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樊健生:你看这座桥,它又轻又薄 | 探索者

知识分子  · ZhiHu-Article  · 科学  · 2021-03-29 19:19


樊健生,清华大学土木工程系教授、博士生导师,首届科学探索奖交通建筑领域获奖者。获奖理由:在钢-混凝土组合结构的研究和应用取得了突出成绩,鼓励未来在针对严酷环境的高性能工程结构、基于信息技术和人工智能的设计方法领域做出更出色工作。图源:科学探索奖。


开栏的话

年轻人,是科学创新的主力。在科学投入越来越受重视的今天,中国的科学家们中,尤其是年轻一代里,有许多在自己领域里做出了杰出成就,也承载着未来科研的希望。

从本期开始,《知识分子》携科学探索奖设立 “探索者” 专栏,为读者速写一群青年科学家的画像,介绍他们所代表的科技前沿。这些青年学者们都不到45岁,但已在各自的领域内做出了重要贡献。

谨以此系列文章记下他们拓展人类认知边界的努力,和对于科学、技术与人文的思考。


土木工程,是人类文明的印记。研究土木工程20余年,樊健生对于工程结构的追求,是用最少的材料实现最佳的功能,留下的痕迹越少越好。


撰文|王一苇

责编|陈晓雪


说起桥,樊健生脸上的表情生动起来。


九十年代初,北京为改善交通状况,将二环改造为第一条城市快速路。为了让车辆跑得更加顺畅,路上的人行横道都改成了人行天桥。此后,城市快速路越来越多,人行天桥也在这座城市里逐渐多了起来。传统的大跨径人行天桥采用钢结构主梁,桥越长,梁就显得更轻更薄。底下重型车一过,桥上的人就随着桥面一起晃晃悠悠。


2003年,樊健生刚刚从清华大学土木工程系博士毕业,留校任教。他接到一个小项目,设计一座横跨万泉河路的人行天桥。万泉河路是海淀区一条西北方向、连接城区和圆明园、颐和园的道路,2002年改造为快速路。


设计一座人行天桥并不难,但要在拥挤城市的有限空间内满足多种功能要求,有时是件棘手的事。北京从2000年开始实施的《北京市无障碍设施建设管理规定》要求,凡在本市内新建的人行过街天桥,需要配套建设无障碍设施 [1] 。长长的斜坡占地面积大,在寸土寸金的北京,规划起来并不容易。


樊健生算了笔账,桥梁底部到地面的最小限高是4.5米,如果梁的厚度是1米,加起来是5.5米。为方便非机动车过桥,天桥坡道长度至少是高度的4倍,也就是22米,再加上休息平台,单侧大概需要27米的梯道。这座桥在人民大学西门附近,桥下有一间超市,梯道太长则会直接挡住超市大门。


一般跨度20米的钢桥需要1米厚。万泉河路在三环上,天桥一跨20多米长。樊健生想,如果梁能薄一些,每减少10厘米,无障碍通道的坡长就可以减少0.4米。“但是薄了以后,又不能让人在上面走起来晃晃荡荡的,也不能不计成本地耗费很多钢材。” 他说,“所以中间有一些新的办法。”


他的新办法,是将钢结构换成钢和混凝土组合为一体的结构,从而提高了结构刚度,将梁厚度与跨度的比例从1/20降到了1/40。万泉河路这座天桥的厚度,最终仅有62厘米。


樊健生17年前参与设计的万泉庄桥,至今仍立在万泉河路上。王一苇/摄。


“要是用现在的新材料,我们还可以做得更好。” 从事结构工程研究多年,樊健生感慨,看着实验室里新研发的材料和结构变成脚下的桥面或建筑的屋顶,稳固而长久地屹立,比单单建造一座新建筑更让他满足。


“用最少的材料实现功能”


在中国大陆,基础设施建设的高潮始于2000年前后。


樊健生记得,90年代他在大学读书时,国内的钢材产量还不高,钢筋混凝土还是建筑材料中 “经济便宜” 的代名词。但即便那时,在土木工程领域,很多人已经觉得这是一个夕阳产业。“有些人比较悲观,讲土木的东西,从牛顿力学再往前算算,都搞了一两千年,已经很成熟了,到底还需不需要从科研的角度去做?”


