發(fā)布日期：2024-09-21 來源: 網(wǎng)絡(luò) 閱讀量（）
劉漢龍院士，中國工程院院士，山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室主任，重慶大學(xué)土木工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。本文核心是根據(jù)劉院士關(guān)于生物建造體系理論的研究解讀，在此整理出來供行業(yè)同仁學(xué)習(xí)。相對于智能建造來說，生物建造體系其實(shí)是給行業(yè)提供了另外一種思路，不論是從設(shè)計出發(fā)還是基于建造考慮，生物建造都給行業(yè)帶來新的思考和探索。 為什么要談生物建造呢？我個人認(rèn)為和雙碳要求密切相關(guān)的，我國的建筑業(yè)一直是碳排放大戶，從原材料到后期運(yùn)營 土木工程不等同于房地產(chǎn)，受限于大眾對建筑的認(rèn)知很多都是來源于房地產(chǎn)，導(dǎo)致很多人認(rèn)為土木工程就是房地產(chǎn)。其實(shí)不然，在古代土木工程的概念更多的是與水利工程、建筑工程和道路工程相關(guān)，直到近代，隨著工程學(xué)科的逐漸發(fā)展和專業(yè)化，土木工程逐漸成為一個獨(dú)立的科學(xué)領(lǐng)域。工程學(xué)家們開始系統(tǒng)的研究和應(yīng)用土木工程原理，從而為城市基礎(chǔ)設(shè)施、交通運(yùn)輸、水資源管理等方面提供解決方案。在現(xiàn)代，國際上普遍接受的土木工程定義是：土木工程是一門工程學(xué)科，涉及設(shè)計、建造和維護(hù)用于人類社會活動的基礎(chǔ)設(shè)施，包括但不限于道路、橋梁、隧道、水利工程、建筑物、港口、機(jī)場等。 第一代土木工程建造。人類早期棲息于天然洞穴或者人造洞穴，并以石頭、泥土和木頭為主要材料搭建建筑物，且能夠利用木材或者巖石堆砌成柵欄，這個時期可以稱為第一代土木工程建造，此時期的建筑物為原生態(tài)建筑，基本無碳排放，與自然相融，但建筑空間狹小，抵御災(zāi)變的能力比較差。 第二代土木工程建造。距今5000年前，人類掌握了燒制磚瓦的技術(shù)，開始使用泥土制作成磚塊、瓦片形狀，并將其晾干，然后燒制成硬化的磚塊和瓦片。這些磚瓦被用于建造城墻、宮殿、寺廟和其他重要建筑，自此，工程建造進(jìn)入使用磚瓦建造時期，稱為第二代土木工程建造。 第三代土木工程建造。19世紀(jì)初，英國人J.阿斯普丁發(fā)明了新型的水硬性膠凝材料，混凝土開始被大量應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，結(jié)合煉鋼技術(shù)和蒸汽機(jī)械的迅猛發(fā)展，土木建筑行業(yè)進(jìn)入了鋼筋混凝土?xí)r代。此時期的建筑物呈現(xiàn)超高層、大跨度、高強(qiáng)度的特征，具備了現(xiàn)代建筑物的基本特性，但由于生產(chǎn)水泥制品會產(chǎn)生大量的二氧化碳，對環(huán)境負(fù)擔(dān)較重。 土木工程建造。近年來，數(shù)據(jù)驅(qū)動下計算力學(xué)和智能建造技術(shù)在土木工程領(lǐng)域成為新的生產(chǎn)力。智能建造是實(shí)現(xiàn)建筑施工過程的自動化、數(shù)字化、智能化的一種建造方式。智能建造技術(shù)的發(fā)展能夠促進(jìn)工程建造效率和精度的提升，進(jìn)而降低工程成本，減少能源消耗，同時也能夠提升工程安全性。但智能建造技術(shù)仍存在較大的發(fā)展空間，智能建造技術(shù)在建筑材料方面沒有徹底解決水泥高排放和固廢材料分解的問題。 土木工程的發(fā)展使得地球上的“混凝土森林”成為第一大無法生物降解物質(zhì)，加劇了全球氣候變暖、土地和水資源的污染。2024年3月，國際能源署（IEA）發(fā)布《2023年碳排放報告》指出：2023年中國碳排放126億噸（占全球碳排放量的三分之一）。