土木工程未来的一些可能性

浅谈土木工程未来可能的发展趋势注：（本文只讨论书本上出现的关于土木未来的一些可能性。）日新月异的土木工程材料。土木工程材料是一切土木工程的物质基础。未来土木工程材 料将会朝着高性能多性能化、绿色化可持续化、智能化信息化方向发展。高性能多性能化，未来可能将研制集轻质、高强度性、高耐久性、高抗震性、高保温性、 高耐温性、高吸声性、优异装饰性及优异防水性等多个优异性能的“超级材料”,甚至实现结 构一功能（智能）的一体化。这对提高建筑物的安全性、适用性、艺术性、经济性及使用寿 命等有着非常重要的作用。例如书本所介绍的强度达C200的活性粉掺合料混凝土、防磁防 辐射混凝土、导电混凝土、超耐磨混凝土、纤维混凝土等。智能化信息化，是指材料本身具有自感知、自调节、自清洁、自修复的特性，可实现建 筑物自我监控的功能。它可以感知环境刺激，对之进行分析、判断、处理，并采取一定的措 施（启动警报、保护机制。它的优势是它可以敏感的感知外部的环境因素的变化，并能够 根据环境变化的程度和数值的改变自动进行改变和适应同时能够在无人操作下实行智能化 的能力执行。智能化材料的出现节省了大量的人工作业，同时能够及时预测不必要的外部变 化，降低经济损失。可以想象到，如果此种材料能够得以研发应用，就可以将地震、台风、 火灾等灾害的破化降到最低程度。书本上所介绍的可自清洁的智能玻璃、自复原的形状记忆 合金、自开合的压电陶瓷等已经在相关领域及工程上大展拳脚，赞誉良多。土木工程材料向 智能化方向发展，是人类社会向智能化发展过程中降低成本的需要，是未来的大势之一。绿色可持续化，随着人们生活水平和文化素质的提高，以及自我保护意识的增强，人们 对材料功能的要求日益提高，要求材料不但要有良好的使用功能，还要求材料无毒、对人体 健康无害、对环境不会产生不良影响，即所谓的“绿色建材”绿色建材是指“健康型、环保型、 安全型（消防）”的建筑材料，国际上也有称之为“健康建材”、“环保建材”或“生态建材”。绿色建材就是从可持续发展角度出发，尽可能少用天然资源，充分利用再生资源，大量使用工业或 城市固体废弃物，采用低能耗，无污染的生产技术，生产和开发能够降解有害气体、抑菌与 杀菌，对人体健康和环境无害并且可循环再生利用的新型材料。未来，健康环保理念深入人 心，含有甲醛、氡、苯等对人体有害物质的建材将退出市场，而具有，抗菌、除霉、除臭、 灭菌的新型陶瓷玻璃产品，不散发有机挥发物的水性涂料，无毒高效粘接剂，可调湿、防火、 远红外无机内墙涂料”将逐渐走进人们的家庭当中。如果说19世纪是桥的世纪，20世纪是高层建筑的世纪。那么，21世纪将是人类合理 开发利用地下空间的新世纪。地下工程不止于地窖、居民地下室等小规模工程，也不止于地 铁、地下隧道、地下管道等“线性工程”未来地下空间的利用应由“线“的利用向大断面、大距 离的”空间“利用进展。地下商城、地下街、地下停车场、地下工厂等大空间地下工程才是未 来的主旋律。未来地下工程主要应用于地上空间拥挤的城市中。城市空间拥挤、交通堵塞、环境恶化、 资源匮乏等问题越来越严重，向高空和地下要空间，已成为增强城市功能、改善城市环境的 必要手段，而其中城市地下空间的开发与利用，越来越引起投资者和城市规划者的重视。城 市中心区的立体化开发和再开发已成为解决城市中心空间拥挤、地面环境恶化的重要手段； 为建设节约型城市而进行的大型地下公共设施的建设已成为世界各大城市发展的趋势。此外； 在城市建设的同时开发和利用城市地下空间还可以有效地解决原有的城市风貌与城市现代 化建设的矛盾。在地下商业建筑方面，我国的哈尔滨秋林地下商场现已开发90000平方米，上海人民 广场地下街有50000平方米。桂林、大连、沈阳、石家庄等地段都建有相当规模的地下商 城与地下街。在地下工业建筑方面，我国建有黄岛地下油库、地下水电站、地下核电站等， 还有许多地下工厂、地下仓库。在人防工程方面，我国已经建成了一大批质量高、幅员大、效益好的平战两用工程。如哈尔滨奋斗街地下商业街、沈阳北新客站地下城、上海人民广场 地下停车场、郑州火车站广场地下商城等。地下空间具有恒温性、恒湿性、隔热性、遮光性、气密性、隐蔽性、空间性、安全性等 诸多方面远远优于地上空间。其社会、经济、环境等多方面的综合效益良好对节省城市占 地、节约能源、克服地面各种障碍改善城市交通、减少城市污染、扩大城市空间容量、节省 时间、提高工作效率和提高城市生活质量等方面，都能起到极其重要的作用，是现代化城市 建设的必由之路。计算机信息化理念与绿色可持续化理念的交织未来的建筑工程可能会有智能数字化建 筑，绿色生态化建筑两类。智能建筑是利用系统集成的方法，将计算机网络技术、通信技术、 信息技术与建筑艺术有机地结合在一起，通过对设备的自动监控、对信息资源的管理和对使 用者的信息服务及其与建筑工程之间的优化组合所获得的投资合理、适合信息社会需要并且 具有安全、高效、合适、便利和灵活等特点的建筑物。