國家自然科學基金委《建筑與土木工程學科發展戰略研究報告（2026-2035）》中提出的土木工程領域十一個重點發展研究方向。報告針對每個方向，深入剖析其核心內涵、研究背景與挑戰，并提出具體可行的研究內容與方案展望。本報告可為高等院校、科研院所及工程單位的科研人員、工程師和研究生提供系統性的研究視野和選題參考，助力我國土木工程學科在前沿基礎研究和關鍵核心技術領域取得突破性進展，實現從“建造大國”向“建造強國”的跨越。

一、 高性能工程材料與高性能結構的協同設計

1. 核心內涵：
打破傳統“材料研制”與“結構設計”相分離的模式，強調從分子/微觀尺度上設計材料性能，使其與宏觀結構體系的力學性能、耐久性能和功能性能需求實現一體化協同與優化。

2. 研究背景與挑戰：
傳統結構設計是在給定材料性能的前提下進行優化。高性能材料（如超高性能混凝土-UHPC、高韌性地聚物、纖維復材-FRP、形狀記憶合金-SMA等）的出現，為結構創新帶來了革命性機遇，但也帶來了本構關系復雜、界面行為難以預測、設計理論滯后等挑戰。

3. 可行研究內容與方案：

·       多尺度協同設計理論： 建立從微觀（材料組成）、細觀（纖維/骨料分布）到宏觀（構件/結構）的本構模型和設計方法學。研究材料微結構與宏觀力學性能（強度、韌性、疲勞）的定量關系。

·       性能化設計方法： 基于目標性能（如變形能力、損傷控制、自愈合能力）反推所需材料的關鍵性能參數，指導材料的定向研發與設計。

·       智能材料與結構一體化： 研究將傳感、驅動功能（如SMA, 壓電材料）直接植入建筑材料中，設計具有自感知、自調節、自修復能力的智能結構體系。

·       軟件與平臺開發： 開發集成材料數據庫、多尺度模擬算法和性能化設計工具的協同設計平臺。

二、 既有結構的維護與性能提升

1. 核心內涵：
針對我國規模巨大且日益老齡化的基礎設施，研究其性能退化機理、精準診斷技術、高效加固修復方法及性能提升理論，保障其安全、耐久與長效服役。

2. 研究背景與挑戰：
我國既有結構存量巨大，許多已進入“中老年期”，安全維護需求迫切。挑戰在于損傷機理復雜、檢測精度與效率不足、傳統加固技術干擾大、耐久性提升困難，以及運維決策缺乏理論支撐。

3. 可行研究內容與方案：

·       智能檢監測與數字孿生： 研究基于無人機、機器人、分布式光纖傳感、計算機視覺等的無損檢測與長期監測技術。建立融合物理模型與監測數據的結構數字孿生體，實現狀態實時評估與預測性維護。

·       高效加固與功能提升技術： 研發新型高性能復合材料（FRP, TRC等）加固技術、自預應力加固技術、可逆式連接技術等。研究在加固的同時提升結構抗震、抗爆等極端性能的方法。

·       耐久性修復與提升： 研究鋼筋混凝土的電化學修復、微生物自修復、表面高性能防護涂層等技術，從根本上延緩性能退化。

·       全壽命周期運維決策理論： 基于可靠度理論和風險評價，建立考慮經濟、社會、環境效益的多目標優化決策模型，指導維護策略的制定。

三、 復雜環境下土工構筑物和基礎工程的穩定機制及控制

1. 核心內涵：
研究極端荷載（地震、波浪、沖擊）、復雜地質（軟弱土、膨脹土、凍土）及多場耦合（滲流-應力-化學-溫度）條件下，重大土工構筑物（高邊坡、深基坑、長大堤壩、海上風機基礎）的失穩機理和發展智能化控制技術。

2. 研究背景與挑戰：
“交通強國”、“海洋強國”等戰略推動工程建設走向地質環境更復雜、規模更大的領域。傳統土力學理論面臨極端條件和多場耦合效應的挑戰，失穩過程具有強非線性和不確定性。

