工業革命以來，世界人口開始高速增長。當世界人口突破10億時，有人指出，地球的資源相對於人類而言不再是無限的，而是有限的。許多科學家，寄希望於科學發展，讓人類持續獲得充足的資源。
過去的100 年裏，全球變暖的不斷加劇加速了海平面上升的速率。據預測，21世紀地球的海平面會從20釐米上升到90釐米，現在海平面所具有的高度已經造成帛琉、吉里巴斯、吐瓦魯等一些太平洋島國的居民成為了世界上第一批“氣候難民”。專家估計，如果海平面再上升一米，全球還將會有2．5億的沿海居民淪為“氣候難民”。如何提供一個安全、舒適的“避難所”，成了一個迫在眉睫的重大課題。
漂浮結構應對氣候挑戰
為應對來自大自然的挑戰，加強著眼于全球氣候變化的科學技術研究，至關重要。聯合國等世界組織資助的研究機構，已經提出了未來氣候變化人類面臨的七大挑戰問題。其中，至少有一半，從工程應用角度，都可以通過漂浮結構技術的發展，獲得較好的解決辦法。
有文字記錄，最早的大型漂浮結構是浮橋。大約西元前480年，波斯國王薛西斯帶領軍隊穿過現今的達達尼爾海峽，使用了兩排浮橋，每排由大約300艘並排放置的船組成。中國江西省燕山縣有一座100年曆史的浮橋，由42艘用鏈條連接的船隻組成，目前仍在使用。該橋全長187米，建於1908年的清朝時期。位於潮州古城東門外的廣濟橋，始建於南宋年間，橫跨韓江兩岸，風格獨特，集梁橋、浮橋、拱橋于一體，被譽為“世界上最早的啟閉式橋梁”。廣濟橋歷史上幾經重建和修繕，凝聚了不同時期勞動人民的匠心和智慧，具有重要的歷史、科學、藝術價值。
泰國由於受雨季影響大，湄南河水位漲幅大，沿河居民需要建造漂浮房屋。優點是無需使用土地，以竹子作為搭建材料，非常經濟，解決了較貧窮人家的住房問題。房屋帶有平臺生活空間、魚籠、陽臺和花園。在荷蘭、西雅圖和溫哥華的建築師和規劃師引入了水上生活概念，解決了水位上升以及住房需求問題。漂浮社區對現代住房具有一定的吸引力，萊茵河三角洲洪水頻發，傳統産業包括服務業向低成本國家轉移，社會生態的脆弱性加劇，對外面臨來自亞洲繁榮經濟體的激烈競爭。因此，向知識密集型、高附加值的經濟活動轉型，對萊茵河三角洲至關重要。工程師們提出一種自給自足的漂浮式城市的過渡試驗，為新技術的嘗試提供了試驗場。項目本身將是一個地標，不僅因為它是一個漂浮城市，還因為它周圍的濕地和具有旅遊吸引力的設施，比如漂浮式酒店和漂浮式劇院。正如當年的三角洲工程幫助荷蘭技術輸出，漂浮城市將是萊茵河三角洲的技術加速器。
可移動的漂浮城市概念“自由之船”也已提出。“自由之船”不是遊輪，而是一個集居住、工作、退休養老、度假休閒、參觀為一體的場所。通過連續環球航行，到達全球大多數港口，採用通勤機隊和水翼船隊運送往返于船岸的居民和遊客。
隨著建造科技的進步、隨著土地日益短缺，21世紀漂浮城市也許會成為現實。建築師和工程師已經勾勒出了漂浮城市的草圖，一些藝術家對大阪漂浮城市提出了想像藍圖，學者們提出可移動、可出租的奧林匹克設施與會展中心。
另外，在2008年曾提出從南北極的海洋冰場取冰的想法，作為造價經濟的浮動平臺，在上面修建浮動城市群。平臺的低溫通過平臺底部和側面的空氣膜，以及頂部的傳統絕緣蓋實現熱隔絕，並通過冷卻系統來處理任何受熱引起的泄漏，實現永久維護。冰川平臺漂浮的規模可擴大，甚至可以漂浮到溫暖的海洋中，移動到不同的大陸和國家，作為人工機場、港口和其他海洋設施，滿足各種需求的浮動城市和工業基地。
