樊健生：你看這座橋，它又輕又薄 | 探索者
樊健生，清華大學土木工程系教授、博士生導師，首屆科學探索獎交通建筑領域獲獎者。獲獎理由：在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究和應用取得了突出成績，鼓勵未來在針對嚴酷環(huán)境的高性能工程結(jié)構(gòu)、基于信息技術(shù)和人工智能的設計方法領域做出更出色工作。圖源：科學探索獎。
年輕人，是科學創(chuàng)新的主力。在科學投入越來越受重視的今天，中國的科學家們中，尤其是年輕一代里，有許多在自己領域里做出了杰出成就，也承載著未來科研的希望。
從本期開始，《知識分子》攜科學探索獎設立 “探索者” 專欄，為讀者速寫一群青年科學家的畫像，介紹他們所代表的科技前沿。這些青年學者們都不到45歲，但已在各自的領域內(nèi)做出了重要貢獻。
謹以此系列文章記下他們拓展人類認知邊界的努力，和對于科學、技術(shù)與人文的思考。
土木工程，是人類文明的印記。研究土木工程20余年，樊健生對于工程結(jié)構(gòu)的追求，是用最少的材料實現(xiàn)最佳的功能，留下的痕跡越少越好。
撰文｜王一葦
責編｜陳曉雪
● ● ●
說起橋，樊健生臉上的表情生動起來。
九十年代初，北京為改善交通狀況，將二環(huán)改造為第一條城市快速路。為了讓車輛跑得更加順暢，路上的人行橫道都改成了人行天橋。此后，城市快速路越來越多，人行天橋也在這座城市里逐漸多了起來。傳統(tǒng)的大跨徑人行天橋采用鋼結(jié)構(gòu)主梁，橋越長，梁就顯得更輕更薄。底下重型車一過，橋上的人就隨著橋面一起晃晃悠悠。
2003年，樊健生剛剛從清華大學土木工程系博士畢業(yè)，留校任教。他接到一個小項目，設計一座橫跨萬泉河路的人行天橋。萬泉河路是海淀區(qū)一條西北方向、連接城區(qū)和圓明園、頤和園的道路，2002年改造為快速路。
設計一座人行天橋并不難，但要在擁擠城市的有限空間內(nèi)滿足多種功能要求，有時是件棘手的事。北京從2000年開始實施的《北京市無障礙設施建設管理規(guī)定》要求，凡在本市內(nèi)新建的人行過街天橋，需要配套建設無障礙設施 [1] 。長長的斜坡占地面積大，在寸土寸金的北京，規(guī)劃起來并不容易。
樊健生算了筆賬，橋梁底部到地面的最小限高是4.5米，如果梁的厚度是1米，加起來是5.5米。為方便非機動車過橋，天橋坡道長度至少是高度的4倍，也就是22米，再加上休息平臺，單側(cè)大概需要27米的梯道。這座橋在人民大學西門附近，橋下有一間超市，梯道太長則會直接擋住超市大門。
一般跨度20米的鋼橋需要1米厚。萬泉河路在三環(huán)上，天橋一跨20多米長。樊健生想，如果梁能薄一些，每減少10厘米，無障礙通道的坡長就可以減少0.4米。“但是薄了以后，又不能讓人在上面走起來晃晃蕩蕩的，也不能不計成本地耗費很多鋼材。” 他說，“所以中間有一些新的辦法?！?/span>
他的新辦法，是將鋼結(jié)構(gòu)換成鋼和混凝土組合為一體的結(jié)構(gòu)，從而提高了結(jié)構(gòu)剛度，將梁厚度與跨度的比例從1/20降到了1/40。萬泉河路這座天橋的厚度，最終僅有62厘米。
樊健生17年前參與設計的萬泉莊橋，至今仍立在萬泉河路上。王一葦/攝。
“要是用現(xiàn)在的新材料，我們還可以做得更好。” 從事結(jié)構(gòu)工程研究多年，樊健生感慨，看著實驗室里新研發(fā)的材料和結(jié)構(gòu)變成腳下的橋面或建筑的屋頂，穩(wěn)固而長久地屹立，比單單建造一座新建筑更讓他滿足。
“用最少的材料實現(xiàn)功能”
在中國大陸，基礎設施建設的高潮始于2000年前后。
樊健生記得，90年代他在大學讀書時，國內(nèi)的鋼材產(chǎn)量還不高，鋼筋混凝土還是建筑材料中 “經(jīng)濟便宜” 的代名詞。但即便那時，在土木工程領域，很多人已經(jīng)覺得這是一個夕陽產(chǎn)業(yè)?！坝行┤吮容^悲觀，講土木的東西，從牛頓力學再往前算算，都搞了一兩千年，已經(jīng)很成熟了，到底還需不需要從科研的角度去做？”
確實，早在幾千年前，埃及人和羅馬人曾經(jīng)發(fā)明過最原始的混凝土材料，而鋼筋混凝土由19世紀中期一位法國園丁發(fā)明，經(jīng)過200多年的發(fā)展已相當成熟。
但樊健生并不這么認為。“產(chǎn)業(yè)界有時候只看到眼前的需求，但是從科學研究或者探索的角度，要有更強的前瞻性。”
二十年前的土木工程師也許想象不到，中國城鄉(xiāng)發(fā)展和基礎設施建設的需求會催生如此之多的超級工程，對工程結(jié)構(gòu)性能的追求也水漲船高。
