樊健生：你看這座橋，它又輕又薄 | 探索者
樊健生，清華大學(xué)土木工程系教授、博士生導(dǎo)師，首屆科學(xué)探索獎(jiǎng)交通建筑領(lǐng)域獲獎(jiǎng)?wù)?。獲獎(jiǎng)理由：在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用取得了突出成績，鼓勵(lì)未來在針對嚴(yán)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(shè)計(jì)方法領(lǐng)域做出更出色工作。圖源：科學(xué)探索獎(jiǎng)。
年輕人，是科學(xué)創(chuàng)新的主力。在科學(xué)投入越來越受重視的今天，中國的科學(xué)家們中，尤其是年輕一代里，有許多在自己領(lǐng)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(shí)分子》攜科學(xué)探索獎(jiǎng)設(shè)立 “探索者” 專欄，為讀者速寫一群青年科學(xué)家的畫像，介紹他們所代表的科技前沿。這些青年學(xué)者們都不到45歲，但已在各自的領(lǐng)域內(nèi)做出了重要貢獻(xiàn)。
謹(jǐn)以此系列文章記下他們拓展人類認(rèn)知邊界的努力，和對于科學(xué)、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(shí)現(xiàn)最佳的功能，留下的痕跡越少越好。
撰文｜王一葦
責(zé)編｜陳曉雪
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說起橋，樊健生臉上的表情生動(dòng)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(xué)土木工程系博士畢業(yè)，留校任教。他接到一個(gè)小項(xiàng)目，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)是件棘手的事。北京從2000年開始實(shí)施的《北京市無障礙設(shè)施建設(shè)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(shè)無障礙設(shè)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(jī)動(dòng)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(tái)，單側(cè)大概需要27米的梯道。這座橋在人民大學(xué)西門附近，橋下有一間超市，梯道太長則會(huì)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?！暗潜×艘院?，又不能讓人在上面走起來晃晃蕩蕩的，也不能不計(jì)成本地耗費(fèi)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(shè)計(jì)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?！?/span> 從事結(jié)構(gòu)工程研究多年，樊健生感慨，看著實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)功能”
在中國大陸，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高潮始于2000年前后。
樊健生記得，90年代他在大學(xué)讀書時(shí)，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(jì)便宜” 的代名詞。但即便那時(shí)，在土木工程領(lǐng)域，很多人已經(jīng)覺得這是一個(gè)夕陽產(chǎn)業(yè)?！坝行┤吮容^悲觀，講土木的東西，從牛頓力學(xué)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(shí)，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(jì)中期一位法國園丁發(fā)明，經(jīng)過200多年的發(fā)展已相當(dāng)成熟。
但樊健生并不這么認(rèn)為。“產(chǎn)業(yè)界有時(shí)候只看到眼前的需求，但是從科學(xué)研究或者探索的角度，要有更強(qiáng)的前瞻性?！?/span>
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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求會(huì)催生如此之多的超級(jí)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)給了土木工程專業(yè)前所未有的實(shí)踐機(jī)會(huì)，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(jià)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(diǎn)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(gè)概念。
鋼筋混凝土是全世界應(yīng)用最廣泛的建筑材料。混凝土抗壓，鋼筋抗拉，兩者相互配合，就可以同時(shí)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(shè)計(jì)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(yīng)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(fù)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(shí)候變形程度盡量小。
“每一種材料都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，” 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(biāo)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(huì)消耗自然資源，”他說，“用最少的材料實(shí)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(xué)時(shí)期的導(dǎo)師聶建國等人共同完成的一個(gè)科研項(xiàng)目，獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。這項(xiàng)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(shí)踐，中國組合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究水平后來居上，位于世界前列?！皣鈱＜襾戆菰L，對這樣的工程發(fā)展機(jī)遇和科技進(jìn)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(dòng)輒要花費(fèi)數(shù)百萬元，但在土木工程師的眼中，這只是一個(gè) “小項(xiàng)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(jī)場這樣的超級(jí)工程。
土木工程的設(shè)計(jì)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(shí)踐過的技術(shù)方案開展科研攻關(guān)，確保工程實(shí)施時(shí)萬無一失。
2015年開始參與的深中通道建設(shè)，是樊健生遇到的一個(gè) “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(shè)計(jì)為雙向八車道，預(yù)計(jì)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(gè)反應(yīng)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(shè)計(jì)寬度達(dá)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(huì)相應(yīng)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(gè)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(fù)擔(dān)。
“對于巨型工程，工期和費(fèi)用都是很關(guān)鍵的指標(biāo)，工期延長一年，它的費(fèi)用可能也就會(huì)上去很多?！?樊健生說。
