中国学科发展战略·土木工程与工程力学

第一章 绪　　论

土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。它既指工程建设的对象，即建造在地上、地下、水中的各种工程设施，也指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、管理、养护和维修等专业技术（叶列平，2006；项海帆等，2007）。工程力学是土木工程的一个支撑学科。“土木工程与工程力学学科发展战略研究”项目的重点是土木工程和工程力学的交叉领域。这一领域的研究成果和技术进步直接服务于我国重大基础设施建设和安全高效运营。改革开放以来及今后相当长的一个时期，我国经济建设处于高速及中高速发展阶段，大规模基础设施建设已经并将在相当长的时间内持续地蓬勃发展。重大基础设施的建设对于发展国家经济、开发中西部地区、增强国家综合实力意义重大。我国已经拥有世界上最快的高速铁路，最高的拱坝、面板坝和碾压混凝土坝，地震区最高的建筑，最长的跨海大桥，最深埋的隧道，规模最大的水利枢纽和调水工程。这些大规模基础设施的建设与安全服役对于提高我国综合实力、改善民生、发展经济和全面建成小康社会具有非常重要的战略意义。

“十三五”时期是“确保到 2020 年实现全面建成小康社会宏伟目标”的关键时期。在此期间需要建设一大批高层建筑与大型公共建筑、能源资源基础设施、交通基础设施等城市基础设施。近 30 年我国建设的一大批重大工程，其长期安全服役的可靠性与耐久性是今后一段时期工程领域面临的突出问题。而且，在加速全面建成小康社会的进程中，不断提高新建重大工程的建设质量和工程安全，确保已建重大工程的安全服役，是我国国民经济发展进入“新常态”背景下必须重点关注的领域。

在经济发展的推动下，我国全社会的年科技投入已经超过 1 万亿元，我国的科学技术水平也进入快速提升的时期。2015 年，我国土木工程与工程力学学科领域的学者发表的科技论文数量已经跃居世界第二，且在一些领域表现出赶超世界先进水平的势头。此外，我国的基础设施建设也已经进入量变到质变的发展阶段，大量超高、超长、超深、超大工程的设计建造、监测运营，对土木工程科学和技术的要求不断提高。突出的学科内在驱动力与迫切的现实需求，使得我国土木工程与工程力学学科正处于难得的发展机遇期。

“土木工程与工程力学学科发展战略研究”项目着重面向我国国民经济建设的重大需求，以及信息化、智能化和可持续发展的时代特点，以我国基础设施工程建设的实践和发展需求来探讨土木工程与工程力学学科发展面临的挑战与机遇。本章概述土木工程与工程力学学科的科学意义与战略价值、发展规律和特点、发展现状和趋势、重点发展方向、资助机制与政策建议五个方面。

第一节？土木工程与工程力学学科科学意义与战略价值

土木工程是人类文明的基础。联合国教育、科学及文化组织在 2010 年发布的报告《工程：发展中的问题、机遇和挑战》（UNESCO，2010）中指出，基础设施建设对于人类社会发展，包括对于当今世界面临的共同问题，如战胜贫困、应对气候变化的挑战和实现可持续发展，具有非常重要的意义。土木工程对国民经济和社会的发展，对人类社会摆脱贫困、战胜自然灾害，以及推动社会文明进步起着重要的支撑作用，是我们国家的重要支柱产业，对城镇现代化建设、社会可持续发展、国民生产总值及就业率增长都有巨大贡献（工程技术发展研究综合专题组，2004）。随着信息、材料、能源领域高新技术的发展，土木工程也不断面临新的挑战和发展机遇，在为这些领域的发展提供支撑的同时，也推动着这些领域的发展。

