張一鳴：土木工程科研仍無止境

武光磊

“石頭沒有一模一樣的，找不到也復制不出來，人類跟石頭打了幾千年交道。在現代，你可以用分子動力學去分析石墨烯和納米碳管這些高精尖材料，很多時候卻還是拿石頭一點辦法沒有！”河北工業大學土木與交通學院教授張一鳴饒有趣味地說道，“人類要修橋造路，開山穿隧，不得不跟巖石、沙土這些自然界花費上億年時間才形成的東西打交道。如果利用得當，自然造物比人造之物性價比高百倍不止，可是若稍有不慎，自然界那摧枯拉朽的力量也會相當可怕。”

多年來，張一鳴一直從事多孔介質多相多場強耦合分析、含缺陷脆性材料復雜裂縫擴展分析以及巖土結構穩定性極限分析等領域的研究。九層之臺，起于壘土；合抱之木，生于毫末。與他所研究的地下與巖土工程一樣，雖然看不見摸不著，他的工作對于土木工程學科來說可算是一類基礎的存在。

科學家與工程師：夢想的旅程

張一鳴從小就希望成為一名科學家與工程師，他認為，科學家與工程師，一個擅長提出問題，一個擅長解決問題，這是一種完美的結合。這一個夢想也一直伴隨著他的成長之路。

張一鳴

張一鳴在上海出生長大，讀初中時，每天都會路過同濟大學，從那時開始就對同濟大學有著深厚的感情，填報志愿時第一志愿就填寫了同濟大學土木工程系。最終他如愿以償，在同濟大學度過了7年的本碩歲月。

“我們當時大三選方向時，大多數同學還是選擇了地上建筑結構。我那會兒就覺得地底下的東西看不見摸不著，還有點說不準，應該會有更多有趣的問題吧。”張一鳴回憶起十多年前的選擇，十分感慨。跟地下結構打交道，有更多的問題也帶來了更多的挑戰。碩士研究生階段，導師袁勇教授給了他極大的支持和幫助。每當研究中遇到難題，袁老師總會給他圈出關鍵點，讓他自己去獨立思考和解決問題。這種啟發式的教育方式極大地提高了他在科研上的探索和創新能力，也逐漸培養了他作為一名青年科研工作者的思考方式。“袁老師的學生都像他，我們都保持著溫和謙遜，重視學習過程中的啟發與靈感因素，強調‘指方向’必須優先于‘帶路走’。”張一鳴說著，飽含感激。

碩士畢業后，經過袁老師的推薦，張一鳴前往奧地利維也納科技大學結構與材料工程學院，師從計算力學領域泰斗奧地利科學院前院長Herbert A. Mang教授攻讀博士學位。Mang教授是奧地利科學院前院長，擁有20國及地區工程院及科學院院士頭銜（包括中國工程院外籍院士），有一顆小行星以他的名字命名。他嚴謹專注的治學風格給張一鳴留下了深刻的烙印。在張一鳴看來，德語區的人做事有一種秩序感，總是把某件事拆分成幾個步驟，如果某步驟存在問題或過于復雜，就必須繼續將它再拆成子步驟解決，一旦錯過了某一步，即使已經到達了下一步，也得再繞回去檢查。“這種秩序感對科研工作有很大幫助，因為所謂科研，時常需要探究未知，如果太強調目的，有時錯過了某些步驟仍然到達了既定目標。但其實錯過的不僅僅是步驟，也是很多可能性，因為那些步驟也許會引導你走向某種未知。”張一鳴沉思后說道。

張一鳴博士在讀期間，Herbert A.Mang教授每隔兩周都會要求他提交書面總結同時口頭匯報，時間嚴格限制為30分鐘，要求他陳述已經解決和仍需要面對的問題。“那種緊張感現在想起來依舊印象深刻，教授會冷不防問一些問題，我有時答不出來滿頭大汗，他不笑的時候氣場好強呢。”張一鳴笑著說道，“那些書面總結他會加一些批注然后簽字，拿回去看感覺都是寶貝，很多意見都非常有啟發性。”跟隨Mang教授，張一鳴參與了大量研究和工程實踐，最終以“Sehr Gut”（極好）的成績通過博士答辯。然后他繼續在奧地利和德國進行科研工作，度過了8年歲月。

