基金委未来十年（2026-2035）土木工程领域课题重点方向指南

基于国家自然科学基金委《建筑与土木工程学科发展战略研究报告（2026-2035）》梳理出的11 个核心研究方向与当前”十五五“规划建议之间的结合点。

01|高性能工程材料与高性能结构的协同设计

核心内涵：打破 “材料研制” 与 “结构设计” 分离模式，从分子 / 微观尺度设计材料性能，实现与宏观结构力学、耐久、功能性能的一体化协同优化。

“十五五”规划建议原句：

（7）“优化提升传统产业。推动重点产业提质升级，巩固提升矿业、冶金、化工、轻工、纺织、机械、船舶、建筑等产业在全球产业分工中的地位和竞争力。提升产业链自主可控水平，强化产业基础再造和重大技术装备攻关，滚动实施制造业重点产业链高质量发展行动，发展先进制造业集群。”

（11）“加强原始创新和关键核心技术攻关。完善新型举国体制，采取超常规措施，全链条推动集成电路、工业母机、高端仪器、基础软件、先进材料、生物制造等重点领域关键核心技术攻关取得决定性突破。”

关联关系：材料—结构协同设计打通“先进材料—结构设计—高端仪器与软件—工程应用”全链条，直接呼应(7)的“先进制造业集群”和(11)的“先进材料、高端仪器、基础软件”攻关。

研究背景与挑战：高性能材料（如 UHPC、FRP、SMA）为结构创新提供机遇，但面临本构关系复杂、界面行为难预测、设计理论滞后等问题，无法充分发挥材料与结构的协同效能。

可行研究内容与方案：建立微观 – 细观 – 宏观多尺度协同设计理论，打通不同尺度性能关联通道；研发基于目标性能的材料定向设计方法，实现材料性能按需定制；推进传感 / 驱动元件植入的智能材料 – 结构一体化，赋予结构自感知、自调节能力；开发集成数据库与模拟算法的协同设计平台，提升设计效率与精度。

• 多尺度协同设计理论：建立从微观（材料组成）、细观（纤维/骨料分布）到宏观（构件/结构）的本构模型和设计方法学。研究材料微结构与宏观力学性能（强度、韧性、疲劳）的定量关系。
• 性能化设计方法：基于目标性能（如变形能力、损伤控制、自愈合能力）反推所需材料的关键性能参数，指导材料的定向研发与设计。
• 智能材料与结构一体化：研究将传感、驱动功能（如SMA, 压电材料）直接植入建筑材料中，设计具有自感知、自调节、自修复能力的智能结构体系。
• 软件与平台开发：开发集成材料数据库、多尺度模拟算法和性能化设计工具的协同设计平台。

02|既有结构的维护与性能提升

核心内涵：针对老龄化基础设施，研究性能退化机理、精准诊断技术、高效加固修复方法及性能提升理论，保障结构安全耐久服役，延长全生命周期。

“十五五”规划建议原句：

(10)“推进传统基础设施更新和数智化改造。”

(31)“坚持城市内涵式发展，大力实施城市更新，建设创新、宜居、美丽、韧性、文明、智慧的现代化人民城市。”

(41)“建立房屋全生命周期安全管理制度。”

关联关系：无人化检测—数字孪生—低扰度加固—全寿命运维构成既有结构“更新与管理”的技术抓手，对应(10)(31)(41)的更新、韧性与全生命周期安全。

研究背景与挑战：我国既有结构存量大且多进入 “中老年期”，维护需求迫切。但当前面临损伤机理复杂、检测精度低、加固施工对正常使用干扰大、运维决策缺乏系统理论支撑等挑战。

可行研究内容与方案：研发无人机、机器人结合数字孪生的智能检测监测技术，实现损伤精准识别与状态实时掌握；开发 FRP、自预应力等高效加固与极端性能提升技术，降低加固对结构正常使用的影响；研究电化学、微生物自修复等耐久性提升技术，从根源延缓结构退化；建立多目标优化的全寿命周期运维决策模型与韧性提升策略，实现运维成本与结构性能的平衡。

