工业革命以来，世界人口开始高速增长。当世界人口突破10亿时，有人指出，地球的资源相对于人类而言不再是无限的，而是有限的。许多科学家，寄希望于科学发展，让人类持续获得充足的资源。
过去的100 年里，全球变暖的不断加剧加速了海平面上升的速率。据预测，21世纪地球的海平面会从20厘米上升到90厘米，现在海平面所具有的高度已经造成帕劳、基里巴斯、图瓦卢等一些太平洋岛国的居民成为了世界上第一批“气候难民”。专家估计，如果海平面再上升一米，全球还将会有2．5亿的沿海居民沦为“气候难民”。如何提供一个安全、舒适的“避难所”，成了一个迫在眉睫的重大课题。
漂浮结构应对气候挑战
为应对来自大自然的挑战，加强着眼于全球气候变化的科学技术研究，至关重要。联合国等世界组织资助的研究机构，已经提出了未来气候变化人类面临的七大挑战问题。其中，至少有一半，从工程应用角度，都可以通过漂浮结构技术的发展，获得较好的解决办法。
有文字记录，最早的大型漂浮结构是浮桥。大约公元前480年，波斯国王薛西斯带领军队穿过现今的达达尼尔海峡，使用了两排浮桥，每排由大约300艘并排放置的船组成。中国江西省燕山县有一座100年历史的浮桥，由42艘用链条连接的船只组成，目前仍在使用。该桥全长187米，建于1908年的清朝时期。位于潮州古城东门外的广济桥，始建于南宋年间，横跨韩江两岸，风格独特，集梁桥、浮桥、拱桥于一体，被誉为“世界上最早的启闭式桥梁”。广济桥历史上几经重建和修缮，凝聚了不同时期劳动人民的匠心和智慧，具有重要的历史、科学、艺术价值。
泰国由于受雨季影响大，湄南河水位涨幅大，沿河居民需要建造漂浮房屋。优点是无需使用土地，以竹子作为搭建材料，非常经济，解决了较贫穷人家的住房问题。房屋带有平台生活空间、鱼笼、阳台和花园。在荷兰、西雅图和温哥华的建筑师和规划师引入了水上生活概念，解决了水位上升以及住房需求问题。漂浮社区对现代住房具有一定的吸引力，莱茵河三角洲洪水频发，传统产业包括服务业向低成本国家转移，社会生态的脆弱性加剧，对外面临来自亚洲繁荣经济体的激烈竞争。因此，向知识密集型、高附加值的经济活动转型，对莱茵河三角洲至关重要。工程师们提出一种自给自足的漂浮式城市的过渡试验，为新技术的尝试提供了试验场。项目本身将是一个地标，不仅因为它是一个漂浮城市，还因为它周围的湿地和具有旅游吸引力的设施，比如漂浮式酒店和漂浮式剧院。正如当年的三角洲工程帮助荷兰技术输出，漂浮城市将是莱茵河三角洲的技术加速器。
可移动的漂浮城市概念“自由之船”也已提出。“自由之船”不是游轮，而是一个集居住、工作、退休养老、度假休闲、参观为一体的场所。通过连续环球航行，到达全球大多数港口，采用通勤机队和水翼船队运送往返于船岸的居民和游客。
随着建造科技的进步、随着土地日益短缺，21世纪漂浮城市也许会成为现实。建筑师和工程师已经勾勒出了漂浮城市的草图，一些艺术家对大阪漂浮城市提出了想象蓝图，学者们提出可移动、可出租的奥林匹克设施与会展中心。
另外，在2008年曾提出从南北极的海洋冰场取冰的想法，作为造价经济的浮动平台，在上面修建浮动城市群。平台的低温通过平台底部和侧面的空气膜，以及顶部的传统绝缘盖实现热隔绝，并通过冷却系统来处理任何受热引起的泄漏，实现永久维护。冰川平台漂浮的规模可扩大，甚至可以漂浮到温暖的海洋中，移动到不同的大陆和国家，作为人工机场、港口和其他海洋设施，满足各种需求的浮动城市和工业基地。
