紀(jì)金豹

(北京工業(yè)大學(xué) 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點實驗室, 北京 100124)

實驗技術(shù)是推動現(xiàn)代科技發(fā)展的重要手段。在土木工程領(lǐng)域,結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)對于學(xué)科的推動作用是顯而易見的,并已成為土木工程學(xué)科一個特殊的研究方向。結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)促進(jìn)了土木工程各個領(lǐng)域的快速發(fā)展,也在教育教學(xué)中發(fā)揮了不可或缺的作用。由于土木工程所涉及建筑材料、基本構(gòu)件和結(jié)構(gòu)形式的門類繁多,工程結(jié)構(gòu)所處的自然環(huán)境和所受到的各種荷載和作用也復(fù)雜多樣(超低溫、老化、重力場、火災(zāi)、風(fēng)場、地震等環(huán)境及其作用的實驗?zāi)M涉及眾多學(xué)科的綜合運用),客觀上導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實驗所涉及研究范疇和相關(guān)內(nèi)容極為廣泛。結(jié)構(gòu)實驗的相關(guān)研究不僅需要土木工程和工程力學(xué)相關(guān)學(xué)科的專業(yè)背景,也大量應(yīng)用到機(jī)械、液壓、電子、信息、控制、傳感器、精密儀器、計算機(jī)等學(xué)科的專業(yè)知識。目前國內(nèi)在實驗室管理[1-8]、實驗隊伍建設(shè)[9-17]、實驗人員考核和職稱評定[11, 18-21]、實驗教學(xué)改革[20, 22-24]、實驗技術(shù)開發(fā)[25-28]等相關(guān)領(lǐng)域有一些研究和文獻(xiàn)報道,但是缺少針對結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的專門研究和討論。因此,本文結(jié)合國內(nèi)外結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的研究現(xiàn)狀,圍繞影響結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)發(fā)展的熱點問題,結(jié)合作者在土木類實驗室管理、振動臺試驗技術(shù)研究和虛擬實驗中心建設(shè)中的經(jīng)驗,針對實驗室建設(shè)與管理、實驗人才培養(yǎng)與團(tuán)隊建設(shè)、設(shè)備采購與選型、實驗收費辦法等問題進(jìn)行了分析并給出了自己的解決方案,針對結(jié)構(gòu)試驗領(lǐng)域的交流與合作提出成立“土木類實驗室聯(lián)盟”、建立“結(jié)構(gòu)試驗軟件共享平臺”、開展 “結(jié)構(gòu)試驗人員專業(yè)培訓(xùn)”等實用性建議。

1 熱點問題分析

制約結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)發(fā)展的因素很多,例如國際上的研究熱點的轉(zhuǎn)換、國內(nèi)的科技與人才導(dǎo)向、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度、國內(nèi)外儀器設(shè)備制造水平、計算機(jī)控制等相關(guān)學(xué)科的突破、上級主管的政策引導(dǎo)、實驗技術(shù)人員的職業(yè)定位、理論與實驗研究的競爭和協(xié)作等都會對一定區(qū)域的結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生影響。從高校和研究機(jī)構(gòu)的角度來看,任何單位和機(jī)構(gòu)都希望擁有一個具有先進(jìn)儀器設(shè)備的實驗平臺,同時擁有一支高水平的實驗管理和技術(shù)支持隊伍。在充分發(fā)揮現(xiàn)有儀器設(shè)備功能的基礎(chǔ)上,擁有一支根據(jù)專業(yè)需求推動結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)發(fā)展的實驗技術(shù)研究隊伍應(yīng)當(dāng)是重點實驗室的基本特征之一。

