1. 核心內(nèi)涵：
打破傳統(tǒng)“材料研制”與“結構設計”相分離的模式，強調(diào)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(xiàn)一體化協(xié)同與優(yōu)化。

2. 研究背景與挑戰(zhàn)：
傳統(tǒng)結構設計是在給定材料性能的前提下進行優(yōu)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(xiàn)，為結構創(chuàng)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(zhàn)。

3. 可行研究內(nèi)容與方案：

• 多尺度協(xié)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(shù)，指導材料的定向研發(fā)與設計。

• 智能材料與結構一體化：研究將傳感、驅(qū)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(diào)節(jié)、自修復能力的智能結構體系。

• 軟件與平臺開發(fā)：開發(fā)集成材料數(shù)據(jù)庫、多尺度模擬算法和性能化設計工具的協(xié)同設計平臺。

1. 核心內(nèi)涵：
針對我國規(guī)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(zhàn)：
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(zhàn)在于損傷機理復雜、檢測精度與效率不足、傳統(tǒng)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(nèi)容與方案：

• 智能檢監(jiān)測與數(shù)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(jiān)測技術。建立融合物理模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)的結構數(shù)字孿生體，實現(xiàn)狀態(tài)實時評估與預測性維護。

• 高效加固與功能提升技術：研發(fā)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(jīng)濟、社會、環(huán)境效益的多目標優(yōu)化決策模型，指導維護策略的制定。

1. 核心內(nèi)涵：
研究極端荷載（地震、波浪、沖擊）、復雜地質(zhì)（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(wěn)機理和發(fā)展智能化控制技術。

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

3. 可行研究內(nèi)容與方案：

• 多場耦合本構模型與仿真：發(fā)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(huán)耦合作用下力學行為的本構模型和高保真數(shù)值仿真方法。

• 災變機理與動態(tài)穩(wěn)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(wěn)的全過程機理。發(fā)展基于機器學習的失穩(wěn)風險實時動態(tài)評估方法。

• 智能化調(diào)控與韌性提升技術：研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知-分析-決策-執(zhí)行系統(tǒng)。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(diào)控技術。

• 遠程監(jiān)控與預警平臺：構建基于北斗、InSAR、傳感網(wǎng)絡的大型工程穩(wěn)定性遠程監(jiān)控與早期預警平臺。

1. 核心內(nèi)涵：
將設計視角從傳統(tǒng)的“建造期”拓展到規(guī)劃、設計、建造、運維直至拆除回收的“全生命周期”，統(tǒng)籌考慮結構安全、環(huán)境影響、經(jīng)濟成本和社會效益的最優(yōu)化。

2. 研究背景與挑戰(zhàn)：
可持續(xù)發(fā)展要求土木工程最大限度地節(jié)約資源、降低環(huán)境影響。挑戰(zhàn)在于全生命周期數(shù)據(jù)和信息的集成與共享、多目標（安全、碳排、成本）的權衡與優(yōu)化、以及長效性能的預測。

3. 可行研究內(nèi)容與方案：

• BIM與數(shù)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(fā)展設計-運維一體化的數(shù)字孿生技術，實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫和評價標準。將LCA和LCCA深度融入設計方案比選和優(yōu)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(huán)利用設計（Design for Deconstruction, DfD）：研究便于未來拆解、分類和循環(huán)利用的連接構造和結構體系，推動建筑業(yè)向循環(huán)經(jīng)濟模式轉(zhuǎn)型。

1. 核心內(nèi)涵：
此為方向一的深化，更側(cè)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(guī)律和系統(tǒng)失效準則，建立統(tǒng)一的理論框架。

2. 研究背景與挑戰(zhàn)：
材料與結構之間的界面、連接和協(xié)同工作機制是當前研究的薄弱環(huán)節(jié)。微觀損傷如何引發(fā)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(nèi)容與方案：

• 界面力學與多尺度破壞理論： 深入研究不同材料（混凝土-鋼，F(xiàn)RP-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。

• 先進數(shù)字圖像技術應用： 利用數(shù)字圖像相關（DIC）、CT掃描等技術，實時觀測材料內(nèi)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。

• 人工智能輔助理論發(fā)現(xiàn)： 利用機器學習算法，從海量的試驗和仿真數(shù)據(jù)中挖掘隱藏的物理規(guī)律和本構關系，甚至發(fā)現(xiàn)新的理論公式。

• 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(tǒng)的響應機理與調(diào)控原理。

1. 核心內(nèi)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(huán)境下的結構響應，揭示其失效機理，并發(fā)展有效的性態(tài)控制（隔離、消能、保護）技術與設計理論。

