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學術前沿 | 陳湘生院士:智能賦能,引領土木工程創(chuàng)新發(fā)展與城市建設變革

發(fā)布日期:2024-12-17     來源:     閱讀: 897


前言


在全球城市化快速發(fā)展的背景下,城市基礎設施的韌性和智能化成為關鍵議題。中國工程院院士陳湘生,以其在地下工程領域的卓越貢獻,引領著智能建造和城市韌性研究的前沿。本文概述了陳湘生院士在推動城市基礎設施向綠色、智能、韌性轉型方面的理論和實踐,展示了其在地鐵工程、氣候變化適應性以及智能感知技術應用等方面的創(chuàng)新成果,為城市可持續(xù)發(fā)展提供了堅實的科技支撐。





·院士簡介·





陳湘生,中國工程院院士,俄羅斯工程院外籍院士,人工凍土力學、隧道與地下工程、特殊巖土工程、建井工程專家。深圳大學土木與交通工程學院院長、深圳大學未來地下城市研究院院長。先后主持或主參完成60多項各類科研項目、主持完成總造價人民幣1650億60余項重大工程項目;獲國家科技進步獎3項、省部級和一級學會獎12項、4項詹天佑工程獎、出版8部專著或主編科技書籍、100余篇期刊或會議論文。近年來,倡導智能巖土工程、智能地下工程、韌性城市概念與范式、地下永續(xù)結構體系理論和算法、智能城市軌道交通。





·科研成果·





地鐵地下車站雙洞密貼頂管建造技術研發(fā)及應用





陳湘生院士領銜的“地鐵地下車站雙洞密貼頂管建造技術研發(fā)及應用”入選深圳大學2023年十大科技進展!


地鐵地下車站常用明挖法現澆施工,要占用城市道路并開挖大量土方,工期長、碳排放高且環(huán)境影響大。在廣東省重點領域研發(fā)計劃資助下,陳湘生院士帶領團隊研發(fā)了地鐵地下車站雙洞密貼頂管機械化建造新技術:

(1)首創(chuàng)雙洞密貼頂管車站結構建造方案,建立基于施工過程力系動態(tài)平衡的結構設計理論和方法,提出新型槽鋼-螺栓-凹凸榫高性能接頭和雙洞密貼頂管車站結構力系轉換技術;

(2)研發(fā)了世界上最大斷面(11.295m×13.550 m)矩形頂管機和機械化暗挖施工配套裝備,攻克了超大管節(jié)井內高精度拼裝、頂管下穿施工地層和箱涵變形控制、密貼頂進頂管隧道線型控制等系列卡脖子技術難題;

(3)建立了雙洞密貼頂管法地鐵車站施工風險和減碳效益評估體系,開發(fā)了融合多源感知和數字孿生技術的車站施工智能化控制平臺,實現了頂管施工風險智能識別、預警和頂進參數智能決策,形成了繁華城區(qū)地鐵暗挖車站全生命周期智能監(jiān)控體系。


項目獲授權發(fā)明專利12件,申請省市級工法3項,發(fā)表論文41篇。研究成果解決了城區(qū)地鐵地下車站明挖現澆施工環(huán)境影響大的難題,并成功應用于深圳地鐵12號線沙三站,實現了我國在該領域從裝備到施工技術體系的重大創(chuàng)新,推動了地鐵車站建造技術的變革。



△世界最大斷面矩形頂管機



△密貼頂管貫通





·院士觀點·




1



從智能巖土工程探索到數智土木工程的思考




2023年12月21日-22日,世界城市日系列活動——第十屆國際地下空間開發(fā)大會(IFUS 2023)在上海成功召開。大會主席、中國工程院院士陳湘生做了題為《從智能巖土工程探索到數智土木工程的思考》的大會報告,指出科學技術是土木工程無止境的前沿,要用新時代的信息技術賦能土木工程。


