愿花50年時(shí)間驗(yàn)證竹結(jié)構(gòu)耐久性—訪(fǎng)2019級(jí)星友冷予冰

知道冷予冰博士是2019年下半年在上海市建筑科學(xué)研究院有限公司召開(kāi)的一次啟明星座談會(huì)上，主持座談會(huì)的時(shí)任建科院副總工程師許清風(fēng)博士給我一一介紹了與會(huì)的8位星友，隨后的座談中許清風(fēng)和冷予冰都提到的工程竹建筑是那次座談會(huì)上讓我記住的幾個(gè)話(huà)題。會(huì)后許總還贈(zèng)我一本剛出版的《中國(guó)現(xiàn)代竹建筑》，該書(shū)印制精美，內(nèi)容涉及竹資源和建筑用竹的種類(lèi)特點(diǎn)、不同竹建筑的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀、相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，并配發(fā)了竹建筑應(yīng)用的典型案例，最后一章討論了中國(guó)現(xiàn)代竹建筑產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。這本書(shū)讓我記住了竹建筑，也記住了該書(shū)幾位作者中的許清風(fēng)和冷予冰的名字。2021年上半年為紀(jì)念啟明星計(jì)劃實(shí)施30周年，啟明星協(xié)會(huì)擬出版一本啟明星科普文集。在物色選題和作者人選時(shí)，既體現(xiàn)中國(guó)傳統(tǒng)文化特色又融入更多現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展元素的竹建筑自然成為選題。我通過(guò)郵件與冷予冰聯(lián)系約稿，她很快回復(fù)，說(shuō)她剛生完孩子由產(chǎn)院回到家，但她很愿意承擔(dān)這一撰稿任務(wù)，她也在約定時(shí)間里發(fā)來(lái)了圖文并茂的文稿。1988年出生的冷予冰眼下正是做事的最好年華，為人母后，她更自信更沉穩(wěn)。由于雙方父母都還在工作，如今18個(gè)月的兒子出生后一直是他們自己帶，冷予冰產(chǎn)后5個(gè)月不到就上班了，如今每天基本上回到家已是晚上8點(diǎn)后，盡管很累，但她說(shuō)回到家看到兒子一切疲憊都置之腦后了。前不久聽(tīng)說(shuō)《中國(guó)現(xiàn)代竹建筑》已在2022年上半年由清華大學(xué)出版社和施普林格（Springer）出版社聯(lián)合推出英文版。這些因素促成了本期“今日啟明星”專(zhuān)欄對(duì)冷予冰的采訪(fǎng)。

全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽勇奪一等獎(jiǎng)

冷予冰出生于安徽黃山一個(gè)風(fēng)景優(yōu)美的小城市，老家就在古城屯溪老街，予冰說(shuō)她從小就生活在生態(tài)建筑之鄉(xiāng)，周邊大都為典型的徽派建筑村落。她稍大一點(diǎn)后就和同學(xué)結(jié)伴去宏村、西遞這些古村落游玩，看過(guò)不少傳統(tǒng)的民居建筑。“我上高中那會(huì)每天騎30分鐘自行車(chē)沿著屯溪老街穿過(guò)老大橋到學(xué)校，這條路的一邊是屯溪老街，一邊是新安江。現(xiàn)在想想那種感覺(jué)特別好。”予冰是家中獨(dú)女，父親是醫(yī)生，母親在建筑行業(yè)工作。高考填志愿時(shí)爸爸特別愿意她學(xué)醫(yī)，媽媽只是隨她，愛(ài)學(xué)什么就學(xué)什么。或許因?yàn)閺男〗诠糯迓浣ㄖ幕瑪?shù)理基礎(chǔ)很好的她就想報(bào)考建筑專(zhuān)業(yè)，但因不擅繪畫(huà)，因此選了與建筑密切相關(guān)的土木專(zhuān)業(yè)。2006年高考，分?jǐn)?shù)很高的她以第一志愿填報(bào)了上海交大船舶海洋與建筑工程學(xué)院土木專(zhuān)業(yè)。

