张一鸣：土木工程科研仍无止境

武光磊

“石头没有一模一样的，找不到也复制不出来，人类跟石头打了几千年交道。在现代，你可以用分子动力学去分析石墨烯和纳米碳管这些高精尖材料，很多时候却还是拿石头一点办法没有！”河北工业大学土木与交通学院教授张一鸣饶有趣味地说道，“人类要修桥造路，开山穿隧，不得不跟岩石、沙土这些自然界花费上亿年时间才形成的东西打交道。如果利用得当，自然造物比人造之物性价比高百倍不止，可是若稍有不慎，自然界那摧枯拉朽的力量也会相当可怕。”

多年来，张一鸣一直从事多孔介质多相多场强耦合分析、含缺陷脆性材料复杂裂缝扩展分析以及岩土结构稳定性极限分析等领域的研究。九层之台，起于垒土；合抱之木，生于毫末。与他所研究的地下与岩土工程一样，虽然看不见摸不着，他的工作对于土木工程学科来说可算是一类基础的存在。

科学家与工程师：梦想的旅程

张一鸣从小就希望成为一名科学家与工程师，他认为，科学家与工程师，一个擅长提出问题，一个擅长解决问题，这是一种完美的结合。这一个梦想也一直伴随着他的成长之路。

张一鸣

张一鸣在上海出生长大，读初中时，每天都会路过同济大学，从那时开始就对同济大学有着深厚的感情，填报志愿时第一志愿就填写了同济大学土木工程系。最终他如愿以偿，在同济大学度过了7年的本硕岁月。

“我们当时大三选方向时，大多数同学还是选择了地上建筑结构。我那会儿就觉得地底下的东西看不见摸不着，还有点说不准，应该会有更多有趣的问题吧。”张一鸣回忆起十多年前的选择，十分感慨。跟地下结构打交道，有更多的问题也带来了更多的挑战。硕士研究生阶段，导师袁勇教授给了他极大的支持和帮助。每当研究中遇到难题，袁老师总会给他圈出关键点，让他自己去独立思考和解决问题。这种启发式的教育方式极大地提高了他在科研上的探索和创新能力，也逐渐培养了他作为一名青年科研工作者的思考方式。“袁老师的学生都像他，我们都保持着温和谦逊，重视学习过程中的启发与灵感因素，强调‘指方向’必须优先于‘带路走’。”张一鸣说着，饱含感激。

硕士毕业后，经过袁老师的推荐，张一鸣前往奥地利维也纳科技大学结构与材料工程学院，师从计算力学领域泰斗奥地利科学院前院长Herbert A. Mang教授攻读博士学位。Mang教授是奥地利科学院前院长，拥有20国及地区工程院及科学院院士头衔（包括中国工程院外籍院士），有一颗小行星以他的名字命名。他严谨专注的治学风格给张一鸣留下了深刻的烙印。在张一鸣看来，德语区的人做事有一种秩序感，总是把某件事拆分成几个步骤，如果某步骤存在问题或过于复杂，就必须继续将它再拆成子步骤解决，一旦错过了某一步，即使已经到达了下一步，也得再绕回去检查。“这种秩序感对科研工作有很大帮助，因为所谓科研，时常需要探究未知，如果太强调目的，有时错过了某些步骤仍然到达了既定目标。但其实错过的不仅仅是步骤，也是很多可能性，因为那些步骤也许会引导你走向某种未知。”张一鸣沉思后说道。

张一鸣博士在读期间，Herbert A.Mang教授每隔两周都会要求他提交书面总结同时口头汇报，时间严格限制为30分钟，要求他陈述已经解决和仍需要面对的问题。“那种紧张感现在想起来依旧印象深刻，教授会冷不防问一些问题，我有时答不出来满头大汗，他不笑的时候气场好强呢。”张一鸣笑着说道，“那些书面总结他会加一些批注然后签字，拿回去看感觉都是宝贝，很多意见都非常有启发性。”跟随Mang教授，张一鸣参与了大量研究和工程实践，最终以“Sehr Gut”（极好）的成绩通过博士答辩。然后他继续在奥地利和德国进行科研工作，度过了8年岁月。

一个闭环：模型的简单、复杂、再简化之路

在硕士研究生期间，张一鸣对早龄期混凝土进行了研究。混凝土浇筑后会放热膨胀，拆膜后表面又会干燥收缩，还有自收缩、徐变等效应，这些复杂效应都跟混凝土内部的小孔隙密切相关，如何精确模拟预测这些过程深深吸引着他。后来前往奥地利攻读博士学位时，他又开始对火灾条件下混凝土展开了研究。奥地利是一个多山的内陆国家，有大量山岭隧道，由于早期设计规范并未充分考虑高温下混凝土的爆裂效应，火灾事故对隧道结构安全性造成了严重的威胁。为了解决这一安全隐患，奥地利交通运输部联合奥地利铁路公司及FCP工程咨询公司等企业，将“火灾下隧道与地下结构性能分析”作为国家安全项目KIRAS子项开展研究，从2009年开始，张一鸣作为唯一的中国人参与到项目组中，语言交流能力、研究经验和科研水平得到了迅速提升。

