促进国内结构实验技术发展的若干思考

纪金豹

(北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室, 北京 100124)

实验技术是推动现代科技发展的重要手段。在土木工程领域,结构实验技术对于学科的推动作用是显而易见的,并已成为土木工程学科一个特殊的研究方向。结构实验技术促进了土木工程各个领域的快速发展,也在教育教学中发挥了不可或缺的作用。由于土木工程所涉及建筑材料、基本构件和结构形式的门类繁多,工程结构所处的自然环境和所受到的各种荷载和作用也复杂多样(超低温、老化、重力场、火灾、风场、地震等环境及其作用的实验模拟涉及众多学科的综合运用),客观上导致结构实验所涉及研究范畴和相关内容极为广泛。结构实验的相关研究不仅需要土木工程和工程力学相关学科的专业背景,也大量应用到机械、液压、电子、信息、控制、传感器、精密仪器、计算机等学科的专业知识。目前国内在实验室管理[1-8]、实验队伍建设[9-17]、实验人员考核和职称评定[11, 18-21]、实验教学改革[20, 22-24]、实验技术开发[25-28]等相关领域有一些研究和文献报道,但是缺少针对结构实验技术的专门研究和讨论。因此,本文结合国内外结构实验技术的研究现状,围绕影响结构实验技术发展的热点问题,结合作者在土木类实验室管理、振动台试验技术研究和虚拟实验中心建设中的经验,针对实验室建设与管理、实验人才培养与团队建设、设备采购与选型、实验收费办法等问题进行了分析并给出了自己的解决方案,针对结构试验领域的交流与合作提出成立“土木类实验室联盟”、建立“结构试验软件共享平台”、开展 “结构试验人员专业培训”等实用性建议。

1 热点问题分析

制约结构实验技术发展的因素很多,例如国际上的研究热点的转换、国内的科技与人才导向、社会经济发展速度、国内外仪器设备制造水平、计算机控制等相关学科的突破、上级主管的政策引导、实验技术人员的职业定位、理论与实验研究的竞争和协作等都会对一定区域的结构实验技术的发展产生影响。从高校和研究机构的角度来看,任何单位和机构都希望拥有一个具有先进仪器设备的实验平台,同时拥有一支高水平的实验管理和技术支持队伍。在充分发挥现有仪器设备功能的基础上,拥有一支根据专业需求推动结构实验技术发展的实验技术研究队伍应当是重点实验室的基本特征之一。

然而,国内各土木类实验室的情况却并不容乐观:有的实验室由于场地限制而无法进一步发展; 有的由于缺少采购和维修经费导致设备年久失修; 有的购买了成套设备却因无人操作而长期闲置; 有的实验室由于管理不善、技术落后等原因无法承担复杂试验; 有的实验室由于缺乏科研支持而只能开展演示性教学实验; 有的实验室由于实验操作人员匮乏而处于半停工状态。随着国内在教育、科研领域的持续资金投入,绝大多数国内土木类实验室的软硬件条件有了大幅度的改善,同时实验技术落后、实验技术人才匮乏的问题也愈发突出。

从高校的角度看,一方面大量的科研任务需要依托于各实验中心和实验室来完成,另一方面实验技术人员长期处于二等公民的角色(很多高校在实验室工作的教职工是教辅身份,或者说是职工身份而非教师身份)。随着实验技术人员学历的逐年提高,高校实验队伍的稳定性问题变得尤为突出。高校实验室大量引进的先进大型仪器迫切需要会管理、懂技术的高层次人才介入其实验操作和管理环节。但同时由于实验室工作普遍比较繁杂琐碎,时间和精力投入多，但见效慢,所以很多新入职的青年教师并不乐意到实验室工作,或者考虑个人的发展需要最终会设法转到教学岗或科研岗。而在高校实验室的定位上,虽然从国家层面看,高校实验室特别是各重点实验室是重要的科研和教学平台,但从实际的实验室管理和操作上看,往往学术层面的重点实验室与实体实验室存在分离现象,实验技术人员和依托实验室的科研人员实际上是高校实验室的两支队伍。简而言之就是实验室的管理制度与实际的管理模式存在脱节; 实验技术队伍与参与实验室活动的科研教学人员在待遇和地位上存在显著差异; 实验技术研究与依托实验技术的其他科研活动存在脱节; 实验教学与实验研究难以得到有机统一。

