从工程诊治到城市安全韧性

全寿命周期与工程诊治

　　谈起土木工程，很多人首先想到的是“盖房子、修桥、筑路”。这固然不错，但只是看到了问题的一半。一座建筑、一座桥梁，从“诞生”到“退役”，要经历建造、运维、消纳三个阶段，我们称之为“全寿命周期”。过去几十年，我国建设了大量房屋和基础设施，处于建造阶段；而今天，越来越多的工程正在进入长期使用的运维阶段。建造的根本目的是使用，运维才是核心目标，而工程诊治则是实现这一目标的关键手段。

　　什么是工程诊治？通俗地说，就是像医生给人看病一样，给建筑物“体检”“诊断”并治理。诊断，包括日常的检测、监测和对结构状态的评估；治理，则是对发现的问题进行维护、修复、加固，乃至改造提升。比如一栋楼生“病”了、出现裂缝，或者一座桥生“病”了、发生沉降，我们需要先搞清楚“病”在哪里、严重到什么程度，再对症下药，这就是工程诊治的基本逻辑。

　　如今的工程诊治，本身也在发展进步。过去我们主要依靠经验判断，诊断手段比较简单；今天，检测技术已从定性走向定量、从数理走向智能，诊治对象也从工业厂房、民用建筑、道路、桥梁等扩展到复杂结构、生活社区、工业园区、各类工业基础设施等。可以预见，随着技术进步，工程诊治将越来越精准、越来越高效，范围也会越来越广，成为守护既有工程安全的一道坚实防线。

　　如果我们把工程诊治的目光从一栋楼、一座桥投向整座城市，我们就会发现：城市作为一个有机生命体，它的安全问题远比单体建筑复杂得多。这就引出了今天讲座想与大家交流的第二个重点问题——城市安全韧性。

城市安全韧性

　　现代城市呈现出一系列前所未有的新特征。第一，人口高度密集。全世界一半以上的人口生活在城镇地区，我国城镇化率已经超过65%。第二，经济高度集中。比如中国粤港澳大湾区、美国纽约湾区和旧金山湾区以及日本东京湾区这四个湾区，以有限的陆域面积，贡献了全球GDP的6.76%。第三，城市运行系统高度耦联。电力、通讯、交通、供排水等系统环环相扣，任何一个环节出问题，都可能“牵一发而动全身”。第四，国家安全要素高度聚集。城市是政治、经济、科技、文化等各类要素的承载空间。

　　与此同时，现代城市面临的风险也日益复杂。传统划分上，城市风险主要包括自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件四类；今天，生态环境风险和宏观风险又不断叠加进来。气候变化带来的极端天气越来越频繁，老龄化等社会结构性变化也在放大风险的冲击。

　　过去我们建造房屋和基础设施，依据的是一定概率条件下的抗震、抗风、防洪标准；但在气候变化背景下，极端自然灾害因素发生的概率超过原有工程设防标准的可能性大大增加。城市安全面临更大的挑战，需要我们从被动应对转向主动防控，从碎片化管理转向系统化治理。

　　理解城市安全，首先要理解城市本身。城市不是一栋栋建筑的简单叠加，而是一个由生产、生活、生态、治理四大基本系统构成的复杂巨系统。从这四大基本系统中，可进一步提炼出能源（主要是电力）、通讯、交通、供排水四大关键子系统，它们如同维系城市运转的“生命线”。现代城市的功能高度依赖这些子系统：停电了，城市的运转会停摆；断水了，生活将无法维持；通讯和交通一旦瘫痪，整个城市就会陷入混乱。所以，城市韧性一定是系统韧性。仅仅研究某一栋建筑的韧性，并不是城市韧性；仅仅研究某一个区域或某一个子系统的韧性，也不是城市韧性。城市韧性的科学内涵是：突发灾害一旦来临，城市能够在自身现有功能与安全底线之间上下波动，始终不突破安全底线，并且能够快速恢复。

　　这里我要特别强调两个概念的关系——安全是底线，韧性是过程；安全是目的，韧性是手段。韧性体现的是城市凭借自身能力抵御灾害、减轻损失、调配资源并实现快速恢复的能力，其中“恢复能力”是韧性城市建设的关键。