1. 土木工程与工程力学学科为国家经济社会发展与国防安全提供保障我国正在努力实现全面建成小康社会的战略目标，在这一特定的历史发展阶段，大规模的重大基础设施建设是一个时代特征，也是国家实现现代化的一个重要基础。我国基础设施建设的投资规模、工程规模和难度是世界上绝无仅有的，其中的一些重大基础设施工程如图 1-1 所示。2000 ～ 2009 年，我国基础设施建设投资平均每年达到 97 320 亿元，已经接近世界上其他所有国家基础设施建设投资的总和，占我国国民生产总值的 46%（973 计划工程科学领域战略研究工作组，2015）。以 2005 年不变价计算，至 2013 年中国已有基础设施资本存量达到 25 万亿元，国际排名仅次于美国和日本，居第三位。中国共产党第十八次全国代表大会以来，国民经济发展进入以高效率、低成本、优结构、中高速、可持续为特征的“新常态”，基础设施建设受到高度重视，仅在 2014 年第四季度，国家发展和改革委员会在铁路公路和民用机场建设等基建领域批复了 27 个项目，总投资达 11 651 亿元。因此，土木工程对我国经济社会发展和国防安全起着重要的支撑作用，并为其提供可靠有力的保障。

我国在大规模城镇化进程、经济发展和结构调整中，将建设数量更多、规模更大的重大工程。世界上高度最高、覆盖面最大、跨度最长或地下最深的工程结构等都有可能在我国出现。与此同时，我国又是全球重大自然灾害频发的地区，重大工程在全寿命周期内还面临突发事件和其他威胁引起的风险和不确定性。重大工程结构在不确定的超设防烈度的特大地震作用下，工程结构的极限抗震能力无法满足强烈地震作用施加的过大抗震需求。而且随着知识的积累、技术的进步、人类活动范围的拓展及使用需求的提高，要求工程结构必须具备更高的综合性能，以抵御自然灾害作用下工程结构的灾难性破坏，减缓乃至消除长期自然环境侵蚀下工程结构的性能退化，保证工程结构的预期服役性能。另外，我国重大工程在设计理论（如性能设计和设防烈度的研究）、CAD（计算机辅助设计）及 CAE（计算机辅助工程）等大型设计软件（基本被国外垄断）、高性能工程材料研发（如高标号高性能混凝土、高强钢材结构件短缺）、建造施工技术和水平（如制造施工不规范、现场作业多、工厂化作业少等造成材料、结构性能与工程质量存在较大不确定性）、结构抗灾能力和耐久性（如工程劣化与老化较快、服役寿命较短）等方面与国外先进水平差距较大。

在“十三五”乃至未来一段时期内，土木工程与工程力学学科将为国家发展建设和国防安全提供更为有力的科技支撑和保障，着力解决关系国家全局和长远发展的基础性、战略性、前瞻性的重大工程科技问题，致力于重点突破事关国计民生的前沿科学问题，突破提高人民生活质量、破解资源环境制约的重大公益性科技问题，突破增强国际竞争力、维护国家安全和社会稳定的战略高技术问题。可见，土木工程科学是国家发展战略道路上的重大需求和必然选择。

2. 土木工程与工程力学学科是重要的工程学科

土木建筑是人类赖以生存的最基本设施，因此，在人类科学与工程发展的历史进程中，土木工程及相关的工程力学是工程科学中最早受到关注的领域。土木工程与工程力学学科是重要的工程学科，是人类科学知识宝库的重要组成部分，是促进人类文明和进步的重要手段，得到了世界各国的高度重视。今天，该学科在支撑工业体系、高新技术和国家安全等方面具有不可替代性，在国家总体学科布局中具有独特的重要地位。

我国大规模工程建设的投资在国民生产总值中占有很大的比例，并接近世界总量的一半。一大批世界级重大工程的成功建设，如 500 米级超高层建筑、超 200 米跨度大型空间结构、超千米级跨度桥梁、300 米级高坝和三峡水利工程，已使我国成为世界工程建设中心。以土木工程与工程力学为科技支撑的这些大型建设工程，高度体现了我国科学和技术的发展水平，对加速我国现代化建设的进程起着极为重要的作用，成为我国经济和社会可持续健康发展的重要标志，也是我国工程科学为国家经济建设和社会发展服务的一个十分重要的方面。我国大规模的工程建设背景、大范围的灾害分布特点，为土木工程与工程力学学科提供了重大的基础研究需求和发展机遇。提高重大工程结构及其系统的设计水平和建设质量，保障各种突发灾害下的安全性与可靠性，防止重大灾变，确保其长期安全运行，有着重大的经济与社会效益和政治意义，是该学科的重要任务，也给相关工程科学的发展不断地提出新的挑战。在国家重大需求的推动下，我国土木工程与工程力学科学研究水平提升步伐加快，若干领域已经出现国际领先的成果，为我国诸多工程学科赶超世界水平做出了重要贡献。

