1. 高性能工程材料与高性能结构的协同设计

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

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

1. 建立微观-细观-宏观多尺度协同设计理论；2. 研发基于目标性能的材料定向设计方法；3. 推进传感/驱动元件植入的智能材料-结构一体化；4. 开发集成数据库与模拟算法的协同设计平台

2. 既有结构的维护与性能提升

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，保障安全耐久服役

既有结构存量大且多进入“中老年期”，维护需求迫切，面临损伤机理复杂、检测精度低、加固干扰大、运维决策缺理论支撑等挑战

1. 研发无人机、机器人结合数字孪生的智能检测监测技术；2. 开发FRP、自预应力等高效加固与极端性能提升技术；3. 研究电化学、微生物自修复等耐久性提升技术；4. 建立多目标优化的全寿命周期运维决策模型

3. 复杂环境下土工构筑物和基础工程的稳定机制及控制

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、深基坑等）失稳机理与智能化控制技术

“交通强国”“海洋强国”战略推动工程向复杂地质领域拓展，传统土力学理论难应对极端条件与多场耦合，失稳过程非线性强

1. 发展多场耦合本构模型与高保真数值仿真方法；2. 研发基于机器学习的灾变动态稳定分析与风险评估技术；3. 开发物联网感知-决策-执行的智能化调控技术；4. 构建北斗+InSAR的远程监控与预警平台

4. 土木工程全生命周期设计理论和方法

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、社会效益最优化

可持续发展要求降低工程资源消耗与环境负荷，面临全周期数据集成难、多目标权衡难、长效性能预测难等问题

1. 深化BIM-5D/6D与设计-运维一体化数字孪生应用；2. 建立符合国情的LCA数据库与评价标准，融入设计优化；3. 制定适应气候变化与功能变更的全周期性能化设计指标；4. 研究便于拆解循环的结构连接构造与DfD设计

5. 材料-结构一体化基础理论

（方向一深化）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

材料-结构界面协同机制是研究薄弱环节，微观损伤引发宏观失效、多材料多物理场响应等需深层理论突破

1. 研究不同材料界面粘结-滑移本构与跨尺度破坏理论；2. 利用DIC、CT扫描观测材料内部微裂纹演化，验证理论；3. 借助机器学习挖掘数据规律，辅助本构关系与新理论发现；4. 建立力-热-电-磁-湿多物理场耦合响应理论

6. 极端荷载及恶劣环境下工程结构失效机理与性态控制

聚焦强震、强风、爆炸、火灾及深海/高寒等场景，研究结构响应与失效机理，发展性态控制技术与设计理论

重大工程防护对结构抗极端荷载能力要求高，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

1. 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；2. 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；3. 开发Mega-屈服隔震支座、自复位阻尼器等新型控制装置；4. 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

7. 土木工程及城市大系统多灾害效应与抗灾韧性提升

从城市系统尺度，研究多灾害/灾害链对建筑群、生命线工程的破坏效应，建立城市抗灾韧性提升理论与方法

城市化导致灾害风险集中，灾害链放大损失，面临城市系统复杂、模拟计算量大、多部门协同难等挑战

1. 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；2. 研究生命线工程脆弱性、连锁失效机制与快速恢复策略；3. 建立技术-组织-社会-经济多维度韧性评价指标体系；4. 开发“平时-灾时-灾后”智能决策系统，融合规划与工程措施

8. 能源基础设施

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设计、建造与运维技术

能源转型推动深远海风电、氢能储运发展，面临海洋腐蚀、抗氢脆、地下洞室稳定等技术挑战

1. 研发超大型漂浮式风机基础与远程运维技术；2. 设计建筑/农业大棚/水面一体化光伏结构并验证抗风抗雪性能；3. 攻克抽水蓄能地下洞室稳定与新型储能设施结构安全技术；4. 研究氢环境材料退化与储氢容器安全防护监测技术

9. 地外建造基础理论和关键技术

研究地外极端环境（真空、微重力等）下建造科学问题、原位资源利用（ISRU）技术与智能建造装备，支撑深空探测

深空探测是战略新高地，地外建造面临无大气、极端温差、辐射强、运输成本极高（依赖原位资源）等挑战

1. 研究月壤/火星壤烧结、3D打印与胶凝材料制备工艺；2. 设计低重力适配的穹顶/拱壳结构与抗辐射密封技术；3. 研发无人化协同作业的地外3D打印与组装机器人；4. 建立地外真空、高低温、辐射环境模拟试验装置

10. 现代土木工程试验与数值模拟

（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

传统试验效率低、成本高，难捕捉细观/动态现象；数值模拟存在精度与效率矛盾，复杂破坏过程模拟不精确

1. 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；2. 研发自动传感布设、扫描测量的智能试验机器人；3. 构建宏观-微观-细观耦合的多物理场高保真模拟框架；4. 利用机器学习开发快速本构、模型降阶与AI赋能仿真技术

11. 土木工程信息化和智能化

将AI、大数据、物联网、5G、区块链融入土木工程全产业链，驱动行业各环节范式变革

土木行业信息化水平低，存在“数据孤岛”，智能化应用分散，面临数据标准不统一、算法可靠性不足、软硬件集成难等问题

1. 研发AI性能驱动与生成式设计算法；2. 开发建筑焊接/浇筑/检测机器人与BIM+物联网智慧工地系统；3. 构建“BIM+GIS+IoT+AI”的基础设施智慧运维平台；4. 探索CIM数字孪生、元宇宙与区块链工程溯源应用