漂浮技术与城市的联通
早在几十年前，已有漂浮技术运用到桥梁建设和运维当中，华盛顿湖一桥（莱西诉默罗大桥）是一座浮桥，长2000米，1940年在西雅图建成，桥墩采用混凝土浮筒。随后，胡德运河大桥于1961年建成，华盛顿湖二桥（也叫长青点桥）1963年建成，华盛顿湖三桥于1989年也相继建成。胡德运河大桥在1979年的一场严重风暴中受损沉没，1983年重建。华盛顿湖一桥在1990年的修复工作中意外沉没，并于1993年得以重建。
挪威有长长的海岸线和许多峡湾，峡湾风景美丽，但由于其巨大的水深，给桥梁修建带来极大挑战。自北海油井开发以来，挪威在近海工程所获得的专业知识和经验，也用于新型浮桥的创新。1992年，伯格索松德大桥在水深320米的伯格索峡湾建成，总长845米。水平弯曲曲率半径为1300米，基础采用七个混凝土浮筒，上部结构采用钢管桁架。该构造提高了转动抵抗能力，同时不阻碍水流和波浪。1994年，挪威的第二座大型浮桥，北霍尔德兰桥，在萨尔胡斯海深500米处竣工。大桥的通航孔是设置在其一侧的常规斜拉桥段，斜拉桥与漂浮部分相连，基本设计概念与伯格索松德桥一样，最小平曲率半径是1700米。近几年，挪威还将计划修建世界最长的浮桥，投资估算13亿欧元，概念方案包括300米跨径通航悬索桥，以及40个间距100米的钢浮箱梁桥。
世界范围内已建造了许多浮桥，通过漂浮的方式满足了各种需求。包括中国在内使用浮桥的国家有日本、加拿大、挪威、美国、英国、巴西、沙特阿拉伯、越南、韩国、以色列、荷兰、德国、意大利、新西兰等。1996年建成的英国西印度码头步行桥采用抗拔桩，减少了桥上走动时的上下摆动。2011年建成的日本浮桥，首次实现了绕其一侧枢轴旋转、摆动开合的浮桥技术。
对于需要跨越更深、更宽水域的通道方案，已有不少规划中的浮桥方案，以及悬浮隧道方案。
直布罗陀海峡宽5公里，水深300米。针对水深太大、桥墩经济性缺失的情况，中间段桥跨为300米，已提出了多跨斜拉桥方案。每个桥塔建在直径76米的巨大浮筒上，浮筒通过数条竖向缆索和侧向拉索固定在海底。波浪以下深度，桥墩扩大成蜂窝漂浮结构，其净浮力约是上部结构重量的150％。提供了足够的张力来稳定桥墩，抵抗正常的潮流、风和波浪力。竖向锚缆呈圆形展开，在各个方向具备同等稳定性。锚缆的张力通过浮筒内的通道进行监控调节，锚缆数量设置有一定冗余性，要求对锚缆更换时，不影响系统整体的稳定性。
挪威E39通道上的布约纳峡湾采用多跨悬索桥概念，桥塔下方设置张力腿。墨西拿海峡跨海大桥，有建筑师提出了3．3公里长的漂浮－居住斜拉桥概念。采用巨大的混凝土浮动住宅单元作为基础，居住区设有商场、办公区、公园以及交通设施，超过300万平方米的建筑面积用于住房和交通。
纵观发展，历史上一些浮桥、沉管隧道和悬浮隧道等漂浮结构的发明，促进了工程技术的发展。这些发明已经涵盖了模块化的装配结构理念、结构自适应水位变动的解决方案、水下悬浮隧道方案，以及水下接头工法等技术。