“很多时候高温下的混凝土可以近似认为是早龄期混凝土的逆反应，前者分解，后者水化，这是数值研究的魅力之一，你可以让整个反应过程逆转，仿佛时光倒流。”张一鸣回想着这段时期的研究经验，若有所思地说道：“高温下混凝土爆裂，有很大一部分原因是混凝土微孔中的水气化，导致压力上升，就跟微型高压锅似的。过程看上去很简单，但是又跟很多因素相关，水吸热气化后会再凝结放热，一些微孔会快速干燥，另一些反而会变浸润。这是一个揭示简单现象背后复杂机理的过程，需要一种科学家精神。”2013年和2014年，张一鸣作为第一作者署名的两篇论文发表在结构分析国际权威期刊Engineering Structures上，分别分析了早龄期混凝土干燥收缩开裂以及高温下混凝土结构的爆裂风险。文章后来得到了多物理场耦合分析领域权威专家Bernhard Schrefler教授以及混凝土结构分析专家Anthony Jefferson教授等国际知名学者多次引用。

为研究生讲解破裂单元法的等效裂缝长度计算原理

另一方面，在与KIRAS合作方奥地利铁路公司及部分咨询公司的会议讨论中，张一鸣敏锐地发现，传统强耦合模型在工程应用中存在“不接地气”的缺陷。“模型很好，很完整，考虑了各种因素，但是它太复杂，解起来很费时间，工程人员不喜欢，这时候需要工程师精神，将复杂模型简化，让它更好地服务实践。”张一鸣逐渐有了新的思路，开始建立一整套适用于工程快速分析的隧道衬砌高温爆裂风险指标模型。基于该方法评估高温下隧道衬砌爆裂风险，工程人员无须复杂计算，只须查表然后依序代入所提出的公式，即可快速获得爆裂指标，得到的结果不仅与复杂强耦合模型获得的结果接近，而且与实验结果吻合。这一成果再次被发表于Engineering Structures上。同时，这一套快速评估方法也得到了工程人员的认可，曾经任职FCP公司高级工程师及德国Dr.Binnewies工程咨询公司CEO、有着多年工程设计经验的Matthias Zeiml博士认为，此计算流程所用策略极为巧妙，充分把握了高温下隧道衬砌结构特征与内部相变、孔压演化过程，将复杂烦琐、无法总结规律的结构爆裂风险以简洁实用的模型表达，充分结合基础理论分析、数值分析计算与实际工程实践研究方法，最终帮助工程师真正实现了“快速”评估隧道衬砌高温下爆裂风险的目标。

怀疑与相信：多年未决难题的解答与破裂单元法

在研究高温下隧道衬砌爆裂风险的过程中，张一鸣逐渐进入了另一个相关领域，即不连续数值分析。“不连续在数学上很麻烦，函数不连续意味着有跳跃，无法求导，而工程中最典型、最直观的不连续就是裂缝和断裂了，也是很麻烦的东西，会影响结构性能。”张一鸣讲起这个主题兴奋地说道，“很多计算力学领域大师都研究过不连续现象，像是提出非连续变形分析和数值流行方法的石根华老师，创造扩展有限元方法的Belytschko院士，提出光滑有限元的刘桂荣教授等，进入这个领域就像进入了一个大家庭，与大师们同行，又像进入了一大片森林，需要追寻前辈们的足迹同时又走出自己的新路。”研究中，张一鸣关注到了内嵌不连续方法，内嵌不连续是一类用连续框架描述不连续的方法，它可以基于现有框架再构造，非常适用于工程应用。

“内嵌不连续方法中，有一种基于静力对称优化的模型，它1988年被Belytschko院士提出来，是一种非常出名的模型，之所以出名不是因为它特别好，而是因为它的严重应力锁死问题，一直都被拿来当反面典型，被很多人认为是死路。”张一鸣想先尝试其他方案，他向Mang教授汇报，Mang教授告诉他，科研需要一边相信，一边怀疑，要相信自己的能力，怀疑自己的结果，相信他人的专长，怀疑他人的结论，前人说这个模型存在问题走不通，此时不妨怀疑一下，再试试看，即使最终真的走不通，也可以积累大量经验。

在导师的指导下，经过一年的钻研与尝试，张一鸣创造性地提出了一种无应力锁死的静力对称优化内嵌不连续模型，这是二十几年来这个问题首次得到解决。最终成果发表在计算力学国际顶级期刊Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering上，文中多个结论被加泰罗尼亚大学计算力学国际权威Miguel Cervera教授在综述性杂志中多次引用，理论价值极高，而这仅仅是一个开始。

