行业杂谈：从五十期前沿系列讲座看领域变革与科研创新

· 导读

疫情常态化的今天，如何与国际同行进行交流是值得思考的问题。自2021年6月起，由胡楠老师牵头组织，联合华南理工大学土木与交通学院各专业中青年骨干教师，每周五邀请一位来自土木、力学、船海等学院相关领域海外杰出或青年学者，分享有关可持续(Sustainability)、智慧(Intelligence)和韧性(Resilience)相关的研究进展，取三个关键词的首字母，故命名为SIR Frontiers系列讲座。

·  往期SIR总结

在过去的一年中，我们VSL作为运营团队，共举办了54场讲座，下周三苏黎世理工Phillipe Block教授也将压轴出场，为第一季收官。来参与的主讲人来自诸如剑桥、牛津、麻省理工、普林斯顿、哥伦比亚等世界顶尖高校。一半以上的讲座为全英文呈现，全程时长平均为一小时十五分左右，包括讲座和讨论两个环节。主讲人不但为听众带来最新的学术动态，还为大家分享自己的科研经历和感悟。SIR系列讲座的定位是与主讲人进行深度讨论和对话，因此并未做很强的外部推广。每期讲座大约有50-60位师生参与，是比较适中的听众量，获得了参与师生一定的好评。每期讲座的视频回放都存档并上传至B站作为公共资源，欢迎点击b站链接观看：【The SIR Frontiers】学术前沿系列讲座

通过这么多期的讲座，我们也对这些来自世界顶尖院校的年轻助理教授们或者资深教授们的科研方向有所思考。今天的推文就从一个侧面窥探下大土木领域的基础科研动态和它背后所隐藏的行业发展趋势。

在开设系列讲座之前，胡老师也对国内外的一些行业动态和研究趋势进行了调研，最终归纳出了可持续、智慧和韧性三大主题，基本可以涵盖大多数细分领域。可持续顾名思义就是要在不牺牲后辈人资源的前提下优化当代资源利用效能。在土建行业的大背景下，可持续可以包括建设阶段原材料的节约或者运营阶段能源的削减。当今“碳达峰、碳中和”的发展目标又为可持续性赋予了新的内涵。韧性也是近十年来土木工程领域较为关注的热点问题，可以从微观尺度跨越到宏观尺度，也是设计、建造和运维等各方面的核心目标之一。智慧则为信息化时代下的土建行业提出了新的目标。全流程中的智慧化升级包括研究对象或方法论等方面，但最终还是应该服务于可持续和韧性两大主题。从这五十多期前沿讲座的内容来看，大土木领域的研究者们开展课题的研究对象、研究方法和研究目标与传统的研究课题都发生了很大的变化。我们将这些研究大致分为三类（老问题+新方法；新问题+老方法；新问题+新方法），供大家参考。

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第一类  新兴方法+传统问题

(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)

土木工程行业面向未来发展的可持续、智慧和韧性需求，使得传统学科优势增加了新的关注目标、新的研究内容、新的实现方法。在往期SIR讲座中，从混凝土、沥青混凝土、钢材、软材料、再生材料等材料层面，到梁、柱、壳等新型构件层面，再到桥梁、建筑等结构层面，从单一结构到城市建筑和建筑环境等系统层面，从固体力学到流体力学，这些土木和力学相关领域的问题似乎没有变化，但研究人员重新审视理论形成和技术范式，从多尺度各层面思考，采用计算机辅助设计、人工智能表征、拓扑优化、增材制造、机器人建造、装配式建筑，先进传感器技术，物联网、大数据，视觉技术和虚拟现实等信息化方法、智慧化技术。（比如有好几期都是关于人工智能如何与传统土木相结合，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)。利用这些新型手段服务于土木领域的创新和发展，实现多学科交叉融合，为应对日益变化的复杂人居环境提供更多可持续性、韧性和智慧的解决方案。