• 智能检监测与数字孪生：研究基于无人机、机器人、分布式光纤传感、计算机视觉等的无损检测与长期监测技术。建立融合物理模型与监测数据的结构数字孪生体，实现状态实时评估与预测性维护。
• 高效加固与功能提升技术：研发新型高性能复合材料（FRP, TRC等）加固技术、自预应力加固技术、可逆式连接技术等。研究在加固的同时提升结构抗震、抗爆等极端性能的方法。
• 耐久性修复与提升：研究钢筋混凝土的电化学修复、微生物自修复、表面高性能防护涂层等技术，从根本上延缓性能退化。
• 全寿命周期运维决策理论：基于可靠度理论和风险评价，建立考虑经济、社会、环境效益的多目标优化决策模型，指导维护策略的制定。

03|复杂环境下土工构筑物和基础工程的稳定机制及控制

核心内涵：研究极端荷载、复杂地质、多场耦合条件下，重大土工构筑物（高边坡、深基坑、隧道等）的失稳机理与智能化控制技术，保障工程安全。

“十五五”规划建议原句：

(10)“加强基础设施统筹规划，优化布局结构，促进集成融合，提升安全韧性和运营可持续性。”

(29)“推进跨区域跨流域大通道建设，强化区域基础设施互联互通。”

(51)“加强气象、水文、地质灾害监测预报预警，提高防灾减灾救灾和重大突发公共事件处置保障能力。”

关联关系：多场耦合机理、远程监测与主动控制是提升通道工程与土工构筑物“本质安全与预警能力”的关键，正对(10)(29)(51)。

研究背景与挑战：“交通强国”“海洋强国” 战略推动工程向复杂地质、极端环境领域拓展。传统土力学理论难以应对极端条件与多场耦合效应，且土工构筑物失稳过程非线性强，预测难度大。

可行研究内容与方案：发展多场耦合本构模型与高保真数值仿真方法，精准模拟复杂环境下土工构筑物受力变形过程；研发基于机器学习的灾变动态稳定分析与风险评估技术，实现失稳风险实时预警；开发物联网感知 – 决策 – 执行的智能化调控技术，构建闭环控制体系；构建北斗 + InSAR 的远程监控与预警平台，实现大范围、高精度监测。

• 多场耦合本构模型与仿真：发展能够描述土体在复杂应力路径、渗流、化学侵蚀和冻融循环耦合作用下力学行为的本构模型和高保真数值仿真方法。
• 灾变机理与动态稳定分析：研究地震、波浪等动力荷载作用下土体液化、渐进破坏和整体失稳的全过程机理。发展基于机器学习的失稳风险实时动态评估方法。
• 智能化调控与韧性提升技术：研发基于物联网的智能感知-分析-决策-执行系统。研究自适应基础、土壤微生物改性、根系仿生加固等新型绿色智能调控技术。
• 远程监控与预警平台：构建基于北斗、InSAR、传感网络的大型工程稳定性远程监控与早期预警平台。

04|土木工程全生命周期设计理论和方法

核心内涵：设计覆盖规划、建造、运维至拆除回收全生命周期，统筹结构安全、环境影响、经济成本、社会效益的最优化，推动工程可持续发展。

“十五五”规划建议原句：

(45)“完善生态环境标准、监测、评价和考核制度。”

(48)“推动工业、城乡建设、交通运输、能源等重点领域绿色低碳转型。”

关联关系：将 LCA/LCC/碳足迹纳入“规划—设计—施工—运维—拆解”一体化流程，形成可考核指标体系，承接(45)(47)(48)的标准、双控与绿色转型要求。

研究背景与挑战：可持续发展要求降低工程全周期资源消耗与环境负荷，但当前面临全周期数据集成难、多目标（安全、经济、环保）权衡难、长效性能预测难等问题，传统设计难以满足需求。

可行研究内容与方案：深化 BIM-5D/6D 与设计 – 运维一体化数字孪生应用，实现全周期数据贯通与状态模拟。建立符合我国国情的 LCA（生命周期评价）数据库与评价标准，并融入设计优化流程。制定适应气候变化与功能变更的全周期性能化设计指标，增强设计的前瞻性。研究便于拆解循环的结构连接构造与 DfD（为拆解而设计）设计，提升工程拆除回收效率。