一個閉環：模型的簡單、復雜、再簡化之路

在碩士研究生期間，張一鳴對早齡期混凝土進行了研究。混凝土澆筑后會放熱膨脹，拆膜后表面又會干燥收縮，還有自收縮、徐變等效應，這些復雜效應都跟混凝土內部的小孔隙密切相關，如何精確模擬預測這些過程深深吸引著他。后來前往奧地利攻讀博士學位時，他又開始對火災條件下混凝土展開了研究。奧地利是一個多山的內陸國家，有大量山嶺隧道，由于早期設計規范并未充分考慮高溫下混凝土的爆裂效應，火災事故對隧道結構安全性造成了嚴重的威脅。為了解決這一安全隱患，奧地利交通運輸部聯合奧地利鐵路公司及FCP工程咨詢公司等企業，將“火災下隧道與地下結構性能分析”作為國家安全項目KIRAS子項開展研究，從2009年開始，張一鳴作為唯一的中國人參與到項目組中，語言交流能力、研究經驗和科研水平得到了迅速提升。

“很多時候高溫下的混凝土可以近似認為是早齡期混凝土的逆反應，前者分解，后者水化，這是數值研究的魅力之一，你可以讓整個反應過程逆轉，仿佛時光倒流。”張一鳴回想著這段時期的研究經驗，若有所思地說道：“高溫下混凝土爆裂，有很大一部分原因是混凝土微孔中的水氣化，導致壓力上升，就跟微型高壓鍋似的。過程看上去很簡單，但是又跟很多因素相關，水吸熱氣化后會再凝結放熱，一些微孔會快速干燥，另一些反而會變浸潤。這是一個揭示簡單現象背后復雜機理的過程，需要一種科學家精神。”2013年和2014年，張一鳴作為第一作者署名的兩篇論文發表在結構分析國際權威期刊Engineering Structures上，分別分析了早齡期混凝土干燥收縮開裂以及高溫下混凝土結構的爆裂風險。文章后來得到了多物理場耦合分析領域權威專家Bernhard Schrefler教授以及混凝土結構分析專家Anthony Jefferson教授等國際知名學者多次引用。

為研究生講解破裂單元法的等效裂縫長度計算原理

另一方面，在與KIRAS合作方奧地利鐵路公司及部分咨詢公司的會議討論中，張一鳴敏銳地發現，傳統強耦合模型在工程應用中存在“不接地氣”的缺陷。“模型很好，很完整，考慮了各種因素，但是它太復雜，解起來很費時間，工程人員不喜歡，這時候需要工程師精神，將復雜模型簡化，讓它更好地服務實踐。”張一鳴逐漸有了新的思路，開始建立一整套適用于工程快速分析的隧道襯砌高溫爆裂風險指標模型。基于該方法評估高溫下隧道襯砌爆裂風險，工程人員無須復雜計算，只須查表然后依序代入所提出的公式，即可快速獲得爆裂指標，得到的結果不僅與復雜強耦合模型獲得的結果接近，而且與實驗結果吻合。這一成果再次被發表于Engineering Structures上。同時，這一套快速評估方法也得到了工程人員的認可，曾經任職FCP公司高級工程師及德國Dr.Binnewies工程咨詢公司CEO、有著多年工程設計經驗的Matthias Zeiml博士認為，此計算流程所用策略極為巧妙，充分把握了高溫下隧道襯砌結構特征與內部相變、孔壓演化過程，將復雜煩瑣、無法總結規律的結構爆裂風險以簡潔實用的模型表達，充分結合基礎理論分析、數值分析計算與實際工程實踐研究方法，最終幫助工程師真正實現了“快速”評估隧道襯砌高溫下爆裂風險的目標。