然而,國內(nèi)各土木類實驗室的情況卻并不容樂觀:有的實驗室由于場地限制而無法進(jìn)一步發(fā)展; 有的由于缺少采購和維修經(jīng)費導(dǎo)致設(shè)備年久失修; 有的購買了成套設(shè)備卻因無人操作而長期閑置; 有的實驗室由于管理不善、技術(shù)落后等原因無法承擔(dān)復(fù)雜試驗; 有的實驗室由于缺乏科研支持而只能開展演示性教學(xué)實驗; 有的實驗室由于實驗操作人員匱乏而處于半停工狀態(tài)。隨著國內(nèi)在教育、科研領(lǐng)域的持續(xù)資金投入,絕大多數(shù)國內(nèi)土木類實驗室的軟硬件條件有了大幅度的改善,同時實驗技術(shù)落后、實驗技術(shù)人才匱乏的問題也愈發(fā)突出。

從高校的角度看,一方面大量的科研任務(wù)需要依托于各實驗中心和實驗室來完成,另一方面實驗技術(shù)人員長期處于二等公民的角色(很多高校在實驗室工作的教職工是教輔身份,或者說是職工身份而非教師身份)。隨著實驗技術(shù)人員學(xué)歷的逐年提高,高校實驗隊伍的穩(wěn)定性問題變得尤為突出。高校實驗室大量引進(jìn)的先進(jìn)大型儀器迫切需要會管理、懂技術(shù)的高層次人才介入其實驗操作和管理環(huán)節(jié)。但同時由于實驗室工作普遍比較繁雜瑣碎,時間和精力投入多，但見效慢,所以很多新入職的青年教師并不樂意到實驗室工作,或者考慮個人的發(fā)展需要最終會設(shè)法轉(zhuǎn)到教學(xué)崗或科研崗。而在高校實驗室的定位上,雖然從國家層面看,高校實驗室特別是各重點實驗室是重要的科研和教學(xué)平臺,但從實際的實驗室管理和操作上看,往往學(xué)術(shù)層面的重點實驗室與實體實驗室存在分離現(xiàn)象,實驗技術(shù)人員和依托實驗室的科研人員實際上是高校實驗室的兩支隊伍。簡而言之就是實驗室的管理制度與實際的管理模式存在脫節(jié); 實驗技術(shù)隊伍與參與實驗室活動的科研教學(xué)人員在待遇和地位上存在顯著差異; 實驗技術(shù)研究與依托實驗技術(shù)的其他科研活動存在脫節(jié); 實驗教學(xué)與實驗研究難以得到有機(jī)統(tǒng)一。

從學(xué)科發(fā)展角度看,土木工程領(lǐng)域新材料、新結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用,重大工程、大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建設(shè),動力效應(yīng)、非線性力學(xué)行為的研究對結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的快速發(fā)展起到強(qiáng)大的推動作用:為了研究地震的多維多點場地效應(yīng)產(chǎn)生了多振動臺臺陣試驗技術(shù)(多振動臺的加速度同步控制成為一個重要的研究課題); 為了開展大型足尺結(jié)構(gòu)試驗的需要研發(fā)了萬噸級的多功能結(jié)構(gòu)試驗機(jī)(大型結(jié)構(gòu)試驗機(jī)因脆性試件破壞引發(fā)的振動問題及減振措施開始進(jìn)行深入研究)。同時結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)作為一個獨立的研究方向也在其自身發(fā)展規(guī)律引領(lǐng)下不斷產(chǎn)生突破:為了多個實驗室同時開展實驗的需要產(chǎn)生了基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程試驗技術(shù),但受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響,遠(yuǎn)程試驗的實時性、可靠性還有待檢驗; 在擬動力試驗技術(shù)的基礎(chǔ)上,為了簡化試驗設(shè)計,提高設(shè)備加載能力,發(fā)展了混合試驗技術(shù)(擬動力子結(jié)構(gòu)試驗等),但慢速加載的擬動力試驗無法考慮試件的“率相關(guān)”效應(yīng),并且集中力加載也與結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)存在差異; 為了提高擬動力試驗的加載速率,提出了快速擬動力試驗技術(shù); 為考慮阻尼等“率相關(guān)效應(yīng)”的影響發(fā)展了實時動力試驗技術(shù)(包括實時混合試驗、實時子結(jié)構(gòu)試驗、子結(jié)構(gòu)振動臺試驗等)。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和結(jié)構(gòu)模擬算法,虛擬仿真實驗技術(shù)在實驗教學(xué)和工程演示等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的研究熱點包括加載方式、閉環(huán)控制算法、數(shù)值積分算法、界面參數(shù)測量、子結(jié)構(gòu)拆分與人工邊界處理等,這些結(jié)構(gòu)試驗的新思路、新方法、新裝置有待和以結(jié)構(gòu)力學(xué)特征研究為目的的科研實驗相結(jié)合以得到檢驗和推廣。并且隨著智能技術(shù)的突破性發(fā)展,智能算法、智能設(shè)備(儀器儀表)、工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)試驗領(lǐng)域的潛在應(yīng)用也逐漸受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