回溯上海交大本科四年，予冰坦陳前兩年學(xué)得比較難，但自己愿意花時(shí)間，成績(jī)?cè)诎嗉?jí)是居前的。大三時(shí)她有機(jī)會(huì)參加了全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，這是國(guó)內(nèi)土木工程專(zhuān)業(yè)最具影響力的大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)賽事，是教育部確定的全國(guó)九大大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽之一。參賽學(xué)生通常以小組為單位申報(bào)，提交的設(shè)計(jì)作品在校內(nèi)先打擂臺(tái)，拿到學(xué)校第一名者才能代表學(xué)校參加全國(guó)賽。最終冷予冰三人小組代表交大參加了2009年在同濟(jì)大學(xué)舉辦的第三屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽并獲得一等獎(jiǎng)。“當(dāng)年的參賽作品是用薄木片設(shè)計(jì)搭建一個(gè)風(fēng)力發(fā)電塔，要設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電塔基座和風(fēng)機(jī)葉片，在鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)力作用下葉片轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，綜合考慮模型重量、發(fā)電電壓以及外形等計(jì)算得分。”冷予冰小組花了近三個(gè)月時(shí)間，從第一個(gè)模型開(kāi)始不停地優(yōu)化，用木片膠合成基座和葉片的形狀是關(guān)鍵，在能承受一定載荷的前提下要求基座構(gòu)件的截面越小、越輕越好。說(shuō)起當(dāng)時(shí)情景，予冰記憶猶新：“我們用一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)去吹基座上的葉片（葉片也是薄木片做的），葉片連著電容器可以發(fā)電，轉(zhuǎn)得越快發(fā)電量越高。葉片的形狀也是設(shè)計(jì)的內(nèi)容。當(dāng)時(shí)那道題目我們花了三個(gè)月時(shí)間在指導(dǎo)老師宋曉冰的幫助下不斷優(yōu)化，這是命題作文，白天上課，晚上就琢磨這個(gè)事。”予冰說(shuō)了當(dāng)時(shí)印象特別深的一件事：正式比賽場(chǎng)地是一個(gè)較開(kāi)放的空間，學(xué)校提供他們的場(chǎng)地是室內(nèi)環(huán)境，兩者的風(fēng)場(chǎng)不同。為了能更準(zhǔn)確地模擬開(kāi)放空間的風(fēng)場(chǎng)，當(dāng)時(shí)想到的辦法是把窗戶(hù)拆了，以接近室外開(kāi)放環(huán)境。12月的夜晚開(kāi)著鼓風(fēng)機(jī)吹很冷，盡管瑟瑟發(fā)抖，但不論多晚，宋曉冰老師每天都陪伴參賽團(tuán)隊(duì)一起不斷地試驗(yàn)、改進(jìn)，或突發(fā)奇想或精雕細(xì)琢，看到發(fā)電值在上升大家就覺(jué)得要繼續(xù)堅(jiān)持，宋老師的鼓勵(lì)、指導(dǎo)讓大家深受鼓舞。最終我們順利奪得了全國(guó)賽的一等獎(jiǎng)。整個(gè)參賽過(guò)程予冰學(xué)習(xí)到了怎么考慮設(shè)計(jì)構(gòu)型、怎么優(yōu)化，對(duì)她以后碩博的學(xué)習(xí)啟發(fā)很大。當(dāng)時(shí)的指導(dǎo)老師宋曉冰后來(lái)成為予冰的碩博導(dǎo)師，也是科研道路上的引路人。實(shí)際上，予冰的收獲還不止這些，三個(gè)月的參賽過(guò)程中他們?nèi)私M中的一位隊(duì)友后來(lái)成了她的先生，成就了一段因賽結(jié)緣的佳話(huà)。

第三屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽比賽現(xiàn)場(chǎng)

