鄭皆連院士：中國是橋樑大國卻非橋樑強國 輸在了軟件上
採寫｜章劍鋒
出品| 本站科技《科學大師》欄目（ID：tech_163）
1500公斤和700米，數字看起來不怎麼起眼，卻是兩位科學家試圖衝刺的科研目標。
前者，是不斷打破畝產紀錄的中國工程院院士袁隆平的最新挑戰目標——雙季稻畝產突破1500公斤。
後者，則是中國工程院院士鄭皆連的目標。這個700米，是指拱橋建設的跨徑。
世界拱橋看中國，中國拱橋看廣西，廣西拱橋看鄭皆連。
圖片來源/廣西大學
現年79歲的著名路橋工程專家鄭皆連，是國際橋樑大會（IBC）最高獎——喬治·理查德森獎獲得者。在拱橋建設上，他在近些年實現了三個世界第一：2013年主持修建當時世界上最大跨徑的鋼管混凝土拱橋四川合江長江一橋，跨徑530米。此後又完成了世界上最大跨徑的鐵路鋼管混凝土拱橋拉林鐵路雅魯藏布江藏木特大橋（430米）、目前世界最大跨徑拱橋廣西平南三橋（575米）的設計建設。
鄭皆連告訴本站科技《科學大師》等媒體，國外最大鋼拱橋的跨徑是美國新河谷橋（518米），而他的團隊接下來參與科研攻關的一個項目，將把平南三橋的跨徑再往前推進一步，將要開工的廣西龍灘天湖特大橋，跨徑將達600米，會是世界上跨徑最大的拱橋。
中國的拱橋建設，原來都是有支架的，鄭皆連的技術創新，使拱橋實現了無支架建設——不打支架，而採用吊裝懸拼，斜拉扣掛施工，在空中無支架合攏。這使拱橋的跨徑得以不斷拉大，實現現代化建設水平。
鄭皆連說，“橋樑是中國的一張科技名片，而拱橋恰恰是在橋樑中可能首先從大國變爲強國的一個突破口。”
獲得國際橋樑大會（IBC）最高獎——喬治·理查德森獎的工程：合江長江一橋/圖源：四川省交通廳
因爲在橋樑工程方面的上述成就，5月30日，鄭皆連團隊獲得了人力資源部、科技部、中國科協和國務院國資委聯合頒授的第二屆全國創新爭先團隊獎。在獲獎名單中，他們團隊是和三代半導體、復興號動車、水下發射大型固體運載火箭、空間飛行器系統、鍾南山團隊等並列在一起的。
憑着鄭皆連一個人，就撐起了廣西壯族自治區唯一的世界一流高校學科建設——2017年，廣西大學土木工程專業列入教育部等部委聯合公佈的世界“雙一流”建設高校學科名單。
也是因爲他一個人，改變了廣西全區4960萬人沒有一位本地全職院士的歷史。1999年，鄭皆連當選中國工程院院士，成爲全廣西唯一一位全職院士。《科學大師》記者注意到，廣西省只有一位全職院士的狀況，到今天仍沒有變化。
1，虎門大橋屬於渦激共振，不至於使橋樑坍塌
《科學大師》：橋樑安全方面，虎門大橋不久前發生過風振，您是橋樑專家，怎麼看這個事件？
鄭皆連：虎門大橋發生風致渦激振動，是風造成的共振。虎門大橋是1997年建成的， 20多年都沒有發生振動，爲什麼這次會突然發生振動。初步認爲是吊索要更換，用了20多年了，換吊索用了一些隔離措施，叫水馬，就是塑料桶裡裝一些水用來分隔車道的，保護它的換索安全。這個水馬高度有一米四、五，這就改變了懸索橋氣動外形。在一定風速、風向的作用下，就發生了振動，振幅最大達到了30多cm。當振幅達到相應的級別，就要採取預案，或者停止交通、減少通行量。
事後也對錨、索鞍、吊索都做了檢查，包括橋道樑，沒有造成損壞，不會危及橋樑的安全，但是使人不舒服，司機在上面開車會感到上下左右都在晃動，心裡受到比較大的影響。把水馬去掉之後，還發生振動。5月15日通車以後，可能還有些振動，但幅度小了。所以現在還在觀測。渦激共振不至於使橋樑坍塌，它不像1940年美國塔科馬大橋造成的振動，振幅越來越大，導致橋樑垮塌。
虎門大橋/圖片來源：央視《航拍中國》
《科學大師》：橋樑在我們普通公衆的眼裡都是一樣的，但是這次我們知道，橋樑分懸索橋、拱橋等種類，這些不同的橋，在安全標準和要求上有差別嗎？
鄭皆連：無論是哪種橋，安全都是第一的，但是各個橋還是有區別的。你說的懸索橋和斜拉橋都是柔性橋，或者說叫索支承橋，就是用索來作爲主要的受力構件。懸索橋是主纜，斜拉橋是斜拉索，索支承橋道樑。這類橋屬於柔性結構，所以它在風力的作用下發生振動是常見的。