确实,早在几千年前,埃及人和罗马人曾经发明过最原始的混凝土材料,而钢筋混凝土由19世纪中期一位法国园丁发明,经过200多年的发展已相当成熟。


但樊健生并不这么认为。“产业界有时候只看到眼前的需求,但是从科学研究或者探索的角度,要有更强的前瞻性。”


二十年前的土木工程师也许想象不到,中国城乡发展和基础设施建设的需求会催生如此之多的超级工程,对工程结构性能的追求也水涨船高。


改变发生在2000年左右。中国大规模的基础设施建设给了土木工程专业前所未有的实践机会,人们对建筑品质的要求也逐渐提高。而钢产量的上升、钢材价格的相对下降也给组合结构研究提供了土壤。


“盖房子不仅要安全和省钱,也要住的舒服,房子还要好看和耐用,所以单纯的混凝土结构和钢结构都有一些问题解决不了,合在一起很多困难就解决了。” 樊健生说,而他研究的重点之一就是钢-混凝土组合结构


“钢-混凝土组合结构” 与我们熟知的 “钢筋混凝土” 是两个概念。


钢筋混凝土是全世界应用最广泛的建筑材料。混凝土抗压,钢筋抗拉,两者相互配合,就可以同时发挥两种材料的不同优势。


而 “钢-混凝土组合结构”,则是将钢筋换成钢板,通过设计混凝土和钢板的结构,力图选用最合适、最节约的混凝土和钢材组合成性能最佳的结构,可以应用在跨海桥梁、超高层建筑等大型工程上,也可以用在人行天桥、居民楼等。


不同的工程对结构功能的要求并不相同。超高层建筑需要抗震、提高耗能能力(即试件在地震反复作用下吸收能量的大小);大跨度的桥梁除了减轻自重,还需要在重车过的时候变形程度尽量小。


“每一种材料都有各自的优点和缺点,” 樊健生说,“我们干的事情是把材料用在最合适的地方,通过某种组合形式发挥它们的优势。”


作为结构工程师,他的目标是用最少的材料,造出最安全、最符合需求的结构。


“只要用了工程材料,不管天然材料,人工材料,都会消耗自然资源,”他说,“用最少的材料实现最佳的功能,留下的痕迹越少越好。”


2012年,樊健生和他博士求学时期的导师聂建国等人共同完成的一个科研项目,获得了国家技术发明奖一等奖。这项用于大型建筑的新技术相比传统混凝土结构技术,可使结构自重减轻40~60%、截面高度降低25%~40%,相比传统钢结构技术其用钢量减少了20~35%。武昌火车站的楼盖、北京大屯路下穿隧道的顶盖、国内某航天发射塔的塔架,都用到了这种新型组合结构。


经过过去20多年的各类大型工程实践,中国组合结构领域的研究水平后来居上,位于世界前列。“国外专家来拜访,对这样的工程发展机遇和科技进步速度都表示很羡慕。” 樊健生说。


巨型工程


在北京建造一座人行天桥动辄要花费数百万元,但在土木工程师的眼中,这只是一个 “小项目”。樊健生的履历上,不仅有世界最宽的海底隧道、世界第八的高楼、中国最长的内河公路桥,还有大兴机场这样的超级工程。


土木工程的设计工作一般基于规范展开,但巨型工程往往史无前例,无例可依。因此,他在参加的这些工程中,需要针对前人从未实践过的技术方案开展科研攻关,确保工程实施时万无一失。


2015年开始参与的深中通道建设,是樊健生遇到的一个 “史无前例”。深中通道是连接深圳和广东中山的一条跨海通道,设计为双向八车道,预计在2024年通车后将是世界上最宽的海底隧道。