樊健生所研究的方案，是一個(gè)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(qiáng)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(yùn)輸、安裝都更為方便。
除了增強(qiáng)承載力、減小體量，這個(gè)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(shí)間使用船塢制造，甚至可以先做好一個(gè)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(huì)快很多。
然而，這是一個(gè)此前國內(nèi)從來沒有實(shí)踐過的結(jié)構(gòu)形式，沒有前例可以參照，意味著風(fēng)險(xiǎn)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(dāng)于量變到質(zhì)變?！?/span>
樊健生以及科研團(tuán)隊(duì)需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說服心存疑慮的專家，并為設(shè)計(jì)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(xué)校園內(nèi)的一間建造于1998年的實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室面積達(dá)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(gè)不起眼的位置。
進(jìn)門之后，你感覺自己像是掉進(jìn)一個(gè)鋼筋混凝土的兔子洞。
實(shí)驗(yàn)室中央是一個(gè)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(xué)生們，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕吓郎吓老?，有的拿著?jì)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(jì)算。
清華大學(xué)土木工程系實(shí)驗(yàn)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(xué)生們對組合結(jié)構(gòu)沉管的受力性能進(jìn)行了系統(tǒng)測試，證實(shí)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(jiān)實(shí)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(dá)到所需的工程精度，是另一個(gè)建造難點(diǎn)。
樊健生說，兩個(gè)管節(jié)要放到水下連接到一起，最終成型尺寸需要達(dá)到毫米級(jí)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(shí)候會(huì)膨脹，結(jié)束之后還會(huì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)有165米長，如果每一米伸或縮0.3毫米，一個(gè)管節(jié)一下子長短就會(huì)變化幾個(gè)厘米?！斑@個(gè)地方多幾厘米，那個(gè)地方少幾厘米，就很難控制了?！?/span>
利用之前項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，樊健生在現(xiàn)場結(jié)構(gòu)上設(shè)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(shí)驗(yàn)室，用數(shù)值模型計(jì)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(xué)土木工程系的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場。王一葦/攝。
做土木，光考慮性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。工程是一門應(yīng)用學(xué)科，性價(jià)比也是重要因素。不計(jì)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(shí)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(jià)格，也要綜合考慮運(yùn)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(jià)格會(huì)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(shí)際上更為經(jīng)濟(jì)了。
除了建造成本，一個(gè)對工程負(fù)責(zé)的工程師更會(huì)將目光放長遠(yuǎn)，考慮到整個(gè)壽命周期內(nèi)的成本。
“要形成一種認(rèn)識(shí)，建設(shè)時(shí)花的錢稍微多一點(diǎn)，但長久以后如果不用維護(hù)，就可以省錢，” 樊健生說，“工程往往對建設(shè)投資很關(guān)注，錢不能多花。但如果從一個(gè)綜合角度來判斷，肯定要算好這個(gè)賬，建的時(shí)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(hù)費(fèi)用，到底哪一個(gè)合算？”
樊健生說，這也是他在報(bào)告和講座中不斷推廣的理念?！奥拇蠹疫€是都認(rèn)可了這一點(diǎn)。”
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(huì)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(chǔ)建設(shè)進(jìn)程的風(fēng)向標(biāo)。
“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(shè)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(jì)指標(biāo)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(diǎn)是綜合性的指標(biāo)。”以前，房子安全蓋完就好，但現(xiàn)在會(huì)要求蓋得好看、耐久，還要免維護(hù)。
“整個(gè)社會(huì)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(jìn)一步提高整體的品質(zhì)，滿足多方面需求?！狈∩f。
社會(huì)狀態(tài)的改變也帶來新的挑戰(zhàn)。隨著各行各業(yè)勞動(dòng)用工需求的增加，建設(shè)行業(yè)的勞動(dòng)力開始相對短缺，對減少工時(shí)、提高工效的要求也越來越高；同時(shí)，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(fù)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(shè)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(shí)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(yù)制，省去了現(xiàn)場搭腳手架的大量時(shí)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(xué)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(rèn)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(yīng)需求而生，也會(huì)占據(jù)一部分市場?！敖ㄖ袠I(yè)沒有排他性，需求是千變?nèi)f化的，不是某一個(gè)技術(shù)一定會(huì)獨(dú)占市場。”
進(jìn)入土木工程行業(yè)學(xué)習(xí)、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(xué)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(jìn)，因?yàn)橥罅艘院缶鸵Ｊ?，反而小工程可以有更多?chuàng)新性?！?/span>
開車經(jīng)過萬泉河路的時(shí)候，他常常會(huì)抬頭看看那座攘來熙往的天橋。
“我上學(xué)的時(shí)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(gè)行業(yè)它會(huì)永遠(yuǎn)存在，而且規(guī)模永遠(yuǎn)還是要擴(kuò)大。”他說，“還有很多需求沒有激發(fā)出來，很多問題仍待解決。” 
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
