武光磊

“石頭沒(méi)有一模一樣的，找不到也復(fù)制不出來(lái)，人類跟石頭打了幾千年交道。在現(xiàn)代，你可以用分子動(dòng)力學(xué)去分析石墨烯和納米碳管這些高精尖材料，很多時(shí)候卻還是拿石頭一點(diǎn)辦法沒(méi)有！”河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院教授張一鳴饒有趣味地說(shuō)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(fèi)上億年時(shí)間才形成的東西打交道。如果利用得當(dāng)，自然造物比人造之物性價(jià)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(huì)相當(dāng)可怕。”

多年來(lái)，張一鳴一直從事多孔介質(zhì)多相多場(chǎng)強(qiáng)耦合分析、含缺陷脆性材料復(fù)雜裂縫擴(kuò)展分析以及巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限分析等領(lǐng)域的研究。九層之臺(tái)，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(duì)于土木工程學(xué)科來(lái)說(shuō)可算是一類基礎(chǔ)的存在。

科學(xué)家與工程師：夢(mèng)想的旅程

張一鳴從小就希望成為一名科學(xué)家與工程師，他認(rèn)為，科學(xué)家與工程師，一個(gè)擅長(zhǎng)提出問(wèn)題，一個(gè)擅長(zhǎng)解決問(wèn)題，這是一種完美的結(jié)合。這一個(gè)夢(mèng)想也一直伴隨著他的成長(zhǎng)之路。

張一鳴

張一鳴在上海出生長(zhǎng)大，讀初中時(shí)，每天都會(huì)路過(guò)同濟(jì)大學(xué)，從那時(shí)開始就對(duì)同濟(jì)大學(xué)有著深厚的感情，填報(bào)志愿時(shí)第一志愿就填寫了同濟(jì)大學(xué)土木工程系。最終他如愿以償，在同濟(jì)大學(xué)度過(guò)了7年的本碩歲月。

“我們當(dāng)時(shí)大三選方向時(shí)，大多數(shù)同學(xué)還是選擇了地上建筑結(jié)構(gòu)。我那會(huì)兒就覺(jué)得地底下的東西看不見摸不著，還有點(diǎn)說(shuō)不準(zhǔn)，應(yīng)該會(huì)有更多有趣的問(wèn)題吧?！睆堃圾Q回憶起十多年前的選擇，十分感慨。跟地下結(jié)構(gòu)打交道，有更多的問(wèn)題也帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。碩士研究生階段，導(dǎo)師袁勇教授給了他極大的支持和幫助。每當(dāng)研究中遇到難題，袁老師總會(huì)給他圈出關(guān)鍵點(diǎn)，讓他自己去獨(dú)立思考和解決問(wèn)題。這種啟發(fā)式的教育方式極大地提高了他在科研上的探索和創(chuàng)新能力，也逐漸培養(yǎng)了他作為一名青年科研工作者的思考方式?！霸蠋煹膶W(xué)生都像他，我們都保持著溫和謙遜，重視學(xué)習(xí)過(guò)程中的啟發(fā)與靈感因素，強(qiáng)調(diào)‘指方向’必須優(yōu)先于‘帶路走’?！睆堃圾Q說(shuō)著，飽含感激。

碩士畢業(yè)后，經(jīng)過(guò)袁老師的推薦，張一鳴前往奧地利維也納科技大學(xué)結(jié)構(gòu)與材料工程學(xué)院，師從計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域泰斗奧地利科學(xué)院前院長(zhǎng)Herbert A. Mang教授攻讀博士學(xué)位。Mang教授是奧地利科學(xué)院前院長(zhǎng)，擁有20國(guó)及地區(qū)工程院及科學(xué)院院士頭銜（包括中國(guó)工程院外籍院士），有一顆小行星以他的名字命名。他嚴(yán)謹(jǐn)專注的治學(xué)風(fēng)格給張一鳴留下了深刻的烙印。在張一鳴看來(lái)，德語(yǔ)區(qū)的人做事有一種秩序感，總是把某件事拆分成幾個(gè)步驟，如果某步驟存在問(wèn)題或過(guò)于復(fù)雜，就必須繼續(xù)將它再拆成子步驟解決，一旦錯(cuò)過(guò)了某一步，即使已經(jīng)到達(dá)了下一步，也得再繞回去檢查?！斑@種秩序感對(duì)科研工作有很大幫助，因?yàn)樗^科研，時(shí)常需要探究未知，如果太強(qiáng)調(diào)目的，有時(shí)錯(cuò)過(guò)了某些步驟仍然到達(dá)了既定目標(biāo)。但其實(shí)錯(cuò)過(guò)的不僅僅是步驟，也是很多可能性，因?yàn)槟切┎襟E也許會(huì)引導(dǎo)你走向某種未知。”張一鳴沉思后說(shuō)道。