未来的智能化建筑对温度、湿度、照 度均可以加以自动调节、甚至控制色彩、背景噪声及味道，使人心情舒畅，从而能大大提高 生活的品质；智能化建筑还有易于改变的空间和功能，灵活性大 适应变化能力强，能满足 多种用户对不同环境功能的要求。而这些调节都可以通过手机、电脑、甚至手表来实现远程 控制。绿色生态化建筑指建筑对环境无害，能充分利用环境自然资源，并且在不破坏环境基本 生态平衡条件下建造的一种建筑。未来的绿色生态化建筑注重节能环保与舒适健康的环境， 能够自给自足，实现“零能耗，零排放”要求。未来的绿色生态化建筑不消耗煤、电、油、燃 气等不可再生能源,其使用的能源为可再生能源，如太阳能、风能、地热能以及室内人体、家 电、炊事产生的热量,排出的热空气和废热水回收的热量。例如，在温度方面，不使用空调， 而通过建筑材料（如墙体、屋顶）自身的特性（吸热与散热，保温与隔热）实现冬暖夏凉，甚至室内恒温的效果。关于绿色生态建筑 世界上许多的著名设计师都提出过相关设想如： 阿布扎比垂直海水农场、迪拜金字塔之城、韩国绿色“能量中心”保加利亚黑海花园、深圳 摩天塔、法国海洋漂浮城市等。土木工程的未来与计算机模拟和CAD、BIM等有着极大的联系。计算机仿真是利用计 算机对自然现象、系统功能以及人脑思维等客观世界进行逼真的模拟。许多工程结构是毁于 台风、地震、火灾、洪水等灾害作用。对这种小概率、大荷载作用下的工程结构性能很难一 一去做试验去验证，一是参数变化条件不可能全模拟；二是实体试验成本过高；三是破坏试 验有危险性，设备难以跟上。而计算机仿真技术可以在计算机上模拟原型大小的土木工程构 筑物在灾荷载作用下变形到倒塌的全过程，从而揭示结构不安全的环节和因素，用此指导设 计可大大提高土木工程的可靠性。计算机仿真技术在结构工程、防灾工程、岩土工程、仿真 教学等方面也有着极大的应用。CAD技术是设计领域的革命，而BIM技术则将是土木工程领域的革命。通过高度集成 化、数字化、精准化的BIM模型，可以将设计、施工企业、材料供应商、房地产商等全部 整合到一个数字化管理的平台，实现精准的管理与控制，实现土木工程全寿命、全方位的计 算机化管理。BIM可以广泛应用于土木工程的各个阶段，如设计、施工、运维等。在设计方 面，通过BIM技术可以将原来只能在施工期间发现的问题，在设计阶段得到解决。另外， 通过三维模拟的虚拟仿真漫游，可以得到身临其境的感受，及时发现不易察觉的设计缺陷与 问题。在施工阶段，BIM技术可以对各个施工阶段的工料机进行统计和安排，大大提高了施 工管理的准确性，并可以进行三维进度监控及对施工过程进行可视化管理，从而对施工方案 进行优化，保证方案施工的准确性和可行性。在对项目的后期运营与维护上，应用BIM技 术对项目的运营进行管理，将更具有直观性、空间性和集成度，能够有效帮助建设方和物业 方管理建设设施和资产，进而降低运营成本，提高用户的满意度。土木工程的未来便是建设“智能城市”所谓智慧城市，就是借助物联网、云计算，BIM、GIS，大数据分析等新兴技术，将城市运行的建筑、交通、电力、通信、医疗、教育等核心 系统整合到一个大平台上，植入智慧的理念，从而更好的理解和控制城市运营，优化城市的 资源与利用，实现更美好的生活。智慧城市的建设包括两方面：一是加强城市基础通讯网络 的建设，提高通信网络宽带和覆盖率二是在云计算平台上提供智慧应用服务如智慧建筑、 智慧交通、智慧医疗、智慧电网和智慧环境等。智慧建筑是以物联网、BIM、云计算等先进技术为保障在建筑智能化的基础上，更加开 放地融入智慧城市网络中从而满足个性需求与节能生态的现代建筑。智慧建筑具备人性化、 可持续化、智能化和开放化四个特性。智慧交通、智慧医疗、智慧电网和智慧环境与智慧建 筑类似，都是以物联网、BIM、云计算等先进技术为基础，将交通、医疗、电网、环境变得 更为信息化、智能化、社会化、人性化。未来的土木工程“像造智能手机一样集成房子”引入新型工化中“数字制造”的理念，基于 BIM的平台，并综合运用信息技术、大数据、云计算、人工智能等，形成从客户需求分析、 决策、规划设计、审批、构件生产、智慧建造、智慧应用集成、智慧运维等全生命周期的数 字实体融合。这是时代建筑就像一个巨型的手机，上面集成了智能家具、智能娱乐、智能冰 箱、智能水电等。每个“功能组件”都像一个手机上的微信、QQ或其它APP。同时建筑的功 能也由原来的简单满足人的生活起居功能，日益变为“智慧应用服务和需求感知平台”,未来 的建筑可能就像一个智能手机一样融合了“物理模块+信息系统+智慧应用模块”三方面，成了 可感知、会呼吸、有意识、能节能、会管理的“建筑生命体”。综上所述，土木工程不仅是门古老的学科，同时也是一门具有宏大发展前景的学科。