创建可持续的基础设施，提高应对气候变化的韧性
- 美国的许多基础设施系统最初是为了适应20世纪中叶的人口和气候而建设的，这些系统现已过了全盛时期。
- 在严重的洪水事件导致宾夕法尼亚州I-78高速公路瘫痪后，该州交通部已加大力度，以减轻气候事件对基础设施造成的损害。
- 基础设施现代化的关键是数字技术：基于云的工作流、预测软件、欧特克AutoCAD、GIS测绘系统、道路传感器、快速施工以及数字项目交付都有助于应对不断变化的情况。
2020年8月4日，一场强暴雨席卷了宾夕法尼亚州利哈伊县，在大约8小时内释放了超过18厘米的雨水，淹没了78号州际公路的低洼混凝土路段。突如其来的强烈微爆流——这种不可预测的暴风雨在美国变得越来越常见——导致东行车道关闭了几个小时，并造成漫延几公里的交通堵塞。高速公路下方的排水系统根本招架不住。这导致了邻近的村镇近于瘫痪，直到公路修复才有所好转。
“我们需要考虑那里的韧性，因为如果这种事件再次发生，而且发生500年或千年一遇的[洪水]事件，我们需要有能力处理这种情况，”位于哈里斯堡市的宾夕法尼亚州交通部总部桥梁局局长及桥梁总工程师Richard Runyen说道。“我们不能让州际公路因为道路或桥梁损坏而长时间关闭。”
当然，这一问题并不限于宾夕法尼亚州，也不限于雨水排泄系统。世界各地的基础设施正在退化。从行将崩溃的水坝、摇摇欲坠的桥梁到经常破损的铁路和隧道，许多最初为20世纪中叶的人口和气候而建造的基础设施系统已经开始老化。（全球各国政府都在考虑如何在未来100多年的时间里维护这些系统，让它们持续下去；仅在美国，政府就准备投资3.5万亿美元（PDF，第6页，约25万亿元）用于“基础设施和未来的产业——包括清洁能源”的刺激计划。）气候变化正在加剧恶化，导致桥梁故障、铁轨“扭曲变形”、水处理厂运作中断和路面破裂。极端天气事件正在对基础设施和整个交通系统造成严重破坏。
Runyen说，这些系统之所以出现故障，部分原因是它们的老化。在美国，1960年代和1970年代（被一些人称为“基础设施黄金时代”）建造项目使用的是现已过时的设计模型和施工标准。现在，许多此类系统需要维护或彻底更换。在美国，堤岸的平均寿命已有50年，全国22万座桥梁中有7万多座需要修复或重建。
印第安纳州交通部系统性能和交通政策总监Louis Feagans表示，更具挑战性的问题是，在过去的50年里，世界发生了巨大的变化，从国家机构获得资金变得越来越困难。在美国，许多州都在力争赶上不断发展的技术和基础设施的需求。当时，道路、高速公路和桥梁是在化石燃料占主导地位的情况下建造的，汽车和卡车的MPGs（每加仑英里数）低得多，路上的汽车数量要少得多，卡车载重较轻，降雨强度较小，气温也较低。
考虑到气候的影响，基础设施系统迫切需要可持续地更新。“这不仅仅是为了解决当下的问题，”Runyen说，“还要确保我们正在做的事情是为了延长这些结构的使用寿命。有些人不喜欢这样，因为现在看起来这有点矫枉过正。但我们尽量解释说，20年后这不会太过分。这就是挑战。”
数据收集和建模
Feagans表示，基础设施现代化的关键是数字技术：基于云的工作共享、通用数据环境、BIM和数字孪生、预测建模软件、欧特克AutoCAD、GIS测绘系统、道路传感器以及面向制造和装配的设计（DfMA）等快速施工方法，这些都能够以经济高效且针对特定地点的方式响应不断变化的条件。
对于许多州来说，第一步是更好地处理基础设施资产。Runyen说，在2017年提议征收汽油税之前，印第安纳州的官员要求对桥梁、公路里程数以及大小涵洞的数量和状况进行统计。
这些数据可以通过印第安纳州总资产管理门户轻松获得：该州拥有46,740公里车道；5,763座桥梁；8,858座大型涵洞和50,000个小涵洞；它们的年龄、状况和位置都保存在云端。更好的库存数据意味着更好的道路。过去5年，道路状况“差”的比例从10%下降到5%；桥梁状况“差”的比例已从5%降至3%。
“八、九年前，我们并没有将所有数据集中在一个地方，” Feagans 说道。“它们放在文件柜中，维护软件中，其中很多都是Excel 电子表格。它们分散在各处。我们开始做的第一件事就是集中并开始拥有一个数据源，并将这些数据引入资产GIS图层类型的程序中，这样每个人都可以轻松地获取数据。”
数据建模也帮助印第安纳州交通部（INDOT）做好准备。最近，该州开始了一项降雨和河流研究，以利用美国地质调查局的GIS数据，更好地评估洪水风险。INDOT还重新评估了交通流量，并投资了一家加拿大软件公司的dTIMS建模软件，以对管道、桥梁和道路维修的成本制约情境进行快速迭代。
资产优先排序和风险评估