張一鳴博士在讀期間，Herbert A.Mang教授每隔兩周都會(huì)要求他提交書面總結(jié)同時(shí)口頭匯報(bào)，時(shí)間嚴(yán)格限制為30分鐘，要求他陳述已經(jīng)解決和仍需要面對(duì)的問(wèn)題?！澳欠N緊張感現(xiàn)在想起來(lái)依舊印象深刻，教授會(huì)冷不防問(wèn)一些問(wèn)題，我有時(shí)答不出來(lái)滿頭大汗，他不笑的時(shí)候氣場(chǎng)好強(qiáng)呢。”張一鳴笑著說(shuō)道，“那些書面總結(jié)他會(huì)加一些批注然后簽字，拿回去看感覺(jué)都是寶貝，很多意見都非常有啟發(fā)性?！备SMang教授，張一鳴參與了大量研究和工程實(shí)踐，最終以“Sehr Gut”（極好）的成績(jī)通過(guò)博士答辯。然后他繼續(xù)在奧地利和德國(guó)進(jìn)行科研工作，度過(guò)了8年歲月。

一個(gè)閉環(huán)：模型的簡(jiǎn)單、復(fù)雜、再簡(jiǎn)化之路

在碩士研究生期間，張一鳴對(duì)早齡期混凝土進(jìn)行了研究?；炷翝仓髸?huì)放熱膨脹，拆膜后表面又會(huì)干燥收縮，還有自收縮、徐變等效應(yīng)，這些復(fù)雜效應(yīng)都跟混凝土內(nèi)部的小孔隙密切相關(guān)，如何精確模擬預(yù)測(cè)這些過(guò)程深深吸引著他。后來(lái)前往奧地利攻讀博士學(xué)位時(shí)，他又開始對(duì)火災(zāi)條件下混凝土展開了研究。奧地利是一個(gè)多山的內(nèi)陸國(guó)家，有大量山嶺隧道，由于早期設(shè)計(jì)規(guī)范并未充分考慮高溫下混凝土的爆裂效應(yīng)，火災(zāi)事故對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性造成了嚴(yán)重的威脅。為了解決這一安全隱患，奧地利交通運(yùn)輸部聯(lián)合奧地利鐵路公司及FCP工程咨詢公司等企業(yè)，將“火災(zāi)下隧道與地下結(jié)構(gòu)性能分析”作為國(guó)家安全項(xiàng)目KIRAS子項(xiàng)開展研究，從2009年開始，張一鳴作為唯一的中國(guó)人參與到項(xiàng)目組中，語(yǔ)言交流能力、研究經(jīng)驗(yàn)和科研水平得到了迅速提升。

“很多時(shí)候高溫下的混凝土可以近似認(rèn)為是早齡期混凝土的逆反應(yīng)，前者分解，后者水化，這是數(shù)值研究的魅力之一，你可以讓整個(gè)反應(yīng)過(guò)程逆轉(zhuǎn)，仿佛時(shí)光倒流?！睆堃圾Q回想著這段時(shí)期的研究經(jīng)驗(yàn)，若有所思地說(shuō)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(dǎo)致壓力上升，就跟微型高壓鍋似的。過(guò)程看上去很簡(jiǎn)單，但是又跟很多因素相關(guān)，水吸熱氣化后會(huì)再凝結(jié)放熱，一些微孔會(huì)快速干燥，另一些反而會(huì)變浸潤(rùn)。這是一個(gè)揭示簡(jiǎn)單現(xiàn)象背后復(fù)雜機(jī)理的過(guò)程，需要一種科學(xué)家精神?！?013年和2014年，張一鳴作為第一作者署名的兩篇論文發(fā)表在結(jié)構(gòu)分析國(guó)際權(quán)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(jié)構(gòu)的爆裂風(fēng)險(xiǎn)。文章后來(lái)得到了多物理場(chǎng)耦合分析領(lǐng)域權(quán)威專家Bernhard Schrefler教授以及混凝土結(jié)構(gòu)分析專家Anthony Jefferson教授等國(guó)際知名學(xué)者多次引用。