从学科发展角度看,土木工程领域新材料、新结构形式的应用,重大工程、大型复杂结构的建设,动力效应、非线性力学行为的研究对结构实验技术的快速发展起到强大的推动作用:为了研究地震的多维多点场地效应产生了多振动台台阵试验技术(多振动台的加速度同步控制成为一个重要的研究课题); 为了开展大型足尺结构试验的需要研发了万吨级的多功能结构试验机(大型结构试验机因脆性试件破坏引发的振动问题及减振措施开始进行深入研究)。同时结构实验技术作为一个独立的研究方向也在其自身发展规律引领下不断产生突破:为了多个实验室同时开展实验的需要产生了基于互联网的远程试验技术,但受网络环境的影响,远程试验的实时性、可靠性还有待检验; 在拟动力试验技术的基础上,为了简化试验设计,提高设备加载能力,发展了混合试验技术(拟动力子结构试验等),但慢速加载的拟动力试验无法考虑试件的“率相关”效应,并且集中力加载也与结构的实际受力状态存在差异; 为了提高拟动力试验的加载速率,提出了快速拟动力试验技术; 为考虑阻尼等“率相关效应”的影响发展了实时动力试验技术(包括实时混合试验、实时子结构试验、子结构振动台试验等)。

基于虚拟现实技术和结构模拟算法,虚拟仿真实验技术在实验教学和工程演示等领域得到了成功的应用。结构实验技术的研究热点包括加载方式、闭环控制算法、数值积分算法、界面参数测量、子结构拆分与人工边界处理等,这些结构试验的新思路、新方法、新装置有待和以结构力学特征研究为目的的科研实验相结合以得到检验和推广。并且随着智能技术的突破性发展,智能算法、智能设备(仪器仪表)、工业机器人在结构试验领域的潜在应用也逐渐受到学术界的关注。

2 解决方案

从国家层面看,“教授级高级实验师”职称的设立解决了实验技术人员的职业上升空间问题,但目前尚未能有效解决实验技术人员的身份定位问题。而所谓的身份问题确实是制约高校实验技术队伍稳定发展的基本问题[21]。在实验技术人员的学历普遍提升的情况下,应当针对实验系列人员的岗位职责、招聘与聘任、考核办法等进行与时俱进的调整与完善。

作为实验系统的管理者应当认识到,虽然大型先进的仪器设备非常重要,但真正决定一个实验室水平的不是机器而是人才,促进结构实验技术发展最为关键的要素就是拥有一支从事结构实验技术研究的人才队伍。由于各方面的原因,以往结构实验的从业人员大抵是一个学历低、待遇低、地位低的群体,这个群体完成常规实验可能没有问题,开展实验技术相关研究则有点吃力。以往结构实验技术发展依赖于试验机厂商的局面应该予以改变,培养一批从事实验技术研究的高层次实验技术人员是我国结构实验技术获得快速发展甚至达到世界领先水平的关键。

决定实验室水平的不是大型先进设备而是实验技术人才,结构实验技术的推动者应该是一线的实验技术人员。在各实验室大力引进高学历人才的同时,应当着力营造一个适合实验技术人员成长和发展的职业空间。一批具有多学科交叉知识背景,投身实验室工作的青年学子将成为推动实验技术发展的核心力量。而规范化的实验室管理和相对宽松的人才环境(既要给实验技术人员从事实验技术研究的时间和资源,又要在考核办法、岗位设置和职称评审上有所倾斜)将是实验室吸引和留住实验技术人才的两个重要条件。

制度健全、科学高效的实验室管理将有利于稳定实验室技术骨干,有利于引进高水平实验技术人才,也能够吸引其他教师参与实验教学、大型仪器设备管理与试验服务等实验室活动。实验室管理包括实验管理、实验室建设、团队建设和经费管理等方面,根据已有的经验,在实验管理上,推行实验方案技术审批(由实验技术人员负责,只有通过方案审批的实验申请才能进入下一个流程)、实验费用审批(由实验室主任负责)和网络化实验/试验排队系统是保证实验质量、提高实验效率和实验次序公平、公开的一种有效手段。在实验室建设和设备采购上,要突出特色,做到“人无我有”,避免重复建设,要与学科发展的需求相结合,避免盲目求新求大; 要选型、购买、使用和管理相结合,充分发挥设备效益。

在团队建设方面,要尽量人尽其才,要根据实验室发展需要和个人专长营造实验技术研究平台,通过考核和待遇政策引导实验技术人员的工作重心; 要为青年教师提供发展空间,定期进行专业培训和技术交流。在实验经费管理方面,要制定容易测算、科学合理的收费标准,要定期修订、严格执行、透明公开。科学合理的实验收费标准可以提高实验设备的使用效率,并且为实验室储备足够的设备维修和研制的经费。

