教师授课、法官断案,为什么设计师不专司设计而谈工程思想?这是因为建造港珠澳大桥的设计师与工程师们花了几乎全部时间去解决问题。港珠澳大桥的前期初步方案设计,由港珠澳大桥管理局组织国内外专家共同完成,而大桥的关键性控制性工程是海底隧道部分,更多是听取了有工程经验的外国专家建议,因为中国没有做过,既无设计实践,更无工程经验。
设计是先有意向,为了完成这个意向到工具箱挑选工具,这就是所谓的前期方案设计。港珠澳大桥是一项前所未有的超级工程,所以工程师们发现既有的工具箱中并没有可用或者适合的工具,由此他们面临着要自己不断制造新工具的处境。
工程师们在这个过程中历尽磨难:他们首要的是必须辨识工程设计的风险与排除风险,要在一次次的试验中辨识给定的工程理论与工艺正确与否。为此,他们要对所有未知领域采取试验先行的做法,甚至采取反向论证。事实上,他们一次次地推翻了原有的设计方案,创造了在一个工程中更改九成以上原设计方案的纪录,目的是使所有的风险可知可控。
在港珠澳大桥建设者们的心中,这里严苛到不允许任何试错,只能成功,因为一旦将错误铸成事实,谁都没有能力去纠正。这是一项对失误和错误零容忍的工程。
在工程进入结尾阶段,21世纪经济报道记者与港珠澳大桥岛隧项目总经理部副总经理、总设计师刘晓东进行了三次交谈。他用五年工程实践的事实,梳理对港珠澳大桥工程属性的认识、工程思想的主旨以及施工思想的方法。这个对话已超出工程施工的本身,也超出一般工程师的思考范围,也许对日后新的超级工程具有借鉴作用。
先从怀疑的角度出发
《21世纪》:中国交建总工、港珠澳大桥岛隧工程项目总经理林鸣曾向我介绍,大桥初步方案设计的沉管地基是采用桩柱施工方法。为此,他组织进行了典型试验(1∶1的实验),试验结果出人意料,关键数据并不支撑施工要求,由此创新了“组合基床”的新方法。难道你们施工的每个环节都是先从怀疑的角度出发?
刘晓东:这是林总的工程思想。虽然已经有了初步设计方案,但我们是这个工程的实施者与承包人,做工程当然要把工程的风险和质量放在第一位。这是基于对工程属性的认识:第一,岛隧组合工程我们之前并没有做过;第二,深海沉管隧道工程在属性上归类为高风险工程,我们心存敬畏之心。与陆上的工程相比,在海洋里施工,人与自然的力量对比悬殊,在海浪、海流、台风、气候面前非常渺小,可以说是风险无处不在,对此我们有清醒的认识。第三,在连接粤港澳三地区域内施工,我们不能出任何问题,这个工程国际关注度非常之高。
如果我们对上述问题考虑不周到,工程出现那么一点点差错,首先是代价和时间不可控,而且,失误将是不可逆转的。林总经常举这样的例子:在陆地上用混凝土做个房子,如果质量出问题可以扒了重来,但是假设沉管下沉没有精准对接,我们甚至没有装备能把它吊起来,如果再影响到珠江口航道的运输,将会造成无法计算的工程与社会损失。所以,林总对工程的主导思想是“对失误零容忍的工程”。
《21世纪》:这是严苛的工程思想理念。
刘晓东:因为不同,因为高风险性,因为不允许失败。我们每一步走得都很谨慎,走每一步之前要先审视风险点在哪里,我们每走一步都是从找问题出发。
试验先行
《21世纪》:零失误,这是多么大的压力。你们看问题的方法会不会让人们不舒服?已经有初步的设计方案,凭什么一个承包商不相信全世界知名专家的设计?难道你们比知名专家们还高明?
刘晓东:我们花了很多时间找问题,同样也要花很多时间做说服工作。但是总体来讲,无论是领导还是社会,对这项工程都有一个基本的判断与共识:岛隧工程是整个项目最难的工程。其次,中国人以前没有做过,这是第一次。我记得当时交通运输部的专家组组长,时任交通部副部长冯正霖说过:“我们没做过的事情,没经验的事情,希望是试验先行。”我的理解是,如果我们没有把握更谈不上经验,一定先要通过试验研究清楚再实施。
《21世纪》:这是一个尊重客观懂技术的专家型领导。
刘晓东:正是在这样的氛围中,我们对找出的问题进行了很多次试验。
我给你讲个有代表性的故事:2010年我们中标后,林总组织在青岛做过一次典型试验。原来工程设计的隧道基础是“钢减沉桩”,就是在海底打桩,上面铺上桩帽,桩帽上面再铺碎石,之后把沉管放在上面。这个方案可行吗?试验的过程中有两个发现,其一,外国咨询公司所给的设计参数值远远小于我们试验的结果;其二,试验过程出现严重的沉降变形,石头往两边跑,我们的专业术语叫不收敛。林总开始警惕了,试验是在静载状况下进行的,如果是动载呢?比如发生地震?发生地震会对隧道在水平面和纵向平面产生变形和破坏趋势,以及在隧道管节的接头产生差异移动和旋转,那时工程将面临彻底失败。
《21世纪》:方案不是有经验的欧洲公司做的吗?他们的工具箱不是有很多被验证和类似的工具吗?难道他们没有考虑地震载荷的问题吗?
