英國橋梁基礎設施維護是一項巨大的挑戰(zhàn)。根據(jù)2020年統(tǒng)計，除英國交通部直管的特大型橋梁外，還有71505座大、中、小型橋梁，其中有結構缺陷的為3061座，占全部橋梁的4.3%。這個比例盡管不大，但全英大部分橋梁等基礎設施始建年代久遠，加之交通壓力持續(xù)增大，并常年遭受降雨及極端天氣影響，橋梁的結構健康安全和養(yǎng)護費用問題令人擔憂。那么，傳統(tǒng)的橋梁檢測養(yǎng)護是否需要一次徹底的“范式轉換”？
財政重壓之下的橋梁養(yǎng)護成本選擇
作為倫敦地標性建筑之一的哈默史密斯橋(Hammersmith Bridge),正處于封閉大修狀態(tài)，禁止一切機動車和行人通行。這強烈地提醒人們，一套成熟全面的橋梁維護整治方案是多么重要。
鑄鐵“大基座”的連接桿裂縫于2019年4月被發(fā)現(xiàn)，當時進行了簡易的維護。該連接桿固定著有130年歷史的懸索橋主塔。至2020年8月，橋梁宣布完全關閉，工程師們通過近距離檢測發(fā)現(xiàn)，橋上多處鑄鐵結構出現(xiàn)裂縫，比2019年有明顯惡化的跡象，于是開始籌集資金準備大修。2020年，哈默史密斯大橋因多處鐵架支撐老化和弱化而被迫關閉。
預計整個維修過程中，首先需要花費幾個月的時間來了解所有基座的狀況；然后用7個月的時間、1390萬英鎊進行臨時穩(wěn)定工作；最后還需要21個月、3200萬英鎊進行永久性穩(wěn)定工作。
哈默史密斯橋上的裝飾結構物維護費用是非常昂貴的，但它也為英國其他老化的橋梁提供了養(yǎng)護預算的案例，即在保障安全的前提下，通過不斷計算而延緩橋梁的維修時間。大橋的封閉從表面上來看是一則社會新聞，但對于工程師而言，這只是一種盡力節(jié)省成本的方案。延遲橋梁的維修，其目的是節(jié)省養(yǎng)護費用，但需要量化分析的結果。
工程師要學會把全壽命橋梁養(yǎng)護工作的全過程成本盡可能地量化出來，這與量化一項社會政策同樣重要，這種能力是現(xiàn)代國家治理的重要一環(huán)。成本中應該包括碳排放成本、時間成本、人力培養(yǎng)成本等新時期的計算標準。
建立長期養(yǎng)護協(xié)議制度
根據(jù)土木工程師協(xié)會與RAC Foundation英國交通基金會的研究，在英格蘭、蘇格蘭和威爾士，有超過3000座郡級議會管理的公路橋梁被評為“結構缺陷橋梁”。因此，人們越來越擔心這些建筑物的狀況。
對于橋梁所有者和工程師而言，有效地延長現(xiàn)有資產壽命的方法和技術，至關重要。
布里斯托大學土木工程系的Maria Pregnolato教授表示，定期進行結構維護以及引入國家數(shù)據(jù)日志制度，將有助于行業(yè)更好地實現(xiàn)這一目標。建立國家橋梁清單庫將有助于定期維護制度的定義與執(zhí)行，并確認、統(tǒng)籌優(yōu)先補救的對象。其中，識別脆弱的結構以及后果的嚴重性，對于基建安全至關重要。
另外，開發(fā)和使用數(shù)據(jù)收集與維護協(xié)議，可以促進信息從一位管理者有序傳遞至下一位管理者，以確保結構管理的連續(xù)性。
