·?導(dǎo)讀

疫情常態(tài)化的今天，如何與國際同行進(jìn)行交流是值得思考的問題。自2021年6月起，由胡楠老師牽頭組織，聯(lián)合華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院各專業(yè)中青年骨干教師，每周五邀請(qǐng)一位來自土木、力學(xué)、船海等學(xué)院相關(guān)領(lǐng)域海外杰出或青年學(xué)者，分享有關(guān)可持續(xù)(Sustainability)、智慧(Intelligence)和韌性(Resilience)相關(guān)的研究進(jìn)展，取三個(gè)關(guān)鍵詞的首字母，故命名為SIR?Frontiers系列講座。

·??往期SIR總結(jié)

在過去的一年中，我們VSL作為運(yùn)營團(tuán)隊(duì)，共舉辦了54場講座，下周三蘇黎世理工Phillipe Block教授也將壓軸出場，為第一季收官。來參與的主講人來自諸如劍橋、牛津、麻省理工、普林斯頓、哥倫比亞等世界頂尖高校。一半以上的講座為全英文呈現(xiàn)，全程時(shí)長平均為一小時(shí)十五分左右，包括講座和討論兩個(gè)環(huán)節(jié)。主講人不但為聽眾帶來最新的學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，還為大家分享自己的科研經(jīng)歷和感悟。SIR系列講座的定位是與主講人進(jìn)行深度討論和對(duì)話，因此并未做很強(qiáng)的外部推廣。每期講座大約有50-60位師生參與，是比較適中的聽眾量，獲得了參與師生一定的好評(píng)。每期講座的視頻回放都存檔并上傳至B站作為公共資源，歡迎點(diǎn)擊b站鏈接觀看：【The SIR Frontiers】學(xué)術(shù)前沿系列講座

通過這么多期的講座，我們也對(duì)這些來自世界頂尖院校的年輕助理教授們或者資深教授們的科研方向有所思考。今天的推文就從一個(gè)側(cè)面窺探下大土木領(lǐng)域的基礎(chǔ)科研動(dòng)態(tài)和它背后所隱藏的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

在開設(shè)系列講座之前，胡老師也對(duì)國內(nèi)外的一些行業(yè)動(dòng)態(tài)和研究趨勢(shì)進(jìn)行了調(diào)研，最終歸納出了可持續(xù)、智慧和韌性三大主題，基本可以涵蓋大多數(shù)細(xì)分領(lǐng)域?？沙掷m(xù)顧名思義就是要在不犧牲后輩人資源的前提下優(yōu)化當(dāng)代資源利用效能。在土建行業(yè)的大背景下，可持續(xù)可以包括建設(shè)階段原材料的節(jié)約或者運(yùn)營階段能源的削減。當(dāng)今“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展目標(biāo)又為可持續(xù)性賦予了新的內(nèi)涵。韌性也是近十年來土木工程領(lǐng)域較為關(guān)注的熱點(diǎn)問題，可以從微觀尺度跨越到宏觀尺度，也是設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)維等各方面的核心目標(biāo)之一。智慧則為信息化時(shí)代下的土建行業(yè)提出了新的目標(biāo)。全流程中的智慧化升級(jí)包括研究對(duì)象或方法論等方面，但最終還是應(yīng)該服務(wù)于可持續(xù)和韌性兩大主題。從這五十多期前沿講座的內(nèi)容來看，大土木領(lǐng)域的研究者們開展課題的研究對(duì)象、研究方法和研究目標(biāo)與傳統(tǒng)的研究課題都發(fā)生了很大的變化。我們將這些研究大致分為三類（老問題+新方法；新問題+老方法；新問題+新方法），供大家參考。

01

第一類??新興方法+傳統(tǒng)問題

(第2,?4, 7, 8, 12, 14, 16, 17, 19, 21, 23, 25, 29, 33, 37, 40, 42, 43, 45, 48，49, 51, 53期)