陳湘生院士的報告以人類起源時期的土木工程建設為起點,指出華夏文化對土木工程最大的貢獻就是秦磚漢瓦,這也是大土木工程發(fā)展的第一次飛躍。到了19世紀,鋼材出現之后,為了適應鋼結構發(fā)展,新的設計理論和施工理論應運而生,土木工程從經驗上升為科學,完成了第二次飛躍。很快,水泥出現、混凝土問世,自二十世紀初,鋼筋混凝土廣泛應用于土木工程,土木工程進入了鋼筋混凝土和預應力混凝土占統(tǒng)治地位的歷史時期?;炷两o建筑帶來了經濟、美觀的工程結構,使土木工程產生了新的施工技術和工程結構設計理論,這是土木工程的又一次飛躍發(fā)展。


陳湘生院士指出,土木工程學科之前的三次飛躍都是建立在材料創(chuàng)新更迭的基礎上,而這一次,是數字化人工智能,尤其是物聯網、區(qū)塊鏈等相關學科技術跨界賦能,解決傳統(tǒng)巖土工程理論不能解決的問題,使土木工程發(fā)生質的飛躍,形成有血有肉有感知有預警有免疫的新一代土木工程——數智土木工程。第四次飛躍之后的數智土木工程將會基于人工智能及大數據技術對地下結構巖土材料進行智能診斷和自修復,并且具備以下四個能力:抵抗外界刺激和自我恢復能力、大范圍實時全域自感知能力、“類人腦”的判斷、決策、執(zhí)行和不斷進化能力、快速報警、響應和抵御災害的能力。具備這四項能力之后,土木工程或許能實現一種類人的建筑結構,完成新的變革。


土木工程學科發(fā)展至今,始終與人類命運協(xié)同,以科學技術作為前沿指引,陳院士稱,自己和團隊的研究成果只是拋磚引玉,陳湘生院士在報告中給出了“數智土木工程”這一新名詞可能包含的概念:以土木工程信息為基礎;以數字技術、智能技術為表征;以智能感知技術和萬物互聯為紐帶;在時-空-體中將勘測、規(guī)劃、設計、施工、保養(yǎng)、維修、運維與材料-結構-建筑智能融合,施工的人-機-料-法-環(huán)虛實協(xié)同尋優(yōu)、從多人到少人到機械化進而自動化、實現各類建造物體韌性安全并具備智能智慧能力。

來源:城市地下空間



2



地鐵地下車站雙洞密貼頂管機建造技術






2024年6月28日,第八屆(2024)世界交通運輸大會主題論壇——“隧道與地下工程智能低碳建造技術論壇”成功舉辦。陳湘生院士的報告題目為《地鐵地下車站雙洞密貼頂管機建造技術》。陳湘生院士首先介紹了廣東深圳地鐵12號線沙三站的工程概況。該車站下穿四車道公路及雨水箱涵,采用了矩形頂管機進行施工,是國內外首例雙洞密貼頂管法裝配式地鐵車站。


陳湘生院士結合沙三站建設項目,重點介紹了超大頂管技術建造地鐵車站的多項關鍵技術,包括超大斷面組合式矩形頂管機設備研發(fā)、自動注漿防背土技術、頂管施工地層沉降及擾動控制技術、超大矩形頂管密貼施工姿態(tài)控制技術、頂管施工智能化控制平臺、超大裝配式矩形頂管管節(jié)分塊及拼接技術、超大裝配式管節(jié)井下拼裝技術、雙洞密貼頂管法車站結構豎向和橫向力系轉換技術。


陳湘生院士總結了超大頂管技術建造地鐵車站節(jié)點力系性能、節(jié)點模型、結構設計方法、減碳效益方面的創(chuàng)新成果,還介紹了裝配式地下車站韌性、智能、低碳三方面的研究進展。


廣東深圳地鐵12號線沙三站項目的建設經驗和已有的地下空間裝配式結構建造技術,為下穿高速交通基礎設施或其他敏感建(構)筑物提供了安全、高效、綠色、快捷的機械化施工新技術,也為填海造城的地下空間建設提供了新路徑。

來源:世界交通運輸大會



3



中國內地基礎設施建設發(fā)展現狀與趨勢





2023年9月16日,由住房城鄉(xiāng)建設部、廣西壯族自治區(qū)人民政府主辦的第二屆中國—東盟建筑業(yè)合作與發(fā)展論壇召開。陳湘生院士以《中國內地基礎設施建設發(fā)展現狀與趨勢》為題發(fā)表演講,介紹中國內地基礎設施發(fā)展、踐行生態(tài)文明理念和“一帶一路”建設成就,探討基礎設施行業(yè)發(fā)展趨勢。