漂浮技術與城市的聯通
早在幾十年前，已有漂浮技術運用到橋梁建設和運維當中，華盛頓湖一橋（萊西訴默羅大橋）是一座浮橋，長2000米，1940年在西雅圖建成，橋墩採用混凝土浮筒。隨後，胡德運河大橋于1961年建成，華盛頓湖二橋（也叫長青點橋）1963年建成，華盛頓湖三橋于1989年也相繼建成。胡德運河大橋在1979年的一場嚴重風暴中受損沉沒，1983年重建。華盛頓湖一橋在1990年的修復工作中意外沉沒，並於1993年得以重建。
挪威有長長的海岸線和許多峽灣，峽灣風景美麗，但由於其巨大的水深，給橋梁修建帶來極大挑戰。自北海油井開發以來，挪威在近海工程所獲得的專業知識和經驗，也用於新型浮橋的創新。1992年，伯格索松德大橋在水深320米的伯格索峽灣建成，總長845米。水準彎曲曲率半徑為1300米，基礎採用七個混凝土浮筒，上部結構採用鋼管桁架。該構造提高了轉動抵抗能力，同時不阻礙水流和波浪。1994年，挪威的第二座大型浮橋，北霍爾德蘭橋，在薩爾胡斯海深500米處竣工。大橋的通航孔是設置在其一側的常規斜拉橋段，斜拉橋與漂浮部分相連，基本設計概念與伯格索松德橋一樣，最小平曲率半徑是1700米。近幾年，挪威還將計劃修建世界最長的浮橋，投資估算13億歐元，概念方案包括300米跨徑通航懸索橋，以及40個間距100米的鋼浮箱梁橋。
世界範圍內已建造了許多浮橋，通過漂浮的方式滿足了各種需求。包括中國在內使用浮橋的國家有日本、加拿大、挪威、美國、英國、巴西、沙烏地阿拉伯、越南、南韓、以色列、荷蘭、德國、義大利、紐西蘭等。1996年建成的英國西印度碼頭步行橋採用抗拔樁，減少了橋上走動時的上下襬動。2011年建成的日本浮橋，首次實現了繞其一側樞軸旋轉、擺動開闔的浮橋技術。
對於需要跨越更深、更寬水域的通道方案，已有不少規劃中的浮橋方案，以及懸浮隧道方案。
直布羅陀海峽寬5公里，水深300米。針對水深太大、橋墩經濟性缺失的情況，中間段橋跨為300米，已提出了多跨斜拉橋方案。每個橋塔建在直徑76米的巨大浮筒上，浮筒通過數條豎向纜索和側向拉索固定在海底。波浪以下深度，橋墩擴大成蜂窩漂浮結構，其凈浮力約是上部結構重量的150％。提供了足夠的張力來穩定橋墩，抵抗正常的潮流、風和波浪力。豎向錨纜呈圓形展開，在各個方向具備同等穩定性。錨纜的張力通過浮筒內的通道進行監控調節，錨纜數量設置有一定冗余性，要求對錨纜更換時，不影響系統整體的穩定性。
挪威E39通道上的布約納峽灣採用多跨懸索橋概念，橋塔下方設置張力腿。墨西拿海峽跨海大橋，有建築師提出了3．3公里長的漂浮－居住斜拉橋概念。採用巨大的混凝土浮動住宅單元作為基礎，居住區設有商場、辦公區、公園以及交通設施，超過300萬平方米的建築面積用於住房和交通。
縱觀發展，歷史上一些浮橋、沉管隧道和懸浮隧道等漂浮結構的發明，促進了工程技術的發展。這些發明已經涵蓋了模組化的裝配結構理念、結構自適應水位變動的解決方案、水下懸浮隧道方案，以及水下接頭工法等技術。