至於拱橋，它屬於重力式結構，樑橋的跨徑比較小，風對它的影響比較小，不會發生風致振動，這是它的重要的優點。所以如果拱橋能夠建成，它的適應性是最好的，剛度也大。
但是我也希望不要給大家造成一種拱橋可以包打天下的印象，每種橋都有它的使用環境，都要根據它的建橋條件來綜合判斷。比如懸索橋，雖然它有風致振動的問題，但是目前跨徑最大的還是懸索橋，在海上，其他橋實現不了那麼大的跨徑。設計工程師就是要選擇一種最適合橋址條件的橋型。
雖然拱橋有很多優點，但是有些地方也不太適合建。比如在軟土地上就很難建，上海的盧浦大橋，是在軟土地上建，但是花的代價比較大，他比斜拉橋貴。所以也不能說因爲虎門大橋這個事發生，就不建懸索橋了，因爲風振渦激共振也不止虎門這一個橋，我們國家至少有3個橋發生了比較厲害的渦激共振，西堠門大橋啊，武漢鸚鵡洲長江大橋，國外的也有。
武漢鸚鵡洲長江大橋也發生過晃動/圖片來源：漢陽政務
2，中國拱橋耐久能扛，壽命長，是瑰寶
《科學大師》：是不是可以理解，拱橋是目前橋樑界最安全的橋型？
鄭皆連：中國趙州橋是在1400多年前建立的，這是世界上第一個敞肩拱的石拱橋。至今這個趙州橋還屹立在河上。拱橋爲什麼壽命如此之長，這是它受力合理的一個結果。我們橋樑有四種橋型：有樑橋，有懸索橋，有斜拉橋，也有拱橋。我說它是受力結構極爲合理的一種橋樑，就是它把結構物理自重或者說荷載通過這個彎曲的拱圈，把它轉化成了拱圈上的軸向受力，就是把垂直荷載變成拱圈上的軸向受力。如果我們拱軸線選的好的話，它就在小偏心受壓。正因爲它是以受壓爲主，所以它就耐久性非常好，因爲沒有疲勞問題。
如果說趙州橋是不走汽車的，那北京的盧溝橋也800年了，它是走汽車的，跨越永定河，而且它還走過400噸的平板車，它的超載能力非常強。所以我們現在講古橋，中國的古橋絕大部分指的就是拱橋。因爲其他橋，它的耐久性是扛不住各種人爲的或自然災害影響的。
另外，所有受壓材料都可以用來建橋 ，我們拱橋有磚的、有石頭的、有鐵的、也有鋼的，這是其他橋不可能具備的。
有天下第一橋美稱的中國拱橋鼻祖趙州橋/圖片來自網絡
《科學大師》：從原創性來講，拱橋是中國原產，懸索橋是國外引進，可以這樣講麼？
鄭皆連：拱橋是歷史非常悠久的一種橋型。敞肩拱式的拱橋，我們老祖宗是第一個做出來的， 距今1400多年，大概比歐洲早了500年。這種敞肩拱式，使石拱橋的跨徑可以加大。什麼是敞肩拱式?原來的拱橋是實腹式的，沒有挖孔，所以它的跨徑就做不大。而空腹拱，它是把恆載減輕了，所以它跨徑纔可以做的大。石拱橋30米以上跨徑的基本都是空腹拱，這是我們祖宗的一個很大的貢獻。我們現代拱橋，圍繞着特別是鋼管混凝土拱橋、勁性骨架混凝土拱橋，這些主要工法，我們都有它的主要知識產權，都把它用專利保護起來了。
過去大家把拱橋看作是落後的東西，現代化的懸索橋和斜拉橋，斜拉橋是二戰以後纔有的，德國人發明的。實際上，我們建設的跨徑575米的平南三橋，它和斜拉橋和懸索橋比，幾乎把所有的優點都佔完了，在全國還有好多地方都適合建（據中新網稱：平南三橋爲目前世界最大跨徑的拱橋，其科技含量之高、製造過程之精密、設計施工技術之尖端，均是世界同類型橋樑之最）。拱橋是傳統，但實際上蘊含着許多中國哲學。我把它稱爲中國的一個瑰寶，影響是非常深遠的。雖然在這方面我也做了一些科普，但是做得還不夠。
《科學大師》：您在拱橋工程方面代表性的科研貢獻是實現了無支架建設，這個無支架技術爲什麼那麼重要？
鄭皆連：一千多年以來，拱橋都沒擺脫一個問題：拱圈施工非常困難，必須搭支架。我大學畢業三年，在工地轉了三年，就發現搭支架不行，洪水一來把支架衝跑了。能不能不搭支架，我當時就有這個逆向思維。
現代化的拱橋，跨徑要修大，第一步就必須不搭拱架。如果我們還持續搭拱架，跨徑再大也大不到哪裡去。1968年推廣雙曲拱橋的時候，我首次提出不用搭支架修拱橋的方法：鋼絲繩斜拉扣掛，鬆索合攏形成拱圈，就是把下面的支撐變爲上面的懸吊，包括懸拼，包括轉體來建設拱橋。因爲有了無支架施工、轉體，我們拱橋的跨徑就從石拱橋的最大跨徑146米，發展到現在是575米，我們想做到700米，但是還沒有實現。
建設中的平南三橋，以575米的跨徑成爲目前世界最大跨徑的拱橋/圖源：廣西交通設計集團公司