懷疑與相信：多年未決難題的解答與破裂單元法

在研究高溫下隧道襯砌爆裂風險的過程中，張一鳴逐漸進入了另一個相關領域，即不連續數值分析。“不連續在數學上很麻煩，函數不連續意味著有跳躍，無法求導，而工程中最典型、最直觀的不連續就是裂縫和斷裂了，也是很麻煩的東西，會影響結構性能。”張一鳴講起這個主題興奮地說道，“很多計算力學領域大師都研究過不連續現象，像是提出非連續變形分析和數值流行方法的石根華老師，創造擴展有限元方法的Belytschko院士，提出光滑有限元的劉桂榮教授等，進入這個領域就像進入了一個大家庭，與大師們同行，又像進入了一大片森林，需要追尋前輩們的足跡同時又走出自己的新路。”研究中，張一鳴關注到了內嵌不連續方法，內嵌不連續是一類用連續框架描述不連續的方法，它可以基于現有框架再構造，非常適用于工程應用。

“內嵌不連續方法中，有一種基于靜力對稱優化的模型，它1988年被Belytschko院士提出來，是一種非常出名的模型，之所以出名不是因為它特別好，而是因為它的嚴重應力鎖死問題，一直都被拿來當反面典型，被很多人認為是死路。”張一鳴想先嘗試其他方案，他向Mang教授匯報，Mang教授告訴他，科研需要一邊相信，一邊懷疑，要相信自己的能力，懷疑自己的結果，相信他人的專長，懷疑他人的結論，前人說這個模型存在問題走不通，此時不妨懷疑一下，再試試看，即使最終真的走不通，也可以積累大量經驗。

在導師的指導下，經過一年的鉆研與嘗試，張一鳴創造性地提出了一種無應力鎖死的靜力對稱優化內嵌不連續模型，這是二十幾年來這個問題首次得到解決。最終成果發表在計算力學國際頂級期刊Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering上，文中多個結論被加泰羅尼亞大學計算力學國際權威Miguel Cervera教授在綜述性雜志中多次引用，理論價值極高，而這僅僅是一個開始。

團隊合影

2016年，張一鳴從奧地利前往德國漢諾威，加入了由莊曉瑩教授帶領的課題組。“莊老師年紀跟我差不多，但是她已經是課題負責人了，她在計算力學和不連續數值分析方面造詣很深，有很多想法，跟她討論每次都有很多收獲。”在莊曉瑩教授的指導下，張一鳴進一步發展了靜力對稱優化的內嵌裂縫模型，最終提出了一種破裂單元法，破裂單元法采用了自生長裂縫模型，無須裂縫追蹤，可以用一類模型同時模擬裂縫的萌生和擴展。以破裂單元法為基礎，近年來張一鳴與Mang教授、袁勇教授和莊曉瑩教授一起在有限單元方法國際期刊Finite Elements in Analysis and Design，斷裂力學研究國際期刊Engineering Fracture Mechanics以及Theoretical and Applied Fracture Mechanics，計算力學國際頂級期刊International Journal for Numerical Methods in Engineering等雜志上發表了近十篇論文，體現了這種嶄新方法的潛力和性能，而如果沒有一開始的懷疑與相信，這一切可能都不會發生。

幾何的樂趣：提出“多切片三維裂面優化法”

2007年，英國謝菲爾德大學的Matthew Gilbert教授提出了一種裂面優化方法，可以快速求解結構的極限上限解。張一鳴在奧地利因斯布魯克大學研究期間首次接觸到了這種方法。“第一次看見這個方法，感覺就像在變魔術，明明這種方法最早是計算桁架最優解用的，竟然也可以算連續體極限解，真是不可思議。”張一鳴回憶起那時的感覺，一種佩服的神情溢于言表。他當時查閱了大量中文文獻，發現這種方法在國內還沒有相關研究成果，也缺少合適的中文文獻。他希望能夠盡快掌握并發展這一方法，將來帶回國，在國內推廣它的應用并服務工程建設。