2. 研究背景與挑戰(zhàn)：
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(lián)性，試驗復現(xiàn)難，理論描述復雜。

3. 可行研究內(nèi)容與方案：

• 試驗模擬技術與裝置：發(fā)展能夠復現(xiàn)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(fā)展適用于結構連續(xù)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(fā)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(tǒng)。發(fā)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。

1. 核心內(nèi)涵：
從單個結構擴展到城市系統(tǒng)尺度，研究地震、臺風、洪水、內(nèi)澇、地質(zhì)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(wǎng)絡）的破壞效應，并研究提升整個城市系統(tǒng)抗災韌性的理論和方法。

2. 研究背景與挑戰(zhàn)：
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(fā)火災、洪水導致斷電）使得損失急劇放大。挑戰(zhàn)在于城市系統(tǒng)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(xié)同。

3. 可行研究內(nèi)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(wǎng)絡、災害物理模型和人口動態(tài)數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jīng)濟）指標體系和評價方法。

• “平時-災時-災后”決策支持系統(tǒng)：開發(fā)用于防災規(guī)劃、應急響應和恢復重建的智能決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)基于情景的動態(tài)推演和方案優(yōu)化。

• 規(guī)劃與工程措施的融合：研究如何通過城市規(guī)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(tǒng)性提升城市韌性。

1. 核心內(nèi)涵：
面向國家能源戰(zhàn)略，研究支撐新能源開發(fā)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(tǒng)、抽水蓄能電站、核電站、氫能儲運設施等。

2. 研究背景與挑戰(zhàn)：
能源轉(zhuǎn)型是全球共識。海上風電向深遠海、大容量發(fā)展，其基礎結構面臨復雜海洋環(huán)境的嚴峻挑戰(zhàn)；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(nèi)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(tǒng)、材料防腐、以及一體化設計理論。研發(fā)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(nóng)業(yè)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(guī)模儲能設施：研究抽水蓄能電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定、高壓隧洞襯砌設計。研發(fā)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(huán)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(jiān)測技術。

1. 核心內(nèi)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(huán)境（真空、微重力、高低溫循環(huán)、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(zhàn)：
深空探測是國家戰(zhàn)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(zhàn)。

3. 可行研究內(nèi)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(huán)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(fā)面向地外環(huán)境的無人化、自適應、協(xié)同作業(yè)的機器人建造系統(tǒng)，包括大型3D打印機器人、物料搬運與組裝機器人等。

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

1. 核心內(nèi)涵：
發(fā)展新一代試驗技術和數(shù)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(shù)值模擬的高保真、高效化和智能化。

2. 研究背景與挑戰(zhàn)：
傳統(tǒng)試驗方法效率低、成本高、某些現(xiàn)象難以捕捉。數(shù)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(nèi)容與方案：

• 混合試驗與分布式協(xié)同試驗：發(fā)展將物理試驗與數(shù)值模擬實時結合的混合仿真技術，以及多個實驗室聯(lián)網(wǎng)協(xié)同完成復雜整體結構試驗的技術。

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

• 多尺度、多物理場高保真模擬：發(fā)展耦合宏觀-微觀-細觀的模擬框架，以及流固耦合、爆轟、連續(xù)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。

1. 核心內(nèi)涵：
將人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、區(qū)塊鏈等新一代信息技術深度融入土木工程全產(chǎn)業(yè)鏈，驅(qū)動行業(yè)在規(guī)劃、設計、制造、施工、運維各環(huán)節(jié)的范式變革。

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

3. 可行研究內(nèi)容與方案：

• 智能設計與生成式設計：研究基于AI和性能驅(qū)動的自動優(yōu)化設計算法。探索生成式AI在方案創(chuàng)意、結構選型和優(yōu)化中的應用。

• 智能建造與機器人：研發(fā)鋼結構焊接、混凝土澆筑、墻面噴涂、質(zhì)量檢測、高空作業(yè)等建筑機器人。研究基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地管理系統(tǒng)。

• 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(xiàn)狀態(tài)自動感知、AI診斷、預測性維護和養(yǎng)護決策優(yōu)化。

• 數(shù)字孿生與元宇宙：研究高保真城市信息模型（CIM）與數(shù)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(qū)塊鏈與行業(yè)治理：探索區(qū)塊鏈技術在工程溯源、質(zhì)量責任追溯、供應鏈管理和智能合約中的應用，提升行業(yè)透明度和信任度。

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

未來研究必須強調(diào)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(chǎn)學研用結合，讓前沿基礎研究成果更快地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，為解決國家重大需求、保障人民生命財產(chǎn)安全、實現(xiàn)土木工程領域的可持續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新引領做出決定性貢獻。