结构工程师看到 “最宽” 两字,第一个反应大概不是惊叹,而是头疼。


深中通道东侧主体部分是隧道,由沉管连接而成。所谓沉管,是用混凝土或者钢材建成的巨大中空管道,置入海底后连接形成隧道,汽车就可以在其中通行。比如,港珠澳大桥全长6.7公里、宽33.1米的海底隧道就由33节沉管拼接而成。[2]


深中通道的沉管比一般的沉管需要更高的承载能力。海底隧道沉管顶部的受弯程度,与其宽度成平方关系增长,而深中通道设计宽度达46米,意味着对沉管承载能力提出了更高的要求;此外,相比跨河隧道,像深中通道这样的跨海隧道埋置深度更大,水压也更大;深中通道在主航道下方,上面还需要覆盖接近10米的砂石构成的锁定层,又增加了压力。


在压力增大的情况下,如果仍采用传统的混凝土结构方案,沉管的重量和体积也会相应更大。把沉管放入海底之前,挖泥船则需要挖一条更深的沟槽,一个工程下来可能要多挖上百万方的土,对建造成本和工期上都是巨大的负担。


“对于巨型工程,工期和费用都是很关键的指标,工期延长一年,它的费用可能也就会上去很多。” 樊健生说。


樊健生所研究的方案,是一个内外两层钢板构成骨架,再往其中灌注混凝土的组合结构方案。这不仅增强了结构承载力,相比常用的混凝土沉管,体积和重量也更小。这也意味着,把管节置入海底之前,运输、安装都更为方便。


除了增强承载力、减小体量,这个结构在建造成本上也更低,它不需要像普通沉管一样长时间使用船坞制造,甚至可以先做好一个钢壳,直接漂浮在海面上浇筑混凝土。


此外,省去了制造模板和绑扎钢筋的施工步骤,工程建造的速度也会快很多。


然而,这是一个此前国内从来没有实践过的结构形式,没有前例可以参照,意味着风险也是未知的。钢壳混凝土结构,之前只有日本的两条长约几百米的隧道用过 [3]。而深中通道的海底隧道部分总长约6.8公里,方案难度和遇到的阻力可想而知。“它的难度相当于量变到质变。”


樊健生以及科研团队需要通过实验数据来说服心存疑虑的专家,并为设计工作提供可靠依据。


他测试新结构的地方,在清华大学校园内的一间建造于1998年的实验室。实验室面积达1300平方米,内部的空间有4、5层楼高,门却开在楼梯角一个不起眼的位置。


进门之后,你感觉自己像是掉进一个钢筋混凝土的兔子洞。


实验室中央是一个悬在半空、可提供2000吨压力的千斤顶,地面上躺着各式各样的结构构件。戴着红色安全帽的学生们,在试验模型上爬上爬下,有的拿着计量仪器测量着结构的变形和裂缝,有的则根据测试数据做一些计算。


清华大学土木工程系实验室里用于测试材料和结构性能的千斤顶。王一苇/摄。


樊健生和学生们对组合结构沉管的受力性能进行了系统测试,证实了在同等性能水平下,新结构更轻更薄。这一结果为工程方案的论证提供了坚实的支持,钢-混凝土组合结构沉管隧道方案最终获得通过。


建造这样大型的海底沉管,如何达到所需的工程精度,是另一个建造难点。


樊健生说,两个管节要放到水下连接到一起,最终成型尺寸需要达到毫米级的精度,从而保证结构不能漏水的最基本要求。


然而,影响到沉管尺寸的因素很多。例如,混凝土是浇筑过程中放热很厉害的材料,浇筑的时候会膨胀,结束之后还会收缩。由于混凝土本身的特性,这种现象 “几乎是没有办法消除的”。


深中通道的一个标准管节有165米长,如果每一米伸或缩0.3毫米,一个管节一下子长短就会变化几个厘米。“这个地方多几厘米,那个地方少几厘米,就很难控制了。”