海濱和大海總能吸引大眾，漂浮結構也已用於各種娛樂設施，可供360度欣賞海景。日本廣島有一座長130米、寬40米、高5米的浮島，設計類似希臘的帕臺農神殿，島上包含3D影院、水族館、碼頭等設施。世界首座漂浮旅館建造于新加坡，樓高七層。當遇到災害性天氣，船上人員撤離，並解開一端的係泊，讓風吹著船原地打轉。漂浮旅館在澳大利亞大堡礁營運了一段時間，就從海上拖運至越南的胡志明市，最終到達北朝鮮，拖運距離長達14000公里。而我國也已于2017年建成了世界最長的漂浮棧道。
另外，超大型漂浮結構也已應用於儲存燃油。漂浮結構可使易燃、易爆的燃油遠離人群密集的陸域。目前日本已有兩座漂浮燃油儲存系統，一座位於白島，存儲能力達到560萬立方；另一座位於神事，存儲能力440萬立方。這些漂浮儲存系統呈數個扁平箱形，並排佈置。1988年，漂浮存儲多層建築的發明，已考慮到了模組化、蜂窩狀、浮力可調節的功能。建築一側設置通道，且中心設置豎向通道和旋轉電梯。
由於漂浮結構天然的基礎隔震功能，非常適合在地震多發國家用作應急救援，在日本的東京灣、伊勢灣和大阪灣有許多水上救援基地。
世界首個城市岸邊的漂浮農場建造于荷蘭。針對荷蘭低谷之地的特點，為了減少對當地交通運輸鏈的依賴，避免極端天氣的不利影響，通過城鎮岸邊的漂浮農場實現自給自足。該漂浮農場樓高三層。一層在水下，養殖的牛住在三層，可自行移動到岸邊尋找食物。農場由2個人、3個機器人運營，50％的電力由旁邊的漂浮光電系統提供。
1978年在巴西建成了漂浮工廠，由制漿廠和發電廠兩部分組成，總長450米、寬45米。該漂浮電廠拖運到現場後，安裝在樁基礎上。1979年孟加拉從日本購買了漂浮電廠。1981年沙烏地阿拉伯修建了漂浮脫鹽廠。同年阿根廷修建了漂浮聚乙烯工廠。1985年牙買加也從日本購買了漂浮電廠。2001年歐洲建成第一個海上風電場，海上風能將成為北歐大部分地區的主要能源來源，成為其他國家的新能源來源之一，傳統能源行業參與風電場等新能源建設的大趨勢將會繼續發展下去。
漂浮機場概念最早的提出是為了跨越大西洋，考慮當時的飛機油量不夠，中間需要設置加油地。世界首個漂浮跑道試驗模型建於1998年的日本東京灣，是當時吉尼斯紀錄的世界最大的漂浮結構。幾次飛機降落測試後，官方的結論是漂浮跑道的水彈性響應不影響飛機的起降。該漂浮試驗跑道使用兩年後被拆除了。世界首個漂浮機場于2018年在日本建成，跑道是固定的，僅航廈和停機區為漂浮結構。未來，沿海城市土地資源越發緊張，機場佔地面積大，過去如香港和大阪等填海造地機場是一種解決方案，漂浮機場有可能成為一種更環保、更綠色、更可持續的超大浮體機場解決方案。
人與自然的協作體現了文化遺産與自然環境的緊密關聯。“墨西哥花園”是一種漂浮人工園林，可用來種植玉米、辣椒、豆類、瓜類，以及外來物種，體現了人類的想像力和創造力。目前，一些國家已可見到模組化漂浮種植的各類蔬果、糧食、花卉，甚至森林。早在1950年，便已有了該方面的發明專利，最近的在2005年的發明專利中提出了漂浮結構種植的改進技術。
未來可期的懸浮隧道
漂浮輕便結構已廣泛適用於民用、軍用和應急等場景，可在一些車輛無法通行的水域提供臨時道路。中交懸浮隧道的研究，借用了軍用鋼浮箱的成熟技術，通過把3～5噸的鋼浮箱在現場浮態拼裝，組成所需的各類施工臨時漂浮設施，並根據先後工序將鋼浮箱週轉使用，可以做到施工無需大型裝備進場，實現綠色、環保、可持續的工程理念。
