行业杂谈：结构工程前沿领域知多少
结构工程是分析和设计受自重和外荷载作用的建筑、桥梁和其他建造结构的工程学科，以国内的领域划分，是土木工程下重要的二级学科。而在国外，结构工程则可作为一门独立学科来研究。最近，加拿大麦吉尔大学土木系的谢亚洲(https://www.mcgill.ca/civil/yazhou-tim-xie)教授团队以The twenty-first century of structural engineering research: A topic modeling approach在Structures 杂志上发表了一篇很有启发性的工作，为我们洞悉结构工程在过去20年的变化中给予了数字化的视角。谢老师团队基于表1中列出的从 Web of Science核心合集土木类23本核心期刊，收集了51,346篇文章，分析了这些文献的摘要，基于大数据对过去20年里结构工程领域的主题进行了划分。值得注意的是，这23本杂志并不包括一些土木领域类其他方向的顶级期刊，例如侧重交通运输、水资源工程和基础设施系统管理的Infrastructure Engineering；专注建筑能源、维护和管理是《Journal of Building Engineering；结构稳定性与动力学顶级期刊International Journal of Structural Stability and Dynamics；计算相关的CACIE, Computers & Structures以及建筑材料和岩土工程的一流期刊，例如，Construction and Building Materials，Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering等。
依靠专家判断区分研究主题的差别，生成如图1、图2所示的主题词云(Wordclouds)，发现50个研究主题可以为结构工程的研究领域进行全面分类，其中49个研究领域都是结构工程的经常研究主题，而主题#29是学术写作中的一般主题——其相关词包括建设、研究、材料、建筑、评论、工程、性能、问题、项目、模块、工程师等；FEM(有限元方法)在主题#6与主题#21中都高频次出现，但二者的侧重点不同，前者更多地是使用FEM，后者则侧重于发展FEM；研究主题#38有一个关键词ANN（人工神经网络），这表明机器学习可以作为一种可行的工具来处理结构工程中与可靠性相关的问题。
进一步，通过图3(a)说明主题间区别，将每个研究主题都用带其编号的圆圈表示，它的区域则代表了该主题在整个研究领域语料库中的频率, 圆圈之间的距离可以直接度量主题之间的相似性。其中，重叠圆圈表明了具有共同研究主题的相互关联，例如主题#46与主题#41中用于钢接头的冷弯型钢，主题#16与主题#28中梁柱节点的剪切行为，主题#4与主题#48中风荷载下的结构控制等。另外，图3(b)还显示了主题#35(传感器监控)的词云频率，直方图列出了主题 #35（红色）中每个主题词在整个研究领域语料库中的总频率（蓝色）中的估计词频。
为了发现结构工程研究主题之间的联系，将主题词共现网络可视化，如图4所示，其中最大的连接组件包含482个顶点和6588条边，每个主题词的大小与其出现频率成正比，而来自同一研究主题的词云具有相同的聚类颜色。首先，关键词的字体越大表示具有最频繁共现的研究主题，可以看出，数值模拟(FEM, simulation, database)和实验测试(test, experiment, specimen)是在研究中广泛使用的两个主要工具。相关词也靠近网络中心，代表数值模拟、实验测试和其余研究主题之间的紧密联系。此外，其他经常出现的词还包括性能、地震、建筑、地震、损坏、材料、钢材、预测等，它们表示对地震相关研究的重大贡献。
结构工程领域的研究主题正在发生转变，例如，有限元法、结构控制、风流与湍流等一度热门的研究势头近年来有所减弱；相比之下，爆炸载荷、SCB和BRB、地震脆弱性/风险、薄壁管和剪力连接器吸引了越来越多的研究关注。最近几天，美国土木工程协会(ASCE) 结构工程分会(SEI)正在亚特兰大举行一年一度的年会Structures Congress https://www.structurescongress.org/，各个技术分委会研究者们聚在一起进行交流。从目前活跃的分委会中能看出结构工程领域里一些主要的研究方向。今天这期，我们来分析和介绍下目前结构工程领域中一些热点、难点、兴趣点，供大家参考。
目前SEI有约50个技术分支委员会Technical Activities Division (TAD)，下面对其进行简述：
1
分析与计算领域旗下有Advances in Information Technology, Advances in Simulation, Optimal Structural Design和Structural Control and Sensing四个分支，主要涵盖了工程结构设计中所涉及的计算分析方法、优化算法以及使用未来信息化和自动化的算法工具；
2
桥梁作为一种常见的结构体系，下设六个分委会，包括Bridge & Tunnel Maintenance, Inspection, & Rehabilitation, Bridge Security, Cable-Supported Bridges, Concrete Bridge Design (w/ACI 343), Steel Bridges和Timber Bridges，这些基本涵盖了主要桥型的设计、分析、建造、养护，旧桥与隧道的养护、改造和反恐等问题；
