一、 高性能工程材料与高性能结构的协同设计

1. 核心内涵：
打破传统“材料研制”与“结构设计”相分离的模式，强调从分子/微观尺度上设计材料性能，使其与宏观结构体系的力学性能、耐久性能和功能性能需求实现一体化协同与优化。

2. 研究背景与挑战：
传统结构设计是在给定材料性能的前提下进行优化。高性能材料（如超高性能混凝土-UHPC、高韧性地聚物、纤维复材-FRP、形状记忆合金-SMA等）的出现，为结构创新带来了革命性机遇，但也带来了本构关系复杂、界面行为难以预测、设计理论滞后等挑战。

3. 可行研究内容与方案：

• 多尺度协同设计理论： 建立从微观（材料组成）、细观（纤维/骨料分布）到宏观（构件/结构）的本构模型和设计方法学。研究材料微结构与宏观力学性能（强度、韧性、疲劳）的定量关系。

• 性能化设计方法： 基于目标性能（如变形能力、损伤控制、自愈合能力）反推所需材料的关键性能参数，指导材料的定向研发与设计。

• 智能材料与结构一体化： 研究将传感、驱动功能（如SMA, 压电材料）直接植入建筑材料中，设计具有自感知、自调节、自修复能力的智能结构体系。

• 软件与平台开发： 开发集成材料数据库、多尺度模拟算法和性能化设计工具的协同设计平台。

二、 既有结构的维护与性能提升

1. 核心内涵：
针对我国规模巨大且日益老龄化的基础设施，研究其性能退化机理、精准诊断技术、高效加固修复方法及性能提升理论，保障其安全、耐久与长效服役。

2. 研究背景与挑战：
我国既有结构存量巨大，许多已进入“中老年期”，安全维护需求迫切。挑战在于损伤机理复杂、检测精度与效率不足、传统加固技术干扰大、耐久性提升困难，以及运维决策缺乏理论支撑。

3. 可行研究内容与方案：

• 智能检监测与数字孪生： 研究基于无人机、机器人、分布式光纤传感、计算机视觉等的无损检测与长期监测技术。建立融合物理模型与监测数据的结构数字孪生体，实现状态实时评估与预测性维护。

• 高效加固与功能提升技术： 研发新型高性能复合材料（FRP, TRC等）加固技术、自预应力加固技术、可逆式连接技术等。研究在加固的同时提升结构抗震、抗爆等极端性能的方法。

• 耐久性修复与提升： 研究钢筋混凝土的电化学修复、微生物自修复、表面高性能防护涂层等技术，从根本上延缓性能退化。

• 全寿命周期运维决策理论： 基于可靠度理论和风险评价，建立考虑经济、社会、环境效益的多目标优化决策模型，指导维护策略的制定。

三、 复杂环境下土工构筑物和基础工程的稳定机制及控制

1. 核心内涵：
研究极端荷载（地震、波浪、冲击）、复杂地质（软弱土、膨胀土、冻土）及多场耦合（渗流-应力-化学-温度）条件下，重大土工构筑物（高边坡、深基坑、长大堤坝、海上风机基础）的失稳机理和发展智能化控制技术。

2. 研究背景与挑战：
“交通强国”、“海洋强国”等战略推动工程建设走向地质环境更复杂、规模更大的领域。传统土力学理论面临极端条件和多场耦合效应的挑战，失稳过程具有强非线性和不确定性。

