愿花50年时间验证竹结构耐久性—访2019级星友冷予冰

知道冷予冰博士是2019年下半年在上海市建筑科学研究院有限公司召开的一次启明星座谈会上，主持座谈会的时任建科院副总工程师许清风博士给我一一介绍了与会的8位星友，随后的座谈中许清风和冷予冰都提到的工程竹建筑是那次座谈会上让我记住的几个话题。会后许总还赠我一本刚出版的《中国现代竹建筑》，该书印制精美，内容涉及竹资源和建筑用竹的种类特点、不同竹建筑的发展历程、研究现状、相应的标准体系，并配发了竹建筑应用的典型案例，最后一章讨论了中国现代竹建筑产业面临的机遇和挑战。这本书让我记住了竹建筑，也记住了该书几位作者中的许清风和冷予冰的名字。2021年上半年为纪念启明星计划实施30周年，启明星协会拟出版一本启明星科普文集。在物色选题和作者人选时，既体现中国传统文化特色又融入更多现代可持续发展元素的竹建筑自然成为选题。我通过邮件与冷予冰联系约稿，她很快回复，说她刚生完孩子由产院回到家，但她很愿意承担这一撰稿任务，她也在约定时间里发来了图文并茂的文稿。1988年出生的冷予冰眼下正是做事的最好年华，为人母后，她更自信更沉稳。由于双方父母都还在工作，如今18个月的儿子出生后一直是他们自己带，冷予冰产后5个月不到就上班了，如今每天基本上回到家已是晚上8点后，尽管很累，但她说回到家看到儿子一切疲惫都置之脑后了。前不久听说《中国现代竹建筑》已在2022年上半年由清华大学出版社和施普林格（Springer）出版社联合推出英文版。这些因素促成了本期“今日启明星”专栏对冷予冰的采访。

全国大学生结构设计竞赛勇夺一等奖

冷予冰出生于安徽黄山一个风景优美的小城市，老家就在古城屯溪老街，予冰说她从小就生活在生态建筑之乡，周边大都为典型的徽派建筑村落。她稍大一点后就和同学结伴去宏村、西递这些古村落游玩，看过不少传统的民居建筑。“我上高中那会每天骑30分钟自行车沿着屯溪老街穿过老大桥到学校，这条路的一边是屯溪老街，一边是新安江。现在想想那种感觉特别好。”予冰是家中独女，父亲是医生，母亲在建筑行业工作。高考填志愿时爸爸特别愿意她学医，妈妈只是随她，爱学什么就学什么。或许因为从小浸淫于古村落建筑文化，数理基础很好的她就想报考建筑专业，但因不擅绘画，因此选了与建筑密切相关的土木专业。2006年高考，分数很高的她以第一志愿填报了上海交大船舶海洋与建筑工程学院土木专业。

回溯上海交大本科四年，予冰坦陈前两年学得比较难，但自己愿意花时间，成绩在班级是居前的。大三时她有机会参加了全国大学生结构设计竞赛，这是国内土木工程专业最具影响力的大学生科技创新活动赛事，是教育部确定的全国九大大学生学科竞赛之一。参赛学生通常以小组为单位申报，提交的设计作品在校内先打擂台，拿到学校第一名者才能代表学校参加全国赛。最终冷予冰三人小组代表交大参加了2009年在同济大学举办的第三届全国大学生结构设计竞赛并获得一等奖。“当年的参赛作品是用薄木片设计搭建一个风力发电塔，要设计一个风力发电塔基座和风机叶片，在鼓风机风力作用下叶片转动发电，综合考虑模型重量、发电电压以及外形等计算得分。”冷予冰小组花了近三个月时间，从第一个模型开始不停地优化，用木片胶合成基座和叶片的形状是关键，在能承受一定载荷的前提下要求基座构件的截面越小、越轻越好。说起当时情景，予冰记忆犹新：“我们用一台鼓风机去吹基座上的叶片（叶片也是薄木片做的），叶片连着电容器可以发电，转得越快发电量越高。叶片的形状也是设计的内容。当时那道题目我们花了三个月时间在指导老师宋晓冰的帮助下不断优化，这是命题作文，白天上课，晚上就琢磨这个事。”予冰说了当时印象特别深的一件事：正式比赛场地是一个较开放的空间，学校提供他们的场地是室内环境，两者的风场不同。为了能更准确地模拟开放空间的风场，当时想到的办法是把窗户拆了，以接近室外开放环境。12月的夜晚开着鼓风机吹很冷，尽管瑟瑟发抖，但不论多晚，宋晓冰老师每天都陪伴参赛团队一起不断地试验、改进，或突发奇想或精雕细琢，看到发电值在上升大家就觉得要继续坚持，宋老师的鼓励、指导让大家深受鼓舞。最终我们顺利夺得了全国赛的一等奖。整个参赛过程予冰学习到了怎么考虑设计构型、怎么优化，对她以后硕博的学习启发很大。当时的指导老师宋晓冰后来成为予冰的硕博导师，也是科研道路上的引路人。实际上，予冰的收获还不止这些，三个月的参赛过程中他们三人组中的一位队友后来成了她的先生，成就了一段因赛结缘的佳话。