近海結構總體可分為兩類。一類是使用時固定，僅在製造和拖運階段漂浮；另一類是使用階段也漂浮。第一類固定式的，例如重力式平臺，已有300多米水深的案例。第二類漂浮式的例如張力腿平臺，水深已超過千米。
60年代中期，英國和挪威在北海發現大量石油礦藏，石油公司對這些油田表現出極大興趣，但是，更早以前只在陸地和水深不超過150米的淺水近岸地區開採石油。但是，一些礦藏最豐富的油田更靠北，離岸約150～250公里，暴露在高達30米的風暴巨浪和風速260公里每小時的大風中。這種地理位置和氣候條件，需要開發全新的生産平臺來適應，進而將現場安裝工作量保持在最低限，同時具備儲油能力。
類比固定式的近海石油平臺，沉管隧道是在施工時漂浮，預製段在岸上製造，再借用水的浮力運輸、用水的重力下沉、用水的推力結合。沉管的歷史發展最早可追溯自1810年的倫敦泰晤士河隧道競標方案。直至1910年，第一條在當時屬大規模的交通沉管隧道在底特律河建造完成。之後，經歷了一系列技術進化和因地制宜的演變。沉管結構形式從最早的美國水下導管混凝土，發展到雙鋼殼、單鋼殼，再到歐洲的混凝土整體式與節段式，到日本的鋼混三明治複合結構，以及港珠澳島隧工程發展的半剛性沉管等。預製方法從船塢製造、到基坑灌水起浮，再到浮態澆築、流水線工廠法。水上安裝方法以及基礎處理方法，隨著技術的進步呈現出更多元化的晉級。
對這些科技進步的觀察，如果能用一句話總結，沉管隧道在構造和工法上經歷了一個從複雜到簡單的總體演變趨勢。但簡單的構造和工法，對施工品質控制和過程管理，以及風險管控等都提出了更高的要求。
當前大型沉管隧道項目中，全球最受矚目的項目是連接德國和瑞典的費馬恩通道，長約20公里，由近100個管節組成，將採用最先進的工廠法預製。港珠澳大橋沉管隧道已于2017年貫通，國內目前有幾個超大規模沉管項目正在緊鑼密鼓地同步實施，均已經進入施工階段或施工籌備階段。
相比沉管隧道，懸浮隧道的概念不僅在施工階段漂浮，在運營期也需要借助水的浮力承載。懸浮隧道又稱阿基米德橋，其概念在150多年前甚至更早已經提出，但至今尚未實現。
過去150年裏，從橫斷面、線形、錨固、結構參數等方面，提出了很多懸浮隧道結構體系與概念。過去的研究和工程方案，根據項目條件和本地習慣，發展出了多種多樣的概念。然而懸浮隧道尚未建成，懸浮隧道的工程技術問題尚需突破。
對於懸浮隧道的問題，包括我國在內的義大利、挪威、日本，南韓等均已開展了大量的科研工作。浙江大學、重慶大學已經開展了多年的研究工作，2018年組建了中交懸浮隧道聯合研究組。同年，中國科協將懸浮隧道研究列入國家面向未來重大工程難題。近幾年，在國內外同步開展了懸浮隧道節段水槽小比尺試驗，在國內設計並開展了懸浮隧道結構行為機理試驗，在武漢開展了高精度結構試驗，三維水池試驗的模型在大連製作，在天津組建了産學研試驗團隊，聯合攻關實施。
當前，懸浮隧道已有大量科學研究。未來，需要將研究理論成果通過實體工程建設以及原型試驗得到驗證。我國有不少大水深，適宜建造懸浮隧道的內陸湖。例如新疆的喀納斯湖、雲南的一些湖泊等。為了進一步助力懸浮隧道科學難題的解決，我們提出，首先在環境較好的、風平浪靜、弱水動力條件的中國內陸湖修建一條試驗工程，並擬定了原型試驗的建造方案。
（稿件綜合《橋隧産業》雜誌）