木-混凝土組合結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

冷予冰是先念碩士，之后覺(jué)得自己真的感興趣才去繼續(xù)讀博。博士課題是想研究了解核電站安全殼在極端荷載如地震、恐怖襲擊等作用下的受力性能。安全殼的主體材料是鋼板混凝土，導(dǎo)師讓她碩士第二年就參與了相關(guān)課題，重點(diǎn)研究鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理，這后來(lái)就成了她的博士論文題目。予冰說(shuō)她盡管現(xiàn)在多與竹木建筑打交道，但本質(zhì)還是研究結(jié)構(gòu)受力的安全性問(wèn)題，所以從碩士開(kāi)始她的課題方向是相通的：“本科是在一個(gè)比較寬泛的范圍內(nèi)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，碩士是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)解決問(wèn)題的方法，規(guī)劃做實(shí)驗(yàn)的方案，博士就進(jìn)一步要去做機(jī)理和理論分析。這一路看似越走越窄，其實(shí)面對(duì)不同問(wèn)題的求解要求我們要越學(xué)越多。不能路越走越窄，邏輯方法應(yīng)用面應(yīng)該越來(lái)越寬，這也是在宋曉冰老師的指導(dǎo)下同時(shí)結(jié)合自己實(shí)踐后總結(jié)出來(lái)的。”2017年初，予冰的博士論文答辯順利通過(guò)并受到好評(píng)。求職時(shí)，當(dāng)時(shí)在上海建科院工作的陳溪師姐（2015級(jí)星友）推薦她來(lái)建科院，由于綜合素質(zhì)優(yōu)秀，經(jīng)一輪面試她就非常順利地拿到錄用通知，以博士后身份加入許清風(fēng)博士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，許博士和上海交大的趙金城教授成為她的博后導(dǎo)師，并商定以木竹結(jié)構(gòu)方向作為博后研究課題。

入職建科院，主攻現(xiàn)代木竹結(jié)構(gòu)

木竹結(jié)構(gòu)研究室是上海建科院1958年成立之初的六個(gè)研究室之一，上海建科院在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域也有二十余年的研究經(jīng)驗(yàn)。但把竹材作為建筑材料，進(jìn)而到現(xiàn)代竹建筑，并把它作為一個(gè)方向，至少在上海建科院是近十年的事。許清風(fēng)2013年在匹茲堡大學(xué)訪(fǎng)學(xué)時(shí)，美國(guó)的哈里斯（Harries）教授正是專(zhuān)攻圓竹結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的專(zhuān)家，同時(shí)致力于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。許博士當(dāng)時(shí)就想到美國(guó)的竹材資源其實(shí)不及中國(guó)。我國(guó)的竹材資源位居全球首位，而且有千年的竹文化傳統(tǒng)，在發(fā)展綠色建筑的背景下，在我國(guó)推廣現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建筑大有可為。許博士回國(guó)后就在建科集團(tuán)的大力支持下開(kāi)展了工程竹結(jié)構(gòu)的研究工作，而他本人此后的幾年里一直傾力于工程竹結(jié)構(gòu)這件事。其實(shí)，竹材、竹建筑的需求不斷，而且勢(shì)頭越來(lái)越大。但是許博士和2017年加盟團(tuán)隊(duì)的冷予冰等都清楚竹材用到建筑上是缺標(biāo)準(zhǔn)的，缺標(biāo)準(zhǔn)意味著如果要用到建筑上就沒(méi)有辦法做設(shè)計(jì)，后續(xù)的驗(yàn)收、維護(hù)都沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可依，就很難大范圍推廣。我國(guó)作為擁有全球最豐富竹林資源和最深厚竹文化底蘊(yùn)的國(guó)家，因?yàn)闆](méi)有竹建筑的適用標(biāo)準(zhǔn)，竹材料進(jìn)不了建筑業(yè)大市場(chǎng)。這是當(dāng)時(shí)橫亙?cè)诶溆璞蛨F(tuán)隊(duì)成員面前的難題。