海滨和大海总能吸引大众，漂浮结构也已用于各种娱乐设施，可供360度欣赏海景。日本广岛有一座长130米、宽40米、高5米的浮岛，设计类似希腊的帕台农神殿，岛上包含3D影院、水族馆、码头等设施。世界首座漂浮旅馆建造于新加坡，楼高七层。当遇到灾害性天气，船上人员撤离，并解开一端的系泊，让风吹着船原地打转。漂浮旅馆在澳大利亚大堡礁营运了一段时间，就从海上拖运至越南的胡志明市，最终到达北朝鲜，拖运距离长达14000公里。而我国也已于2017年建成了世界最长的漂浮栈道。
另外，超大型漂浮结构也已应用于储存燃油。漂浮结构可使易燃、易爆的燃油远离人群密集的陆域。目前日本已有两座漂浮燃油储存系统，一座位于白岛，存储能力达到560万立方；另一座位于神事，存储能力440万立方。这些漂浮储存系统呈数个扁平箱形，并排布置。1988年，漂浮存储多层建筑的发明，已考虑到了模块化、蜂窝状、浮力可调节的功能。建筑一侧设置通道，且中心设置竖向通道和旋转电梯。
由于漂浮结构天然的基础隔震功能，非常适合在地震多发国家用作应急救援，在日本的东京湾、伊势湾和大阪湾有许多水上救援基地。
世界首个城市岸边的漂浮农场建造于荷兰。针对荷兰低谷之地的特点，为了减少对当地交通运输链的依赖，避免极端天气的不利影响，通过城镇岸边的漂浮农场实现自给自足。该漂浮农场楼高三层。一层在水下，养殖的牛住在三层，可自行移动到岸边寻找食物。农场由2个人、3个机器人运营，50％的电力由旁边的漂浮光电系统提供。
1978年在巴西建成了漂浮工厂，由制浆厂和发电厂两部分组成，总长450米、宽45米。该漂浮电厂拖运到现场后，安装在桩基础上。1979年孟加拉从日本购买了漂浮电厂。1981年沙特阿拉伯修建了漂浮脱盐厂。同年阿根廷修建了漂浮聚乙烯工厂。1985年牙买加也从日本购买了漂浮电厂。2001年欧洲建成第一个海上风电场，海上风能将成为北欧大部分地区的主要能源来源，成为其他国家的新能源来源之一，传统能源行业参与风电场等新能源建设的大趋势将会继续发展下去。
漂浮机场概念最早的提出是为了跨越大西洋，考虑当时的飞机油量不够，中间需要设置加油地。世界首个漂浮跑道试验模型建于1998年的日本东京湾，是当时吉尼斯纪录的世界最大的漂浮结构。几次飞机降落测试后，官方的结论是漂浮跑道的水弹性响应不影响飞机的起降。该漂浮试验跑道使用两年后被拆除了。世界首个漂浮机场于2018年在日本建成，跑道是固定的，仅航站楼和停机区为漂浮结构。未来，沿海城市土地资源越发紧张，机场占地面积大，过去如香港和大阪等填海造地机场是一种解决方案，漂浮机场有可能成为一种更环保、更绿色、更可持续的超大浮体机场解决方案。
人与自然的协作体现了文化遗产与自然环境的紧密关联。“墨西哥花园”是一种漂浮人工园林，可用来种植玉米、辣椒、豆类、瓜类，以及外来物种，体现了人类的想象力和创造力。目前，一些国家已可见到模块化漂浮种植的各类蔬果、粮食、花卉，甚至森林。早在1950年，便已有了该方面的发明专利，最近的在2005年的发明专利中提出了漂浮结构种植的改进技术。
未来可期的悬浮隧道
漂浮轻便结构已广泛适用于民用、军用和应急等场景，可在一些车辆无法通行的水域提供临时道路。中交悬浮隧道的研究，借用了军用钢浮箱的成熟技术，通过把3～5吨的钢浮箱在现场浮态拼装，组成所需的各类施工临时漂浮设施，并根据先后工序将钢浮箱周转使用，可以做到施工无需大型装备进场，实现绿色、环保、可持续的工程理念。