3. 可行研究内容与方案：

• 多场耦合本构模型与仿真： 发展能够描述土体在复杂应力路径、渗流、化学侵蚀和冻融循环耦合作用下力学行为的本构模型和高保真数值仿真方法。

• 灾变机理与动态稳定分析： 研究地震、波浪等动力荷载作用下土体液化、渐进破坏和整体失稳的全过程机理。发展基于机器学习的失稳风险实时动态评估方法。

• 智能化调控与韧性提升技术： 研发基于物联网的智能感知-分析-决策-执行系统。研究自适应基础、土壤微生物改性、根系仿生加固等新型绿色智能调控技术。

• 远程监控与预警平台： 构建基于北斗、InSAR、传感网络的大型工程稳定性远程监控与早期预警平台。

四、 土木工程全生命周期设计理论和方法

1. 核心内涵：
将设计视角从传统的“建造期”拓展到规划、设计、建造、运维直至拆除回收的“全生命周期”，统筹考虑结构安全、环境影响、经济成本和社会效益的最优化。

2. 研究背景与挑战：
可持续发展要求土木工程最大限度地节约资源、降低环境影响。挑战在于全生命周期数据和信息的集成与共享、多目标（安全、碳排、成本）的权衡与优化、以及长效性能的预测。

3. 可行研究内容与方案：

• BIM与数字孪生深度应用： 研究基于BIM-5D/6D（加入成本、能耗信息）的设计方法。发展设计-运维一体化的数字孪生技术，实现虚拟设计与实体运维的实时交互。

• 生命周期评价（LCA）与成本分析（LCCA）： 建立符合中国国情的土木工程材料与构件的LCA数据库和评价标准。将LCA和LCCA深度融入设计方案比选和优化流程。

• 性能化与韧性设计： 制定面向全生命周期的性能化设计目标和指标体系，特别是考虑气候变化和未来使用功能变更的适应性设计。

• 拆解与循环利用设计（Design for Deconstruction, DfD）： 研究便于未来拆解、分类和循环利用的连接构造和结构体系，推动建筑业向循环经济模式转型。
  
  

  五、 材料-结构一体化基础理论

  1. 核心内涵：
  此为方向一的深化，更侧重于基础科学问题。旨在揭示材料与结构在从形成到失效的全过程中，在不同尺度上的相互作用机理、能量耗散规律和系统失效准则，建立统一的理论框架。

  2. 研究背景与挑战：
  材料与结构之间的界面、连接和协同工作机制是当前研究的薄弱环节。微观损伤如何引发宏观失效？多材料组合结构的力电热磁多物理场响应如何？这些都需要更深层的理论突破。

  3. 可行研究内容与方案：

   

  • 界面力学与多尺度破坏理论： 深入研究不同材料（混凝土-钢，FRP-混凝土）界面的粘结-滑移本构、疲劳损伤和破坏机理。建立跨尺度的损伤演化与断裂理论。

  • 先进数字图像技术应用： 利用数字图像相关（DIC）、CT扫描等技术，实时观测材料内部和界面在荷载下的微裂纹萌生、扩展过程，为理论模型提供验证。

  • 人工智能辅助理论发现： 利用机器学习算法，从海量的试验和仿真数据中挖掘隐藏的物理规律和本构关系，甚至发现新的理论公式。

  • 多物理场耦合理论： 研究在力、热、电、磁、湿等多场耦合作用下，材料-结构系统的响应机理与调控原理。
    
    

    六、 极端荷载及恶劣环境下工程结构失效机理与性态控制

    1. 核心内涵：
    聚焦于强震、强风、爆炸、冲击、火灾、以及深海、高寒、盐碱等恶劣环境下的结构响应，揭示其失效机理，并发展有效的性态控制（隔离、消能、保护）技术与设计理论。

    2. 研究背景与挑战：
    国家安全和重大工程防护对结构抗极端荷载能力提出更高要求。极端事件具有强不确定性、高破坏性和多灾害耦联性，试验复现难，理论描述复杂。