陳湘生院士指出,隨著“雙碳”戰(zhàn)略深入實施、生態(tài)環(huán)保要求不斷提高,中國內地基礎設施建設開始“由量到質”轉變,從大規(guī)模建設走向綠色、減碳、韌性建設,引領著世界能源利用發(fā)展模式轉變。


陳湘生院士介紹,中國內地城市地下空間領域已形成以三個城市群為重點的“三中心三軸線”格局。截至2022年年底,已建成27億平方米的城市地下空間。在軌道交通建設方面,截至今年上半年,中國內地累計有57個城市投運城軌交通線長度超過10566公里,城市軌道交通線路超過300條,車站超過5630座。在隧道建設方面,截至2022年年底,中國內地已建成公路隧道約27000公里、鐵路隧道約22000公里(高鐵隧道約7000公里、普鐵隧道約15000公里)、城市軌道交通隧道8012.85公里;累計建成道路隧道27000公里、鐵路隧道22000公里,其中高鐵隧道7000公里。在高速公路建設方面,截至2022年年底,中國內地已建成高鐵車站581座,通車里程42000公里;國家高速公路已建成17.7萬公里,已建成535萬公里公路,為世界最長。在高層建筑方面,中國內地有2371幢150米以上高層建筑,居世界前列。在機場建設方面,截至2022年年底,中國內地已有254個頒證運輸機場。


陳湘生院士認為,建設生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計?;A設施建設行業(yè)要秉承人與自然和諧共生、綠色轉型、高質量發(fā)展、生物多樣性保護理念,沿著碳達峰、碳中和的路徑發(fā)展。截至2022年年底,我國濕地面積達到5635萬公頃,居世界第四位;建成世界最大清潔發(fā)電體系,水電、風電、光伏等全口徑非化石能源發(fā)電裝機容量突破11億千瓦,相當于50個三峽電站的裝機容量;非化石能源消費比重增加到16.6%左右;我國新能源汽車累計超過1100萬輛,今年一季度出口歐洲首次超過其他任何國家,成為全球最大電動汽車出口國。2020年中國碳排放強度比2015年下降18.8%,比2005年下降48.4%,累計少排放二氧化碳約58億噸,基本扭轉了二氧化碳排放快速增長的局面。


陳湘生院士表示,深入推進“一帶一路”倡議,中國企業(yè)已在57個國家實現非金融直接投資1410億元,其中東盟國家是重點投資地區(qū)。陳湘生院士強調,中國內地基礎設施建設正在從大規(guī)建設走向綠色、減碳、韌性建設,尤其是綠色和近零碳排放能源利用方面,正在引領世界能源利用發(fā)展模式的轉變,正在“一帶一路”基礎設施建設中廣泛應用,造福于所在國,為人類命運共同體作出中國的貢獻。


最后,陳湘生院士呼吁,未來的城市軌道交通采用數字孿生+物聯網+智能建造與運維的新材料、新工藝、新理念系統(tǒng)性的新技術,實現基礎設施的韌性提升,以此實現城市軌道交通的碳達峰、碳中和。

來源:軌道交通展暨產業(yè)發(fā)展論壇



4



智能技術驅動城市治理現代化




陳湘生院士認為,未來五年是全面建設社會主義現代化國家開局起步的關鍵時期,城市發(fā)展過程中的環(huán)境污染、管理復雜、能源短缺、人口增長和經濟轉型等問題依然嚴峻,傳統(tǒng)治理模式面臨新一輪挑戰(zhàn),提高城市治理體系和治理能力的現代化水平已經成為當務之急。


新時代新征程,城市治理內涵與理念迭代升級。報告重點強調,推進國家治理體系和治理能力現代化,到二〇三五年基本實現國家治理體系和治理能力現代化。亟需通過推進城市治理方式創(chuàng)新,解決城市發(fā)展中面臨的問題,提升政府服務價值,創(chuàng)造產業(yè)經濟價值,體現民生社會價值,實現“強政、興業(yè)、惠民”的發(fā)展目標,打造宜居、韌性、智慧的區(qū)域協(xié)調發(fā)展新格局。運用大數據、云計算、區(qū)塊鏈、人工智能等前沿技術推動城市治理手段、治理模式、治理理念創(chuàng)新,探索以更全面的感知、更高效的協(xié)同、更優(yōu)化的流程以及更精準的決策,系統(tǒng)化推進治理方式變革。