第三届全国大学生结构设计竞赛比赛现场

木-混凝土组合结构振动台试验现场

冷予冰是先念硕士，之后觉得自己真的感兴趣才去继续读博。博士课题是想研究了解核电站安全壳在极端荷载如地震、恐怖袭击等作用下的受力性能。安全壳的主体材料是钢板混凝土，导师让她硕士第二年就参与了相关课题，重点研究钢板混凝土组合结构的受力机理，这后来就成了她的博士论文题目。予冰说她尽管现在多与竹木建筑打交道，但本质还是研究结构受力的安全性问题，所以从硕士开始她的课题方向是相通的：“本科是在一个比较宽泛的范围内学习基础知识，硕士是在这个基础上进一步学习解决问题的方法，规划做实验的方案，博士就进一步要去做机理和理论分析。这一路看似越走越窄，其实面对不同问题的求解要求我们要越学越多。不能路越走越窄，逻辑方法应用面应该越来越宽，这也是在宋晓冰老师的指导下同时结合自己实践后总结出来的。”2017年初，予冰的博士论文答辩顺利通过并受到好评。求职时，当时在上海建科院工作的陈溪师姐（2015级星友）推荐她来建科院，由于综合素质优秀，经一轮面试她就非常顺利地拿到录用通知，以博士后身份加入许清风博士带领的团队，许博士和上海交大的赵金城教授成为她的博后导师，并商定以木竹结构方向作为博后研究课题。

入职建科院，主攻现代木竹结构

木竹结构研究室是上海建科院1958年成立之初的六个研究室之一，上海建科院在现代木结构领域也有二十余年的研究经验。但把竹材作为建筑材料，进而到现代竹建筑，并把它作为一个方向，至少在上海建科院是近十年的事。许清风2013年在匹兹堡大学访学时，美国的哈里斯（Harries）教授正是专攻圆竹结构的力学性能的专家，同时致力于国际标准的研究和制定。许博士当时就想到美国的竹材资源其实不及中国。我国的竹材资源位居全球首位，而且有千年的竹文化传统，在发展绿色建筑的背景下，在我国推广现代竹结构建筑大有可为。许博士回国后就在建科集团的大力支持下开展了工程竹结构的研究工作，而他本人此后的几年里一直倾力于工程竹结构这件事。其实，竹材、竹建筑的需求不断，而且势头越来越大。但是许博士和2017年加盟团队的冷予冰等都清楚竹材用到建筑上是缺标准的，缺标准意味着如果要用到建筑上就没有办法做设计，后续的验收、维护都没有标准可依，就很难大范围推广。我国作为拥有全球最丰富竹林资源和最深厚竹文化底蕴的国家，因为没有竹建筑的适用标准，竹材料进不了建筑业大市场。这是当时横亘在冷予冰和团队成员面前的难题。

冷予冰一进建科院就参与了工程竹结构课题，5年时间里从工程竹材料开始到构件、节点等具体问题都要逐一应对。研发团队这几年主要精力是花在工程竹结构必须面对的三大关键问题上：耐久、防火和抗震。这几个问题不解决的话就会大大影响工程竹建筑的安全性。予冰也是由这个需求出发申请了启明星课题——工程竹结构耐久性机理和提升关键技术研究。这几年里，在耐久、防火、抗震等难题持续研究的同时，团队以予冰为主持续推进工程竹结构系列标准的制定工作。予冰介绍说，他们用了5年时间编制标准，在2022年6月发布了工程竹结构设计、工程竹结构施工及质量验收、工程竹结构检验三个标准，涵盖了工程竹建筑从选材到设计、施工、验收、维护、检测的全生命周期，填补了国内外空白，为我国建筑业低碳发展提供了关键技术支撑。这样设计、施工、监理、第三方检测检验机构等应用方拿到这三本标准就可以直接使用。“我们正在国际标准化组织（ISO）的主持下，申请主编一本有关工程竹结构设计的国际标准，这样就能服务于所有有需求的国家，为我国的标准国际化贡献力量。”