    3. 可行研究内容与方案：

    • 试验模拟技术与装置： 发展能够复现长持时地震、风-浪-流耦合、爆炸冲击波等作用的试验设备和模拟方法（如混合仿真）。

    • 高效高精度计算模型： 发展适用于结构连续倒塌、流固耦合、爆炸冲击等高度非线性问题的计算模型和高效算法。

    • 新型减隔震与消能装置： 研发适用于极端荷载的 Mega-屈服位移隔震支座、高性能金属阻尼器、自复位耗能装置等。

    • 智能防护与可恢复结构： 研究基于智能材料和算法的主动、半主动控制系统。发展“可恢复功能结构”体系，保证主结构在灾后快速恢复使用。

    • 多灾害防御设计： 研究地震、风、火、爆等多灾害作用下的结构响应及其耦合效应，建立多灾害防御设计框架。

    ---

    七、 土木工程及城市大系统多灾害效应与抗灾韧性提升

    1. 核心内涵：
    从单个结构扩展到城市系统尺度，研究地震、台风、洪水、内涝、地质灾害等多重或链生灾害对城市建筑群、生命线工程（交通、供水、供电、供气网络）的破坏效应，并研究提升整个城市系统抗灾韧性的理论和方法。

    2. 研究背景与挑战：
    城市化进程使得灾害风险高度集中。灾害链效应（如地震引发火灾、洪水导致断电）使得损失急剧放大。挑战在于城市系统的极端复杂性、灾害模拟的巨大计算量以及韧性提升的多部门协同。

    3. 可行研究内容与方案：

    • 城市多灾害风险模拟平台： 构建融合地理信息、建筑 inventory、基础设施网络、灾害物理模型和人口动态数据的城市尺度高分辨率多灾害风险模拟与评估平台。

    • 生命线工程系统韧性： 研究生命线工程的脆弱性分析、功能中断模型和快速恢复策略。研究关键基础设施的相互依赖关系和连锁失效机制。

    • 韧性评价指标体系： 建立量化城市韧性的多维度（技术、组织、社会、经济）指标体系和评价方法。

    • “平时-灾时-灾后”决策支持系统： 开发用于防灾规划、应急响应和恢复重建的智能决策支持系统，实现基于情景的动态推演和方案优化。

    • 规划与工程措施的融合： 研究如何通过城市规划（如避难场所布局、冗余通道设置）与工程措施（如韧性结构、海绵城市）的结合，系统性提升城市韧性。

    ---

    八、 能源基础设施

     

    1. 核心内涵：
    面向国家能源战略，研究支撑新能源开发利用的特种土木工程结构的设计、建造与运维关键技术，包括海上风电平台、光伏支架系统、抽水蓄能电站、核电站、氢能储运设施等。
    

    2. 研究背景与挑战：
    能源转型是全球共识。海上风电向深远海、大容量发展，其基础结构面临复杂海洋环境的严峻挑战；氢能储运对材料抗氢脆和结构密封性提出新要求。

    3. 可行研究内容与方案：

    • 深远海风电结构： 研究超大型漂浮式风机基础的动力响应、系泊系统、材料防腐、以及一体化设计理论。研发施工安装和远程运维技术。

    • 高效光伏结构体系： 研究与大跨度建筑、农业大棚、水面等一体化结合的光伏结构体系，及其抗风、抗雪、抗震性能。

    • 大规模储能设施： 研究抽水蓄能电站地下洞室群围岩稳定、高压隧洞衬砌设计。研发压缩空气储能、液氢储罐等新型储能设施的结构安全与耐久性关键技术。

    • 氢能基础设施韧性： 研究氢环境下材料性能退化、储氢容器疲劳断裂机理、以及加氢站等的安全防护与监测技术。

    ---

    九、 地外建造基础理论和关键技术

    1. 核心内涵：
    为月球、火星等星球的探测和驻留提供支撑，研究在极端地外环境（真空、微重力、高低温循环、宇宙辐射、星尘）下的建造科学问题、原位资源利用（ISRU）技术和智能建造装备。

    2. 研究背景与挑战：
    深空探测是国家战略竞争的新高地。地外建造面临无大气、极端温差、辐射强、运输成本极高（需原位利用资源）等地球上前所未有的挑战。

    3. 可行研究内容与方案：

     