• BIM与数字孪生深度应用：研究基于BIM-5D/6D（加入成本、能耗信息）的设计方法。发展设计-运维一体化的数字孪生技术，实现虚拟设计与实体运维的实时交互。
• 生命周期评价（LCA）与成本分析（LCCA）：建立符合中国国情的土木工程材料与构件的LCA数据库和评价标准。将LCA和LCCA深度融入设计方案比选和优化流程。
• 性能化与韧性设计：制定面向全生命周期的性能化设计目标和指标体系，特别是考虑气候变化和未来使用功能变更的适应性设计。
• 拆解与循环利用设计（Design for Deconstruction, DfD）：研究便于未来拆解、分类和循环利用的连接构造和结构体系，推动建筑业向循环经济模式转型。

05|材料 – 结构一体化基础理论

核心内涵：作为 “高性能工程材料与高性能结构协同设计” 的深化方向，聚焦基础科学问题，揭示材料与结构全流程多尺度相互作用机理、能量耗散规律与系统失效准则，建立统一理论框架。

“十五五”规划建议原句：

（11)“加强基础研究战略性、前瞻性、体系化布局，提高基础研究投入比重，加大长期稳定支持。”“强化科学研究、技术开发原始创新导向，优化有利于原创性、颠覆性创新的环境，产出更多标志性原创成果。”

(12)“统筹国家战略科技力量建设，增强体系化攻关能力。”

关联关系：统一的跨尺度失效与能量耗散理论、耦合响应框架属于“原始创新”范畴，直接对应(11)(12)的基础研究与体系化攻关。

研究背景与挑战：材料 – 结构界面协同机制是当前研究薄弱环节，微观损伤引发宏观失效的演化路径不清晰，多材料、多物理场耦合下的结构响应缺乏深层理论支撑，制约了材料与结构性能的充分发挥。

可行研究内容与方案：研究不同材料界面粘结 – 滑移本构与跨尺度破坏理论，明确界面作用机制；利用 DIC（数字图像相关法）、CT 扫描等技术观测材料内部微裂纹演化，验证理论模型。借助机器学习挖掘试验与仿真数据规律，辅助本构关系构建与新理论发现；建立力 – 热 – 电 – 磁 – 湿多物理场耦合响应理论，完善材料 – 结构一体化理论体系。

• 界面力学与多尺度破坏理论： 深入研究不同材料（混凝土-钢，FRP-混凝土）界面的粘结-滑移本构、疲劳损伤和破坏机理。建立跨尺度的损伤演化与断裂理论。
• 先进数字图像技术应用： 利用数字图像相关（DIC）、CT扫描等技术，实时观测材料内部和界面在荷载下的微裂纹萌生、扩展过程，为理论模型提供验证。
• 人工智能辅助理论发现： 利用机器学习算法，从海量的试验和仿真数据中挖掘隐藏的物理规律和本构关系，甚至发现新的理论公式。
• 多物理场耦合理论：研究在力、热、电、磁、湿等多场耦合作用下，材料-结构系统的响应机理与调控原理。

06|极端荷载及恶劣环境下工程结构失效机理与性态控制

核心内涵：聚焦强震、强风、爆炸、火灾及深海 / 高寒等极端场景，研究结构响应与失效机理，发展性态控制技术与设计理论，提升结构抗灾能力。

“十五五”规划建议原句：

(51)“提升重要基础设施本质安全水平，有效遏制重特大事故。”

关联关系：强震、台风、爆炸、火灾、深海高寒等极端场景下的“试验—仿真—控制—设计”一体化，落在(51)的“重大基础设施安全与本质安全提升”。

研究背景与挑战：重大工程（如超高层建筑、大跨度桥梁、核电设施）对结构抗极端荷载能力要求极高。但极端事件具有不确定性强、破坏性大、多灾害耦联、试验复现难等特点，传统设计方法难以应对。

可行研究内容与方案：研发长持时地震、风 – 浪 – 流耦合、爆炸冲击波等试验模拟装置与混合仿真方法，实现极端场景复现；建立结构连续倒塌、流固耦合等高度非线性问题的高效计算模型，提高响应预测精度；开发 Mega – 屈服隔震支座、自复位阻尼器等新型控制装置，优化结构抗灾性能；研究智能防护与灾后可恢复结构，建立多灾害防御设计框架，提升结构韧性。