团队合影

2016年，张一鸣从奥地利前往德国汉诺威，加入了由庄晓莹教授带领的课题组。“庄老师年纪跟我差不多，但是她已经是课题负责人了，她在计算力学和不连续数值分析方面造诣很深，有很多想法，跟她讨论每次都有很多收获。”在庄晓莹教授的指导下，张一鸣进一步发展了静力对称优化的内嵌裂缝模型，最终提出了一种破裂单元法，破裂单元法采用了自生长裂缝模型，无须裂缝追踪，可以用一类模型同时模拟裂缝的萌生和扩展。以破裂单元法为基础，近年来张一鸣与Mang教授、袁勇教授和庄晓莹教授一起在有限单元方法国际期刊Finite Elements in Analysis and Design，断裂力学研究国际期刊Engineering Fracture Mechanics以及Theoretical and Applied Fracture Mechanics，计算力学国际顶级期刊International Journal for Numerical Methods in Engineering等杂志上发表了近十篇论文，体现了这种崭新方法的潜力和性能，而如果没有一开始的怀疑与相信，这一切可能都不会发生。

几何的乐趣：提出“多切片三维裂面优化法”

2007年，英国谢菲尔德大学的Matthew Gilbert教授提出了一种裂面优化方法，可以快速求解结构的极限上限解。张一鸣在奥地利因斯布鲁克大学研究期间首次接触到了这种方法。“第一次看见这个方法，感觉就像在变魔术，明明这种方法最早是计算桁架最优解用的，竟然也可以算连续体极限解，真是不可思议。”张一鸣回忆起那时的感觉，一种佩服的神情溢于言表。他当时查阅了大量中文文献，发现这种方法在国内还没有相关研究成果，也缺少合适的中文文献。他希望能够尽快掌握并发展这一方法，将来带回国，在国内推广它的应用并服务工程建设。

在研究过程中，他发现，这一方法在求解三维问题时存在计算效率、精度较低的现象，严重限制其应用，相关研究也进展缓慢，当时全世界仅有一篇英文杂志论文涉及到三维裂面优化方法，成果同样来源于Gilbert研究组。从2015年到2016年一年多的时间里，张一鸣全身心投入到三维裂面优化法的研究，期间却一篇论文也没有发表，压力很大，他绞尽脑汁，将三维问题拆解成了多个几何学的基础问题，并在因斯布鲁克大学其他学院得到了跨学科专家的帮助，最终，他从一个叫“水果忍者”的游戏中得到了启发，提出了多切片三维裂面优化法。“那天看见别人在iPad上玩游戏，用手指滑过，一个个水果被切开了，感觉很有意思，像柯南一样脑中滑过一道火花。”张一鸣回想起那种兴奋感，像个孩子一样笑了。

与已发表的结果相比，他的新模型大幅提高了传统三维裂面优化法的计算效率与精度，相关成果发表于岩土计算力学国际顶尖期刊International Journal for Numerical and Analytical Method in Geomechanics，成为至今世界范围内讨论三维裂面优化法仅有的两篇期刊论文中的一篇。裂面优化方法创始人Gilbert教授阅读该文献后，认为他的方法极有创新意义，大幅拓展了裂面优化法的应用范围。

之后经过与庄晓莹教授、Mang教授合作，张一鸣又发表了多篇裂面优化法相关研究论文，将该方法应用于浅埋隧道稳定性分析以及受火隧道结构分析领域。2019年，张一鸣在中文期刊《隧道与地下工程灾害防治》上发表了综述性论文“裂面优化法在岩土及隧道工程中的应用研究”，开始实现将这一方法带回祖国的梦想。

继续前行：找到问题，解决问题

“人生经常会遇到有很多挫折，会有很多纠结，有时我就会想起‘锂电池之父’古迪纳夫读博时他的导师对他说的话：‘此刻只有两件事要做：一是找一个问题，二是解决这个问题。’这样人生就变得简单了。”在国外读博及从事研究工作超过8年后，张一鸣觉得，虽然学海无涯，但是是时候回来报效祖国了，将学到的方法用到祖国工程建设中，也为祖国培养更多年轻人，一起找到更多问题，解决更多问题。2017年，张一鸣回到国内，加入了河北工业大学。

在奥地利与德国参与过多个科研项目，让张一鸣在多相多物理场耦合分析以及复杂裂缝扩展分析领域积累了一定的研究经验与成果。回国以后，针对我国基础建设防灾减灾以及能源领域重大需求，他与团队一起，在公路隧道抗火性能评估、岩体边坡稳定性分析、页岩气压裂开采等领域开展研究，分析裂隙岩体内的能量、物质迁移过程，以及多物理场耦合过程与岩体多尺度破裂之间的作用机理。

“中国在土木工程上的研究领先于全球。但是由于地质条件复杂，工程结构的深、高、长、久不断突破原有极限，我们目前仍面临着许多高难度的挑战，从另一方面说，恰恰因为我们领先，我们没有很多现成经验可以参考。”张一鸣认为，人类跟已经形成几亿年的岩石、沙土打了几千年交道，对于它们的了解却还远远不够，土木工程学科的发展仍在不断向前推进，还远没有止境。

如今在大学里，张一鸣也将自己的科研思维与学习方法传授给自己的学生。他认为做科研是一个循序渐进的过程，如同爬一座山，你可以沿着前人走过的路继续往前走，也可以自己摸索出一条更近的路。你在山脚向上望是看不到出路的，一定要迈开步子，向上攀登，只要坚持过了半山腰，看清了自己走过的曲折小径和宽阔敞路，最终也会逐渐望见未来那光明而有趣的大道。