    • 地外原位材料制备与利用： 研究利用月壤/火星壤（Regolith）进行烧结、3D打印、制备水泥类胶凝材料的工艺与力学性能。

    • 地外结构形式与设计方法： 研究适应低重力、无大气环境的新型结构形式（如穹顶、拱壳）、密封技术、以及抗辐射和微陨石冲击的设计理论。

    • 地外智能建造机器人： 研发面向地外环境的无人化、自适应、协同作业的机器人建造系统，包括大型3D打印机器人、物料搬运与组装机器人等。

    • 地外环境模拟与试验： 建立可模拟地外真空、高低温、辐射环境的试验装置，用于材料、结构和工艺的验证。
      

      十、 现代土木工程试验与数值模拟

      1. 核心内涵：
      发展新一代试验技术和数值方法，作为支撑上述所有前沿研究的共性关键技术。推动试验技术的智能化、无人化和高精度化，以及数值模拟的高保真、高效化和智能化。

      2. 研究背景与挑战：
      传统试验方法效率低、成本高、某些现象难以捕捉。数值模拟在计算效率和精度上仍存在矛盾，复杂本构和破坏过程的模拟仍不够精确。

      3. 可行研究内容与方案：

      • 混合试验与分布式协同试验： 发展将物理试验与数值模拟实时结合的混合仿真技术，以及多个实验室联网协同完成复杂整体结构试验的技术。

      • 智能试验机器人： 研发用于自动布设传感器、进行扫描式测量、甚至执行加载的机器人系统，提升试验效率和精度。

      • 多尺度、多物理场高保真模拟： 发展耦合宏观-微观-细观的模拟框架，以及流固耦合、爆轰、连续倒塌等高非线性问题的计算力学新方法。

      • 人工智能赋能仿真（AI4SIM）： 研究基于机器学习的速度本构模型、模型降阶技术、仿真结果智能分析（自动识别损伤）以及替代模型（Surrogate Model），极大提升计算效率。

      ---

      十一、 土木工程信息化和智能化

      1. 核心内涵：
      将人工智能、大数据、物联网、5G、区块链等新一代信息技术深度融入土木工程全产业链，驱动行业在规划、设计、制造、施工、运维各环节的范式变革。

      2. 研究背景与挑战：
      土木行业信息化水平相对较低，存在“数据孤岛”，智能化应用多处于点状阶段，未形成体系。需要解决数据标准、算法可靠性、软硬件集成等挑战。

      3. 可行研究内容与方案：

      • 智能设计与生成式设计： 研究基于AI和性能驱动的自动优化设计算法。探索生成式AI在方案创意、结构选型和优化中的应用。

      • 智能建造与机器人： 研发钢结构焊接、混凝土浇筑、墙面喷涂、质量检测、高空作业等建筑机器人。研究基于BIM和物联网的智慧工地管理系统。

      • 基础设施智慧运维： 基于“BIM+GIS+IoT+AI”技术，构建基础设施智能运维平台，实现状态自动感知、AI诊断、预测性维护和养护决策优化。

      • 数字孪生与元宇宙： 研究高保真城市信息模型（CIM）与数字孪生技术，构建与物理城市实时交互、虚实映射的“元宇宙底座”，用于城市模拟、管理和服务。

      • 区块链与行业治理： 探索区块链技术在工程溯源、质量责任追溯、供应链管理和智能合约中的应用，提升行业透明度和信任度。

      ---

      总结与展望

      上述十一个方向相互关联、相互支撑，共同勾勒出未来十年中国土木工程学科发展的宏伟蓝图。其核心脉络是从单一材料走向材料-结构协同，从新建造走向全生命周期，从单体结构走向城市系统，从传统环境走向极端/地外环境，从传统方法走向信息化与智能化。

       

      未来研究必须强调学科交叉，加强与材料科学、信息科学、人工智能、地球科学、能源科学等的深度融合；同时注重产学研用结合，让前沿基础研究成果更快地转化为现实生产力，为解决国家重大需求、保障人民生命财产安全、实现土木工程领域的可持续发展与创新引领做出决定性贡献。