3. 土木工程与工程力学学科促进其他学科和技术发展

土木工程与工程力学学科的基本发展目标可以概括为：在现代城市可持续发展、高性能结构工程与工程防灾减灾等方向上，对带有共性、前瞻性的基础科学问题展开一系列研究，促进和带动土木工程及相关重点学科的发展，取得一批具有原创性的、可以自立于国际学术舞台的创新成果，从而使我国重大工程防灾减灾、全寿命性能设计等的理论与技术整体上步入国际先进行列，并服务于我国国民经济建设。

为了实现这一目标，一方面，土木工程与工程力学学科需要充分借鉴和利用计算机科学、信息科学、材料科学等学科的最新成就，改造和拓展其学科内涵，完善和发展其研究方法和工具，推动和实现传统学科的高新化和信息化。另一方面，土木工程与工程力学学科通过与其他学科的交叉与自然融合，不断扩展其创新的研究领域，为数学、地球物理学、计算科学与技术、信息科学与技术等提供全新的研究需求和方向，构建创新的平台和基地，从而促进这些学科的纵深发展。

4. 土木工程与工程力学学科在国家工程科学总体布局中具有战略地位

在我国工程科学的总体格局中，土木工程与工程力学学科居于不可或缺的战略地位。在世界各国的工程教育体系中，工程力学的教育几乎是所有工程教育最重要的基础教育之一，土木工程和机械工程等学科则是工科高等院校中规模最大的学科。在过去 30 年间，我国基本建设投资占国民生产总值的比例平均达 30% ～ 35%。2014 年，我国城市化率已经达到 54.7%，正处在快速迈向现代化的关键历史时期（国家统计局，2015）。迅速扩展着的现代化城市，令人目不暇接的高层建筑、大跨桥梁、各类现代化的土木工程基础设施系统，既反映着我国社会的进步水平，也承载着现代社会可持续发展的希望。与此同时，我们必须十分清醒地认识到：在社会、经济迅速发展的同时，我国城市发展的瓶颈问题日益凸显，环境污染形势依然严峻。在自然灾害对工程结构与工程系统造成触目惊心的破坏的同时，人类社会不适当的工程活动也会严重破坏自然环境。土木工程与工程力学学科研究的基本任务在于创新工程结构形式，阐明各类工程结构与工程系统在环境与灾害作用下性能退化直至破坏的机理，为建造节约能源、节约资源、安全可靠的高性能结构系统提供科学基础。

5. 土木工程与工程力学学科对实施《国家中长期科学和技术发展规划纲

要（2006—2020 年）》等的支撑作用《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》指出，科学技术日益成为经济社会发展的主要驱动力，必须从国家发展全局的高度，集中力量推进科技创新，必须把创新驱动发展作为面向未来的一项重大战略。我们国家的发展进入了新的历史时期，要实现以创新发展、协调发展、绿色发展、开放发展、共享发展为主题，以加快转变经济发展方式为主线的既定目标，最根本是依靠科技力量，最关键是提高自主创新能力，推动我国经济社会发展尽快走上创新驱动的轨道。

土木建筑业是一个国家国民经济发展的支柱产业。从世界范围看，城市化进程的加速会带来对土木建筑业的旺盛需求。在全球气候变化、环境变迁和可持续发展的背景下，世界发达国家的工业发展已经基本转向低碳绿色和适度紧凑的发展模式，中国政府发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》和《中国 21 世纪议程》等也把可持续性作为最重要的社会发展理念。从土木建筑业发展的基本态势看，我国能否走上以科学、和谐、绿色发展为指导思想的新道路，能否基于科学技术进步实现工程设计建造理念和方法的革新，这些问题的顺利完满解决将直接影响到中国乃至世界的未来。土木工程与工程力学学科通过与其他学科的交叉与融合，扩展创新的研究领域，增强传统学科创新的原动力，加速提升学科的高新化程度，以适应社会和经济可持续发展的需求，并有力支撑着国家相关科技政策目标的实施。