　　正是基于这样的认识，我们团队立足城市安全的顶层设计，提出了城市安全“风险源—承灾体—减灾力”的理论框架，简称为“源体力”理论。这一理论把城市安全的认识，从对单一灾害、单一工程的经验判断，提升到对城市系统整体把握的科学层面，为推动城市安全研究提供了专门、基础性的理论指导与科学范式。其道理也很朴素：城市安全的风险来自哪里（风险源）、灾害作用在谁身上（承灾体）、我们靠什么来减轻灾害影响（减灾力），三者构成了认识城市安全的基本逻辑。

　　先说风险源。不同的城市，面临的风险并不相同。行政中心城市要格外关注人员密集场所事故和公共卫生风险；工业制造城市要重点关注工业事故和环境污染；交通枢纽城市则要防范重大交通事故和物流仓储风险。我们聚焦风险的新变化、新型风险、耦合链生与极端情况四类特征，对各类风险源进行了系统梳理，并提出了“城市安全风险谱系”的概念——如同为城市安全画一张“风险图谱”，把城市可能面临的各类风险及其相互关系系统全面地梳理出来。这项工作目前已经形成《中国城市安全风险蓝皮书》，为不同类型城市摸清自身风险底数提供了科学依据。

　　再说承灾体。我们把城市生命体整体作为承灾体。城市由人和服务于人的“三度空间”构成：物理空间（建筑、基础设施等）、社会空间（经济、医疗、教育等）和信息空间（数据、媒体、网络等）。现代社会，人是承灾体的核心，既直接承受灾害，也通过“三度空间”间接承受灾害。因此，评估一座城市的安全状况，不能只看建筑是否结实，还要看社会组织和信息系统的韧性。

　　最后说减灾力。灾害难以完全避免，但我们可以通过提升减灾能力来降低损失。减灾力通常来自四个方面：意识，即全社会对安全风险的认知；组织，即政府、社会组织和公众的备灾应急能力；科技，即适应现代城市安全的科技体系支撑；物质，即应急物资装备的保障能力。在复杂安全形势下，需要构建政府、市场、社会、公众多方参与的减灾格局。

　　围绕“源体力”理论，我们进一步提出了城市安全科技保障体系：一是打造“慧眼”，建设“天空地”协同的安全风险监测网络，让城市“看得见”风险；二是打造“智脑”，建设城市安全数字大脑，让城市“想得明白”；三是打造“巧手”，构建快速响应的应急保障体系，让城市“处置得了”。监测、预警、处置三个环节环环相扣，共同构成城市安全的科技屏障。

　　在实践层面，“源体力”理论也正在落地。我们推动建立了城市安全风险监测预警平台试点，明确“能监测、会预警、快处置”的建设要求，牵头编制了相关建设指南和标准规范体系。可以说，“源体力”理论正在从学术研究走向治理实践，为完善城市安全治理体系、提升城市安全韧性提供了新的路径。

城市空天信息感知与群体智能

　　那么，如何把城市安全韧性从理念变成现实？我认为，其中的一个重要抓手，就是提升城市空天信息感知与群体智能能力。如果说之前所述的“源体力”理论回答的是城市安全“怎么看”的问题，那么空天信息感知与群体智能，就是要回答城市安全“怎么办”的问题，即我们要用一双“天空之眼”看清城市，同时用一个“智慧大脑”统筹城市。

　　（一）“天空地”协同

　　现代城市往往规模很大，靠人工巡查每一处细节显然是不现实的。我们的思路是构建“天空地”协同监测体系：天基的卫星遥感，覆盖范围广、观测尺度大，可以监测整个城市甚至城市群；空基的无人机，灵活机动，可以从多角度近距离观察；地基的各类传感设备，则可以对重点部位进行精细化监测。三者各有所长、相互补充，实现从宏观到微观、从整体到局部的无缝覆盖。

　　在众多空天信息技术中，我这里特别向大家介绍一种被称为“给地球做CT”的技术——InSAR卫星遥感技术。它利用雷达卫星向地面发射信号并接收回波，通过两次或多次观测的微小差异，能够测出地表毫米级甚至亚毫米级的形变。打个比方，就是通过卫星，让我们能在几百公里外的太空，“看出”地面上某栋楼沉降了几毫米、某座桥有没有发生位移等。目前，这项技术已经在城市房屋安全筛查、道路桥梁监测、城市内涝快速评估等场景中发挥了重要作用。我们在一些城市开展过实践：对几万栋房屋进行大范围筛查，能够较为精准地锁定存在风险的建筑，其中已知的隐患建筑均被检查出来。这些技术的应用意味着，城市安全监测正从过去的大规模人工排查，走向“卫星+智能”的新模式。