利用之前项目的经验,樊健生在现场结构上设置了一些温度和变形传感器,监测结构在制作过程中的变化,再将数据传回实验室,用数值模型计算出施工过程中所需的关键数据。


樊健生在清华大学土木工程系的实验室现场。王一苇/摄。


做土木,光考虑性能还远远不够。工程是一门应用学科,性价比也是重要因素。不计成本地堆填材料往往也能做出性能优秀的结构;但是做工程,如何在 “偷工减料” 的同时保证质量,才是真正的挑战。


大型工程不仅要考虑到材料本身的价格,也要综合考虑运输、建造成本。比如在沉管的用料上,组合结构用钢量高于混凝土材料,价格会高一些,但整体上由于减少了挖沟的工程量和浇筑管节的工期,实际上更为经济了。


除了建造成本,一个对工程负责的工程师更会将目光放长远,考虑到整个寿命周期内的成本。


“要形成一种认识,建设时花的钱稍微多一点,但长久以后如果不用维护,就可以省钱,” 樊健生说,“工程往往对建设投资很关注,钱不能多花。但如果从一个综合角度来判断,肯定要算好这个账,建的时候多花百分之几的钱,采用更高性能的结构形式和更耐久的材料,后面几十年能够减少甚至不需要维护费用,到底哪一个合算?”


樊健生说,这也是他在报告和讲座中不断推广的理念。“慢慢的大家还是都认可了这一点。”


2020年12月,樊健生在深中通道施工现场。照片由受访者提供。


“社会状态不一样了”


新冠疫情以前,樊健生常常是在去不同工程的路上。


他出差的轨迹,几乎构成了中国基础建设进程的风向标。


“前几年江浙还比较多,最近几年就明显感觉到大湾区建设规模很大,”他说,这两年几乎一半的出差都在深圳、广州、佛山、珠海。


樊健生感到,国内对建筑的综合性能和品质要求在逐渐提升。“以前对经济指标看得比较重,尤其房地产商,每一平米便宜多少钱很关注,最基本的就是省材料或少用钢筋,”他说,“现在大家的着眼点是综合性的指标。”以前,房子安全盖完就好,但现在会要求盖得好看、耐久,还要免维护。


“整个社会的状态不一样了,从前是生存和解决有无的问题,现在是进一步提高整体的品质,满足多方面需求。”樊健生说。


社会状态的改变也带来新的挑战。随着各行各业劳动用工需求的增加,建设行业的劳动力开始相对短缺,对减少工时、提高工效的要求也越来越高;同时,由于环保的要求提升,而混凝土材料的生产过程资源消耗大且难重复利用,如何减少这些不可再生材料的使用,成了新问题。


城市建设中,环保绿色要求大幅缩短一些工程的工期。如一些桥梁工程,传统搭脚手架的建造方式用时久,影响周边交通且容易扰民,而组合结构的桥梁可以在工厂中预制,省去了现场搭脚手架的大量时间和人力,减小对既有环境的影响。


近几年,樊健生也在和一些研究材料的学者开展合作,根据结构的需求,开发更合适的材料。


樊健生认为,混凝土结构仍是未来中国建筑行业的主流,而钢结构和组合结构应需求而生,也会占据一部分市场。“建筑行业没有排他性,需求是千变万化的,不是某一个技术一定会独占市场。”


进入土木工程行业学习、工作至今,樊健生最有成就感的还是像万泉河路人行天桥这样的小结构。对他而言,桥是简单纯粹的力学结构,恰好是结构工程师能够一展身手的载体。


“土木工程很喜欢追求大,但是大的未必就是技术最先进,因为往往大了以后就要保守,反而小工程可以有更多创新性。”


开车经过万泉河路的时候,他常常会抬头看看那座攘来熙往的天桥。


“我上学的时候就说土木是夕阳产业了,相信再过20年还是夕阳产业,但是这个行业它会永远存在,而且规模永远还是要扩大。”他说,“还有很多需求没有激发出来,很多问题仍待解决。”


参考资料:

[1]beijing.gov.cn/zhengce/

[2]m.xinhuanet.com/cq/2018

jtyst.jl.gov.cn/kys/xxd

hzmb.org/Home/Enter/Ent

[3]jfe-eng.co.jp/en/produc


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