• 试验模拟技术与装置：发展能够复现长持时地震、风-浪-流耦合、爆炸冲击波等作用的试验设备和模拟方法（如混合仿真）。
• 高效高精度计算模型：发展适用于结构连续倒塌、流固耦合、爆炸冲击等高度非线性问题的计算模型和高效算法。
• 新型减隔震与消能装置：研发适用于极端荷载的 Mega-屈服位移隔震支座、高性能金属阻尼器、自复位耗能装置等。
• 智能防护与可恢复结构：研究基于智能材料和算法的主动、半主动控制系统。发展“可恢复功能结构”体系，保证主结构在灾后快速恢复使用。
• 多灾害防御设计：研究地震、风、火、爆等多灾害作用下的结构响应及其耦合效应，建立多灾害防御设计框架。

07|土木工程及城市大系统多灾害效应与抗灾韧性提升

核心内涵：从城市系统尺度，研究多灾害 / 灾害链对建筑群、生命线工程（交通、能源、水利）的破坏效应，建立城市抗灾韧性提升理论与方法，保障城市安全运行。

“十五五”规划建议原句：

(51)“提升重要基础设施本质安全水平，有效遏制重特大事故。” “完善公共安全体系，推动公共安全治理模式向事前预防转型。”

关联关系：城市尺度多灾耦联、互依网络与快速恢复机理研究，服务于(51)关于交通与城市系统的一体化运行与事前预防。

研究背景与挑战：城市化进程加快导致灾害风险高度集中，且灾害链（如地震引发火灾、洪水）会放大损失。当前面临城市系统结构复杂、多灾害模拟计算量大、多部门协同治理难等挑战。

可行研究内容与方案：构建融合地理信息与灾害物理模型的城市多灾害风险模拟平台，实现灾害影响精准评估；研究生命线工程脆弱性、连锁失效机制与快速恢复策略，降低灾害对城市功能的冲击；建立技术 – 组织 – 社会 – 经济多维度韧性评价指标体系，量化城市抗灾能力；开发 “平时 – 灾时 – 灾后” 智能决策系统，融合城市规划与工程措施，提升韧性管理水平。

• 城市多灾害风险模拟平台：构建融合地理信息、建筑 inventory、基础设施网络、灾害物理模型和人口动态数据的城市尺度高分辨率多灾害风险模拟与评估平台。
• 生命线工程系统韧性：研究生命线工程的脆弱性分析、功能中断模型和快速恢复策略。研究关键基础设施的相互依赖关系和连锁失效机制。
• 韧性评价指标体系：建立量化城市韧性的多维度（技术、组织、社会、经济）指标体系和评价方法。
• “平时-灾时-灾后”决策支持系统：开发用于防灾规划、应急响应和恢复重建的智能决策支持系统，实现基于情景的动态推演和方案优化。
• 规划与工程措施的融合：研究如何通过城市规划（如避难场所布局、冗余通道设置）与工程措施（如韧性结构、海绵城市）的结合，系统性提升城市韧性。

08|能源基础设施

核心内涵：面向国家能源战略，研究海上风电、光伏、抽水蓄能、核电、氢能储运等新能源特种土木工程结构的设计、建造与运维技术，支撑能源转型。

“十五五”规划建议原句：

(46)“持续提高新能源供给比重，推进化石能源安全可靠有序替代，着力构建新型电力系统，建设能源强国。”“大力发展新型储能，加快智能电网和微电网建设。”

(10)“优化能源骨干通道布局，加力建设新型能源基础设施。”

关联关系：海上风电、光伏、抽水蓄能、新型储能与氢能土木结构与运维技术，直接承接(46)(10)的新型电力系统与新型能源基础设施建设。

研究背景与挑战：能源转型推动深远海风电、分布式光伏、大规模抽水蓄能、氢能储运等新型能源基础设施快速发展。但面临海洋腐蚀、抗氢脆、地下洞室稳定、结构抗风抗雪等技术挑战。