　　对于工程诊治来说，无人机是另一双灵敏的“眼睛”。无人机搭载可见光相机、红外相机等多种传感载荷，可以对建筑外立面进行近距离的自动巡检，智能识别裂缝、剥落、空鼓等损伤，还能对玻璃幕墙进行安全评估、对建筑进行振动测量。在实际工作中，某地一栋超高层建筑曾出现异常晃动，正是通过多手段协同监测和数据分析，让该建筑的结构状态被迅速判明，为科学决策提供了依据。

　　（二）群体智能

　　如果说空天信息解决的是“看得见”的问题，那么群体智能解决的就是“判得准、管得好”的问题。

　　城市安全是一个大尺度、强耦合、多目标、巨系统的复杂难题。城市空间范围极广，能源、通讯等系统分布广泛；交通、电力、通讯高度互联，降雨引发洪涝等链生灾害显著；政治、经济、文化、民生等多重目标需要同时保障；物理、社会、信息三个维度跨空间、跨系统、跨尺度耦合。面对这样的复杂性，以往的各自为战式管理方式已经难以应对。

　　群体智能，源于对自然界生物群体的观察：蚂蚁、蜂群等简单个体，通过局部交互就能产生复杂而高效的集体智慧。我们把这一模式引入城市安全领域：让分布在城市各个角落的感知节点、计算单元和管理主体，通过协同互动，形成超越个体的整体智能。具体来说，就是“以群识全”——通过多模态互补感知，用局部信息拼出全局图景；“以群解耦”——通过因果发现，把错综复杂的灾害链条拆解清楚；“以群寻优”——通过分布式协同决策，找到最优减灾方案；“以群统筹”——通过多智能体动态协同，实现城市安全的系统治理。

　　这一思路正在一些场景中展现价值。比如在气象灾害预警方面：依托群体智能中枢，我们可以在台风、暴雨来临前48小时，把“米级”的风场和内涝预报，转化为针对房屋外立面、城市树木、道路交通、配电网络、通讯塔等各类设施的单体级预警，让防灾准备精准到每一栋楼、每一条路。再比如对人员密集场所的安全管控：针对地铁枢纽、商业综合体、体育场馆等场所存在的人员密度高、遇到突发事件后疏散复杂的难题，通过多源感知和智能推演，可以实时掌握人群分布、预判风险演化、动态优化疏散方案。

高性能纤维复材及其应用

　　关于城市安全韧性，我想再与大家分享一个看似与此无关、实则密切相关的领域——高性能纤维复合材料。城市韧性的提升离不开材料，更强、更轻、更耐久的材料，是提升城市韧性的重要支撑。

　　土木工程材料正在向轻量化、减量化、精准化、智能化等方向发展，而国家重大工程对材料的需求也在不断升级，包括在城市巨系统、深海、深地、深空以及极地和高原等极端环境下的适用性、绿色低碳等方面的要求。传统材料在某些场景下已经捉襟见肘，高性能纤维复合材料则展现出巨大潜力。

　　什么是高性能纤维复合材料？简单说，就是把碳纤维、玻璃纤维、芳纶等高性能纤维，与树脂等基体复合而成的材料。它最突出的特点是“轻质高强”——强度可以达到钢材的数倍，而重量只有钢材的四分之一左右；同时还具备耐腐蚀、抗疲劳等优点。比如碳纤维，大家对它并不陌生，目前航空航天、体育器材里都有它的身影；再比如玻璃纤维，它性价比高，应用广泛；还有芳纶，其抗冲击性能很好；玄武岩纤维，则是一种绿色环保的新型材料。这些纤维各有所长，为工程提供了丰富的“材料菜单”。

　　高性能纤维复材在土木工程中的应用，最早也最成熟的是加固补强。我们团队推动这一技术在我国工程中应用发展已有三十年，它如今已成为一项主流的既有结构加固技术，在多起重大地震灾害的抢险救灾和灾后重建中发挥了重要作用。给混凝土梁板、钢构件“贴上”碳纤维布，能显著提高承载力和耐久性，如同给建筑穿上了一件“护甲”。