通過指定長期維護合同，可以減少養(yǎng)護單位之間因多次傳遞信息而導致的信息丟失風險。倫敦交通技術顧問團主席Satbir Gill表示，長期的合作關系可以改善服務交付。以英國的經驗看，企業(yè)與政府、企業(yè)之間的合同期越長，對地方當局的好處就越多。這就像租種土地，在一個長期合同之下，農戶或企業(yè)才會考慮技術改進，因為有足夠長的時間供這些企業(yè)盈利。對政府而言，也將更多的養(yǎng)護責任轉移給承包商，這是一個雙贏的資產管理計劃。
“相比于橋梁竣工交付時的盛大場面，后期的橋梁維護可能不是一項迷人的工作。但是，我堅持認為，這是每個橋梁工程師要承擔的最有意義的工作。對現(xiàn)有結構進行評估分析與補救、制定更新的標準，是我整個職業(yè)生涯中，最復雜和最具挑戰(zhàn)的部分。這也可以說是一種設計，需要在結構物養(yǎng)護過程中理解最初的設計思路。”Denton院士還表示，對于經驗豐富的橋梁工程師而言，扎實的資產管理技能與對橋梁結構惡化過程的理解程度是非常重要的兩點。有制度、有技術，更要有理解、能計算，這體現(xiàn)在橋梁檢測中就是一次范式的轉換。
范式轉換：從收集動態(tài)縱向數(shù)據(jù)開始
我們需要重新審視使用的數(shù)據(jù)結構，如何標記已知和未知的缺陷，以及給橋梁檢測團隊使用能增強對現(xiàn)場情況理解能力的數(shù)字工具。了解橋梁構件及其環(huán)境變化，必須依靠有價值的信息。但現(xiàn)實是，我們目前對結構進行檢查的方式還基本停留在獲取片段信息的階段。我們應該更關注情況變化的趨勢和速度，而非依靠收集某時間節(jié)點的信息并加以分析。而由定點照片式（Snapshot）數(shù)據(jù)推導的結論都存在統(tǒng)計學缺陷，不足以指導最佳決策。因為總的來說，一個事實就是，目前落后的收集信息方式導致我們只掌握片面且片段的信息，而我們還在使用它們預測未來。過去的思維慣性不可能短期被打破，但探索和采用包括無人機、機器深度學習在內的新技術，對于改善行業(yè)捕獲和使用橋梁資產數(shù)據(jù)的方式至關重要。整個行業(yè)、私營企業(yè)和研究機構，可以做更多的事情來共同開發(fā)技術解決方案。
這種變化需要大量投資。早在2020年3月份，英國土木交通行業(yè)的預算公告中就包括了6400億英鎊的投資承諾，用于改善該國的路橋基建和相關研究。
但是在此之后，新冠病毒大流行對英國經濟產生了前所未有的影響，這不由得讓人懷疑老化的橋梁基礎設施將如何及時地獲得重大投資。
因此，當資金不足時，橋梁工程師面臨的主要挑戰(zhàn)之一是更精確地計算和傳遞橋梁養(yǎng)護的成本計算結果。尤其是面對公共投資的商業(yè)案例和公眾質詢時，這一點尤其重要。
對于政府而言，往往需要對投資做出戰(zhàn)略方向的判斷。那么錢應該花在橋梁養(yǎng)護上還是醫(yī)院學校上，這是非常困難的問題，需要足夠的接近真實的信息，同時需要大量科學計算。
因此，Denton院士認為：橋梁工程界有責任闡明不同決定的量化成本和量化后果。
技術支持下的縱向數(shù)據(jù)獲取
英國很早就確立了預防性養(yǎng)護為主、糾正性養(yǎng)護為輔的策略。無人機等都是新的科技手段，但在人們追逐熱點的同時，我想強調一些容易被忽視的點。其實只依靠一些簡單的技術投入，同樣可以獲得很多有效數(shù)據(jù)，進而填補一個領域防災減災的空白。