3. 可行研究內容與方案：

·       多場耦合本構模型與仿真： 發展能夠描述土體在復雜應力路徑、滲流、化學侵蝕和凍融循環耦合作用下力學行為的本構模型和高保真數值仿真方法。

·       災變機理與動態穩定分析： 研究地震、波浪等動力荷載作用下土體液化、漸進破壞和整體失穩的全過程機理。發展基于機器學習的失穩風險實時動態評估方法。

·       智能化調控與韌性提升技術： 研發基于物聯網的智能感知-分析-決策-執行系統。研究自適應基礎、土壤微生物改性、根系仿生加固等新型綠色智能調控技術。

·       遠程監控與預警平臺： 構建基于北斗、InSAR、傳感網絡的大型工程穩定性遠程監控與早期預警平臺。

四、 土木工程全生命周期設計理論和方法

1. 核心內涵：
將設計視角從傳統的“建造期”拓展到規劃、設計、建造、運維直至拆除回收的“全生命周期”，統籌考慮結構安全、環境影響、經濟成本和社會效益的最優化。

2. 研究背景與挑戰：
可持續發展要求土木工程最大限度地節約資源、降低環境影響。挑戰在于全生命周期數據和信息的集成與共享、多目標（安全、碳排、成本）的權衡與優化、以及長效性能的預測。

3. 可行研究內容與方案：

·       BIM與數字孿生深度應用： 研究基于BIM-5D/6D（加入成本、能耗信息）的設計方法。發展設計-運維一體化的數字孿生技術，實現虛擬設計與實體運維的實時交互。

·       生命周期評價（LCA）與成本分析（LCCA）： 建立符合中國國情的土木工程材料與構件的LCA數據庫和評價標準。將LCA和LCCA深度融入設計方案比選和優化流程。

·       性能化與韌性設計： 制定面向全生命周期的性能化設計目標和指標體系，特別是考慮氣候變化和未來使用功能變更的適應性設計。

·       拆解與循環利用設計（Design for Deconstruction, DfD）： 研究便于未來拆解、分類和循環利用的連接構造和結構體系，推動建筑業向循環經濟模式轉型。

五、 材料-結構一體化基礎理論

1. 核心內涵：
此為方向一的深化，更側重于基礎科學問題。旨在揭示材料與結構在從形成到失效的全過程中，在不同尺度上的相互作用機理、能量耗散規律和系統失效準則，建立統一的理論框架。

2. 研究背景與挑戰：
材料與結構之間的界面、連接和協同工作機制是當前研究的薄弱環節。微觀損傷如何引發宏觀失效？多材料組合結構的力電熱磁多物理場響應如何？這些都需要更深層的理論突破。

3. 可行研究內容與方案：

o   界面力學與多尺度破壞理論： 深入研究不同材料（混凝土-鋼，FRP-混凝土）界面的粘結-滑移本構、疲勞損傷和破壞機理。建立跨尺度的損傷演化與斷裂理論。

o   先進數字圖像技術應用： 利用數字圖像相關（DIC）、CT掃描等技術，實時觀測材料內部和界面在荷載下的微裂紋萌生、擴展過程，為理論模型提供驗證。

o   人工智能輔助理論發現： 利用機器學習算法，從海量的試驗和仿真數據中挖掘隱藏的物理規律和本構關系，甚至發現新的理論公式。

o   多物理場耦合理論： 研究在力、熱、電、磁、濕等多場耦合作用下，材料-結構系統的響應機理與調控原理。

六、 極端荷載及惡劣環境下工程結構失效機理與性態控制

1. 核心內涵：
聚焦于強震、強風、爆炸、沖擊、火災、以及深海、高寒、鹽堿等惡劣環境下的結構響應，揭示其失效機理，并發展有效的性態控制（隔離、消能、保護）技術與設計理論。