2 解決方案

從國家層面看,“教授級高級實驗師”職稱的設(shè)立解決了實驗技術(shù)人員的職業(yè)上升空間問題,但目前尚未能有效解決實驗技術(shù)人員的身份定位問題。而所謂的身份問題確實是制約高校實驗技術(shù)隊伍穩(wěn)定發(fā)展的基本問題[21]。在實驗技術(shù)人員的學(xué)歷普遍提升的情況下,應(yīng)當(dāng)針對實驗系列人員的崗位職責(zé)、招聘與聘任、考核辦法等進(jìn)行與時俱進(jìn)的調(diào)整與完善。

作為實驗系統(tǒng)的管理者應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到,雖然大型先進(jìn)的儀器設(shè)備非常重要,但真正決定一個實驗室水平的不是機(jī)器而是人才,促進(jìn)結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)發(fā)展最為關(guān)鍵的要素就是擁有一支從事結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)研究的人才隊伍。由于各方面的原因,以往結(jié)構(gòu)實驗的從業(yè)人員大抵是一個學(xué)歷低、待遇低、地位低的群體,這個群體完成常規(guī)實驗可能沒有問題,開展實驗技術(shù)相關(guān)研究則有點吃力。以往結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)發(fā)展依賴于試驗機(jī)廠商的局面應(yīng)該予以改變,培養(yǎng)一批從事實驗技術(shù)研究的高層次實驗技術(shù)人員是我國結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)獲得快速發(fā)展甚至達(dá)到世界領(lǐng)先水平的關(guān)鍵。

決定實驗室水平的不是大型先進(jìn)設(shè)備而是實驗技術(shù)人才,結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的推動者應(yīng)該是一線的實驗技術(shù)人員。在各實驗室大力引進(jìn)高學(xué)歷人才的同時,應(yīng)當(dāng)著力營造一個適合實驗技術(shù)人員成長和發(fā)展的職業(yè)空間。一批具有多學(xué)科交叉知識背景,投身實驗室工作的青年學(xué)子將成為推動實驗技術(shù)發(fā)展的核心力量。而規(guī)范化的實驗室管理和相對寬松的人才環(huán)境(既要給實驗技術(shù)人員從事實驗技術(shù)研究的時間和資源,又要在考核辦法、崗位設(shè)置和職稱評審上有所傾斜)將是實驗室吸引和留住實驗技術(shù)人才的兩個重要條件。

制度健全、科學(xué)高效的實驗室管理將有利于穩(wěn)定實驗室技術(shù)骨干,有利于引進(jìn)高水平實驗技術(shù)人才,也能夠吸引其他教師參與實驗教學(xué)、大型儀器設(shè)備管理與試驗服務(wù)等實驗室活動。實驗室管理包括實驗管理、實驗室建設(shè)、團(tuán)隊建設(shè)和經(jīng)費管理等方面,根據(jù)已有的經(jīng)驗,在實驗管理上,推行實驗方案技術(shù)審批(由實驗技術(shù)人員負(fù)責(zé),只有通過方案審批的實驗申請才能進(jìn)入下一個流程)、實驗費用審批(由實驗室主任負(fù)責(zé))和網(wǎng)絡(luò)化實驗/試驗排隊系統(tǒng)是保證實驗質(zhì)量、提高實驗效率和實驗次序公平、公開的一種有效手段。在實驗室建設(shè)和設(shè)備采購上,要突出特色,做到“人無我有”,避免重復(fù)建設(shè),要與學(xué)科發(fā)展的需求相結(jié)合,避免盲目求新求大; 要選型、購買、使用和管理相結(jié)合,充分發(fā)揮設(shè)備效益。