近海结构总体可分为两类。一类是使用时固定，仅在制造和拖运阶段漂浮；另一类是使用阶段也漂浮。第一类固定式的，例如重力式平台，已有300多米水深的案例。第二类漂浮式的例如张力腿平台，水深已超过千米。
60年代中期，英国和挪威在北海发现大量石油矿藏，石油公司对这些油田表现出极大兴趣，但是，更早以前只在陆地和水深不超过150米的浅水近岸地区开采石油。但是，一些矿藏最丰富的油田更靠北，离岸约150～250公里，暴露在高达30米的风暴巨浪和风速260公里每小时的大风中。这种地理位置和气候条件，需要开发全新的生产平台来适应，进而将现场安装工作量保持在最低限，同时具备储油能力。
类比固定式的近海石油平台，沉管隧道是在施工时漂浮，预制段在岸上制造，再借用水的浮力运输、用水的重力下沉、用水的推力结合。沉管的历史发展最早可追溯自1810年的伦敦泰晤士河隧道竞标方案。直至1910年，第一条在当时属大规模的交通沉管隧道在底特律河建造完成。之后，经历了一系列技术进化和因地制宜的演变。沉管结构形式从最早的美国水下导管混凝土，发展到双钢壳、单钢壳，再到欧洲的混凝土整体式与节段式，到日本的钢混三明治复合结构，以及港珠澳岛隧工程发展的半刚性沉管等。预制方法从船坞制造、到基坑灌水起浮，再到浮态浇筑、流水线工厂法。水上安装方法以及基础处理方法，随着技术的进步呈现出更多元化的晋级。
对这些科技进步的观察，如果能用一句话总结，沉管隧道在构造和工法上经历了一个从复杂到简单的总体演变趋势。但简单的构造和工法，对施工质量控制和过程管理，以及风险管控等都提出了更高的要求。
当前大型沉管隧道项目中，全球最受瞩目的项目是连接德国和瑞典的费马恩通道，长约20公里，由近100个管节组成，将采用最先进的工厂法预制。港珠澳大桥沉管隧道已于2017年贯通，国内目前有几个超大规模沉管项目正在紧锣密鼓地同步实施，均已经进入施工阶段或施工筹备阶段。
相比沉管隧道，悬浮隧道的概念不仅在施工阶段漂浮，在运营期也需要借助水的浮力承载。悬浮隧道又称阿基米德桥，其概念在150多年前甚至更早已经提出，但至今尚未实现。
过去150年里，从横断面、线形、锚固、结构参数等方面，提出了很多悬浮隧道结构体系与概念。过去的研究和工程方案，根据项目条件和本地习惯，发展出了多种多样的概念。然而悬浮隧道尚未建成，悬浮隧道的工程技术问题尚需突破。
对于悬浮隧道的问题，包括我国在内的意大利、挪威、日本，韩国等均已开展了大量的科研工作。浙江大学、重庆大学已经开展了多年的研究工作，2018年组建了中交悬浮隧道联合研究组。同年，中国科协将悬浮隧道研究列入国家面向未来重大工程难题。近几年，在国内外同步开展了悬浮隧道节段水槽小比尺试验，在国内设计并开展了悬浮隧道结构行为机理试验，在武汉开展了高精度结构试验，三维水池试验的模型在大连制作，在天津组建了产学研试验团队，联合攻关实施。
当前，悬浮隧道已有大量科学研究。未来，需要将研究理论成果通过实体工程建设以及原型试验得到验证。我国有不少大水深，适宜建造悬浮隧道的内陆湖。例如新疆的喀纳斯湖、云南的一些湖泊等。为了进一步助力悬浮隧道科学难题的解决，我们提出，首先在环境较好的、风平浪静、弱水动力条件的中国内陆湖修建一条试验工程，并拟定了原型试验的建造方案。
（稿件综合《桥隧产业》杂志）