2. 研究背景與挑戰：
國家安全和重大工程防護對結構抗極端荷載能力提出更高要求。極端事件具有強不確定性、高破壞性和多災害耦聯性，試驗復現難，理論描述復雜。

3. 可行研究內容與方案：

§  試驗模擬技術與裝置： 發展能夠復現長持時地震、風-浪-流耦合、爆炸沖擊波等作用的試驗設備和模擬方法（如混合仿真）。

§  高效高精度計算模型： 發展適用于結構連續倒塌、流固耦合、爆炸沖擊等高度非線性問題的計算模型和高效算法。

§  新型減隔震與消能裝置： 研發適用于極端荷載的 Mega-屈服位移隔震支座、高性能金屬阻尼器、自復位耗能裝置等。

§  智能防護與可恢復結構： 研究基于智能材料和算法的主動、半主動控制系統。發展“可恢復功能結構”體系，保證主結構在災后快速恢復使用。

§  多災害防御設計： 研究地震、風、火、爆等多災害作用下的結構響應及其耦合效應，建立多災害防御設計框架。

七、 土木工程及城市大系統多災害效應與抗災韌性提升

1. 核心內涵：
從單個結構擴展到城市系統尺度，研究地震、臺風、洪水、內澇、地質災害等多重或鏈生災害對城市建筑群、生命線工程（交通、供水、供電、供氣網絡）的破壞效應，并研究提升整個城市系統抗災韌性的理論和方法。

2. 研究背景與挑戰：
城市化進程使得災害風險高度集中。災害鏈效應（如地震引發火災、洪水導致斷電）使得損失急劇放大。挑戰在于城市系統的極端復雜性、災害模擬的巨大計算量以及韌性提升的多部門協同。

3. 可行研究內容與方案：

§  城市多災害風險模擬平臺： 構建融合地理信息、建筑 inventory、基礎設施網絡、災害物理模型和人口動態數據的城市尺度高分辨率多災害風險模擬與評估平臺。

§  生命線工程系統韌性： 研究生命線工程的脆弱性分析、功能中斷模型和快速恢復策略。研究關鍵基礎設施的相互依賴關系和連鎖失效機制。

§  韌性評價指標體系： 建立量化城市韌性的多維度（技術、組織、社會、經濟）指標體系和評價方法。

§  “平時-災時-災后”決策支持系統： 開發用于防災規劃、應急響應和恢復重建的智能決策支持系統，實現基于情景的動態推演和方案優化。

§  規劃與工程措施的融合： 研究如何通過城市規劃（如避難場所布局、冗余通道設置）與工程措施（如韌性結構、海綿城市）的結合，系統性提升城市韌性。

八、 能源基礎設施

1. 核心內涵：
面向國家能源戰略，研究支撐新能源開發利用的特種土木工程結構的設計、建造與運維關鍵技術，包括海上風電平臺、光伏支架系統、抽水蓄能電站、核電站、氫能儲運設施等。

2. 研究背景與挑戰：
能源轉型是全球共識。海上風電向深遠海、大容量發展，其基礎結構面臨復雜海洋環境的嚴峻挑戰；氫能儲運對材料抗氫脆和結構密封性提出新要求。

3. 可行研究內容與方案：

§  深遠海風電結構： 研究超大型漂浮式風機基礎的動力響應、系泊系統、材料防腐、以及一體化設計理論。研發施工安裝和遠程運維技術。

§  高效光伏結構體系： 研究與大跨度建筑、農業大棚、水面等一體化結合的光伏結構體系，及其抗風、抗雪、抗震性能。

§  大規模儲能設施： 研究抽水蓄能電站地下洞室群圍巖穩定、高壓隧洞襯砌設計。研發壓縮空氣儲能、液氫儲罐等新型儲能設施的結構安全與耐久性關鍵技術。

§  氫能基礎設施韌性： 研究氫環境下材料性能退化、儲氫容器疲勞斷裂機理、以及加氫站等的安全防護與監測技術。

九、 地外建造基礎理論和關鍵技術

1. 核心內涵：
為月球、火星等星球的探測和駐留提供支撐，研究在極端地外環境（真空、微重力、高低溫循環、宇宙輻射、星塵）下的建造科學問題、原位資源利用（ISRU）技術和智能建造裝備。