在團(tuán)隊建設(shè)方面,要盡量人盡其才,要根據(jù)實驗室發(fā)展需要和個人專長營造實驗技術(shù)研究平臺,通過考核和待遇政策引導(dǎo)實驗技術(shù)人員的工作重心; 要為青年教師提供發(fā)展空間,定期進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)和技術(shù)交流。在實驗經(jīng)費管理方面,要制定容易測算、科學(xué)合理的收費標(biāo)準(zhǔn),要定期修訂、嚴(yán)格執(zhí)行、透明公開?？茖W(xué)合理的實驗收費標(biāo)準(zhǔn)可以提高實驗設(shè)備的使用效率,并且為實驗室儲備足夠的設(shè)備維修和研制的經(jīng)費。

作為一線的實驗技術(shù)人員,要特別處理好教學(xué)、科研、科研實驗、教學(xué)實驗、實驗技術(shù)開發(fā)的關(guān)系。實驗技術(shù)人員最好選擇與實驗技術(shù)開發(fā)相結(jié)合的研究方向,避免成為單純的設(shè)備操作員或者游離于科研之外的實驗室工作人員。選擇一個與實驗技術(shù)相結(jié)合的研究方向是個人快速成長的“捷徑”。負(fù)責(zé)實驗教學(xué)的實驗技術(shù)人員可以通過自制實驗教具、自制實驗設(shè)備來介入實驗技術(shù)研究; 負(fù)責(zé)科研實驗的技術(shù)人員可以從設(shè)備功能開發(fā)與改造、復(fù)雜實驗設(shè)計的角度開展實驗技術(shù)研究工作。學(xué)科專業(yè)需求是實驗技術(shù)發(fā)展的源動力,實驗技術(shù)研究要“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合,實驗技術(shù)研究的最終目標(biāo)是“產(chǎn)業(yè)化”。與結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的實驗技術(shù)研究離不開實驗室一線技術(shù)人員的參與,同時通過與設(shè)備廠家的合作,可以實現(xiàn)先進(jìn)理念、專業(yè)需求與先進(jìn)的設(shè)計制造工藝有機(jī)結(jié)合,在促進(jìn)實驗室技術(shù)水平提升的同時,也能夠促進(jìn)國內(nèi)結(jié)構(gòu)試驗設(shè)備的發(fā)展。

3 建議和倡議

目前兩年一次的“土木工程結(jié)構(gòu)試驗與檢測技術(shù)暨結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)研討會”為國內(nèi)的試驗研究人員、實驗技術(shù)研究人員、實驗教學(xué)人員、結(jié)構(gòu)試驗與檢測從業(yè)者和實驗室管理人員提供了一個寶貴的交流平臺。建議該研討會的主辦單位在研討會的基礎(chǔ)上,成立一個以促進(jìn)實驗室共享、合作和交流為目的的“土木類實驗室聯(lián)盟”。該聯(lián)盟可以參考“國家級實驗教學(xué)示范中心聯(lián)席會”的形式,整合和分享國內(nèi)的土木類實驗室的資源,定期進(jìn)行實驗室管理和技術(shù)人員的交流與合作,在國內(nèi)土木類實驗室的規(guī)劃、建設(shè)、管理上逐步形成一套可以分享的文檔(例如可以將各實驗室的管理制度、設(shè)備性能指標(biāo)、實驗收費制度等匯編成冊,形成促進(jìn)國內(nèi)土木類實驗室規(guī)范化的推動力量)。