盡管建筑業(yè)過去在綠色低碳方面取得了重大的進(jìn)展和成績，但還是存在一些必須要面對和亟待解決的“高耗能、高排放和高污染”等重要問題。如何促進(jìn)土木建設(shè)與自然和生態(tài)之間的平衡，實(shí)現(xiàn)土木建設(shè)與生態(tài)體系的和諧共生？這就對第五代土木工程建造提出新的要求，生物建造的課題研究應(yīng)運(yùn)而生。 生物建造是以生物為載體進(jìn)行的工程建設(shè)博魚中國官方入口，或以生物為基礎(chǔ)研發(fā)新材料、新裝備和新工藝的新型工程建造模式，主要代表為微生物建造、植物建造、動物建造和仿生建造，具有綠色、低碳及與自然相融合等典型特征。 生物建造的理念和設(shè)計思路在實(shí)現(xiàn)建造功能的基礎(chǔ)上，從動物、植物以及微生物汲取靈感，以“綠色低碳”“自然相融”為基本原則。圍繞微生物建造、植物建造、動物建造和仿生建造4個方向，從理論、技術(shù)、材料、裝備、檢驗檢測等方面，初步構(gòu)建了生物建造體系和發(fā)展思路。 微生物建造是一種利用微生物生產(chǎn)特定生物材料的方法，以加強(qiáng)和改善建筑材料的性能和功能。通過應(yīng)用特定微生物菌株，并在適宜的環(huán)境條件下，合成無機(jī)礦物、生物膠、生物纖維等材料，然后將其應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)加固、土壤固化、環(huán)境治理等領(lǐng)域。這項技術(shù)具有可持續(xù)性和環(huán)保性，能夠降低對傳統(tǒng)材料的依賴，減少對環(huán)境的影響。 劉院士的微生物加固技術(shù)在地基處理、邊坡加固、土體防滲、文物修復(fù)以及混凝土自修復(fù)方面開展了豐富的工程應(yīng)用。 植物建造技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)了對可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)友好建造的追求，這種技術(shù)不僅將植物作為建筑物的裝飾元素，更是將其融入到建筑結(jié)構(gòu)、材料和設(shè)置之中，發(fā)揮其獨(dú)特的生態(tài)功能和環(huán)境適應(yīng)性。植物建造包括植物建造行為和植物建造材料。 生物力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對生物體中的力學(xué)問題定量研究的生物物理學(xué)分支。植物建造中涉及的生物力學(xué)包括植物材料如植物纖維的多尺度結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和植物不同尺度的水力運(yùn)移機(jī)制等，分別可為植物基纖維復(fù)合增強(qiáng)材料以及植物-土壤水力傳輸提供理論指導(dǎo)。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是在給定約束條件下，按某種目標(biāo)（如重量最輕、成本最低、剛度最大等）求出最好的設(shè)計方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論通常與數(shù)值模擬和計算機(jī)輔助設(shè)計工具結(jié)合使用，以快速評估不同設(shè)計方案的性能，并找到最優(yōu)解。植物復(fù)合材料可考慮材料的組分特性、結(jié)構(gòu)特性、界面特性等，通過植物組織中不同成分的結(jié)合方式、相互作用，以及協(xié)同工作的模式，從而形成具有特定性能和功能的復(fù)合建筑材料結(jié)構(gòu)。 受動物自身的建造行為啟發(fā)，動物建造技術(shù)利用動物生物體內(nèi)的材料或借助動物行為，進(jìn)行建筑或者建筑材料的創(chuàng)造和形成的一種建筑技術(shù)。動物建造分為動物本體的建造行為和利用動物材料進(jìn)行建造。