爆炸載荷、SCB和BRB、地震脆弱性/風(fēng)險(xiǎn)、薄壁管和剪力連接器吸引了越來(lái)越多的研究關(guān)注。最近幾天，美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)(ASCE) 結(jié)構(gòu)工程分會(huì)(SEI)正在亞特蘭大舉行一年一度的年會(huì)Structures Congress https://www.structurescongress.org/，各個(gè)技術(shù)分委會(huì)研究者們聚在一起進(jìn)行交流。從目前活躍的分委會(huì)中能看出結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域里一些主要的研究方向。今天這期，我們來(lái)分析和介紹下目前結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域中一些熱點(diǎn)、難點(diǎn)、興趣點(diǎn)，供大家參考。

目前SEI有約50個(gè)技術(shù)分支委員會(huì)Technical Activities Division (TAD)，下面對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)述：

1

分析與計(jì)算領(lǐng)域旗下有Advances in Information Technology, Advances in Simulation, Optimal Structural Design和Structural Control and Sensing四個(gè)分支，主要涵蓋了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所涉及的計(jì)算分析方法、優(yōu)化算法以及使用未來(lái)信息化和自動(dòng)化的算法工具；

2

橋梁作為一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)體系，下設(shè)六個(gè)分委會(huì)，包括Bridge & Tunnel Maintenance, Inspection, & Rehabilitation, Bridge Security, Cable-Supported Bridges, Concrete Bridge Design (w/ACI 343), Steel Bridges和Timber Bridges，這些基本涵蓋了主要橋型的設(shè)計(jì)、分析、建造、養(yǎng)護(hù)，舊橋與隧道的養(yǎng)護(hù)、改造和反恐等問(wèn)題；

3

混凝土相關(guān)領(lǐng)域與美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)聯(lián)合，下設(shè)九個(gè)分委會(huì)，其中包含了Bond and Development of Steel Reinforcement (w/ACI 408)、Concrete Shell Design and Construction (w/ACI 334)、Design of Reinforced Concrete Slabs (w/ACI 421)、Finite Element Analysis Reinforced Concrete Structures (w/ACI 447)、Fracture Mechanics of Concrete (w/ACI 446)、Joints Connections Monolithic Concrete Structures (w/ACI 352)、Precast Concrete Structures (w/ACI 550)、Prestressed Concrete (w/ACI 423)、Reinforced Concrete Columns (w/ACI 441)和Shear and Torsion (w/ACI 445)，主要還是面向不同混凝土構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜受力及設(shè)計(jì)分析等方面的研究；

4

結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)領(lǐng)域下設(shè)了Blast, Shock, and Impact，Disaster Resilience of Structures, Infrastructures, and Community，Multi-hazard Mitigation，Retrofit Of Structures Under Dynamic Loads和Seismic Effects五個(gè)方向，基本覆蓋了以韌性為主題的防災(zāi)研究；

5

金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域下設(shè)了Cold Formed Steel Members，Composite Construction，Design of Steel Building Structures，F(xiàn)atigue and Fracture，Structural Connections和Structural Members六個(gè)方向，依然十分關(guān)注不同鋼構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系在常規(guī)和極端荷載下的響應(yīng)；

6

結(jié)構(gòu)性能領(lǐng)域有四個(gè)方向，包括Disproportionate Collapse，Methods of Monitoring Structural Performance，Performance-Based Design For Structures和Structural Identification of Constructed Systems，主要涉及既有結(jié)構(gòu)的在常規(guī)運(yùn)營(yíng)和極端荷載下的運(yùn)維評(píng)估，結(jié)構(gòu)檢測(cè)和等級(jí)分類準(zhǔn)則以及結(jié)構(gòu)倒塌的分級(jí)評(píng)估等研究；