在研究過程中，他發現，這一方法在求解三維問題時存在計算效率、精度較低的現象，嚴重限制其應用，相關研究也進展緩慢，當時全世界僅有一篇英文雜志論文涉及到三維裂面優化方法，成果同樣來源于Gilbert研究組。從2015年到2016年一年多的時間里，張一鳴全身心投入到三維裂面優化法的研究，期間卻一篇論文也沒有發表，壓力很大，他絞盡腦汁，將三維問題拆解成了多個幾何學的基礎問題，并在因斯布魯克大學其他學院得到了跨學科專家的幫助，最終，他從一個叫“水果忍者”的游戲中得到了啟發，提出了多切片三維裂面優化法。“那天看見別人在iPad上玩游戲，用手指滑過，一個個水果被切開了，感覺很有意思，像柯南一樣腦中滑過一道火花。”張一鳴回想起那種興奮感，像個孩子一樣笑了。

與已發表的結果相比，他的新模型大幅提高了傳統三維裂面優化法的計算效率與精度，相關成果發表于巖土計算力學國際頂尖期刊International Journal for Numerical and Analytical Method in Geomechanics，成為至今世界范圍內討論三維裂面優化法僅有的兩篇期刊論文中的一篇。裂面優化方法創始人Gilbert教授閱讀該文獻后，認為他的方法極有創新意義，大幅拓展了裂面優化法的應用范圍。

之后經過與莊曉瑩教授、Mang教授合作，張一鳴又發表了多篇裂面優化法相關研究論文，將該方法應用于淺埋隧道穩定性分析以及受火隧道結構分析領域。2019年，張一鳴在中文期刊《隧道與地下工程災害防治》上發表了綜述性論文“裂面優化法在巖土及隧道工程中的應用研究”，開始實現將這一方法帶回祖國的夢想。

繼續前行：找到問題，解決問題

“人生經常會遇到有很多挫折，會有很多糾結，有時我就會想起‘鋰電池之父’古迪納夫讀博時他的導師對他說的話：‘此刻只有兩件事要做：一是找一個問題，二是解決這個問題。’這樣人生就變得簡單了。”在國外讀博及從事研究工作超過8年后，張一鳴覺得，雖然學海無涯，但是是時候回來報效祖國了，將學到的方法用到祖國工程建設中，也為祖國培養更多年輕人，一起找到更多問題，解決更多問題。2017年，張一鳴回到國內，加入了河北工業大學。

在奧地利與德國參與過多個科研項目，讓張一鳴在多相多物理場耦合分析以及復雜裂縫擴展分析領域積累了一定的研究經驗與成果。回國以后，針對我國基礎建設防災減災以及能源領域重大需求，他與團隊一起，在公路隧道抗火性能評估、巖體邊坡穩定性分析、頁巖氣壓裂開采等領域開展研究，分析裂隙巖體內的能量、物質遷移過程，以及多物理場耦合過程與巖體多尺度破裂之間的作用機理。

“中國在土木工程上的研究領先于全球。但是由于地質條件復雜，工程結構的深、高、長、久不斷突破原有極限，我們目前仍面臨著許多高難度的挑戰，從另一方面說，恰恰因為我們領先，我們沒有很多現成經驗可以參考。”張一鳴認為，人類跟已經形成幾億年的巖石、沙土打了幾千年交道，對于它們的了解卻還遠遠不夠，土木工程學科的發展仍在不斷向前推進，還遠沒有止境。

如今在大學里，張一鳴也將自己的科研思維與學習方法傳授給自己的學生。他認為做科研是一個循序漸進的過程，如同爬一座山，你可以沿著前人走過的路繼續往前走，也可以自己摸索出一條更近的路。你在山腳向上望是看不到出路的，一定要邁開步子，向上攀登，只要堅持過了半山腰，看清了自己走過的曲折小徑和寬闊敞路，最終也會逐漸望見未來那光明而有趣的大道。