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第二类  新兴问题+传统方法 

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

传统土木领域的研究对象一般是围绕新的结构体系、设计方法等方面展开，致力于提出高效率、安全性和高性能的结构形式和设计方法。但是，前沿讲座向我们展现了海外高校教授们在新材料、结构城市韧性、智能建造、低碳节能和可持续发展等方面做出的前沿性探索。例如第1期Qiang Zhu教授关于红细胞的研究、第8期Zhong You教授关于折纸结构的探索，第22期Ken Loh教授涉及多功能材料的尝试，第32期Shengqiang Cai教授软体机器人的工作，第36期Jinhui Yan关于增材制造的研究等。在这些研究中，可能通常采用一些经典的试验、理论和数值模拟方法，但是由于所开展课题的研究目标不仅考虑安全性，更围绕着可适应性、智慧、可持续、自动化、韧性和再生等新兴主题，需要用传统方法加以验证。很多参与讲座的学生们时常会感叹：原来土木工程的研究还可以这么做，还有这样的可能性。这在一定程度上也反映了土建行业正经历着创新和变革。在未来，我们不仅追求建筑结构的安全性，更注重智能性、舒适性和可持续性。

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第三类  新兴问题+新兴方法

(第3, 13, 15, 18, 26, 27, 28, 30, 34, 41, 44, 47, 50, 54期)
在系列讲座中，还有不少老师的科研关注在了一些新兴研究对象上，同时结合新兴方法，使之达到1+1大于2的效果。在设计上，因为计算机辅助设计带来的新机遇，更多拥有更良好刚度和能量吸收效率的超材料逐渐开始发光发热[第28期Yifan Wang-具有自适应特性的建构化材料]；同时，在实际工程中，工程师们也开始尝试设计更加复杂的结构来使建筑拥有更好的使用功能。在建造上，增材制造的长足进步令很多以往难以实现的结构形式变为可能；这些负泊松比结构、晶格结构、拓扑结构等因它们优异的性能开始被广泛应用于多尺度的应用场景中[第31期Josephine Carstensen面向多孔材料先进制造的拓扑优化]。机器视觉的进步与工程建造的结合也推进了监控施工现场以保护工人施工安全和自动化无人施工的发展。在维护上，新式传感器（如光纤传感器和声波传感器）与机器学习相结合，能够自动地采集、处理和分析以往难以想象的巨量的数据。工程师们可以根据这些大数据的分析结果有针对性地对结构进行诊断和维护，大大节省了以往调查诊断的时间。新式的自修混凝土、复合沥青等技术则减少了结构对维护的需求，降低了工人的劳动需求。在运维方面上，BIM、神经网络等技术的发展令工程师们可以对建筑进行精准建模并且对建筑的使用情况进行精确追踪，进而在分析后针对不同的使用需求来对建筑内的空间进行安排[第44期Shuai Li迈向未来智能、安全、可持续的建筑环境]。这类技术对于对运转有极高要求的建筑，如核电站或疫情下的医院，都能够起到极好的效果；能够帮助其中的工作人员更好地胜任自己的工作。通过以上的讲座可以很清晰地反映出未来土建行业与信息技术进一步融合发展的大势所趋。

· 结语

土木工程行业的变革不仅在于自身理论、技术、范式的发展，也必将得益于其它学科的进步。这些讲座的背后还有这些优秀学者们多年的积累和对科研问题的执着。系列讲座的主讲人全部都拥有国内外求学经历，基本科研方法的探索，交叉学科的经历。他们领导各自的团队正在努力突破传统学科边界，做出了不少有创新性和前瞻性的工作。

听每一位主讲人的报告，是在听一个科研故事，是在学习一个领域的知识和思维方法。主讲人们不只是向我们展示他们最新的研究成果，而是为我们分享一个完整的科研过程：首先是明确研究背景，分析研究问题，确定研究目标和对象；然后是提出研究方法，进行研究内容，注意发现问题；最后是分析研究结果，阐释问题。这也是胡老师经常对我们在做科研的过程要讲清楚“Why-How-What”的要求，是一种极其重要的“讲故事”的能力。而我们听报告也是这样，特别是对于不熟悉的领域和不懂的科研问题，虽然一开始一头雾水，但通过坚持收听讲座发现很多领域的知识和方法是有相同之处的，更重要的是，学会了世界顶尖学者们的思维方法和解决问题的路径，对我们自己的科研能力提升有很大的帮助。因此，土木工程专业学生和教师，包括土建行业的从业者都应努力提高自身对问题的认知格局、知识范畴、技术内容和综合能力，才能在不断变化的行业环境中找到清晰明确的解决方案。

让我们期待SIR Frontiers第二季的回归，相信内容一定会更加精彩！

END

来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 刘   盼

审核 | 胡   楠