3，我們不能因爲橋樑數量多、跨徑大就滿足了
《科學大師》：您說到拱橋有可能首先完成大國向強國突破，橋樑方面也存在大國和強國的提法麼？
鄭皆連：說我們是橋樑大國，因爲我們建的橋樑最多，專利也最多，除了懸索橋第一跨徑在日本，其他所有大跨徑橋都在我們中國，全世界15座超過430米跨徑的拱橋，大概有3座在國外，其他12座在中國。1990年開始，30年我們建橋的跨徑從110米發展到575米。跨徑增長之快，在橋樑史上罕見，數量也發展到近500座。廣西正在建跨徑600米的拱橋。所以稱爲大國是毫無疑問的，是大家認可的。
但爲什麼我們還沒有成爲強國呢，一個計算軟件不是我們的，我們現在用的軟件都是國外的，我們自己編的功能還不如國外。第二個就是橋樑的耐久性，我們還有一些短板。爲什麼這個耐久性可以在拱橋方面得到突破，那是祖師爺李春的趙州橋帶了頭。我們現在完全可以搞到最好，耐久性最好。當然在軟件上我們還要努力，應該組織國家隊來攻堅，搞一些比較好的軟件出來。
《科學大師》：對於一個國家來講，成爲橋樑強國的意義是什麼？爲什麼必須要成爲橋樑強國？
鄭皆連：我覺得也是基於我們基建部門的短板而言，我們不能因爲橋樑數量多、跨徑大就滿足了，我們還要不斷追求技術的升級或者優化。實際上我覺得，從大國向強國過渡，也是一個過程，是一個前進的過程，激勵我們能解決更多問題和難題，對我們發展技術，推進這個事業更上一層樓，是有好處的。
施工中的世界第一拱——平南三橋/圖源：廣西日報
4，橋樑建設危險作業將來可以交給機器人完成
《科學大師》:時代越來越發展， 對於我們這個橋樑建設的科技含量會不會要求也越來越高？
鄭皆連：當然會越來越高，因爲橋樑建設的作業環境比較艱苦，而危險性比較大的。在一般人們的心目中，拱橋就是風險比較大，施工風險比較大，施工比較麻煩，設計比較麻煩。比如我們拱橋高空作業，拱上的那些東西都要人去焊接、連接。如果將來都能由機器人代替，把最危險的作業交給機器人做就更好了，它們還能做得更好。因爲它不會受情緒影響。高空作業你如果沒睡好覺，都可能從上面掉下來。機器人就沒有這些問題。這個也在逐步摸索，還有很大的增長空間。如果以後我們這個大拱上面基本看不到作業工人，那就厲害了。
5，全廣西就我一個院士，非常不恰當
《科學大師》：資料上講您是廣西本地唯一的全職院士，您自己怎麼看這個“特別”的狀況？
鄭皆連：我對這個“唯一”就很不滿意。5000多萬人的廣西，相當於歐洲一個比較大的國家了，就我一個院士，非常不恰當。這裡面，我認爲也有廣西相對科技發展慢一點的原因，也反映出院士產生的機制有些問題。不完全說明，廣西就是隻有這一個院士，才符合廣西的科技發展水平。我覺得（這樣看問題是）不恰當的，廣西不應該只有一個院士。但是非常可悲的，現在就我一個院士。那麼我能起什麼作用呢，我都快80歲了。我還是希望新的院士產生，新的帶頭人產生。
現在學校也在引進人才，正在談的過程中。我的接班人，也是很緊迫的事。這個必須儘快到位。目前這個適合的接班人確實還是比較難找，因爲本身搞拱橋的人就少。現在我們國家的院士隊伍裡面，也只有我一個人專門在搞拱橋。爲什麼這個拱橋院士會產生在廣西，也不是說我本人有多大的本事，就是廣西這個區域適合修建拱橋。廣西修了大量的拱橋。大量修拱橋，就會產生大量的技術，就會遇到大量的問題要解決，是這樣在這個過程中產生的。
鄭皆連工作現場/圖源：廣西路橋工程集團有限公司
《科學大師》：您對年輕的科技工作者有什麼話要說？
鄭皆連：首先要找準問題，然後持之以恆地，不斷地去研究它。要持之以恆是比較難的，尤其是我們大家如果都比較傾向於怎麼能掙更多的錢，恐怕就不會做出大的事情來。科學研究可能要坐幾十年的冷板凳，不斷地發現新的問題、解決新問題，它不會是一蹴而就，不是憑着你的靈光一閃一下子把問題解決了。除非這個問題本身不是那麼困難。當然，金錢還是需要的，你要生活嘛，不能夠脫離這個問題，但在基本問題解決的情況下，基本生活能保證的情況下，恐怕要把主要精力聚焦在需要解決的問題上，去不斷努力。
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