郝天之：用反向思維探索創(chuàng)新的“橋梁醫(yī)生”

我國對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)加力，使交通養(yǎng)護(hù)產(chǎn)業(yè)迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇期。廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司（以下簡稱“北投養(yǎng)護(hù)科技”）總工程師郝天之，就是一位致力于公路橋梁監(jiān)測(cè)、檢測(cè)及維修加固的“橋梁醫(yī)生”。

作為在交通領(lǐng)域深耕20余年的結(jié)構(gòu)工程專家，郝天之深入一線，將高精度測(cè)算法廣泛應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)、檢測(cè)，主持或參與了“世界第一拱橋”平南三橋、魚嘴長江大橋、西江大橋等50多座新建橋梁的施工監(jiān)控、100多座大中橋梁荷載試驗(yàn)，完成“六景郁江特大橋車輛撞擊后應(yīng)急檢測(cè)”等20多項(xiàng)船撞、車撞、自然災(zāi)害造成的橋梁應(yīng)急檢測(cè)評(píng)估，為路橋建設(shè)作出了突出貢獻(xiàn)。

郝天之繼2020年獲評(píng)廣西科技廳、廣西人社廳、廣西科協(xié)、廣西工信廳、廣西國資委聯(lián)合頒發(fā)的“廣西創(chuàng)新爭(zhēng)先獎(jiǎng)”后，2023年，又先后獲評(píng)廣西壯族自治區(qū)企業(yè)“創(chuàng)新達(dá)人”和中國交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)“科技創(chuàng)新青年獎(jiǎng)”。

深耕交通養(yǎng)護(hù)20余年

2003年夏天，從河北省石家莊鐵道學(xué)院土木工程專業(yè)畢業(yè)的郝天之踏上了人生中的第一個(gè)工作崗位，在中鐵二十工程局從事高速公路施工工作。一年后，他考取廣西大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，并先后取得碩士、博士學(xué)位，從此郝天之便與廣西結(jié)下了不解之緣。

碩士畢業(yè)后，郝天之來到廣西交科集團(tuán)有限公司，主要從事公路橋梁健康監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、加固設(shè)計(jì)等橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)工作，由于專業(yè)對(duì)口、工作勤奮，他從工程師做起，在技術(shù)一線連續(xù)工作了13年，憑借出類拔萃的工作能力和取得的優(yōu)異成績，歷任項(xiàng)目分項(xiàng)負(fù)責(zé)人、橋隧檢測(cè)所副所長、總工辦副總工程師、橋梁工程研究院院長，并且在此期間順利取得了廣西大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位。

2020年，是“十四五”規(guī)劃開局之年。在這年年初，廣西北部灣投資集團(tuán)感到交通養(yǎng)護(hù)會(huì)成為朝陽產(chǎn)業(yè)，率先發(fā)起成立了廣西第一家集交通養(yǎng)護(hù)作業(yè)、土建施工、材料銷售、科技創(chuàng)新于一體的高新技術(shù)企業(yè)—廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司。經(jīng)組織安排，當(dāng)年8月郝天之調(diào)到剛成立不到一年的北投養(yǎng)護(hù)科技擔(dān)任總工程師。

北投養(yǎng)護(hù)科技自成立以來，圍繞國、省干線的維修改造，以及高速公路的日常養(yǎng)護(hù)、應(yīng)急保暢做了大量工作，并從廣西科技廳、交通運(yùn)輸廳等主管部門獲得不少研究課題和項(xiàng)目資助。經(jīng)過四年的高速成長，北投養(yǎng)護(hù)科技不僅在廣西擁有較高的市場(chǎng)占有率，還在江西、浙江、新疆、貴州等省區(qū)不斷承接項(xiàng)目。

“我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可能像前些年那樣，持續(xù)大規(guī)模投入，現(xiàn)在面臨的問題是如何去管養(yǎng)、如何做相關(guān)的維護(hù)，因此，圍繞高效專業(yè)運(yùn)維、數(shù)字信息化及優(yōu)質(zhì)服務(wù)做一些事情，將會(huì)成為交通基礎(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)的重點(diǎn)領(lǐng)域?！焙绿熘f。

攻克公路橋梁綠色養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

由于歷史、觀念原因，此前很少有人關(guān)注交通養(yǎng)護(hù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，這一看似簡單的產(chǎn)業(yè)，實(shí)際上包含橋梁、路面、巖土在內(nèi)的諸多學(xué)科，一個(gè)人很難能夠完全講清、說透。郝天之的主攻方向，則是公路橋梁領(lǐng)域。

作為交通基礎(chǔ)設(shè)施中的“咽喉”，目前我國公路橋梁已達(dá)107萬座，數(shù)量遠(yuǎn)超美國。那么，面對(duì)數(shù)量如此龐大的公路橋梁，我們?nèi)绾尾拍軐?shí)時(shí)了解它們的狀態(tài)？