為研究生講解破裂單元法的等效裂縫長(zhǎng)度計(jì)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(huì)議討論中，張一鳴敏銳地發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)強(qiáng)耦合模型在工程應(yīng)用中存在“不接地氣”的缺陷?！澳Ｐ秃芎?，很完整，考慮了各種因素，但是它太復(fù)雜，解起來(lái)很費(fèi)時(shí)間，工程人員不喜歡，這時(shí)候需要工程師精神，將復(fù)雜模型簡(jiǎn)化，讓它更好地服務(wù)實(shí)踐?！睆堃圾Q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(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)模型。基于該方法評(píng)估高溫下隧道襯砌爆裂風(fēng)險(xiǎn)，工程人員無(wú)須復(fù)雜計(jì)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(biāo)，得到的結(jié)果不僅與復(fù)雜強(qiáng)耦合模型獲得的結(jié)果接近，而且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。這一成果再次被發(fā)表于Engineering Structures上。同時(shí)，這一套快速評(píng)估方法也得到了工程人員的認(rèn)可，曾經(jīng)任職FCP公司高級(jí)工程師及德國(guó)Dr.Binnewies工程咨詢公司CEO、有著多年工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的Matthias Zeiml博士認(rèn)為，此計(jì)算流程所用策略極為巧妙，充分把握了高溫下隧道襯砌結(jié)構(gòu)特征與內(nèi)部相變、孔壓演化過(guò)程，將復(fù)雜煩瑣、無(wú)法總結(jié)規(guī)律的結(jié)構(gòu)爆裂風(fēng)險(xiǎn)以簡(jiǎn)潔實(shí)用的模型表達(dá)，充分結(jié)合基礎(chǔ)理論分析、數(shù)值分析計(jì)算與實(shí)際工程實(shí)踐研究方法，最終幫助工程師真正實(shí)現(xiàn)了“快速”評(píng)估隧道襯砌高溫下爆裂風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。

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(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程中，張一鳴逐漸進(jìn)入了另一個(gè)相關(guān)領(lǐng)域，即不連續(xù)數(shù)值分析?！安贿B續(xù)在數(shù)學(xué)上很麻煩，函數(shù)不連續(xù)意味著有跳躍，無(wú)法求導(dǎo)，而工程中最典型、最直觀的不連續(xù)就是裂縫和斷裂了，也是很麻煩的東西，會(huì)影響結(jié)構(gòu)性能?！睆堃圾Q講起這個(gè)主題興奮地說(shuō)道，“很多計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域大師都研究過(guò)不連續(xù)現(xiàn)象，像是提出非連續(xù)變形分析和數(shù)值流行方法的石根華老師，創(chuàng)造擴(kuò)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(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域就像進(jìn)入了一個(gè)大家庭，與大師們同行，又像進(jìn)入了一大片森林，需要追尋前輩們的足跡同時(shí)又走出自己的新路。”研究中，張一鳴關(guān)注到了內(nèi)嵌不連續(xù)方法，內(nèi)嵌不連續(xù)是一類用連續(xù)框架描述不連續(xù)的方法，它可以基于現(xiàn)有框架再構(gòu)造，非常適用于工程應(yīng)用。

“內(nèi)嵌不連續(xù)方法中，有一種基于靜力對(duì)稱優(yōu)化的模型，它1988年被Belytschko院士提出來(lái)，是一種非常出名的模型，之所以出名不是因?yàn)樗貏e好，而是因?yàn)樗膰?yán)重應(yīng)力鎖死問(wèn)題，一直都被拿來(lái)當(dāng)反面典型，被很多人認(rèn)為是死路?！睆堃圾Q想先嘗試其他方案，他向Mang教授匯報(bào)，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(jié)果，相信他人的專長(zhǎng)，懷疑他人的結(jié)論，前人說(shuō)這個(gè)模型存在問(wèn)題走不通，此時(shí)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(jīng)驗(yàn)。