这些努力的长期愿景是为设计师、工程师、规划师、水文学家和资产业主提供数据，以可靠地评估风险并提高未来设计的韧性。
近期而言，基础设施修复的目标是开发更好的方法来维持现有基础设施。Runyen说，联邦公路管理局传达的信息是，“如果你不必须更换整个东西，那就退后一步，重新平衡你的资产组合。这就是我们现在真正关注的事情。”
在宾夕法尼亚州交通部（PennDOT）超过100亿美元（约719亿元）的基础设施总体预算中，新建项目的目标仅为28亿美元（约201亿元）。但对于维护和修复工作，技术可以对有关资产优先排序和应急响应提供重要的见解，揭示交通流量最高的道路；通往学校、医院和发电厂的线路；以及项目整个生命周期的成本。
“并不是每座桥梁都需要造得具有韧性，”Runyen说。“但肯定有一些重要的结构不能每隔几年就因为洪水而坍塌。这才是真正值得花钱的地方。”
实践中资产优先排序的一个例子是桥梁维护，特别是在微爆流之后。一款名为BridgeWatch的软件工具可以精确地显示强降雨发生的地点，从而缩短应急人员的响应时间。“它帮助我们做出相应的反应，在正确的时间将我们的资源发送到正确的地方，”Runyen说。
通过分析，州主管部门可以采取积极措施，包括把水流从脆弱的桥墩引开、使地下管道系统现代化或清除沉积物。Runyen说：“这几乎就像预告未来一样，但这就是我们必须开始做的事情，为未知情况做好准备。”
印第安纳州交通部以430万美元（约3,050万元）的总预算制定了12年和20年生命周期的路面维护策略：把强度较低的维修安排在前几年，例如裂缝密封和修补；把强度较高的工作安排在时间表接近结束时，例如沥青覆盖层。对桥梁和涵洞修复的投资也可以经济有效地延长现有资产的使用寿命。
Feagans将预防性维护方案与常规的汽车调整进行了比较：“如果车辆不更换机油、轮胎不轮换使用，就会出现问题。”
为未来而建设
到了一定的时候，补救措施就不再具有成本效益。规划师、水文学家、设计师和工程师正在重新核实历史上极端天气事件的预报，以预测气候变化和更严重的降雨。基础设施系统需要承受较大的破坏，防止道路关闭或人员伤亡。通常，宾夕法尼亚州际公路的雨水排泄系统是针对50年一遇的洪水而设计的，但将来可能需要针对更严重的500年一遇的洪水进行设计。
“我们不再处于良好、缓和的[气候变化]曲线上；我们确实在加快步伐，”Runyen说。“这就是我们必须牢记的一点：事情将会发生指数级的变化。”
具有韧性的设计策略包括选择更耐用的材料、加高道路和桥梁、将道路选在远离河流走廊的地方以及改变结构元素的配置等等。
建模和材料强度测试的新方法正在开发中。印第安纳州交通部与普渡大学合作，正在评估可检测混凝土凝固硬度的传感器。州政府委托的工程师还使用落锤式弯沉仪（FWD）测试路面覆盖层的弹性，以确定重载下的韧性。
另一个活跃的研究领域是开发遏制桥堤、水坝和堤坝附近受到侵蚀的方法。为了保护容易遭受雨水冲刷的连接桥面的道路，宾夕法尼亚州交通部聘请了理海大学的研究人员来评估回填施工技术。一种方法是在桥台后面采用粗骨料、岩石衬砌和土工合成材料包裹的增强结构。紧密粘合的基体有助于将回填材料固定到位，并在洪水期间和洪水过后保持道路畅通无阻。
“环顾意大利威尼斯城，你会发现他们有巨大的混凝土块来保护它免受洪水侵袭，”Runyen说道。“这就是能量吸收，让水远离敏感的地基。但如果洪水太大，你就会开始失去那些保护性的石块。因此，通过研究，我们已经找到了使用不同的材料来创建一个矩阵，如果你愿意的话，它可以在原地保持更长时间，而且也起到了保护环境的作用。”
根据美国《基础设施投资和就业法案》提供的资金可能有助于加速研究工作。印第安纳州最近通过该法案的PROTECT计划获得了60万美元（约426万元）的联邦拨款，用于支持地面交通的韧性规划。宾夕法尼亚州交通部预计每年将从该计划中额外获得5,000万美元（约3.6亿元）。
“采用先进的数字工具和工作流程的组织越多，他们就越能更好地应对气候变化和极端天气事件带来的挑战，延长现有结构的使用寿命，并为未来的挑战做好准备。”——Richard Runyen,宾夕法尼亚州交通部
在预测长期成本、能源、人类生命和碳节约方面，这两个州还有很长的路要走。测试新的桥梁和道路设计、审查材料以及制定具有韧性的资产指南需要时间。但Runyen认为，这一飞跃早就该出现了。
“作为工程师，我们必须走出我们的舒适区，”他说。“韧性是促使我们开始超越我们今天的设计目标进行思考的真正动力。换句话说，韧性和优化技术的概念需要齐头并进：采用先进的数字工具和工作流程的组织越多，他们就越能更好地应对气候变化和极端天气事件带来的挑战，延长现有结构的使用寿命，并为未来的挑战做好准备。”