近年來，我國陸續(xù)實(shí)施了跨江、跨河、跨峽谷等橋梁的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，但受限于技術(shù)和行業(yè)認(rèn)知，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)數(shù)量多、互通性較差、針對(duì)性不足等問題，加之安裝、防護(hù)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，致使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)利用率不高。

2023年，北投養(yǎng)護(hù)科技從廣西科技廳獲得科技基地和人才專項(xiàng)—“公路橋梁綠色養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)平臺(tái)建設(shè)”項(xiàng)目。在項(xiàng)目前期，郝天之團(tuán)隊(duì)通過對(duì)公路橋梁基本狀態(tài)的搜集，構(gòu)建了高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備和信息化監(jiān)測(cè)運(yùn)VUfvxZgICw9Dk5eg0TmzPF/tpxgagwGW8jjhe/SR1CQ=營系統(tǒng)，使橋梁設(shè)施智能化，從而能夠?qū)崟r(shí)了解橋梁設(shè)施的性能及表觀缺陷，并結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改良。同時(shí)，圍繞傳感器、新型算法、專業(yè)評(píng)估等方法，實(shí)現(xiàn)了公路橋梁的自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化檢測(cè)。

針對(duì)數(shù)據(jù)利用率不高等問題，郝天之團(tuán)隊(duì)還在“公路橋梁綠色養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)平臺(tái)建設(shè)”項(xiàng)目中，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了顯著優(yōu)化。

例如，我國90%以上的公路橋是梁式橋，這種橋梁老齡化問題日益突出，逐步進(jìn)入檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、維修高峰期。郝天之團(tuán)隊(duì)通過對(duì)傳感設(shè)備改進(jìn)、借助創(chuàng)建的新算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，對(duì)梁式橋進(jìn)行簡易快速的監(jiān)測(cè)，在第一時(shí)間獲取問題信息，以及梁體、構(gòu)件結(jié)構(gòu)問題嚴(yán)重程度的數(shù)據(jù)，并基于結(jié)構(gòu)和受力特征創(chuàng)建評(píng)估評(píng)價(jià)方法，使監(jiān)測(cè)更有針對(duì)性、更容易操作，也更容易對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分利用，從而達(dá)到低建設(shè)成本、低維護(hù)成本、易管養(yǎng)決策的目的。

“包括橋梁在內(nèi)的交通基礎(chǔ)設(shè)施，都有‘生老病死’之說?！焙绿熘嬖V本刊記者，這些交通基礎(chǔ)設(shè)施在投入使用后，隨著使用年限的增加及環(huán)境作用、車輛荷載的作用，結(jié)構(gòu)性能會(huì)不斷退化，出現(xiàn)病態(tài)等問題。在這種情況下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)就要使用新技術(shù)、新材料、新工藝以及輔助設(shè)備進(jìn)行修復(fù)或者整治。

此外，北投養(yǎng)護(hù)科技還通過與兄弟單位共同研發(fā)，使道路清掃、錐桶收放、綠植修剪等通常由人工完成的工作轉(zhuǎn)換為設(shè)備作業(yè)，并在項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。

“反向思維”推動(dòng)橋梁智慧管養(yǎng)

在科技研發(fā)之路上，每個(gè)行業(yè)都會(huì)遇到技術(shù)難題，公路橋梁的養(yǎng)護(hù)與健康監(jiān)測(cè)也不例外。

“遇到解決不了的問題，可以請(qǐng)教前輩或者查找文獻(xiàn)，但不是所有問題都能找到答案?！焙绿熘e例，超載超重的車輛會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成一定的損傷和影響，因此一座橋每天過多少輛車，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的評(píng)估與評(píng)價(jià)是一項(xiàng)很重要的參數(shù)指標(biāo)。

一般情況下，管養(yǎng)單位會(huì)在橋上安裝一些傳感設(shè)備，以此獲取過往車輛的車速、重量等信息，但這種方法的安裝及維護(hù)成本較高。在正常使用狀態(tài)下，橋梁結(jié)構(gòu)受力屬于彈性范圍，10噸和20噸的車輛分別作用于橋梁上，理論上橋梁的宏觀或微觀的反應(yīng)量值應(yīng)是等倍的，但是受環(huán)境因素和外界干擾，實(shí)際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)不可能完全一致。因此，郝天之一直在考慮，能否利用橋梁結(jié)構(gòu)的自身反應(yīng)來識(shí)別車輛，尤其是重載車輛的基本參數(shù)。