刘晓东:投标之前我们就开始研究这个方案,打桩是我们的水下强项,刚开始只是觉得具体的施工工艺跟之前做过的桩不太一样。中标后凭经验隐隐约约地感觉有些不妥,因为600根钢桩每根都很细,桩上面顶着一个大帽子,7万多吨的沉管就放在这上面,在沉管和桩顶帽之间还有一层碎石。
这个方案是外国专家给我们的,他们说能做成,我们开始时更多地考虑如何实现。但是在真正做详细设计计算时发现不得要领,比如基础沉降的均衡值是多少?特别是碎石的参数如何取?后来我们找到这家外国咨询公司,当时他们提供了一套算法,和我们试验获得的数据有很大的差异。我问:“你们的算法以前用过吗?”他们没有回答我们的问题。当时我心里就紧张了一下,进一步追问,“你们以前做过这东西没有”?他们说:“没有,但是挪威有一个项目跟这个类似”。我们找到挪威的项目认真研究,发现两者差别很大。
《21世纪》:按说这家著名的咨询公司的工程师或者设计师应该是很负责任的,他们怎么会这样做?
刘晓东:说句实话,当时我们心里开始没底了。深入交谈后才知道,他们选择水下钢桩的施工方法,是因为此前中国做过的一些隧道,比如甬江隧道是用打桩的方法。但他们提出的水下钢减沉桩的工艺跟国内的打桩不太一样,在工艺上要求更高。经过我们的试验发现,如果按照他们的方案做,相当于给港珠澳大桥的海底隧道建设挖了一个很大的陷阱。之后,我们通过研究分析,采用了复合地基作为沉管隧道基础的设计施工方案,这在国内也是首次。
对疑问多方分析论证
《21世纪》:沉管基底出现这样的问题,其他的环节呢?
刘晓东:正是从这件事情开始,我们对每个环节都持有谨慎审视的态度。实际上,外国公司只是提供咨询出主意,拿出方案让施工方自己选。可能他们的起始点高、思路宽、见得多,与我们相比占尽优势。但随着对工程的深入研究,以往旧有的经验是否符合实际?某个方案能不能做成?在这点上我们的起步点差距并不大。通常我们会把疑问分解成十个或者八个问题去证明,只要有一个问题得不到解答,可能这个问题就是风险点所在。
中国交建有很强的研究、制造与设计团队,比如复合地基的创新,是我们经过大量调研与计算和试验,最终建立的一套完整的复合地基设计施工方法。
如何建立新的解决方案?
《21世纪》:发现问题后你们是如何解决衍生的次级问题呢?或者说推翻了原有的方案,如何建立一个新的解决方案呢?
刘晓东:以快速成岛技术为例,快速成岛是我们的重要创新成果之一,同样也是林总提出来的。港珠澳大桥有35公里桥梁和6.4公里海底隧道是通过两个人工岛连接起来的。传统成岛技术是用混凝土或者石头围一圈挡住海水,而林总建议采用大的钢圆筒止水围岛,出发点是任何常规建岛方式都无法满足止水的要求,普通工程漏点水影响不大,而港珠澳大桥99.99%的保证率都不行,只要发生0.01%的漏水,将带来不可想象的灾难。
当时港珠澳大桥人工岛通过的初审设计,人工岛的建设方案采用常规的建岛方法。在我们提出新的方案后,花了差不多半年多的时间做方案、设计、论证、实验,同时还要说服专家们同意并取得共识。为了做到严谨,林总请设计大师王汝凯作钢圆筒建岛不成立的反向研究。王大师组织了8个攻关课题研究,包括钢圆筒的稳定计算理论、钢圆筒筒体结构设计、振沉技术及振沉工艺、止水方案等,经过三个月的研究,结论是大圆筒快速成岛施工方法是成立的。围两个岛用了120个大圆筒,每个筒的直径有22米,筒和筒之间两米的间距采用钢板连接起来,形成稳定安全的岛壁结构。我们在五个月完成两个人工岛成岛,施工效率提高了好几倍。人工岛已经建成3年,没有出现任何问题。
近九成方案都做了变更
《21世纪》:港珠岛大桥工程的60多项创新都是这样的过程吗?
刘晓东:基本上都是。我们这个工程有些不一样。大多数工程习惯于沿用已有的技术与方法,100年前就是这样做的,现在依旧如此。但我们在做这个工程的时候,采用已有的方法,从工程质量的把控上不能接受,也不符合我们工程的思想。所以每走一步都在探索有没有更好的办法,这是我们的特别之处。我们当然希望使用成熟的工具与技术,但是只要发现这个工具并不适合我们,或者说对港珠澳大桥工程存在风险或者是潜在的风险,我们就会放弃所谓成熟的做法,立刻进入组织创新新工具、新结构、新工艺和新技术中去。工程已经进入收尾阶段,差不多有九成的原有方案都做了变更。
港珠澳大桥的工程思想是:对失误零容忍的工程。林总常对我们说,深埋沉管历史性的摆到了中国工程师面前, 我们不能在中国的超级工程上留下任何遗憾!
《21世纪》:听您的介绍,我对工程的艰难程度有了新的认识。谢谢您!
(编辑:吴红缨,如有意见和建议请联系:zhaoyl@21jingji.com;wuhy@21jingji.com)
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