在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)一年的鉆研與嘗試，張一鳴創(chuàng)造性地提出了一種無(wú)應(yīng)力鎖死的靜力對(duì)稱優(yōu)化內(nèi)嵌不連續(xù)模型，這是二十幾年來(lái)這個(gè)問(wèn)題首次得到解決。最終成果發(fā)表在計(jì)算力學(xué)國(guó)際頂級(jí)期刊Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering上，文中多個(gè)結(jié)論被加泰羅尼亞大學(xué)計(jì)算力學(xué)國(guó)際權(quán)威Miguel Cervera教授在綜述性雜志中多次引用，理論價(jià)值極高，而這僅僅是一個(gè)開始。

團(tuán)隊(duì)合影

2016年，張一鳴從奧地利前往德國(guó)漢諾威，加入了由莊曉瑩教授帶領(lǐng)的課題組?！扒f老師年紀(jì)跟我差不多，但是她已經(jīng)是課題負(fù)責(zé)人了，她在計(jì)算力學(xué)和不連續(xù)數(shù)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(dǎo)下，張一鳴進(jìn)一步發(fā)展了靜力對(duì)稱優(yōu)化的內(nèi)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(zhǎng)裂縫模型，無(wú)須裂縫追蹤，可以用一類模型同時(shí)模擬裂縫的萌生和擴(kuò)展。以破裂單元法為基礎(chǔ)，近年來(lái)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(guó)際期刊Finite Elements in Analysis and Design，斷裂力學(xué)研究國(guó)際期刊Engineering Fracture Mechanics以及Theoretical and Applied Fracture Mechanics，計(jì)算力學(xué)國(guó)際頂級(jí)期刊International Journal for Numerical Methods in Engineering等雜志上發(fā)表了近十篇論文，體現(xiàn)了這種嶄新方法的潛力和性能，而如果沒(méi)有一開始的懷疑與相信，這一切可能都不會(huì)發(fā)生。

幾何的樂(lè)趣：提出“多切片三維裂面優(yōu)化法”

2007年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的Matthew Gilbert教授提出了一種裂面優(yōu)化方法，可以快速求解結(jié)構(gòu)的極限上限解。張一鳴在奧地利因斯布魯克大學(xué)研究期間首次接觸到了這種方法?！暗谝淮慰匆娺@個(gè)方法，感覺(jué)就像在變魔術(shù)，明明這種方法最早是計(jì)算桁架最優(yōu)解用的，竟然也可以算連續(xù)體極限解，真是不可思議?！睆堃圾Q回憶起那時(shí)的感覺(jué)，一種佩服的神情溢于言表。他當(dāng)時(shí)查閱了大量中文文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)這種方法在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)研究成果，也缺少合適的中文文獻(xiàn)。他希望能夠盡快掌握并發(fā)展這一方法，將來(lái)帶回國(guó)，在國(guó)內(nèi)推廣它的應(yīng)用并服務(wù)工程建設(shè)。

在研究過(guò)程中，他發(fā)現(xiàn)，這一方法在求解三維問(wèn)題時(shí)存在計(jì)算效率、精度較低的現(xiàn)象，嚴(yán)重限制其應(yīng)用，相關(guān)研究也進(jìn)展緩慢，當(dāng)時(shí)全世界僅有一篇英文雜志論文涉及到三維裂面優(yōu)化方法，成果同樣來(lái)源于Gilbert研究組。從2015年到2016年一年多的時(shí)間里，張一鳴全身心投入到三維裂面優(yōu)化法的研究，期間卻一篇論文也沒(méi)有發(fā)表，壓力很大，他絞盡腦汁，將三維問(wèn)題拆解成了多個(gè)幾何學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題，并在因斯布魯克大學(xué)其他學(xué)院得到了跨學(xué)科專家的幫助，最終，他從一個(gè)叫“水果忍者”的游戲中得到了啟發(fā)，提出了多切片三維裂面優(yōu)化法?！澳翘炜匆妱e人在iPad上玩游戲，用手指滑過(guò)，一個(gè)個(gè)水果被切開了，感覺(jué)很有意思，像柯南一樣腦中滑過(guò)一道火花。”張一鳴回想起那種興奮感，像個(gè)孩子一樣笑了。