改變發(fā)生在2000年左右。中國大規(guī)模的基礎設施建設給了土木工程專業(yè)前所未有的實踐機會，人們對建筑品質(zhì)的要求也逐漸提高。而鋼產(chǎn)量的上升、鋼材價格的相對下降也給組合結(jié)構(gòu)研究提供了土壤。
“蓋房子不僅要安全和省錢，也要住的舒服，房子還要好看和耐用，所以單純的混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)都有一些問題解決不了，合在一起很多困難就解決了?！?樊健生說，而他研究的重點之一就是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。
“鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)” 與我們熟知的 “鋼筋混凝土” 是兩個概念。
鋼筋混凝土是全世界應用最廣泛的建筑材料?；炷量箟海摻羁估?，兩者相互配合，就可以同時發(fā)揮兩種材料的不同優(yōu)勢。
而 “鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)”，則是將鋼筋換成鋼板，通過設計混凝土和鋼板的結(jié)構(gòu)，力圖選用最合適、最節(jié)約的混凝土和鋼材組合成性能最佳的結(jié)構(gòu)，可以應用在跨海橋梁、超高層建筑等大型工程上，也可以用在人行天橋、居民樓等。
不同的工程對結(jié)構(gòu)功能的要求并不相同。超高層建筑需要抗震、提高耗能能力（即試件在地震反復作用下吸收能量的大?。?/span>；大跨度的橋梁除了減輕自重，還需要在重車過的時候變形程度盡量小。
“每一種材料都有各自的優(yōu)點和缺點，” 樊健生說，“我們干的事情是把材料用在最合適的地方，通過某種組合形式發(fā)揮它們的優(yōu)勢?！?/span>
作為結(jié)構(gòu)工程師，他的目標是用最少的材料，造出最安全、最符合需求的結(jié)構(gòu)。
“只要用了工程材料，不管天然材料，人工材料，都會消耗自然資源，”他說，“用最少的材料實現(xiàn)最佳的功能，留下的痕跡越少越好?！?/span>
2012年，樊健生和他博士求學時期的導師聶建國等人共同完成的一個科研項目，獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。這項用于大型建筑的新技術(shù)相比傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，可使結(jié)構(gòu)自重減輕40~60%、截面高度降低25%～40%，相比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)其用鋼量減少了20~35%。武昌火車站的樓蓋、北京大屯路下穿隧道的頂蓋、國內(nèi)某航天發(fā)射塔的塔架，都用到了這種新型組合結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過過去20多年的各類大型工程實踐，中國組合結(jié)構(gòu)領域的研究水平后來居上，位于世界前列。“國外專家來拜訪，對這樣的工程發(fā)展機遇和科技進步速度都表示很羨慕?！?樊健生說。
巨型工程
在北京建造一座人行天橋動輒要花費數(shù)百萬元，但在土木工程師的眼中，這只是一個 “小項目”。樊健生的履歷上，不僅有世界最寬的海底隧道、世界第八的高樓、中國最長的內(nèi)河公路橋，還有大興機場這樣的超級工程。
土木工程的設計工作一般基于規(guī)范展開，但巨型工程往往史無前例，無例可依。因此，他在參加的這些工程中，需要針對前人從未實踐過的技術(shù)方案開展科研攻關(guān)，確保工程實施時萬無一失。
2015年開始參與的深中通道建設，是樊健生遇到的一個 “史無前例”。深中通道是連接深圳和廣東中山的一條跨海通道，設計為雙向八車道，預計在2024年通車后將是世界上最寬的海底隧道。
結(jié)構(gòu)工程師看到 “最寬” 兩字，第一個反應大概不是驚嘆，而是頭疼。
深中通道東側(cè)主體部分是隧道，由沉管連接而成。所謂沉管，是用混凝土或者鋼材建成的巨大中空管道，置入海底后連接形成隧道，汽車就可以在其中通行。比如，港珠澳大橋全長6.7公里、寬33.1米的海底隧道就由33節(jié)沉管拼接而成。[2]