　　在此基础上，纤维复材的应用不断拓展。用复材筋替代钢筋，可以解决海洋环境下钢筋锈蚀的难题，特别适合海堤、码头、桥面板等工程；复材与混凝土组合成新的结构形式，兼具轻质与高强的优点；把碳纤维制成拉索，替代传统钢索，更是带来了革命性的变化——碳纤维索强度高、自重轻、耐腐蚀，能够显著提升桥梁的跨越能力和服役寿命。目前，千吨级的碳纤维拉索已经在多座大跨桥梁中得到应用，我们还在持续攻关自监测拉索技术，让拉索在受力的同时能够“自报健康”。

　　值得一提的是，碳纤维的“无磁”特性还使其能在特殊场景中大放异彩。比如，在一些对磁场环境要求极为严苛的科研设施中，碳纤维索凭借自身低磁响应、无剩磁的独特优势，成了不可替代的选择；而在大型体育场馆的屋盖结构中，采用碳纤维索既能减轻结构自重，又能提高抗腐蚀能力，进而实现工程美学与安全性能的统一。

　　纤维复材的应用还在向更广阔的领域延伸。在工程防护方面，利用有机纤维编织的柔性防护网，轻质高强、可快速部署，保护重要设施安全；纤维复材还可以用于结构的抗爆加固，提高混凝土结构的抗冲击性能。在装备轻量化方面，采用碳纤维复材与轻金属结合的应急桥梁，相比传统钢桥减重可达一半以上，能够用无人机吊装、快速拼装，在灾后抢通、应急保通等场景中发挥重要作用；轻量化的液压设备、矿用输送带、货运列车车体等，也都在通过复材实现减重增效。

　　可以说，高性能纤维复材为土木工程打开了一扇新的大门。当然，材料创新从来不是一蹴而就的，成本、工艺、标准化等问题还需要持续攻关。但我相信，随着技术进步，纤维复材在土木工程领域必将拥有非常宽广的发展空间，为工程建设提供更多、更好的选择。

面向未来的“城市科学与工程”

　　无论是工程诊治、城市安全韧性，还是空天信息感知、纤维复材应用，这些前沿科技的发展，最终都需要人才和学科来支撑。面向国家新型城镇化战略需求，我们正在前瞻布局引领未来城市发展的三大方向——先进工程材料与结构、工程诊治与运维、城市安全与韧性，推动建设“城市科学与工程”这一交叉新学科。

　　如前所述，传统土木工程学科主要面向“建造”，而今天城市发展的重心已经转向“运维”和“治理”。研究尺度正在从材料、构件、结构，扩展到城市乃至城市群。城市空天信息、工程诊治、城市安全等方向，横跨土木、信息、材料、管理等多个学科，需要新的学科框架来整合。经过五年有组织科研的积累，目前我们在三大方向上已经取得了扎实的成果：承担了多项国家重点研发计划和国家自然科学基金重大项目，建成了多个省部级重点实验室，牵头成立了多个学术组织，产出了一批重要成果——既有服务重大工程建设的应用成果，也有多项被中央和部委采纳的政策建议，还获得了国家科技进步奖二等奖等多项科技奖励。

　　当然，新学科的建设也面临现实挑战：交叉学科的设置需要制度支持，师资队伍规模与高层次人才储备仍有不足，国家级科研平台和独立实验场地建设有待加强，新兴方向的预研经费和设备配套也需要持续投入。

　　展望未来，城市安全与工程诊治的前景十分广阔。从国际看，据联合国相关预测，到2050年时全球千万级人口的巨型城市将达到37个，城市建设和安全需求将持续增长；从国内看，城市更新正成为国家战略，而城市更新最核心的需求正是“诊治”与“运维”。可以说，面向城市未来的学科建设，交叉性强、前景广阔，有望成为新的学科增长点。我们将持续努力，推动“城市科学与工程”学科建设，培养更多复合型高层次人才。

小结

　　今天的讲座，我们分享了工程诊治的发展、以“源体力”理论为指引系统构建城市安全科技体系以及发展空天信息感知与群体智能、以高性能纤维复材等新材料赋能工程创新等方面的内容。这些内容需要我们以新学科建设支撑长远发展。

　　这些内容可以说是土木工程的延伸和发展，从“盖房子”走向“护家园”，从“建设者”走向“守护者”，内涵更加丰富，使命更加重大。