2020年12月，昆斯費里大橋安裝了積冰監(jiān)測傳感器。眾所周知，蘇格蘭是高緯度地區(qū)，秋冬季節(jié)溫度較低，受到來自北大西洋的西南暖風洋流影響，使得本地濕度很大，風向大多數(shù)時間較為穩(wěn)定。但每月總有1/4到1/3的時間不是西南暖風，而是來自西北冰島方向的濕冷風和來自歐洲大陸方向的干冷風，這就使蘇格蘭地區(qū)的橋梁設施暴露在一種較為劇烈的溫度與濕度變化之中，導致昆斯費里大橋主塔和斜拉索在冬季出現(xiàn)大量露水甚至積冰。這對橋梁耐久性是一個嚴峻的考驗。
在昆斯費里大橋主塔頂部向東望去，著名的福斯公路橋和福斯鐵路橋都籠罩在陰雨之中，這是英國尤其是蘇格蘭冬季常見的天氣。
我們不能單純地依靠鋼纜在實驗室的數(shù)據(jù)反饋，實驗室也不可能模擬全部真實的氣候微觀變化與作用；同樣的，我們也不可能完全借鑒其他橋梁的養(yǎng)護經驗，因為每座橋都有自己的特殊性，需要精細地分析對待。因此，為了研究昆斯費里大橋斜拉索上積冰問題，我們決定在橋頂?shù)炔课话仓眯滦偷姆e冰傳感器，用于測量風速、露點溫度和相對濕度等因素。當這些因素條件成熟時，我們就知道，斜拉橋的纜索和塔架很可能已經出現(xiàn)結冰。
肉眼可見的是，大風過后仍然殘留的長期積冰，但我們往往忽略大量冰體短期附著，對橋梁結構帶來的壓力與損傷。這個過程在福斯河口每次只持續(xù)10-15分鐘，而傳感器將使人們更好地了解積冰發(fā)生的條件、各結構被冰附著的時長，以便專業(yè)團隊做出評估。同時，由此形成了一套數(shù)據(jù)，可供任何計算機查看并分析。如果設置匯報頻率為每10分鐘更新一次，那么我們就可以獲得連續(xù)數(shù)據(jù)，用來監(jiān)控結冰對橋梁結構的影響，進而決定實施必要的人工檢測、除冰行動或者干脆按兵不動。這樣，大橋的養(yǎng)護將更有效率。期待公眾也可以看到這些數(shù)據(jù)，讓大家對橋梁維修和關閉時間有所預判并充分理解。這就是我們所講的“從制度、技術，到計算、做決定”的養(yǎng)護范式升級。
關于英國“產-學-研”結合的經驗
早在20世紀50年代，英國政府就在資源共享、優(yōu)勢互補、聯(lián)合開發(fā)、協(xié)同共贏的原則下，對重點企業(yè)、知名高校、科研院所以及橋梁和相關領域的國家和行業(yè)重點實驗室與技術中心等優(yōu)勢資源進行過一次大的整合，由此派生出新的高校專業(yè)、新的科研項目、新的任務小組直至今天。
成果轉化的前提是巨大的市場需要，這需要民間、媒體、研究部門敏銳的發(fā)現(xiàn)、自覺的總結，還需要有市場出口讓善于觀察、有創(chuàng)新能力的個人和公司脫穎而出，把科研成果放到市場中去檢驗。同時，相關的協(xié)會、政府部門要做好自己的推薦、咨詢、組織工作。
Denton院士最后強調：“每個國家都有只屬于本國自己的特殊國情，沒有必要套用其他國家的經驗，但可以吸取英國的教訓，尋找適合自己的發(fā)展道路。就像我常講的，橋梁科技是一個生態(tài)系統(tǒng)。有資金投入、人才專業(yè)化程度、材料水平、裝備水平、信息化程度等行業(yè)內因素，還有如法律、市場、國家意志等外部因素。我認為，英國在橋梁科技方面最成功的經驗就是：尊重市場規(guī)律、優(yōu)勝劣汰，重視工程項目中的法律約束力，希望我的分享對橋梁同行有所啟發(fā)。”