深中通道的沉管比一般的沉管需要更高的承載能力。海底隧道沉管頂部的受彎程度，與其寬度成平方關(guān)系增長，而深中通道設計寬度達46米，意味著對沉管承載能力提出了更高的要求；此外，相比跨河隧道，像深中通道這樣的跨海隧道埋置深度更大，水壓也更大；深中通道在主航道下方，上面還需要覆蓋接近10米的砂石構(gòu)成的鎖定層，又增加了壓力。
在壓力增大的情況下，如果仍采用傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)方案，沉管的重量和體積也會相應更大。把沉管放入海底之前，挖泥船則需要挖一條更深的溝槽，一個工程下來可能要多挖上百萬方的土，對建造成本和工期上都是巨大的負擔。
“對于巨型工程，工期和費用都是很關(guān)鍵的指標，工期延長一年，它的費用可能也就會上去很多。” 樊健生說。
樊健生所研究的方案，是一個內(nèi)外兩層鋼板構(gòu)成骨架，再往其中灌注混凝土的組合結(jié)構(gòu)方案。這不僅增強了結(jié)構(gòu)承載力，相比常用的混凝土沉管，體積和重量也更小。這也意味著，把管節(jié)置入海底之前，運輸、安裝都更為方便。
除了增強承載力、減小體量，這個結(jié)構(gòu)在建造成本上也更低，它不需要像普通沉管一樣長時間使用船塢制造，甚至可以先做好一個鋼殼，直接漂浮在海面上澆筑混凝土。
此外，省去了制造模板和綁扎鋼筋的施工步驟，工程建造的速度也會快很多。
然而，這是一個此前國內(nèi)從來沒有實踐過的結(jié)構(gòu)形式，沒有前例可以參照，意味著風險也是未知的。鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，之前只有日本的兩條長約幾百米的隧道用過 [3]。而深中通道的海底隧道部分總長約6.8公里，方案難度和遇到的阻力可想而知?！八碾y度相當于量變到質(zhì)變?！?/span>
樊健生以及科研團隊需要通過實驗數(shù)據(jù)來說服心存疑慮的專家，并為設計工作提供可靠依據(jù)。
他測試新結(jié)構(gòu)的地方，在清華大學校園內(nèi)的一間建造于1998年的實驗室。實驗室面積達1300平方米，內(nèi)部的空間有4、5層樓高，門卻開在樓梯角一個不起眼的位置。
進門之后，你感覺自己像是掉進一個鋼筋混凝土的兔子洞。
實驗室中央是一個懸在半空、可提供2000噸壓力的千斤頂，地面上躺著各式各樣的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。戴著紅色安全帽的學生們，在試驗模型上爬上爬下，有的拿著計量儀器測量著結(jié)構(gòu)的變形和裂縫，有的則根據(jù)測試數(shù)據(jù)做一些計算。
清華大學土木工程系實驗室里用于測試材料和結(jié)構(gòu)性能的千斤頂。王一葦/攝。
樊健生和學生們對組合結(jié)構(gòu)沉管的受力性能進行了系統(tǒng)測試，證實了在同等性能水平下，新結(jié)構(gòu)更輕更薄。這一結(jié)果為工程方案的論證提供了堅實的支持，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)沉管隧道方案最終獲得通過。
建造這樣大型的海底沉管，如何達到所需的工程精度，是另一個建造難點。
樊健生說，兩個管節(jié)要放到水下連接到一起，最終成型尺寸需要達到毫米級的精度，從而保證結(jié)構(gòu)不能漏水的最基本要求。
然而，影響到沉管尺寸的因素很多。例如，混凝土是澆筑過程中放熱很厲害的材料，澆筑的時候會膨脹，結(jié)束之后還會收縮。由于混凝土本身的特性，這種現(xiàn)象 “幾乎是沒有辦法消除的”。
深中通道的一個標準管節(jié)有165米長，如果每一米伸或縮0.3毫米，一個管節(jié)一下子長短就會變化幾個厘米。“這個地方多幾厘米，那個地方少幾厘米，就很難控制了?！?/span>
利用之前項目的經(jīng)驗，樊健生在現(xiàn)場結(jié)構(gòu)上設置了一些溫度和變形傳感器，監(jiān)測結(jié)構(gòu)在制作過程中的變化，再將數(shù)據(jù)傳回實驗室，用數(shù)值模型計算出施工過程中所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
樊健生在清華大學土木工程系的實驗室現(xiàn)場。王一葦/攝。
做土木，光考慮性能還遠遠不夠。工程是一門應用學科，性價比也是重要因素。不計成本地堆填材料往往也能做出性能優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)；但是做工程，如何在 “偷工減料” 的同時保證質(zhì)量，才是真正的挑戰(zhàn)。