智能技術驅動城市治理現代化協(xié)同發(fā)展。 以萬物感知、萬物互聯、萬物智能推動城市治理方式智能化、治理模式協(xié)同化、治理內容預防化、治理決策精準化。


治理方式智能化。 加速解決信息基礎設施不完善,數據感知方式單一、數據獲取效率低、時效性差等問題,深度交叉人工智能、物聯網等新型感知技術,實現城市全域要素全面、透徹的感知,例如占道經營、水質監(jiān)測、管網監(jiān)測等場景,并應用大數據分析方法對各類感知數據和業(yè)務信息進行實時、智能分析,為城市治理提供有效的數據支撐。


治理模式協(xié)同化。 加速解決感知數據多源異構、標準不一、共享機制不健全等問題,建立統(tǒng)一標準、統(tǒng)一規(guī)范、高效互聯、交互計算的城市運行狀態(tài)實時數據服務,以城市生命線管理為例,通過地上、地表、地下一體化的規(guī)劃管理、公共服務數據融合,支撐城管、市政、交通、安防等多個系統(tǒng)協(xié)同治理,結合態(tài)勢感知、融合通信、一圖指揮、一鍵調度,構建全域協(xié)同的應急響應體系,實現城市運行場景化“一網統(tǒng)管”。


治理內容預防化。 傳統(tǒng)治理模式難以應對城市復雜多變的社會環(huán)境,需探索從被動救災減災向主動韌性提升、風險治理、協(xié)同應對的可持續(xù)方向轉變,提升治理內容的可預測性。應用物聯網、大數據、人工智能等技術,對城市進行全空間安全動態(tài)感知,并做出全天候即時反饋,從韌性基礎設施和韌性生態(tài)與水系(城的安全)、韌性社會(市的穩(wěn)定)和全域感知與智能化韌性系統(tǒng)(管的有效)三維體系的角度,打造韌性城市。


治理決策精準化。 加速解決業(yè)務系統(tǒng)相對獨立,兼容性差、互通性差、實用性差等問題,協(xié)調運營管理部門、專業(yè)單位、公眾等多方共同參與,建立協(xié)同、智慧、實用的城市治理智慧服務平臺。探索“類人建筑”模式,即通過數字孿生+物聯網+智能建造與運維的新材料、新工藝、新理念系統(tǒng)性的新技術,使城市治理具備超強的抵御外界風險和自我恢復能力(身軀),大范圍實時全域自感知能力(感知器官),“類人腦”的判斷、決策、執(zhí)行(神經系統(tǒng))和不斷進化能力以及快速報警、響應和抵御災害能力(免疫系統(tǒng)),實現城市治理的精準化。


“類人化”數字化架構為未來而生并將持續(xù)演進。智能技術驅動城市治理現代化,需要以“類人化”數字化架構,通過“五官四肢”整合空天地、室內室外的視頻終端、傳感器、用戶終端等各類感知設備,通過“神經系統(tǒng)”將互聯網、政務網、物聯網、視頻網等全部打通形成一張邏輯網,構建統(tǒng)一的“中樞系統(tǒng)”,應用云基礎設施、物聯網、人工智能、大數據等技術搭建城市治理智慧服務綜合平臺,統(tǒng)籌推進各協(xié)同業(yè)務場景智能化、智慧化,讓城市治理具備較好的“行動能力”。


為滿足城市精細化、現代化治理業(yè)務需求與萬物感知、萬物互聯、萬物智能的技術需求,下一代數字化架構將以“類人化”可持續(xù)發(fā)展,形成智能感知、智能聯接、智能中樞、智慧應用的智能體技術架構體系,將物理世界與數字世界進行深度融合。這是智能技術驅動的城市治理現代化理想的參考架構,也將成為數字化轉型的下一代參考架構。