2. 研究背景與挑戰：
深空探測是國家戰略競爭的新高地。地外建造面臨無大氣、極端溫差、輻射強、運輸成本極高（需原位利用資源）等地球上前所未有的挑戰。

3. 可行研究內容與方案：

§  地外原位材料制備與利用： 研究利用月壤/火星壤（Regolith）進行燒結、3D打印、制備水泥類膠凝材料的工藝與力學性能。

§  地外結構形式與設計方法： 研究適應低重力、無大氣環境的新型結構形式（如穹頂、拱殼）、密封技術、以及抗輻射和微隕石沖擊的設計理論。

§  地外智能建造機器人： 研發面向地外環境的無人化、自適應、協同作業的機器人建造系統，包括大型3D打印機器人、物料搬運與組裝機器人等。

§  地外環境模擬與試驗： 建立可模擬地外真空、高低溫、輻射環境的試驗裝置，用于材料、結構和工藝的驗證。

十、 現代土木工程試驗與數值模擬

1. 核心內涵：
發展新一代試驗技術和數值方法，作為支撐上述所有前沿研究的共性關鍵技術。推動試驗技術的智能化、無人化和高精度化，以及數值模擬的高保真、高效化和智能化。

2. 研究背景與挑戰：
傳統試驗方法效率低、成本高、某些現象難以捕捉。數值模擬在計算效率和精度上仍存在矛盾，復雜本構和破壞過程的模擬仍不夠精確。

3. 可行研究內容與方案：

§  混合試驗與分布式協同試驗： 發展將物理試驗與數值模擬實時結合的混合仿真技術，以及多個實驗室聯網協同完成復雜整體結構試驗的技術。

§  智能試驗機器人： 研發用于自動布設傳感器、進行掃描式測量、甚至執行加載的機器人系統，提升試驗效率和精度。

§  多尺度、多物理場高保真模擬： 發展耦合宏觀-微觀-細觀的模擬框架，以及流固耦合、爆轟、連續倒塌等高非線性問題的計算力學新方法。

§  人工智能賦能仿真（AI4SIM）： 研究基于機器學習的速度本構模型、模型降階技術、仿真結果智能分析（自動識別損傷）以及替代模型（Surrogate Model），極大提升計算效率。

十一、 土木工程信息化和智能化

1. 核心內涵：
將人工智能、大數據、物聯網、5G、區塊鏈等新一代信息技術深度融入土木工程全產業鏈，驅動行業在規劃、設計、制造、施工、運維各環節的范式變革。

2. 研究背景與挑戰：
土木行業信息化水平相對較低，存在“數據孤島”，智能化應用多處于點狀階段，未形成體系。需要解決數據標準、算法可靠性、軟硬件集成等挑戰。

3. 可行研究內容與方案：

§  智能設計與生成式設計： 研究基于AI和性能驅動的自動優化設計算法。探索生成式AI在方案創意、結構選型和優化中的應用。

§  智能建造與機器人： 研發鋼結構焊接、混凝土澆筑、墻面噴涂、質量檢測、高空作業等建筑機器人。研究基于BIM和物聯網的智慧工地管理系統。

§  基礎設施智慧運維： 基于“BIM+GIS+IoT+AI”技術，構建基礎設施智能運維平臺，實現狀態自動感知、AI診斷、預測性維護和養護決策優化。

§  數字孿生與元宇宙： 研究高保真城市信息模型（CIM）與數字孿生技術，構建與物理城市實時交互、虛實映射的“元宇宙底座”，用于城市模擬、管理和服務。

§  區塊鏈與行業治理： 探索區塊鏈技術在工程溯源、質量責任追溯、供應鏈管理和智能合約中的應用，提升行業透明度和信任度。

總結與展望

上述十一個方向相互關聯、相互支撐，共同勾勒出未來十年中國土木工程學科發展的宏偉藍圖。其核心脈絡是從單一材料走向材料-結構協同，從新建造走向全生命周期，從單體結構走向城市系統，從傳統環境走向極端/地外環境，從傳統方法走向信息化與智能化。

未來研究必須強調學科交叉，加強與材料科學、信息科學、人工智能、地球科學、能源科學等的深度融合；同時注重產學研用結合，讓前沿基礎研究成果更快地轉化為現實生產力，為解決國家重大需求、保障人民生命財產安全、實現土木工程領域的可持續發展與創新引領做出決定性貢獻。