在結(jié)構(gòu)分析計算、結(jié)構(gòu)試驗控制和采集領(lǐng)域存在著大量的商業(yè)軟件和研究者、實驗室開發(fā)的小軟件和小程序。由于在軟件知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)上的認(rèn)識偏差,國內(nèi)在專業(yè)軟件領(lǐng)域的開源軟件、自由軟件極為少見,一定程度上也制約了結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的發(fā)展。計算機(jī)軟件缺乏共享的后果就是各實驗室的軟件操作環(huán)境、數(shù)據(jù)格式各不相同,各實驗室存在大量重復(fù)性的軟件編制工作。如果能在“土木類實驗室聯(lián)盟”的推動下,開發(fā)和維護(hù)一個“結(jié)構(gòu)試驗軟件共享平臺”的網(wǎng)站,各實驗室既可以對各自擁有的商業(yè)軟件進(jìn)行宣傳介紹,又可以在互利互惠的基礎(chǔ)上形成自己的試驗軟件源代碼和程序的分享機(jī)制,可以極大地促進(jìn)國內(nèi)各實驗室的綜合技術(shù)實力的提升,也有利于新型結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的推廣和普及。

在各行各業(yè)持證上崗、技術(shù)認(rèn)證的大環(huán)境下,結(jié)構(gòu)實驗從業(yè)人員的技術(shù)(技能)培訓(xùn)和技術(shù)認(rèn)證已成為必然的趨勢。目前國內(nèi)的土木類實驗室一部分以市場服務(wù)為主,這類實驗室需要進(jìn)行CMA計量認(rèn)證、CAL審查認(rèn)可和CNAS實驗室認(rèn)可等,相關(guān)實驗操作人員在認(rèn)證過程中有對應(yīng)的從業(yè)資質(zhì)要求。另一部分以高校為主的土木類實驗室則以科研實驗和實驗教學(xué)為主,其實驗技術(shù)人員已逐步從技術(shù)工人轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔W(xué)歷群體。高學(xué)歷者的理論扎實,科研能力強(qiáng),但實際儀器設(shè)備操作能力普遍欠缺,也缺乏實驗室管理方面的經(jīng)驗。從提高實驗技術(shù)人員的綜合能力考慮,如果在“土木類實驗室聯(lián)盟”的推動下,定期開展全國范圍的“結(jié)構(gòu)試驗人員專業(yè)培訓(xùn)”,組織編制結(jié)構(gòu)實驗/試驗相關(guān)的實驗室管理規(guī)程、實驗技術(shù)培訓(xùn)教程,推動結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的技術(shù)認(rèn)證等工作,將對國內(nèi)結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的發(fā)展起到明顯的促進(jìn)作用。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)是土木工程學(xué)科的“支撐技術(shù)”,其相關(guān)研究在土木工程領(lǐng)域尚屬 “小眾”。一個領(lǐng)域的發(fā)展離不開國家、組織和科技工作者的共同努力,結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的發(fā)展需要依托于結(jié)構(gòu)實驗的相關(guān)研究者和實驗技術(shù)人員的共同推動。無論從宏觀層面還是專業(yè)角度看,國內(nèi)的結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)目前尚處于快速發(fā)展時期,通過對影響結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)發(fā)展的因素進(jìn)行分析,總結(jié)實驗室管理、團(tuán)隊建設(shè)、實驗技術(shù)研究等方面的經(jīng)驗和思路，有助于提高結(jié)構(gòu)實驗室管理和技術(shù)水平,有助于為結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造一個更好的環(huán)境。本文的研究工作也可供土木類院校的實驗室管理、實驗隊伍建設(shè)和實驗技術(shù)研究參考。

致謝:本文得到“工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點實驗室基金項目”和“國家留學(xué)基金”的部分資助,在此表示感謝。