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证言

弹性需求：为应对气候变化准备美国的运输基础设施

2019年5月21日

引言
主席谢里尔（Sherrill）、高级成员诺曼（Norman）和小组委员会成员，我是杰森·艾弗里尔（Jason Averill），美国商务部国家标准技术研究所（NIST）材料和结构系统部部长。NIST实验室项目致力于测量科学的前沿，以确保美国测量系统牢固地建立在健全的科学和技术原则基础上。凭借NIST实验室的独特设施，我们应对各种规模的复杂测量挑战，从水泥水化的化学动力学到建筑，再到整个社区的恢复力。感谢您今天有机会出席会议，讨论NIST在交通基础设施恢复力方面的作用和重点项目。

NIST和社区复原
最近发生的事件，包括2017年美国飓风季节和2018年野火季节，提醒我们自然、技术和人为灾害对社区造成了巨大损失，而且这些影响可能会持续很久。为了帮助解决这些影响，NIST管理了一个多方面的社区复原计划，这是我们更广泛的灾难复原工作的一部分，帮助社区和利益相关者解决与建筑、社会功能和物理基础设施系统（包括运输网络）的相互依赖性相关的问题。

这些努力的主要内容是支持基于科学的恢复力规划。有效的规划可以提高社区的生活质量、经济福祉、快速恢复和重建的能力。为了支持社区规划，NIST编制了《NIST建筑和基础设施系统社区复原规划指南》（指南），¹这提供了一种实用而灵活的方法，通过确定优先事项和分配资源来管理其普遍危害的风险，帮助所有社区提高其恢复能力。使用该指南可以帮助社区将一致的恢复力目标纳入其综合经济发展、分区、缓解和其他影响建筑、公共设施、交通和其他基础设施系统的地方规划活动中。

该指南的六步过程有助于社区思考和规划其社会和经济需求、其特定危险风险以及通过以下方式恢复建成环境：

为重要的社会功能——医疗、教育和公共安全——以及支持建筑和基础设施系统——交通、能源、通信、水和废水——制定绩效目标；
认识到社区的社会和经济需求和功能应推动建筑环境如何发挥作用的目标设定；和
提供一种综合方法，使社区优先事项和资源与恢复力目标保持一致。

此外，NIST《建筑和基础设施系统社区复原经济决策指南》（EDG）²为评估投资决策提供了一种标准的经济方法，旨在提高社区适应、承受破坏性事件并快速恢复的能力。《经济决策指南》旨在与《指南》结合使用，它提供了一种易于遵循的方法，描述了社区可能正在考虑的各种恢复力选项的成本和收益。

《经济决策指南》通过识别和比较恢复力投资的当前和未来成本和收益流与现状，构建了经济决策过程。通过节省成本和避免损坏损失来量化收益。其他主题包括非市场价值、不确定性、与弹性投资相关的共同利益，以及特定战略的正负外部性（影响第三方的成本或利益）。NIST还发布了“EDGe$”工具，^三一种强大的基于软件的技术，用于根据《经济决策指南》选择成本效益高、基于基础设施的社区复原项目。

NIST资助基于风险的社区复原规划中心
为了补充NIST社区复原研究项目，NIST指定了一个致力于社区复原的NIST卓越中心。这个基于风险的社区复原力规划中心⁴（中心）于2015年2月被授予科罗拉多州立大学领导的12所大学合作伙伴。⁵该中心将加快开发系统级模型以及相关数据和数据库，以支持社区复原决策。该中心的多学科团队包括工程、经济、数据和计算以及社会科学方面的专家。他们的研究将支持指标和工具的开发，这些指标和工具将帮助决策者决定如何以最佳方式投资资源，以减少灾害对建筑物和基础设施系统的影响，以及如何快速恢复和最大限度地减少社区破坏。

该中心工作的核心是“核心内”——互依网络社区恢复能力建模环境。该计算机模型和相关软件及数据库建立在开源平台上，将采用基于风险的决策方法，为社区抗灾能力评估提供定量和基于科学的方法，并支持在社区一级增强抗灾能力的商业案例。⁶

与美国社区合作
NIST致力于与我们的联邦合作伙伴合作，将研究结果和产品转让给最终用户。⁷例如，新罕布什尔州纳舒亚市面临着各种潜在危险，包括河流洪水。由于雨水基础设施和道路、停车场、屋顶和人行道等不透水覆盖物不堪重负，纳舒亚经常遭遇洪水。

Nashua与NIST、环境保护局合作，并利用联邦应急管理局（FEMA）的工具，正在制定一项积极主动的综合计划，以应对从自然灾害到不利社会经济趋势等各种冲击和压力源。通过Resilient Nashua，该市正在与广泛多样的社区利益相关者进行接触。Nashua正在使用NIST指南中的六步规划过程来协助其倡议。Nashua已经制定了其性能目标，并且正在使用FEMA工具来确定其建筑物的预期性能。