土木工程行業(yè)面向未來發(fā)展的可持續(xù)、智慧和韌性需求，使得傳統(tǒng)學(xué)科優(yōu)勢(shì)增加了新的關(guān)注目標(biāo)、新的研究內(nèi)容、新的實(shí)現(xiàn)方法。在往期SIR講座中，從混凝土、瀝青混凝土、鋼材、軟材料、再生材料等材料層面，到梁、柱、殼等新型構(gòu)件層面，再到橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)層面，從單一結(jié)構(gòu)到城市建筑和建筑環(huán)境等系統(tǒng)層面，從固體力學(xué)到流體力學(xué)，這些土木和力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的問題似乎沒有變化，但研究人員重新審視理論形成和技術(shù)范式，從多尺度各層面思考，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人工智能表征、拓?fù)鋬?yōu)化、增材制造、機(jī)器人建造、裝配式建筑，先進(jìn)傳感器技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)，視覺技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等信息化方法、智慧化技術(shù)。（比如有好幾期都是關(guān)于人工智能如何與傳統(tǒng)土木相結(jié)合，如第2期Hao Sun；第17期Susu Xu; 第27期Dixia Fan; 第40期Teng Wu；第42期M.Z. Naser；第43期Burigede Liu等)。利用這些新型手段服務(wù)于土木領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科交叉融合，為應(yīng)對(duì)日益變化的復(fù)雜人居環(huán)境提供更多可持續(xù)性、韌性和智慧的解決方案。

02

第二類??新興問題+傳統(tǒng)方法?

(第1, 5, 6, 9, 10, 11, 20, 22, 24, 32, 35, 36, 38, 39, 52期)

傳統(tǒng)土木領(lǐng)域的研究對(duì)象一般是圍繞新的結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)方法等方面展開，致力于提出高效率、安全性和高性能的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方法。但是，前沿講座向我們展現(xiàn)了海外高校教授們?cè)谛虏牧?、結(jié)構(gòu)城市韌性、智能建造、低碳節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展等方面做出的前沿性探索。例如第1期Qiang Zhu教授關(guān)于紅細(xì)胞的研究、第8期Zhong You教授關(guān)于折紙結(jié)構(gòu)的探索，第22期Ken Loh教授涉及多功能材料的嘗試，第32期Shengqiang Cai教授軟體機(jī)器人的工作，第36期Jinhui Yan關(guān)于增材制造的研究等。在這些研究中，可能通常采用一些經(jīng)典的試驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬方法，但是由于所開展課題的研究目標(biāo)不僅考慮安全性，更圍繞著可適應(yīng)性、智慧、可持續(xù)、自動(dòng)化、韌性和再生等新興主題，需要用傳統(tǒng)方法加以驗(yàn)證。很多參與講座的學(xué)生們時(shí)常會(huì)感嘆：原來土木工程的研究還可以這么做，還有這樣的可能性。這在一定程度上也反映了土建行業(yè)正經(jīng)歷著創(chuàng)新和變革。在未來，我們不僅追求建筑結(jié)構(gòu)的安全性，更注重智能性、舒適性和可持續(xù)性。