與已發(fā)表的結(jié)果相比，他的新模型大幅提高了傳統(tǒng)三維裂面優(yōu)化法的計(jì)算效率與精度，相關(guān)成果發(fā)表于巖土計(jì)算力學(xué)國(guó)際頂尖期刊International Journal for Numerical and Analytical Method in Geomechanics，成為至今世界范圍內(nèi)討論三維裂面優(yōu)化法僅有的兩篇期刊論文中的一篇。裂面優(yōu)化方法創(chuàng)始人Gilbert教授閱讀該文獻(xiàn)后，認(rèn)為他的方法極有創(chuàng)新意義，大幅拓展了裂面優(yōu)化法的應(yīng)用范圍。

之后經(jīng)過(guò)與莊曉瑩教授、Mang教授合作，張一鳴又發(fā)表了多篇裂面優(yōu)化法相關(guān)研究論文，將該方法應(yīng)用于淺埋隧道穩(wěn)定性分析以及受火隧道結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域。2019年，張一鳴在中文期刊《隧道與地下工程災(zāi)害防治》上發(fā)表了綜述性論文“裂面優(yōu)化法在巖土及隧道工程中的應(yīng)用研究”，開始實(shí)現(xiàn)將這一方法帶回祖國(guó)的夢(mèng)想。

繼續(xù)前行：找到問(wèn)題，解決問(wèn)題

“人生經(jīng)常會(huì)遇到有很多挫折，會(huì)有很多糾結(jié)，有時(shí)我就會(huì)想起‘鋰電池之父’古迪納夫讀博時(shí)他的導(dǎo)師對(duì)他說(shuō)的話：‘此刻只有兩件事要做：一是找一個(gè)問(wèn)題，二是解決這個(gè)問(wèn)題?！@樣人生就變得簡(jiǎn)單了?！痹趪?guó)外讀博及從事研究工作超過(guò)8年后，張一鳴覺(jué)得，雖然學(xué)海無(wú)涯，但是是時(shí)候回來(lái)報(bào)效祖國(guó)了，將學(xué)到的方法用到祖國(guó)工程建設(shè)中，也為祖國(guó)培養(yǎng)更多年輕人，一起找到更多問(wèn)題，解決更多問(wèn)題。2017年，張一鳴回到國(guó)內(nèi)，加入了河北工業(yè)大學(xué)。

在奧地利與德國(guó)參與過(guò)多個(gè)科研項(xiàng)目，讓張一鳴在多相多物理場(chǎng)耦合分析以及復(fù)雜裂縫擴(kuò)展分析領(lǐng)域積累了一定的研究經(jīng)驗(yàn)與成果?；貒?guó)以后，針對(duì)我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)以及能源領(lǐng)域重大需求，他與團(tuán)隊(duì)一起，在公路隧道抗火性能評(píng)估、巖體邊坡穩(wěn)定性分析、頁(yè)巖氣壓裂開采等領(lǐng)域開展研究，分析裂隙巖體內(nèi)的能量、物質(zhì)遷移過(guò)程，以及多物理場(chǎng)耦合過(guò)程與巖體多尺度破裂之間的作用機(jī)理。

“中國(guó)在土木工程上的研究領(lǐng)先于全球。但是由于地質(zhì)條件復(fù)雜，工程結(jié)構(gòu)的深、高、長(zhǎng)、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(zhàn)，從另一方面說(shuō)，恰恰因?yàn)槲覀冾I(lǐng)先，我們沒(méi)有很多現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可以參考?！睆堃圾Q認(rèn)為，人類跟已經(jīng)形成幾億年的巖石、沙土打了幾千年交道，對(duì)于它們的了解卻還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，土木工程學(xué)科的發(fā)展仍在不斷向前推進(jìn)，還遠(yuǎn)沒(méi)有止境。

如今在大學(xué)里，張一鳴也將自己的科研思維與學(xué)習(xí)方法傳授給自己的學(xué)生。他認(rèn)為做科研是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，如同爬一座山，你可以沿著前人走過(guò)的路繼續(xù)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(jiān)持過(guò)了半山腰，看清了自己走過(guò)的曲折小徑和寬闊敞路，最終也會(huì)逐漸望見未來(lái)那光明而有趣的大道。