纳舒亚确定了五个抗灾重点领域：（1）老化基础设施；（2）气候变化与适应；（3）为日益多样化的人口提供服务；（4）作为一种文化的弹性；社区卫生。2019年，该市的恢复力规划工作将以更新的《灾害缓解计划》和首次社区恢复力战略告终。该文件将包含所需的联邦应急管理局（FEMA）灾害缓解部分，并提出一项以社区恢复能力为导向的防备、行动连续性和社会计划战略。

NIST混凝土研究和基础设施
混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料，通过提供强度、耐久性和弹性，在桥梁和道路等交通基础设施中发挥着主要作用。60多年来，NIST一直在进行支持混凝土行业的研究。

建筑物、桥梁和道路的强度和可靠性可以与混凝土的一个关键组成部分的性能联系在一起：水泥——石灰石、粘土、沙子和石膏的细粉。当与水混合时，它会产生一种糊状物，将沙子和岩石粘在一起，并硬化为混凝土。制造商依靠通过美国材料与试验协会（ASTM）国际开发和验证的标准试验方法，力求获得一致可靠的水泥。

为了支持共识标准的开发、可用性、准确性和精确度，NIST提供了20多种水泥标准参考材料（SRM®）。NIST SRM支持的标准测试方法确保了全球水泥产品的质量和结构的完整性。例如，SRM 46h（波特兰水泥细度标准）对于根据ASTM标准方法校准细度测试设备至关重要。SRM 2492是一种用于流变测量的宾汉糊混合物，它提供了一种特性良好的混合物，用于校准用于测量混凝土流变或流动特性的流变仪。良好的流变特性对于确保现场泵送混凝土的能力至关重要。SRM 1881b《与粉煤灰混合的硅酸盐水泥》用于验证化学和仪器方法对水泥和类似基质材料元素含量的分析。飞灰是燃煤发电的副产品。以前被认为是废物副产品的研究表明，粉煤灰可以用于制造改良水泥，这种水泥需要更少的水来混合到混凝土中，凝结更快，更容易通过泵流动，并且可以制造出更坚固、渗透性更低的混凝土。粉煤灰水泥SRM是NIST如何继续应对全球1万亿美元水泥行业不断变化的需求的一个例子。

水泥和混凝土外加剂制造
水泥基材料增材制造（AM）是一项新兴技术，为建筑行业提供了令人兴奋的新机遇。机器人手臂已被用于自动将混凝土浇筑到模板中，计算机控制的龙门起重机已被改造成以分层方式分配材料。AM技术实现的快速施工有许多可能的应用和好处，包括在自然灾害后为社区快速建造避难所（即使用当地材料进行自动化军事施工），通过现场打印桥梁组件降低运输成本，通过更高的风塔获得更高的能量风，更具成本效益的设计策略，通过精确控制材料，以及在难以到达的区域修复混凝土的新方法。

使用水泥基材料的AM代表了混凝土规范、质量控制和保证方法的范式转变。传统混凝土施工所用的计量和标准不适用于AM，因为需要在施工前和施工期间精确测量材料的流变性。NIST正在进行实验测量、数值模拟和机器学习（ML）技术的结合，以评估各种材料系统对AM的潜力。将使用两个AM机器人建造工件：一个用于粘贴的台式机器人和一个用于灌浆的施工级机器人。非破坏性测试技术将通过检测冷接缝等缺陷来评估结构的建造质量。此外，糊料和砂浆流动的数值模拟将深入了解AM期间材料所受的应力，并为流变学实验协议提供信息。最后，为了帮助选择材料和工艺参数，本项目期间收集的数据将用于训练ML算法，以预测产生高质量AM结构的组合。

AM对水泥基材料的兴趣很高，目前正在开展合作，以确保解决方案适用于建筑领域。NIST将参加第一届3D打印与运输国际会议2019年11月，由国家科学、工程和医学院交通研究委员会赞助。⁸NIST还将领导美国混凝土研究所的一个工作组，该工作组将结合水泥基AM的工业标准需求。最后，NIST正在建立一个由行业和学术界合作伙伴组成的联盟，以确定测量科学需求，从而推动水泥基AM技术的采用。⁹

基础设施中的先进复合材料
美国土木工程师学会2017年基础设施报告卡将美国基础设施评为D+级，表示需要2万亿美元资金才能使我们的关键基础设施达到标准，并呼吁“采用新方法、新材料和新技术，确保我们的基础设施更具弹性”美国复合材料制造商协会（ACMA）知道NIST经常提供一个中立的论坛，行业成员可以在这里坦率地谈论挑战，因此要求我们帮助召集复合材料社区，以确定基础设施中新材料的障碍。在某些应用中，高级复合材料可能比传统建筑材料更坚固、更轻、寿命更长，从而节省了许多成本。例如，运输较轻的组件可能需要较少的燃料，将先进复合材料组件组装到桥梁或其他结构所需的设备可能更轻，先进复合材料可能更好地抵抗天气和化学品的腐蚀。基础设施组件的使用寿命越长，意味着桥梁、道路、水坝、堤防、公路、铁路、电线杆和其他支撑我们经济的货物和服务流动的要素的维护所损失的服务日就越少。