作为一线的实验技术人员,要特别处理好教学、科研、科研实验、教学实验、实验技术开发的关系。实验技术人员最好选择与实验技术开发相结合的研究方向,避免成为单纯的设备操作员或者游离于科研之外的实验室工作人员。选择一个与实验技术相结合的研究方向是个人快速成长的“捷径”。负责实验教学的实验技术人员可以通过自制实验教具、自制实验设备来介入实验技术研究; 负责科研实验的技术人员可以从设备功能开发与改造、复杂实验设计的角度开展实验技术研究工作。学科专业需求是实验技术发展的源动力,实验技术研究要“产学研”相结合,实验技术研究的最终目标是“产业化”。与结构分析相关的实验技术研究离不开实验室一线技术人员的参与,同时通过与设备厂家的合作,可以实现先进理念、专业需求与先进的设计制造工艺有机结合,在促进实验室技术水平提升的同时,也能够促进国内结构试验设备的发展。

3 建议和倡议

目前两年一次的“土木工程结构试验与检测技术暨结构实验教学研讨会”为国内的试验研究人员、实验技术研究人员、实验教学人员、结构试验与检测从业者和实验室管理人员提供了一个宝贵的交流平台。建议该研讨会的主办单位在研讨会的基础上,成立一个以促进实验室共享、合作和交流为目的的“土木类实验室联盟”。该联盟可以参考“国家级实验教学示范中心联席会”的形式,整合和分享国内的土木类实验室的资源,定期进行实验室管理和技术人员的交流与合作,在国内土木类实验室的规划、建设、管理上逐步形成一套可以分享的文档(例如可以将各实验室的管理制度、设备性能指标、实验收费制度等汇编成册,形成促进国内土木类实验室规范化的推动力量)。

在结构分析计算、结构试验控制和采集领域存在着大量的商业软件和研究者、实验室开发的小软件和小程序。由于在软件知识产权保护上的认识偏差,国内在专业软件领域的开源软件、自由软件极为少见,一定程度上也制约了结构实验技术的发展。计算机软件缺乏共享的后果就是各实验室的软件操作环境、数据格式各不相同,各实验室存在大量重复性的软件编制工作。如果能在“土木类实验室联盟”的推动下,开发和维护一个“结构试验软件共享平台”的网站,各实验室既可以对各自拥有的商业软件进行宣传介绍,又可以在互利互惠的基础上形成自己的试验软件源代码和程序的分享机制,可以极大地促进国内各实验室的综合技术实力的提升,也有利于新型结构实验技术的推广和普及。

在各行各业持证上岗、技术认证的大环境下,结构实验从业人员的技术(技能)培训和技术认证已成为必然的趋势。目前国内的土木类实验室一部分以市场服务为主,这类实验室需要进行CMA计量认证、CAL审查认可和CNAS实验室认可等,相关实验操作人员在认证过程中有对应的从业资质要求。另一部分以高校为主的土木类实验室则以科研实验和实验教学为主,其实验技术人员已逐步从技术工人转变为高学历群体。高学历者的理论扎实,科研能力强,但实际仪器设备操作能力普遍欠缺,也缺乏实验室管理方面的经验。从提高实验技术人员的综合能力考虑,如果在“土木类实验室联盟”的推动下,定期开展全国范围的“结构试验人员专业培训”,组织编制结构实验/试验相关的实验室管理规程、实验技术培训教程,推动结构实验技术的技术认证等工作,将对国内结构实验技术的发展起到明显的促进作用。

4 结语

结构实验技术是土木工程学科的“支撑技术”,其相关研究在土木工程领域尚属 “小众”。一个领域的发展离不开国家、组织和科技工作者的共同努力,结构实验技术的发展需要依托于结构实验的相关研究者和实验技术人员的共同推动。无论从宏观层面还是专业角度看,国内的结构实验技术目前尚处于快速发展时期,通过对影响结构实验技术发展的因素进行分析,总结实验室管理、团队建设、实验技术研究等方面的经验和思路，有助于提高结构实验室管理和技术水平,有助于为结构实验技术的发展创造一个更好的环境。本文的研究工作也可供土木类院校的实验室管理、实验队伍建设和实验技术研究参考。

致谢:本文得到“工程抗震与结构诊治北京市重点实验室基金项目”和“国家留学基金”的部分资助,在此表示感谢。