"第四次工业革命对土木工程影响"之二

第四次工业革命是土木工程发展的新机遇

梅生启

北京交通大学土木学院博士生

“革命”一词在汉语词典里有着特殊的含义。一方面，革命推动事物发生根本变化，引起事物从旧质到新质的飞跃。另一方面，革命是指社会变革或政治变革。显然，在将“Industrial Revolution”翻译成“工业革命”的中文含义中既有表达每一次工业革命都在推动事物发生根本变革，也有说明由此所导致的整个社会发生深刻变革的意思。

工业革命对土木工程的发展产生了深远的影响。18 世纪下半叶开始的第一次工业革命期间，蒸汽机的使用推进了规模宏大的产业革命，为土木工程提供了性能优良的建筑材料及施工机具，促使土木工程以空前的速度向前迈进。近代工业生产出的工程材料─钢铁和水泥，使得土木工程发生了深刻的变化，钢结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构相继在土木工程中广泛应用。第二次工业革命发生在19世纪70年代-20世纪初，世界由“蒸汽时代”进入“电气时代”。土木工程的施工方法在这个时期也开始了机械化和电气化的进程。19 世纪 60 年代内燃机问世和 70 年代电机出现后，很快就创制出各种各样的起重运输、材料加工、现场施工用的专用机械和配套机械，使一些施工难度大的工程得以加速完工。1886 年德国制成内燃机驱动的汽车，1913年美国福特汽车公司生产流水线以后，汽车的使用促进了公路的空前发展和桥梁工程的快速进步。在航运方面,有了蒸汽机为动力的轮船，使航运事业不断发展，这就要求开凿通航轮船的运河，修筑港口工程。近代工业的发展，同样反映在建筑及基础设施方面。电力的应用，电梯等设备的出现，使高层建筑实用化成为可能；电气照明、给排水、供热通风、道路桥梁等基础设施与建筑结合配套，开启了生产水平和生活条件的新高度。科技的发展和工艺、机具水平的提高为土木工程的高速迅猛发展注入了强大的动力。

2016年夏季达沃斯论坛的主题为“第四次工业革命--转型的力量”，达沃斯论坛创始人克劳斯·施瓦布认为，第四次工业革命正以前所未有的态势向我们席卷而来，它发展速度之快、范围之广、程度之深丝毫不逊于前三次工业革命。它将数字技术、物理技术、生物技术等有机融合在一起迸发出强大的力量影响着我们的经济和社会。第四次工业革命不再局限于某一特定领域，而是整个系统的创新。作为一场人工智能、物联网技术、大数据与云计算、3D打印技术等带来的信息化和智能化的全新革命，这些信息和智能化技术在土木工程中的融合与应用，必将对土木工程行业的行为方式产生深远的影响:

（1）工程勘察信息化。随着勘测科技的发展，信息化逐步贯穿各个环节, 在勘测中运用的各类先进勘测技术主要有航空摄影测量、数字地形模型( DTM )、全球定位系统（GPS）技术和地理信息系统（GIS）技术等。这些新型测量技术的诞生和应用，将成为工程师跨越崇山峻岭的千里眼，对土木工程勘察乃至基础设施的建设具有重要的意义和影响。

（2）工程设计信息化。从标准化生产到私人定制，这在土木工程的建设中将不再是一个矛盾，原材料和构件的生产过程实现工业化生产，而装配式施工、3D打印技术等的应用又可以满足个性化的需求。与此同时，结合互联网+土木工程仿真，可以实现结构的快速计算、分析和设计。设计将变成一个可以随时与用户以及各参与方互动的新过程。

（3）工程施工信息化。在施工过程中所涉及的各部分广泛应用“BIM”BIM等计算机信息技术，对工期进度、机械材料、人员调配等信息进行网络收集和存储，并进行共享式交流，将极大地提高工程设计施工的效率。与此同时，结合建筑工业化和新型城镇化建设的浪潮，信息化在施工领域的应用将有更为广阔的天地。

（4）建筑运营智能化。在建筑中使用“互联网+”系统进行实时控制，并通过设定自动化或人为设置干预来保证设备运行的安全与节能环保，在办公场所配备办公自动化设备，快速通信设备，以及运营自动管理和控制设备等将大大减少工作人员，改变了人们的工作方式。

（5）交通出行智能化。如果说工业革命曾经导致了交通领域行业的快速发展，使城市存在城市拥堵的诟病，那么第四次工业革命所带来的交通管理系统，交通信息服务系统，车辆控制与调度系统，公共交通系统等将是一场全新的技术革命，不仅改变了人们交通出行的习惯，也将为缓解交通拥堵带来新的希望。

不得不说的是，在土木工程建设与使用过程中，大量的能源消耗、资源开采对环境造成了日益严重的破坏，如何实现土木工程的可持续发展是目前所面临和亟需解决的难题。能源方面，2015 年中国的终端总能耗飙升至 42.6 亿吨标煤，温室气体排放约 86 亿吨，分别占世界能源总消耗和温室气体排放的 12.4%和25%。美国著名经济学家杰里米-里夫金在其畅销书《第三次工业革命》中讲到，“第一次工业革命造就了密集的城市核心区和拔地而起的工厂，第二次工业革命催生了城郊大片房地产业以及工业区的繁荣；第三次工业革命将会把每一栋揍房转变成住房和徽型发电厂”。他认为今后的新型建筑将可能变成一个能源的收集体和采集体，按照欧盟的测算，世界上40％现有建筑物的屋顶装上太阳能电池可以满足全世界所有能源的需求。建筑材料将成为能源收集体，墙面也可以采集光能，通过光电转换、光热转换，每一个建筑物的建筑体上都成为一种新型的能源收集体。

在自然资源消耗方面，2013 年中国的砂石骨料用量达到 130 亿吨，2014 年骨料用量达 150 亿吨。日本东京大学山本良一研究组提出了具有“先进性+环境协调性+舒适性”特征的生态建材概念。其中包括对固体废弃物进行再利用和制作新材料，如利用煤研石、矿渣等制作砌块，利用粉煤灰、城市垃圾焚烧灰渣、工业废渣等为原料制作水泥，采用化学石膏代替天然石膏等。另外，研发混凝土和钢材等主要建筑材料的新类型也在不断探索与试验中，如高强度钢材、FRP筋、采用工业废水废渣制作的绿色高性能混凝土、再生混凝土等。在建筑材料方面，中国传统建筑中曾采用的竹、木材等未来有可能发挥出得天独厚的优势。竹子生产周期较快，产量高，由于原始竹材料本身的品质和尺寸的差异性，曾经主要作现代建筑脚手架在中国应用。现代竹结构以材料重新加工形成的胶合竹材来提高其性能和防腐蚀，并可进行装配式建造，有研究表明竹材的生产能耗仅占混凝土的 1 /8，占钢材的 1 /50。木结构在中国的应用由来已久，中国古代的木结构建筑甚至历经千年保存到现在。随着科技的进步，在对木材的防腐、防虫、防火措施日臻完善的条件下，未来木结构将可以更好发挥木材自重轻、制作方便、环保节能等诸多优点。

施瓦布在其著作《第四次工业革命－转型的力量》中表示，目前几乎所有行业，科技为产品和服务的结合创造了全新的颠覆性方式，并在此过程中破除了行业之间的传统界限。第四次工业革命为土木工程的发展带来了新的机遇，但如何实现土木工程的发展从“更高、更大、更长”到“可持续发展”的转变呢，相信这不只是中国人的难题，更是全世界的共同期待。