來源:中交企協(xié)綠智交通分會





·示范項目·





深圳地鐵“超級樞紐”智能建造





深圳地鐵“兩線三樞紐”于2022年10月底前開通運營,標志著深圳市城市軌道交通建設將邁上新臺階。其中,崗廈北樞紐、黃木崗樞紐、大運樞紐的運營將有效緩解城市交通壓力,滿足人民群眾出行需求,推動區(qū)域經濟持續(xù)健康發(fā)展。自2020年4月起,陳湘生院士帶領下,研究團隊開展技術攻關,突破了繁華城市區(qū)復雜環(huán)境下超大樞紐建造面臨的一系列“卡脖子”難題,為三大樞紐順利開通運營提供了有力的技術支持與安全保障。



地下空間大直徑魚腹型V型柱永-臨結構體系轉換



黃木崗綜合交通樞紐工程是深圳既有地鐵7號線、14號線和24號線的三線換乘樞紐,為深圳軌道交通中部發(fā)展軸上的重要節(jié)點。地鐵樞紐24號線核心區(qū)首次在地下空間采用了魚腹型V型柱結構體系,型鋼柱共25組合計50根,單根最大長度約38.5m,重量約87t,傾角1.3°-13°。


樞紐基坑部分采用蓋挖逆作法施工,在V型柱形成受力體系前,各層板依靠臨時鋼管柱提供豎向支撐。在V型柱施工完成后,利用臨時柱頂伺服系統(tǒng)完成受力體系轉換,結構力系多次變換,存在較大安全風險。團隊通過三維精細化有限元分析確定臨時柱頂升閾值,采用“分布式光纖+MEMS傳感+機器視覺+自動化全站儀”的多源感知技術,系統(tǒng)建立了地下空間結構的“粗-疏-精-密”智能感知體系,通過算法對體系轉換風險進行實時研判,結合高精度液壓伺服系統(tǒng),實現了體系轉換過程中結構變形的毫米級控制。



“永-臨”結構體系轉換現場監(jiān)測與風險評估



空間桁架鋼結構體系吊裝施工



黃木崗綜合交通樞紐工程是深圳既有地鐵7號線、14號線和24號線的三線換乘樞紐,為深圳軌道交通中部發(fā)展軸上的重要節(jié)點。地鐵樞紐24號線核心大運樞紐是深圳東部唯一匯集地鐵、城際鐵路、公交于一體的大型綜合交通樞紐,未來將實現3、14、16號線和深大城際的四線換乘。大運樞紐占地面積約6萬㎡,規(guī)劃建筑面積約17.32萬㎡。頂棚采用以“灣區(qū)之舞”為主題造型,整體飄逸靈動,極具美感。


樞紐屋蓋采用空間桁架鋼結構體系受力復雜,加工和安裝精度要求高,建造施工挑戰(zhàn)性大?;诖罂缍蠕摻Y構頂棚設計和施工方案,團隊對結構體系及其它影響結構性能的關鍵參數進行優(yōu)化,并對施工過程中的防護裝備、起重設備、運輸設備及其支承結構的安全性進行分析,提升項目從設計到施工全過程的技術先進性、經濟性和安全性。



“灣區(qū)之舞”鋼結構頂棚



超大深基坑緊鄰運營地鐵車站施工變形控制


大運樞紐和黃木崗樞紐分別由深圳地鐵3號線大運站和深圳地鐵7號線黃木崗站擴建而成,樞紐新建基坑面積廣、深度大,與既有運營車站間距近,變形控制難度極大。陳院士團隊根據樞紐地層和周圍結構物特點,建立三維精細化模型,分析了緊鄰深大基坑施工過程中既有地上、地下車站結構和樁基的受力變形特征,提出了有針對性的變形控制措施。采用MEMS傳感器、自動化全站儀、視覺位移等技術,對基坑和既有車站變形進行智能感知;研發(fā)了變形預測預警平臺,采用5種人工智能算法嵌入平臺,對結構變形進行預測預警,保障了開挖全過程基坑和既有車站結構安全。


樞紐變形智能感知與深度學習預測預警系統(tǒng)


來源:深大未來地下城市研究院



(備注:本文素材來源于和網絡公開材料收集整理,侵刪)



編輯:朱禹諾

審核:李洪東