通過長期在一線的積累與思考，郝天之發(fā)現(xiàn)移動(dòng)荷載作用下橋梁時(shí)程曲線和車梁參數(shù)的關(guān)系，后來又進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)并進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這種識(shí)別方法是可行的。于是，最終形成一個(gè)反問題：通過橋梁反應(yīng)的時(shí)程曲線識(shí)別移動(dòng)的荷載。

然而，這個(gè)問題攻克之后，新的問題又來了。由于橋梁的剛度大、承載能力高，導(dǎo)致計(jì)算出來的車輛載重誤差較大。面對(duì)這個(gè)問題，郝天之沒有找到可供參考的文獻(xiàn)資料，他做出一個(gè)大膽的決定：將機(jī)械知識(shí)移植到工程領(lǐng)域，通過機(jī)械原理將應(yīng)變的量值放大，使應(yīng)變參數(shù)變大，將監(jiān)測(cè)精度放大到100倍，從而得出更精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

“這兩個(gè)問題，我們前前后后研究了七八年?！焙绿熘f，這是一個(gè)反問題，從橋梁的反應(yīng)推導(dǎo)出車輛荷載，獲得車輛荷載情況之后，把問題反過來，已知車輛荷載及橋梁反應(yīng)即可對(duì)橋梁目前的結(jié)構(gòu)性能、受力狀況進(jìn)行評(píng)估、評(píng)價(jià)。經(jīng)過大量的計(jì)算、模擬、實(shí)測(cè)，郝天之團(tuán)隊(duì)取得一系列成果，申請(qǐng)發(fā)明專利30余件，其中有1/3已獲得授權(quán)。

北投養(yǎng)護(hù)科技對(duì)拱橋的拆除也采用了這一思維模式。2021年，廣西普通國省干線公路危舊橋梁改造工程的176座危舊橋中，有相當(dāng)一部分是需要拆除的拱橋。由于拆橋風(fēng)險(xiǎn)較大，按照行業(yè)做法，郝天之邀請(qǐng)第三方專家進(jìn)行了可行性論證，專家給出的建議是從一側(cè)橋臺(tái)處的拱腳開始拆，多跨拱橋就會(huì)像多米諾骨牌一樣倒下去。

但是，施工團(tuán)隊(duì)按照專家建議進(jìn)行操作的時(shí)候，多米諾骨牌現(xiàn)象并沒有出現(xiàn)，拆橋并不順利。郝天之查勘、分析發(fā)現(xiàn)，由于橋梁建筑年代久遠(yuǎn)，對(duì)歷年維修加固的結(jié)構(gòu)影響估計(jì)不足。于是，他決定根據(jù)實(shí)際情況重新制定方案，經(jīng)計(jì)算分析，先把墩頂或拱腳處對(duì)應(yīng)位置橋面混凝土破除、鋼筋切斷，從而順利實(shí)現(xiàn)了快速拆除。施工完成后，郝天之揪住問題不放，查詢歷年橋梁維修加固設(shè)計(jì)文件、分析第一版橋梁拆除方案、第三方專家的建議方案，再到變更的拆除方案等一系列事件進(jìn)行技術(shù)總結(jié)和復(fù)盤，不但避免了以后遇到類似情況再走彎路，還圍繞拱橋的拆除，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)接連申請(qǐng)了9項(xiàng)發(fā)明專利，并均已獲得授權(quán)，形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

“拱橋拆除過程中發(fā)現(xiàn)的問題對(duì)拆橋造成了不利影響，但如果反過來想，這件事情對(duì)拱橋的加固提升承載能力又提供了一個(gè)新思路。所以事后我們做了大量的復(fù)盤、推導(dǎo)、計(jì)算，提出了一些新的低成本、高效的拱橋加固方法?！焙绿熘f，“很多問題的解決靈感或思路都來源于一線實(shí)踐，但并不是一蹴而就的，存在一個(gè)整體螺旋式上升，不排除個(gè)別時(shí)段甚至?xí)簳r(shí)停滯的過程，所以需要長期不懈的團(tuán)隊(duì)協(xié)作來逐步解決，獲得突破?！?/p>

近年來，郝天之在橋梁加固、監(jiān)測(cè)裝備和算法領(lǐng)域的探索取得了豐碩成果，先后獲得發(fā)明授權(quán)專利110件，其中牽頭發(fā)明專利40余件，他也因此獲評(píng)廣西壯族自治區(qū)2023年度企業(yè)“創(chuàng)新達(dá)人”和中國交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)“科技創(chuàng)新青年獎(jiǎng)”；而北投養(yǎng)護(hù)科技作為一個(gè)成立僅四年的企業(yè)，2023年在廣西企業(yè)有效發(fā)明專利數(shù)量排名中名列第38位，成為科技創(chuàng)新領(lǐng)域的一匹“黑馬”。