可行研究内容与方案：研发超大型漂浮式风机基础与远程运维技术，适应深远海复杂环境；设计建筑 / 农业大棚 / 水面一体化光伏结构，验证其抗风抗雪性能，提升土地利用效率；攻克抽水蓄能地下洞室稳定与新型储能设施（如压缩空气储能）结构安全技术；研究氢环境下材料退化机理与储氢容器安全防护监测技术，保障氢能储运安全。

• 深远海风电结构：研究超大型漂浮式风机基础的动力响应、系泊系统、材料防腐、以及一体化设计理论。研发施工安装和远程运维技术。
• 高效光伏结构体系：研究与大跨度建筑、农业大棚、水面等一体化结合的光伏结构体系，及其抗风、抗雪、抗震性能。
• 大规模储能设施：研究抽水蓄能电站地下洞室群围岩稳定、高压隧洞衬砌设计。研发压缩空气储能、液氢储罐等新型储能设施的结构安全与耐久性关键技术。
• 氢能基础设施韧性：研究氢环境下材料性能退化、储氢容器疲劳断裂机理、以及加氢站等的安全防护与监测技术。

09|地外建造基础理论和关键技术

核心内涵：研究地外极端环境（真空、微重力、极端温差、强辐射）下的建造科学问题、原位资源利用（ISRU）技术与智能建造装备，为深空探测与地外基地建设提供支撑。

“十五五”规划建议原句：

(50)“加强网络、数据、人工智能、生物、生态、核、太空、深海、极地、低空等新兴领域国家安全能力建设。”

关联关系：地外建造与 ISRU 属于“航天强国+太空领域能力建设+国家重大任务”，与(50)和“航天强国”表述一致。

研究背景与挑战：深空探测是国家战略新高地，地外基地建设需求迫切。但地外环境极端恶劣，且运输成本极高（依赖原位资源利用），传统建造技术完全不适用，面临诸多科学与技术空白。

可行研究内容与方案：研究月壤 / 火星壤烧结、3D 打印与胶凝材料制备工艺，实现地外资源高效利用；设计低重力环境适配的穹顶 / 拱壳结构与抗辐射密封技术，满足地外居住与工作需求；研发无人化协同作业的地外 3D 打印与组装机器人，减少人工干预；建立地外真空、高低温、辐射环境模拟试验装置，为技术验证提供平台。

• 地外原位材料制备与利用：研究利用月壤/火星壤（Regolith）进行烧结、3D打印、制备水泥类胶凝材料的工艺与力学性能。
• 地外结构形式与设计方法：研究适应低重力、无大气环境的新型结构形式（如穹顶、拱壳）、密封技术、以及抗辐射和微陨石冲击的设计理论。
• 地外智能建造机器人：研发面向地外环境的无人化、自适应、协同作业的机器人建造系统，包括大型3D打印机器人、物料搬运与组装机器人等。
• 地外环境模拟与试验：建立可模拟地外真空、高低温、辐射环境的试验装置，用于材料、结构和工艺的验证。

10|现代土木工程试验与数值模拟

核心内涵：作为共性关键技术，发展新一代试验技术与数值方法，推动试验智能化 / 无人化 / 高精度化、模拟高保真 / 高效 / 智能化，为各研究方向提供技术支撑。

“十五五”规划建议原句：

(12)“加快重大科技成果高效转化，布局建设概念验证、中试验证平台，加大应用场景建设和开放力度，加强知识产权保护和运用。”

关联关系：混合仿真平台、分布式协同试验与高保真模拟依托“算力网与重大科技基础设施”，并以“概念验证—中试验证”承接(12)的转化路径。

研究背景与挑战：传统试验存在效率低、成本高、难以捕捉细观动态现象等问题；数值模拟则面临精度与计算效率矛盾突出、复杂破坏过程模拟不精确等挑战，制约了研究深度与工程应用。

可行研究内容与方案：发展物理试验与数值模拟耦合的混合仿真及分布式协同试验技术，整合多平台资源；研发自动传感布设、扫描测量的智能试验机器人，提升试验效率与数据精度；构建宏观 – 微观 – 细观耦合的多物理场高保真模拟框架，提高复杂问题模拟能力；利用机器学习开发快速本构模型、模型降阶与 AI 赋能仿真技术，平衡精度与效率。