冷予冰的启明星课题是支持她研究工程竹结构的耐久性，解决工程竹结构建筑在长期应用中的一些耐久性劣化问题。所谓长期一般是指50年，但问题在于短期内要做这件事，根本拿不出50年的数据，甚至5年都很难。由此，冷予冰在想50年数据无法提供，是否可以采取人为加速的方法去探究工程竹材的耐久性劣化机理（劣化是指材料的物理、力学性能的退化），这是冷予冰的启明星课题的研究重点之一。但做这件事还是有一个问题回避不了，就是人工加速老化方法能不能真实地反映50年的自然变化？也因此冷予冰还做了一件事：制作81根足尺的工程竹以及胶合木梁（每根长3.6米，截面为100毫米X190毫米，包括胶合竹梁、重组竹梁、胶合木梁）来验证其自然老化的过程。“就是真的去看50年的自然变化。我们把这81根梁放在实验室的屋顶，让它们经受日晒、风吹、雨淋等复杂的自然环境。目前已放了3年多了。我会定期爬梯上到屋顶观测拍照。先完成短期静载作为对比，然后第1年取9根，第2年取另外9根，第3年再9根，接下来是第5年、第10年、第20年、第30年、第50年各做一次测试。”所谓测试，冷予冰告知是把这些自然老化后的工程竹梁一根根从屋顶取下拿到试验机上，布设应变片和位移计进行加载直至破坏，看其承载力和刚度的退化程度。一般来讲前三年相对好一点，后期会涉及虫蛀、开裂、腐朽等问题。“到我30年后退休时不知道会发生什么情况？有没有人会去做这么长周期的事。这个由启明星计划引出的有意思、有意义的课题，也是我想做的一件比较有意思的事。”

团队成员在工程竹以及胶合木梁的室外自然老化试验现场合影

冷予冰说起的这个50年周期的课题及其来龙去脉，引起我的兴趣和感慨。兴趣在于我也很想知道这些工程竹梁历经50年自然环境后会出现什么变化？这些变化会影响其使用吗？感慨在于，冷予冰星友在已经顺利结题、完成任务后，居然还愿意花时间、花精力去验证工程竹结构的耐久性和长期安全性这件事，而且要花50年的时间！这可是跨越一个人人生长度的大部分时间啊！采访到此，我对眼前这位对自然和未知仍抱有强烈兴趣、愿意长期坚持做一件事的星友更生出一份敬意，好样的！

为临港3万产业工人支起安全厢

厢式钢结构抗风性能试验现场

予冰说其实她2022年还做了一件比较有挑战的事。东南沿海是受台风影响最严重的地区之一，靠海的临港滴水湖空旷地带受台风影响很大，台风一来最受影响的是那里的产业工人，这些工人目前主要住在工地上集中建造的厢式钢结构中，台风一来大批工人只能转移到附近一些场馆，每次转移的人力、物力、资金成本都很高，现在又增加了防疫安全问题。目前有一个急迫的需求是需要通过试验、分析，为厢式钢结构的整体抗风性能评估提供依据。这是一个非常现实的问题，也是一个挑战。目前居住在这样的厢式钢结构内的产业工人有2万多，根据测算到年底最高峰时将达近10万人。受命负责这项工作的冷予冰和项目组同事先进行风洞实验，然后做了足尺厢式钢结构包括围护结构的力学性能试验，同时他们到临港项目现场做了大量的调研，结合数值模拟分析对其抗风性能做出评价。我好奇集装箱这样体量的物体怎么做风洞实验。予冰解释他们是使用缩比模型做的风洞模型实验，探测风压的分布及各个方向的受力情况，然后按照等效原则将风荷载换算成相应比例的集中荷载去做足尺结构的力学性能试验，利用作动器模拟台风的等效水平荷载，得出抗风性能测试结果。我去访问的一周多前予冰他们刚完成风洞试验，接下来马上要做足尺的结构力学性能试验。“如能在这样的荷载下不受损，就表示它能承受相应的风力。这就是用数据来说话。”类似临港这样临危受命的工程上有需求的活对他们来说并不鲜见，因为这些需求背后都是城市安全问题，是相通的。

冷予冰很年轻，她获得启明星计划时只有31岁，而她进入建科院从事工程竹结构研究也只有5年时间，但她依靠兢兢业业做事和敢于迎接挑战的进取心赢得了广泛认可，《中国现代竹建筑》中英文版的出版也是一种激励。当然这些很大程度上得益于她所在的建科院团队的集体力量，更得益于可持续发展、绿色低碳发展的理念越来越成为人类发展的共识。但是，还必须看到要使工程竹建筑真正跻身于主流建筑市场还有很长的路要走，还有许多瓶颈需要突破。但有了建科院冷予冰星友为代表的青年专家的推动和持续努力，现代竹建筑一定会在中国扎根，竹居文化也会时兴起来。到那时，一定会有更多人为中国竹建筑喝彩，为冷予冰博士的持续努力和规划的50年坚持喝彩！

江世亮采写于2022年10月21日