3
混凝土相关领域与美国混凝土协会联合，下设九个分委会，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)，主要还是面向不同混凝土构件、节点和结构的复杂受力及设计分析等方面的研究；
4
结构动力响应领域下设了Blast, Shock, and Impact，Disaster Resilience of Structures, Infrastructures, and Community，Multi-hazard Mitigation，Retrofit Of Structures Under Dynamic Loads和Seismic Effects五个方向，基本覆盖了以韧性为主题的防灾研究；
5
金属结构领域下设了Cold Formed Steel Members，Composite Construction，Design of Steel Building Structures，Fatigue and Fracture，Structural Connections和Structural Members六个方向，依然十分关注不同钢构件和结构体系在常规和极端荷载下的响应；
6
结构性能领域有四个方向，包括Disproportionate Collapse，Methods of Monitoring Structural Performance，Performance-Based Design For Structures和Structural Identification of Constructed Systems，主要涉及既有结构的在常规运营和极端荷载下的运维评估，结构检测和等级分类准则以及结构倒塌的分级评估等研究；
7
特殊设计领域包括八个方向，均关注一些非常规的设计问题，比如美学Aesthetics in Design，仿生设计Bioinspired Structures，抗火设计Fire Protection或者非常规的结构体系，比如模块化可展开结构Modular, Rapidly Erectable, & Deployable Structures，光伏结构Solar PV Structures，高层结构Tall Buildings和电网结构Electrical Transmission Structures，以及Sustainability可持续方向，特殊需求和背景下的设计问题；
8
全寿命周期响应领域关注结构全过程内设计、分析、建造、检测和养护过程中等一系列不确定性的考量，利用可靠度分析和危险评估方法对结构的韧性、鲁棒性等进行分析，具体的三个方向分别是On Life-Cycle Performance Of Structural Systems，Reliability-Based Structural System Performance Indicators，和Risk Assessment of Structural Infrastructure Facilities。
9
风工程领域包含Structural Wind Engineering和Performance Based Wind Engineering两个方向，覆盖了该领域两个研究对象结构和风的所有设计、分析和实践研究
10
最后的木结构领域，涵盖了Design of Wood Structures，Performance of Wood Structures，Wood Education和Engineered Bamboo Structures四个方向，将木结构以及竹结构从最基本的材料认知、结构设计、结构响应和规范更新的角度推进此类结构的发展。
纵观上面不同的分支委员会可以看出，结构领域的研究方向依然离不开研究对象、研究方法和研究目标三大类。在研究对象方面，从基本构件和节点到结构体系，无论是混凝土、钢材还是木头都是最核心的本体，同时也包括一些可展开结构、装配式结构等特殊的结构体系。新研究对象的提出就需要我们走完设计、分析、建造、评估和运维等各整个流程。在这些过程中，是否需要改进原先的方法，尤其是结合当下信息化、数字化工具，去全面提升设计的准确性和有效性依然是领域最关注的问题。在研究目标方面，始终逃不开设计建造、常规运营和极端事件三大阶段。在设计和建造中，无论是采用新的结构形式还是提出新的优化方法，都是为了服务于设计，让工程师更好地设计，用最省的资源获得最大的性能，同时还能提升人居环境的品质，最终服务于“可持续”的主题。在常规运用阶段，则凸显了“智慧”的属性，无论是数字化信息化工具的开发和运用，都是为了更有效地获取结构在运营中的信息，从而给决策者一定的判断，对结构进行调整，使结构的寿命延长，也可以将其视之为对可持续目标的贡献。最后在极端事件方面，这些方向则紧扣了“韧性”的主题，如何在各类极端事件和荷载下使单体建筑或公共设施甚至一个社区都有更好的灾后可恢复性始终是人类面对不断变化下自然环境的一种适应。可见，“绿色”、“智慧”和“韧性”依然是结构工程领域的三大研究主题，是建筑结构对社会需求的重要反映，体现了人类适应环境的终极目标。
END
来源于多样化结构实验室
编辑｜解兵林
排版｜马文千
审核｜胡 楠