7

特殊設(shè)計(jì)領(lǐng)域包括八個(gè)方向，均關(guān)注一些非常規(guī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，比如美學(xué)Aesthetics in Design，仿生設(shè)計(jì)Bioinspired Structures，抗火設(shè)計(jì)Fire Protection或者非常規(guī)的結(jié)構(gòu)體系，比如模塊化可展開(kāi)結(jié)構(gòu)Modular, Rapidly Erectable, & Deployable Structures，光伏結(jié)構(gòu)Solar PV Structures，高層結(jié)構(gòu)Tall Buildings和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Electrical Transmission Structures，以及Sustainability可持續(xù)方向，特殊需求和背景下的設(shè)計(jì)問(wèn)題；

8

全壽命周期響應(yīng)領(lǐng)域關(guān)注結(jié)構(gòu)全過(guò)程內(nèi)設(shè)計(jì)、分析、建造、檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中等一系列不確定性的考量，利用可靠度分析和危險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)結(jié)構(gòu)的韌性、魯棒性等進(jìn)行分析，具體的三個(gè)方向分別是On Life-Cycle Performance Of Structural Systems，Reliability-Based Structural System Performance Indicators，和Risk Assessment of Structural Infrastructure Facilities。

9

風(fēng)工程領(lǐng)域包含Structural Wind Engineering和Performance Based Wind Engineering兩個(gè)方向，覆蓋了該領(lǐng)域兩個(gè)研究對(duì)象結(jié)構(gòu)和風(fēng)的所有設(shè)計(jì)、分析和實(shí)踐研究

10

最后的木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，涵蓋了Design of Wood Structures，Performance of Wood Structures，Wood Education和Engineered Bamboo Structures四個(gè)方向，將木結(jié)構(gòu)以及竹結(jié)構(gòu)從最基本的材料認(rèn)知、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)和規(guī)范更新的角度推進(jìn)此類結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

縱觀上面不同的分支委員會(huì)可以看出，結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究方向依然離不開(kāi)研究對(duì)象、研究方法和研究目標(biāo)三大類。在研究對(duì)象方面，從基本構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)到結(jié)構(gòu)體系，無(wú)論是混凝土、鋼材還是木頭都是最核心的本體，同時(shí)也包括一些可展開(kāi)結(jié)構(gòu)、裝配式結(jié)構(gòu)等特殊的結(jié)構(gòu)體系。新研究對(duì)象的提出就需要我們走完設(shè)計(jì)、分析、建造、評(píng)估和運(yùn)維等各整個(gè)流程。在這些過(guò)程中，是否需要改進(jìn)原先的方法，尤其是結(jié)合當(dāng)下信息化、數(shù)字化工具，去全面提升設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和有效性依然是領(lǐng)域最關(guān)注的問(wèn)題。在研究目標(biāo)方面，始終逃不開(kāi)設(shè)計(jì)建造、常規(guī)運(yùn)營(yíng)和極端事件三大階段。在設(shè)計(jì)和建造中，無(wú)論是采用新的結(jié)構(gòu)形式還是提出新的優(yōu)化方法，都是為了服務(wù)于設(shè)計(jì)，讓工程師更好地設(shè)計(jì)，用最省的資源獲得最大的性能，同時(shí)還能提升人居環(huán)境的品質(zhì)，最終服務(wù)于“可持續(xù)”的主題。在常規(guī)運(yùn)用階段，則凸顯了“智慧”的屬性，無(wú)論是數(shù)字化信息化工具的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用，都是為了更有效地獲取結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)中的信息，從而給決策者一定的判斷，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使結(jié)構(gòu)的壽命延長(zhǎng)，也可以將其視之為對(duì)可持續(xù)目標(biāo)的貢獻(xiàn)。最后在極端事件方面，這些方向則緊扣了“韌性”的主題，如何在各類極端事件和荷載下使單體建筑或公共設(shè)施甚至一個(gè)社區(qū)都有更好的災(zāi)后可恢復(fù)性始終是人類面對(duì)不斷變化下自然環(huán)境的一種適應(yīng)?？梢?jiàn)，“綠色”、“智慧”和“韌性”依然是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的三大研究主題，是建筑結(jié)構(gòu)對(duì)社會(huì)需求的重要反映，體現(xiàn)了人類適應(yīng)環(huán)境的終極目標(biāo)。

END

來(lái)源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室

編輯｜解兵林

排版｜馬文千

審核｜胡? ?楠