交通基礎(chǔ)設(shè)施面對(duì)的挑戰(zhàn)

文/中國(guó)工程院院士、中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)理事長(zhǎng) 盧春房

截至2017年底，我國(guó)高速公路里程、高速鐵路里程、萬(wàn)噸級(jí)及以上生產(chǎn)用碼頭泊位數(shù)量、城市地鐵里程均居世界第一，總體技術(shù)水平世界領(lǐng)先。從國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)分析，交通基礎(chǔ)設(shè)施主要面臨三大挑戰(zhàn)：新技術(shù)、安全和綠色發(fā)展。

新技術(shù)的挑戰(zhàn)

中國(guó)正處于規(guī)模擴(kuò)張向質(zhì)量提升轉(zhuǎn)變的階段，高質(zhì)量發(fā)展對(duì)新技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)理論和前沿技術(shù)、信息化技術(shù)、材料技術(shù)三個(gè)方面。

首先，在基礎(chǔ)理論和前沿技術(shù)方面的挑戰(zhàn)眾多。比如隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建設(shè)技術(shù)理論和標(biāo)準(zhǔn)體系；更大體量、特殊復(fù)雜環(huán)境條件下交通基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、建造和養(yǎng)修技術(shù)；混凝土結(jié)構(gòu)劣化與災(zāi)變機(jī)理；交通基礎(chǔ)設(shè)施建養(yǎng)一體化技術(shù)；更高速度輪軌系統(tǒng)、磁懸浮、真空管道等新型交通運(yùn)輸技術(shù)等。這些方面都是國(guó)際國(guó)內(nèi)交通領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，亟待展開深入研究，以引領(lǐng)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)的發(fā)展。

其次，信息化技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域也面對(duì)重重挑戰(zhàn)。比如，國(guó)外先進(jìn)國(guó)家BIM應(yīng)用相對(duì)較為成熟，而我國(guó)起步較晚，BIM標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完整，對(duì)建設(shè)期各施工環(huán)節(jié)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與信息采集尚未普及，數(shù)據(jù)與BIM模型的結(jié)合與應(yīng)用也還處于摸索階段。隨著德國(guó)工業(yè)4.0和美國(guó)“再工業(yè)”等工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，發(fā)達(dá)國(guó)家加大了裝備的軟件研發(fā)投入，其施工裝備信息化、一體化水平相對(duì)較高，而我國(guó)施工裝備還有一定提升空間。

無(wú)人機(jī)+大數(shù)據(jù)技術(shù)正催生橋梁檢測(cè)監(jiān)測(cè)行業(yè)的升級(jí)

另外，材料技術(shù)的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在以下方面：在基于疲勞與環(huán)境綜合作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)、長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)與制備技術(shù)，具有自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)功能的智能混凝土制備技術(shù)，混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)效防護(hù)與再防護(hù)技術(shù)體系等方面，國(guó)外已有較多研發(fā)成果和應(yīng)用。而我國(guó)在高強(qiáng)度、高韌性、高耐候性、易焊接性等高性能鋼材的研發(fā)與應(yīng)用水平上還有待加強(qiáng)，高分子材料、復(fù)合材料及智能材料的研發(fā)和應(yīng)用尚需深入研究。

安全的挑戰(zhàn)

安全始終是交通行業(yè)首位的工作。我國(guó)交通安全領(lǐng)域主要面對(duì)著老舊設(shè)施、自然災(zāi)害、檢測(cè)診斷三個(gè)方面的挑戰(zhàn)。

老舊設(shè)施方面：據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017年年底，我國(guó)公路橋梁總數(shù)80余萬(wàn)座，其中危橋有9萬(wàn)座；50年以上鐵路隧道有1776座、橋梁13040座。這些設(shè)施維修工作量大、抗自然災(zāi)害能力差、投入需求高，部分設(shè)施已經(jīng)發(fā)生過(guò)一些事故，是未來(lái)潛在的危險(xiǎn)源。

自然災(zāi)害方面：我國(guó)自然災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施影響巨大，特別是地震災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)，泥石流、滑坡的預(yù)防措施尚不完備，一旦災(zāi)害來(lái)臨，交通安全將受到極大考驗(yàn)。

檢測(cè)診斷方面：雖然PHM（故障預(yù)測(cè)與健康管理）技術(shù)已在交通領(lǐng)域使用，但對(duì)于12.7萬(wàn)公里鐵路、477萬(wàn)公里公路、229個(gè)機(jī)場(chǎng)、5033公里地鐵的監(jiān)測(cè)檢測(cè)和故障診斷全覆蓋還有很長(zhǎng)一段路要走。國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)很大程度上還在靠人工檢查、靠經(jīng)驗(yàn)判斷，這樣的方式在時(shí)間上不連續(xù)、空間上有空白、診斷上不嚴(yán)謹(jǐn)。因此，安全隱患是存在的。

綠色發(fā)展的挑戰(zhàn)

在新時(shí)期統(tǒng)籌推進(jìn)“五位一體”的總體布局下，綠色發(fā)展、節(jié)能環(huán)保的發(fā)展方向?qū)煌ㄌ岢隽诵碌奶魬?zhàn)。綠色交通的實(shí)施在節(jié)能、節(jié)地、降噪減排、結(jié)構(gòu)耐久性等方面面臨著艱巨的挑戰(zhàn)。