灾难与失败研究
建筑物、桥梁和其他人造结构因各种原因而失效，包括大风、火灾、地震、设计和施工错误、材料缺陷，甚至恐怖袭击。NIST灾难和故障研究项目成立了评估团队，以评估在灾难和故障事件发生后建筑和基础设施的性能，这些灾难和故障已导致重大生命损失或具有重大潜在生命损失。

NIST灾难和故障研究的目标可能包括：（1）确定灾难或故障事件后建筑物和/或基础设施损坏、故障和/或成功性能的可能技术因素；（2）评估疏散和应急响应程序的技术方面，这些方面导致了事件期间受伤和死亡的程度；（3）确定建筑物和/或基础设施的设计、施工、运营和维护中使用的程序和实践；以及（4）根据研究结果，在必要时建议对标准、规范和实践以及任何研究和其他适当行动的具体改进。

NIST的研究记录在包含数据、发现和建议的技术报告中，供负责制定国家标准规范、标准和/或实践的私营部门机构考虑；联邦、州和地方官员通过和执行国家示范法规和标准；以及大学、国家实验室和私营部门实体等研究机构。通过确定导致建筑或基础设施故障的技术原因，公开该信息，然后促进和跟踪建议的采纳，NIST工程师和科学家寻求防止未来发生类似故障。NIST之前进行的研究已导致实践、标准和规范发生重大变化，以加强美国公众的健康和安全。¹⁰

NIST飓风玛丽亚计划
NIST目前正在调查波多黎各玛丽亚飓风的影响。¹¹2017年9月20日，飓风玛丽亚登陆波多黎各，破坏了波多黎各社区在医疗、安全、机动性、通信等方面所依赖的基础设施。为了更好地了解建筑物和基础设施是如何发生故障的，以及我们如何在未来防止此类故障，NIST开始研究关键建筑物和基础结构系统在风暴期间的运行情况。

在波多黎各，NIST将努力了解玛丽亚飓风的风环境以及导致伤亡的条件；关键建筑及其内指定的安全区域的表现，包括对电力、水、交通和其他基础设施的依赖；应急通信系统的运行情况以及公众对此类通信的响应；以及对选定企业、医院和学校的影响和恢复，以及它们提供的关键社会功能。

国家减少风暴影响计划
国家减少风暴影响计划（NWIRP）的目的是“通过与其他级别的政府、学术界和私营部门合作，通过协调联邦努力，大幅减少风暴造成的生命和财产损失，旨在提高对风暴及其影响的理解，制定并鼓励实施成本效益高的减少这些影响的缓解措施。”¹²除指定为牵头机构的NIST外，其他NWIRP机构包括FEMA、国家海洋与大气管理局（NOAA）和国家科学基金会（NSF）。联邦公路管理局（FHWA）从一开始就参与了NWIRP。

NIST的牵头机构职责包括确保该计划包括促进实施风暴风险降低措施的必要组成部分；支持基于性能的工程工具的开发，并与适当的团队合作，促进此类工具的商业应用；在可行范围内协调所有联邦风暴后调查；并在研究或调查结果允许的情况下，发布建议，以帮助告知模型代码的开发。除了领导机构的职责外，NIST还进行研究和开发，通过将科学和工程知识传授给负责模型建筑规范、自愿标准和建筑、结构设计、施工和改造最佳实践的委员会和组织，以减少风暴损失，以及包括交通基础设施在内的生命线。

根据2015年重新授权的要求，在国家减少风暴影响计划战略计划。¹³针对交通基础设施，该战略计划的目标5确定了需要进一步了解风暴对建筑环境的影响，包括提高对极端风暴事件中民用基础设施脆弱性的理解，改进计算工具，以预测民用基础设施（包括交通系统）的性能。目标8确定了理解风暴如何影响整个社区的新需求，例如，收集关于应急响应特征的数据，以及关键设施和关键基础设施（如医院、电力和交通网络）恢复功能的恢复时间。

结论
NIST在通过测量科学解决国家需求方面有着悠久的历史。弹性基础设施，尤其是运输，是美国经济竞争力的支柱，NIST很荣幸能与工业界、学术界和政府机构合作，以满足关键的国家需求。

我们非常感谢这些委员会成员和国会其他成员为支持恢复力计划所做的努力，这些计划使国家保持全球竞争力和安全，并有助于提高我们的生活质量。

我很乐意回答您的任何问题。

建筑与施工，结构工程，基础设施，材料，复合材料，混凝土/水泥和交通运输

2019年5月22日创建，2020年1月17日更新