大型工程不僅要考慮到材料本身的價格，也要綜合考慮運輸、建造成本。比如在沉管的用料上，組合結(jié)構(gòu)用鋼量高于混凝土材料，價格會高一些，但整體上由于減少了挖溝的工程量和澆筑管節(jié)的工期，實際上更為經(jīng)濟了。
除了建造成本，一個對工程負責的工程師更會將目光放長遠，考慮到整個壽命周期內(nèi)的成本。
“要形成一種認識，建設時花的錢稍微多一點，但長久以后如果不用維護，就可以省錢，” 樊健生說，“工程往往對建設投資很關(guān)注，錢不能多花。但如果從一個綜合角度來判斷，肯定要算好這個賬，建的時候多花百分之幾的錢，采用更高性能的結(jié)構(gòu)形式和更耐久的材料，后面幾十年能夠減少甚至不需要維護費用，到底哪一個合算？”
樊健生說，這也是他在報告和講座中不斷推廣的理念。“慢慢的大家還是都認可了這一點?！?nbsp;
2020年12月，樊健生在深中通道施工現(xiàn)場。照片由受訪者提供。
“社會狀態(tài)不一樣了”
新冠疫情以前，樊健生常常是在去不同工程的路上。
他出差的軌跡，幾乎構(gòu)成了中國基礎建設進程的風向標。
“前幾年江浙還比較多，最近幾年就明顯感覺到大灣區(qū)建設規(guī)模很大，”他說，這兩年幾乎一半的出差都在深圳、廣州、佛山、珠海。
樊健生感到，國內(nèi)對建筑的綜合性能和品質(zhì)要求在逐漸提升。“以前對經(jīng)濟指標看得比較重，尤其房地產(chǎn)商，每一平米便宜多少錢很關(guān)注，最基本的就是省材料或少用鋼筋，”他說，“現(xiàn)在大家的著眼點是綜合性的指標?！币郧?，房子安全蓋完就好，但現(xiàn)在會要求蓋得好看、耐久，還要免維護。
“整個社會的狀態(tài)不一樣了，從前是生存和解決有無的問題，現(xiàn)在是進一步提高整體的品質(zhì)，滿足多方面需求?！狈∩f。
社會狀態(tài)的改變也帶來新的挑戰(zhàn)。隨著各行各業(yè)勞動用工需求的增加，建設行業(yè)的勞動力開始相對短缺，對減少工時、提高工效的要求也越來越高；同時，由于環(huán)保的要求提升，而混凝土材料的生產(chǎn)過程資源消耗大且難重復利用，如何減少這些不可再生材料的使用，成了新問題。
城市建設中，環(huán)保綠色要求大幅縮短一些工程的工期。如一些橋梁工程，傳統(tǒng)搭腳手架的建造方式用時久，影響周邊交通且容易擾民，而組合結(jié)構(gòu)的橋梁可以在工廠中預制，省去了現(xiàn)場搭腳手架的大量時間和人力，減小對既有環(huán)境的影響。
近幾年，樊健生也在和一些研究材料的學者開展合作，根據(jù)結(jié)構(gòu)的需求，開發(fā)更合適的材料。
樊健生認為，混凝土結(jié)構(gòu)仍是未來中國建筑行業(yè)的主流，而鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)應需求而生，也會占據(jù)一部分市場。“建筑行業(yè)沒有排他性，需求是千變?nèi)f化的，不是某一個技術(shù)一定會獨占市場。”
進入土木工程行業(yè)學習、工作至今，樊健生最有成就感的還是像萬泉河路人行天橋這樣的小結(jié)構(gòu)。對他而言，橋是簡單純粹的力學結(jié)構(gòu)，恰好是結(jié)構(gòu)工程師能夠一展身手的載體。
“土木工程很喜歡追求大，但是大的未必就是技術(shù)最先進，因為往往大了以后就要保守，反而小工程可以有更多創(chuàng)新性?！?/span>
開車經(jīng)過萬泉河路的時候，他常常會抬頭看看那座攘來熙往的天橋。
“我上學的時候就說土木是夕陽產(chǎn)業(yè)了，相信再過20年還是夕陽產(chǎn)業(yè)，但是這個行業(yè)它會永遠存在，而且規(guī)模永遠還是要擴大?！彼f，“還有很多需求沒有激發(fā)出來，很多問題仍待解決?！?nbsp;
參考資料：
[1]http://www.beijing.gov.cn/zhengce/zfwj/zfwj/szfl/201905/t20190523_75821.html
[2]http://m.xinhuanet.com/cq/2018-10/24/c_1123603660.htm
http://jtyst.jl.gov.cn/kys/xxdt/yjshydt/201810/t20181024_5313184.htm
http://www.hzmb.org/Home/Enter/Enter/cate_id/19.html
[3]https://www.jfe-eng.co.jp/en/products/bridge/co10.html
制版編輯 | 盧卡斯