從設(shè)計(jì)方面看節(jié)能，建筑屋面太陽(yáng)能板安裝尚不普及，光伏發(fā)電路面公路剛剛試運(yùn)營(yíng)，推廣工作任重而道遠(yuǎn)，地源熱泵使用率不高。從施工方面看節(jié)能，部分施工設(shè)備老舊、耗能高，機(jī)械設(shè)備的能源清潔化水平不高；在施工措施、施工工藝、施工標(biāo)準(zhǔn)與政策等方面與綠色發(fā)展要求還存在一定差距；自發(fā)電施工、分散式供暖的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生等。

老京滬鐵路用地149.69平方公里，京滬高鐵用地40.81平方公里，節(jié)約用地72.7%，雖然由此可知，設(shè)計(jì)理念和技術(shù)進(jìn)步潛力巨大，但還遠(yuǎn)未達(dá)到?jīng)]有潛力可挖的地步。四車道高速公路每公里平均用地0.07平方公里至0.09平方公里，比京滬高鐵高出1至2倍，節(jié)地任務(wù)艱巨。

裝配化鋼橋，擺脫了高投入、高消耗、高污染的粗放式建設(shè)模式，滿足了節(jié)能、環(huán)保、快速、安全、耐久、高效、美觀的建設(shè)要求， 促進(jìn)橋梁的轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效，是實(shí)現(xiàn)橋梁產(chǎn)業(yè)化的有效路徑。

降噪減排任重而道遠(yuǎn)。一是施工時(shí)機(jī)械噪音、振動(dòng)噪音有超標(biāo)現(xiàn)象，施工污水排放、運(yùn)輸車輛揚(yáng)塵控制不嚴(yán)。二是隔音技術(shù)水平不高，如鐵路聲屏障只能減少6分貝左右的噪音，公路聲屏障與此功能相當(dāng)，還不能使周圍群眾滿意。三是減振材料效果欠佳。振動(dòng)噪聲是主要污染源之一。

結(jié)構(gòu)耐久性亟待被重視。目前，鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)的主要結(jié)構(gòu)物使用壽命在100年左右，100年以后就會(huì)面臨拆除的局面。拆除就會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，再重新建設(shè)又會(huì)耗能耗材等，不僅增加全生命周期成本，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。

用創(chuàng)新應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

行業(yè)正面對(duì)重重挑戰(zhàn)雖然是現(xiàn)實(shí)，但是仍然有十足的信心去迎接挑戰(zhàn)，解決問(wèn)題。如何應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)——?jiǎng)?chuàng)新。智能化、一體化和裝配化是行業(yè)創(chuàng)新的三個(gè)發(fā)展方向，它們將成為化解挑戰(zhàn)的“三大法寶”。

智能化。深入推進(jìn)基于BIM技術(shù)的智能建造，實(shí)現(xiàn)橋梁、隧道、港口、大型房屋建筑等工程全生命期的數(shù)據(jù)化、可視化管理。研究開發(fā)適用于鐵路、公路、海岸、港口工程的基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)全部工程采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)，從而使建筑與設(shè)備安裝工程、橋隧涵與土工結(jié)構(gòu)工程、土建工程與通信信號(hào)電力工程的有機(jī)銜接，避免錯(cuò)、漏、碰、缺問(wèn)題的出現(xiàn)。施工上，應(yīng)研究設(shè)計(jì)3D基礎(chǔ)上的4D技術(shù)，并與機(jī)器人掃描、監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，形成信息化平臺(tái)，將建設(shè)管理中的質(zhì)量、安全等統(tǒng)一納入平臺(tái)管理，提高管理效率和水平。將鋼結(jié)構(gòu)加工、主材用料尺寸和數(shù)量、工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析等技術(shù)工作也統(tǒng)一納入平臺(tái)管理，使技術(shù)管理從人員主觀判斷為主向智能化決策方向轉(zhuǎn)化。養(yǎng)護(hù)維修上研究5D技術(shù)，與大數(shù)據(jù)、PHM技術(shù)相結(jié)合，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中基礎(chǔ)設(shè)施的變化，準(zhǔn)確判斷其風(fēng)險(xiǎn)高低程度，及時(shí)分析原因并提出解決方案，保持設(shè)施狀態(tài)良好，保證運(yùn)營(yíng)安全。

一體化。研究實(shí)施鐵路、公路、城市軌道交通、管道、高壓電纜等一體化跨越天然屏障的方案，包括一體化橋梁、一體化隧道，充分發(fā)揮大交通的優(yōu)勢(shì)，充分利用有限的江河通道資源。研究實(shí)施橋梁、隧道、房屋、海岸、港口、房建等土建技術(shù)一體化創(chuàng)新的體制機(jī)制，打通行業(yè)間、專業(yè)間的阻隔，共同對(duì)基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)施工、材料裝備、節(jié)能降噪、結(jié)構(gòu)耐久性等共性技術(shù)開展攻關(guān)，集中力量解決重大技術(shù)問(wèn)題，加快科研成果的轉(zhuǎn)化。

裝配化。大力開展裝配式房屋、橋梁、隧道、碼頭等結(jié)構(gòu)物的一體化集成設(shè)計(jì)研究；開展大部件裝配化施工設(shè)備的研制；開展預(yù)制件工廠化標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)研究，建設(shè)異地、重復(fù)使用的工廠，研制標(biāo)準(zhǔn)化的部件以及生產(chǎn)工裝和工藝；開展裝配化施工質(zhì)量檢測(cè)、評(píng)估技術(shù)研究，制定質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，建立指標(biāo)體系。