03

第三類??新興問題+新興方法

(第3, 13, 15, 18, 26, 27, 28, 30, 34, 41, 44, 47, 50, 54期)
在系列講座中，還有不少老師的科研關(guān)注在了一些新興研究對(duì)象上，同時(shí)結(jié)合新興方法，使之達(dá)到1+1大于2的效果。在設(shè)計(jì)上，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)帶來的新機(jī)遇，更多擁有更良好剛度和能量吸收效率的超材料逐漸開始發(fā)光發(fā)熱[第28期Yifan Wang-具有自適應(yīng)特性的建構(gòu)化材料]；同時(shí)，在實(shí)際工程中，工程師們也開始嘗試設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來使建筑擁有更好的使用功能。在建造上，增材制造的長足進(jìn)步令很多以往難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式變?yōu)榭赡?；這些負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因它們優(yōu)異的性能開始被廣泛應(yīng)用于多尺度的應(yīng)用場景中[第31期Josephine Carstensen面向多孔材料先進(jìn)制造的拓?fù)鋬?yōu)化]。機(jī)器視覺的進(jìn)步與工程建造的結(jié)合也推進(jìn)了監(jiān)控施工現(xiàn)場以保護(hù)工人施工安全和自動(dòng)化無人施工的發(fā)展。在維護(hù)上，新式傳感器（如光纖傳感器和聲波傳感器）與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，能夠自動(dòng)地采集、處理和分析以往難以想象的巨量的數(shù)據(jù)。工程師們可以根據(jù)這些大數(shù)據(jù)的分析結(jié)果有針對(duì)性地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷和維護(hù)，大大節(jié)省了以往調(diào)查診斷的時(shí)間。新式的自修混凝土、復(fù)合瀝青等技術(shù)則減少了結(jié)構(gòu)對(duì)維護(hù)的需求，降低了工人的勞動(dòng)需求。在運(yùn)維方面上，BIM、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展令工程師們可以對(duì)建筑進(jìn)行精準(zhǔn)建模并且對(duì)建筑的使用情況進(jìn)行精確追蹤，進(jìn)而在分析后針對(duì)不同的使用需求來對(duì)建筑內(nèi)的空間進(jìn)行安排[第44期Shuai Li邁向未來智能、安全、可持續(xù)的建筑環(huán)境]。這類技術(shù)對(duì)于對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)有極高要求的建筑，如核電站或疫情下的醫(yī)院，都能夠起到極好的效果；能夠幫助其中的工作人員更好地勝任自己的工作。通過以上的講座可以很清晰地反映出未來土建行業(yè)與信息技術(shù)進(jìn)一步融合發(fā)展的大勢(shì)所趨。

·?結(jié)語

土木工程行業(yè)的變革不僅在于自身理論、技術(shù)、范式的發(fā)展，也必將得益于其它學(xué)科的進(jìn)步。這些講座的背后還有這些優(yōu)秀學(xué)者們多年的積累和對(duì)科研問題的執(zhí)著。系列講座的主講人全部都擁有國內(nèi)外求學(xué)經(jīng)歷，基本科研方法的探索，交叉學(xué)科的經(jīng)歷。他們領(lǐng)導(dǎo)各自的團(tuán)隊(duì)正在努力突破傳統(tǒng)學(xué)科邊界，做出了不少有創(chuàng)新性和前瞻性的工作。

聽每一位主講人的報(bào)告，是在聽一個(gè)科研故事，是在學(xué)習(xí)一個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)和思維方法。主講人們不只是向我們展示他們最新的研究成果，而是為我們分享一個(gè)完整的科研過程：首先是明確研究背景，分析研究問題，確定研究目標(biāo)和對(duì)象；然后是提出研究方法，進(jìn)行研究內(nèi)容，注意發(fā)現(xiàn)問題；最后是分析研究結(jié)果，闡釋問題。這也是胡老師經(jīng)常對(duì)我們?cè)谧隹蒲械倪^程要講清楚“Why-How-What”的要求，是一種極其重要的“講故事”的能力。而我們聽報(bào)告也是這樣，特別是對(duì)于不熟悉的領(lǐng)域和不懂的科研問題，雖然一開始一頭霧水，但通過堅(jiān)持收聽講座發(fā)現(xiàn)很多領(lǐng)域的知識(shí)和方法是有相同之處的，更重要的是，學(xué)會(huì)了世界頂尖學(xué)者們的思維方法和解決問題的路徑，對(duì)我們自己的科研能力提升有很大的幫助。因此，土木工程專業(yè)學(xué)生和教師，包括土建行業(yè)的從業(yè)者都應(yīng)努力提高自身對(duì)問題的認(rèn)知格局、知識(shí)范疇、技術(shù)內(nèi)容和綜合能力，才能在不斷變化的行業(yè)環(huán)境中找到清晰明確的解決方案。

讓我們期待SIR Frontiers第二季的回歸，相信內(nèi)容一定會(huì)更加精彩！

END

來源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

排版 | 劉? ?盼

審核 | 胡? ?楠