冷予冰一進(jìn)建科院就參與了工程竹結(jié)構(gòu)課題，5年時(shí)間里從工程竹材料開(kāi)始到構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)等具體問(wèn)題都要逐一應(yīng)對(duì)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)這幾年主要精力是花在工程竹結(jié)構(gòu)必須面對(duì)的三大關(guān)鍵問(wèn)題上：耐久、防火和抗震。這幾個(gè)問(wèn)題不解決的話(huà)就會(huì)大大影響工程竹建筑的安全性。予冰也是由這個(gè)需求出發(fā)申請(qǐng)了啟明星課題——工程竹結(jié)構(gòu)耐久性機(jī)理和提升關(guān)鍵技術(shù)研究。這幾年里，在耐久、防火、抗震等難題持續(xù)研究的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)以予冰為主持續(xù)推進(jìn)工程竹結(jié)構(gòu)系列標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。予冰介紹說(shuō)，他們用了5年時(shí)間編制標(biāo)準(zhǔn)，在2022年6月發(fā)布了工程竹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程竹結(jié)構(gòu)施工及質(zhì)量驗(yàn)收、工程竹結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了工程竹建筑從選材到設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、維護(hù)、檢測(cè)的全生命周期，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白，為我國(guó)建筑業(yè)低碳發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。這樣設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、第三方檢測(cè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)等應(yīng)用方拿到這三本標(biāo)準(zhǔn)就可以直接使用。“我們正在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的主持下，申請(qǐng)主編一本有關(guān)工程竹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，這樣就能服務(wù)于所有有需求的國(guó)家，為我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化貢獻(xiàn)力量。”

冷予冰的啟明星課題是支持她研究工程竹結(jié)構(gòu)的耐久性，解決工程竹結(jié)構(gòu)建筑在長(zhǎng)期應(yīng)用中的一些耐久性劣化問(wèn)題。所謂長(zhǎng)期一般是指50年，但問(wèn)題在于短期內(nèi)要做這件事，根本拿不出50年的數(shù)據(jù)，甚至5年都很難。由此，冷予冰在想50年數(shù)據(jù)無(wú)法提供，是否可以采取人為加速的方法去探究工程竹材的耐久性劣化機(jī)理（劣化是指材料的物理、力學(xué)性能的退化），這是冷予冰的啟明星課題的研究重點(diǎn)之一。但做這件事還是有一個(gè)問(wèn)題回避不了，就是人工加速老化方法能不能真實(shí)地反映50年的自然變化？也因此冷予冰還做了一件事：制作81根足尺的工程竹以及膠合木梁（每根長(zhǎng)3.6米，截面為100毫米X190毫米，包括膠合竹梁、重組竹梁、膠合木梁）來(lái)驗(yàn)證其自然老化的過(guò)程。“就是真的去看50年的自然變化。我們把這81根梁放在實(shí)驗(yàn)室的屋頂，讓它們經(jīng)受日曬、風(fēng)吹、雨淋等復(fù)雜的自然環(huán)境。目前已放了3年多了。我會(huì)定期爬梯上到屋頂觀測(cè)拍照。先完成短期靜載作為對(duì)比，然后第1年取9根，第2年取另外9根，第3年再9根，接下來(lái)是第5年、第10年、第20年、第30年、第50年各做一次測(cè)試。”所謂測(cè)試，冷予冰告知是把這些自然老化后的工程竹梁一根根從屋頂取下拿到試驗(yàn)機(jī)上，布設(shè)應(yīng)變片和位移計(jì)進(jìn)行加載直至破壞，看其承載力和剛度的退化程度。一般來(lái)講前三年相對(duì)好一點(diǎn)，后期會(huì)涉及蟲(chóng)蛀、開(kāi)裂、腐朽等問(wèn)題。“到我30年后退休時(shí)不知道會(huì)發(fā)生什么情況？有沒(méi)有人會(huì)去做這么長(zhǎng)周期的事。這個(gè)由啟明星計(jì)劃引出的有意思、有意義的課題，也是我想做的一件比較有意思的事。”

團(tuán)隊(duì)成員在工程竹以及膠合木梁的室外自然老化試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)合影

冷予冰說(shuō)起的這個(gè)50年周期的課題及其來(lái)龍去脈，引起我的興趣和感慨。興趣在于我也很想知道這些工程竹梁歷經(jīng)50年自然環(huán)境后會(huì)出現(xiàn)什么變化？這些變化會(huì)影響其使用嗎？感慨在于，冷予冰星友在已經(jīng)順利結(jié)題、完成任務(wù)后，居然還愿意花時(shí)間、花精力去驗(yàn)證工程竹結(jié)構(gòu)的耐久性和長(zhǎng)期安全性這件事，而且要花50年的時(shí)間！這可是跨越一個(gè)人人生長(zhǎng)度的大部分時(shí)間啊！采訪(fǎng)到此，我對(duì)眼前這位對(duì)自然和未知仍抱有強(qiáng)烈興趣、愿意長(zhǎng)期堅(jiān)持做一件事的星友更生出一份敬意，好樣的！