• 混合试验与分布式协同试验：发展将物理试验与数值模拟实时结合的混合仿真技术，以及多个实验室联网协同完成复杂整体结构试验的技术。
• 智能试验机器人：研发用于自动布设传感器、进行扫描式测量、甚至执行加载的机器人系统，提升试验效率和精度。
• 多尺度、多物理场高保真模拟：发展耦合宏观-微观-细观的模拟框架，以及流固耦合、爆轰、连续倒塌等高非线性问题的计算力学新方法。
• 人工智能赋能仿真（AI4SIM）：研究基于机器学习的速度本构模型、模型降阶技术、仿真结果智能分析（自动识别损伤）以及替代模型（Surrogate Model），极大提升计算效率。

11|土木工程信息化和智能化

核心内涵：将 AI、大数据、物联网、5G、区块链等新一代信息技术融入土木工程全产业链，驱动规划、设计、建造、运维、拆除各环节的范式变革。

“十五五”规划建议原句：

(14)“健全数据要素基础制度，建设开放共享安全的全国一体化数据市场，深化数据资源开发利用。”“全面实施‘人工智能+’行动，以人工智能引领科研范式变革，加强人工智能同产业发展、文化建设、民生保障、社会治理相结合，抢占人工智能产业应用制高点，全方位赋能千行百业。”

(10)“适度超前建设新型基础设施，推进信息通信网络、全国一体化算力网、重大科技基础设施等建设和集约高效利用。”

关联关系：

BIM-CIM-数字孪生、智慧工地与智慧运维，以“数据要素+算力网”为底座，落实“人工智能+”赋能工程全链条，离不开(10)(14)的推动与支持。

研究背景与挑战：土木行业信息化水平偏低，存在 “数据孤岛” 现象，智能化应用分散且碎片化。当前面临数据标准不统一、算法可靠性不足、软硬件集成难度大、行业传统模式转型慢等问题。

可行研究内容与方案：研发 AI 性能驱动与生成式设计算法，提升设计创新性与效率;开发建筑焊接 / 浇筑 / 检测机器人与 BIM + 物联网智慧工地系统，推动建造过程智能化;构建 “BIM+GIS+IoT+AI” 的基础设施智慧运维平台，实现运维精细化管理;探索 CIM（城市信息模型）数字孪生、元宇宙与区块链工程溯源应用，拓展行业数字化边界。

• 智能设计与生成式设计：研究基于AI和性能驱动的自动优化设计算法。探索生成式AI在方案创意、结构选型和优化中的应用。
• 智能建造与机器人：研发钢结构焊接、混凝土浇筑、墙面喷涂、质量检测、高空作业等建筑机器人。研究基于BIM和物联网的智慧工地管理系统。
• 基础设施智慧运维：基于“BIM+GIS+IoT+AI”技术，构建基础设施智能运维平台，实现状态自动感知、AI诊断、预测性维护和养护决策优化。
• 数字孪生与元宇宙：研究高保真城市信息模型（CIM）与数字孪生技术，构建与物理城市实时交互、虚实映射的“元宇宙底座”，用于城市模拟、管理和服务。
• 区块链与行业治理：探索区块链技术在工程溯源、质量责任追溯、供应链管理和智能合约中的应用，提升行业透明度和信任度。

上述十一个方向相互关联、相互支撑，共同勾勒出未来十年中国土木工程学科发展的宏伟蓝图。其核心脉络是从单一材料走向材料-结构协同，从新建造走向全生命周期，从单体结构走向城市系统，从传统环境走向极端/地外环境，从传统方法走向信息化与智能化。

未来研究必须强调学科交叉，加强与材料科学、信息科学、人工智能、地球科学、能源科学等的深度融合；同时注重产学研用结合，让前沿基础研究成果更快地转化为现实生产力，为解决国家重大需求、保障人民生命财产安全、实现土木工程领域的可持续发展与创新引领做出决定性贡献。

土木工程从来不是 “夕阳产业”，而是随着时代发展不断迭代升级的 “常青产业”。对于科研人员而言，这些方向是立项攻关的核心热点；对于企业而言，是布局未来的战略赛道；对于从业者而言，是职业升级的关键抓手。告别迷茫，聚焦价值，在这些重点方向上深耕细作，必能在土木工程高质量发展的浪潮中把握机遇、实现突破！