在歷史上，人類利用動物進(jìn)行生產(chǎn)生活的做法非常普遍，涵蓋農(nóng)業(yè)、工業(yè)和娛樂等多個方面。 動物本體的建造行為多種多樣，部分建造行為或者建造體可為人類所用。通過深入了解動物習(xí)性，加以馴化形成規(guī)模，可為人類綠色低碳建造技術(shù)的發(fā)展提供幫助。動物本體建造技術(shù)中涉及到的基礎(chǔ)理論有動物學(xué)、動物行為學(xué)、生態(tài)學(xué)及工程學(xué)等，屬于多學(xué)科較差范疇。 動物源建筑材料指的是來源于動物本體可用于人類建造的天然材料。如動物的毛發(fā)、皮革、骨骼、尿液甚至是血液等。歷史上建筑技術(shù)不發(fā)達(dá)時期，人類有使用動物骨骼作為建筑體的結(jié)構(gòu)材料案例。古代人類多以直接利用動物材料建設(shè)為主，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，動物材料改性或者聯(lián)合工業(yè)方法，可作為新型環(huán)保材料用于工程建設(shè)。 仿生建造是一種融合了生物學(xué)原理和工程學(xué)方法的創(chuàng)新領(lǐng)域，旨在通過模仿自然界的生物系統(tǒng)，設(shè)計和構(gòu)建具有更高效、更環(huán)保和更智能特性的建造技術(shù)手段。仿生建造技術(shù)的發(fā)展受益于對自然界復(fù)雜系統(tǒng)的深入理解，以及對生物體適應(yīng)環(huán)境的獨(dú)特策略的研究。仿生建造是一種將生物學(xué)原理和自然系統(tǒng)中的設(shè)計理念應(yīng)用到建造領(lǐng)域的方法，是一個學(xué)科交叉十分充分的研究方向，涉及到：生物結(jié)構(gòu)與功能理論、生物材料與材料科學(xué)理論、生物力學(xué)理論、信號與控制理論、材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論等。 仿生建造技術(shù)可分為仿生結(jié)構(gòu)構(gòu)件和仿生構(gòu)筑物部分。仿生結(jié)構(gòu)汲取了生物界獨(dú)特的設(shè)計靈感，將其應(yīng)用于技術(shù)創(chuàng)新和工程設(shè)計中，如昆蟲的翅膀、植物的結(jié)構(gòu)、動物的運(yùn)動方式等。仿生構(gòu)筑物是指建筑物整體設(shè)計上受到生物系統(tǒng)、生物結(jié)構(gòu)或生物過程的啟發(fā)而設(shè)計的建筑。這種建筑的設(shè)計可能從自然界中的生物體形態(tài)、行為等方面獲取靈感，并將其應(yīng)用于建筑的設(shè)計和功能上。 生物建造將生物多樣性、可再生性、高效性和生態(tài)友好性融入到建筑設(shè)計和工程建造過程中，旨在創(chuàng)造更加健康、環(huán)保和可持續(xù)的工程建造環(huán)境。生物建造也為建筑材料的選擇提供了更多元化的可能性，傳統(tǒng)的建筑材料如混凝土、鋼鐵等往往存在著資源消耗大、能源消耗高、碳排放量大、污染嚴(yán)重等問題，而生物建造則可以利用生物質(zhì)材料（如微生物、植物、動物材料等），降低工程建造對自然資源的依賴，減少碳排放和對環(huán)境的影響。生物建造有望推動建筑的生態(tài)化和智能化發(fā)展。生物建造不僅關(guān)注建筑材料的生物性，更注重工程建設(shè)與自然環(huán)境的融合。通過結(jié)合生物學(xué)原理，可以設(shè)計出具有自潔、自修、自保護(hù)等特性的建筑，使建筑更加適應(yīng)周邊環(huán)境的變化。 生物建造作為一種全新的生態(tài)自然和諧共生的建造理念，為未來第五代土木工程建造開辟了新的領(lǐng)域。生物建造有望成為未來建造技術(shù)的主流方向，推動土木行業(yè)向著更加生態(tài)化和可持續(xù)化的方向邁進(jìn)，為人類創(chuàng)造出更加美好、健康、可持續(xù)的建筑環(huán)境。