為臨港3萬(wàn)產(chǎn)業(yè)工人支起安全廂

廂式鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

予冰說(shuō)其實(shí)她2022年還做了一件比較有挑戰(zhàn)的事。東南沿海是受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一，靠海的臨港滴水湖空曠地帶受臺(tái)風(fēng)影響很大，臺(tái)風(fēng)一來(lái)最受影響的是那里的產(chǎn)業(yè)工人，這些工人目前主要住在工地上集中建造的廂式鋼結(jié)構(gòu)中，臺(tái)風(fēng)一來(lái)大批工人只能轉(zhuǎn)移到附近一些場(chǎng)館，每次轉(zhuǎn)移的人力、物力、資金成本都很高，現(xiàn)在又增加了防疫安全問(wèn)題。目前有一個(gè)急迫的需求是需要通過(guò)試驗(yàn)、分析，為廂式鋼結(jié)構(gòu)的整體抗風(fēng)性能評(píng)估提供依據(jù)。這是一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前居住在這樣的廂式鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)工人有2萬(wàn)多，根據(jù)測(cè)算到年底最高峰時(shí)將達(dá)近10萬(wàn)人。受命負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的冷予冰和項(xiàng)目組同事先進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，然后做了足尺廂式鋼結(jié)構(gòu)包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗(yàn)，同時(shí)他們到臨港項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)做了大量的調(diào)研，結(jié)合數(shù)值模擬分析對(duì)其抗風(fēng)性能做出評(píng)價(jià)。我好奇集裝箱這樣體量的物體怎么做風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。予冰解釋他們是使用縮比模型做的風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)，探測(cè)風(fēng)壓的分布及各個(gè)方向的受力情況，然后按照等效原則將風(fēng)荷載換算成相應(yīng)比例的集中荷載去做足尺結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗(yàn)，利用作動(dòng)器模擬臺(tái)風(fēng)的等效水平荷載，得出抗風(fēng)性能測(cè)試結(jié)果。我去訪(fǎng)問(wèn)的一周多前予冰他們剛完成風(fēng)洞試驗(yàn)，接下來(lái)馬上要做足尺的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)。“如能在這樣的荷載下不受損，就表示它能承受相應(yīng)的風(fēng)力。這就是用數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話(huà)。”類(lèi)似臨港這樣臨危受命的工程上有需求的活對(duì)他們來(lái)說(shuō)并不鮮見(jiàn)，因?yàn)檫@些需求背后都是城市安全問(wèn)題，是相通的。

冷予冰很年輕，她獲得啟明星計(jì)劃時(shí)只有31歲，而她進(jìn)入建科院從事工程竹結(jié)構(gòu)研究也只有5年時(shí)間，但她依靠兢兢業(yè)業(yè)做事和敢于迎接挑戰(zhàn)的進(jìn)取心贏得了廣泛認(rèn)可，《中國(guó)現(xiàn)代竹建筑》中英文版的出版也是一種激勵(lì)。當(dāng)然這些很大程度上得益于她所在的建科院團(tuán)隊(duì)的集體力量，更得益于可持續(xù)發(fā)展、綠色低碳發(fā)展的理念越來(lái)越成為人類(lèi)發(fā)展的共識(shí)。但是，還必須看到要使工程竹建筑真正躋身于主流建筑市場(chǎng)還有很長(zhǎng)的路要走，還有許多瓶頸需要突破。但有了建科院冷予冰星友為代表的青年專(zhuān)家的推動(dòng)和持續(xù)努力，現(xiàn)代竹建筑一定會(huì)在中國(guó)扎根，竹居文化也會(huì)時(shí)興起來(lái)。到那時(shí)，一定會(huì)有更多人為中國(guó)竹建筑喝彩，為冷予冰博士的持續(xù)努力和規(guī)劃的50年堅(jiān)持喝彩！

江世亮采寫(xiě)于2022年10月21日