刘汉龙 | 生物建造体系与展望

本文来源：土木与环境工程学报

►本文为重庆大学刘汉龙院士发表在《土木与环境工程学报(中英文)》的网络首发论文版本(网络首发日期2024-05-26)。

论文引用格式：刘汉龙．生物建造体系与展望[J/OL]．土木与环境工程学报(中英文). DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2023.155.

土木工程起源于古代，经历四个发展阶段：第一代是使用天然材料的原生态建筑；第二代是烧制砖瓦技术的应用；第三代是19世纪初混凝土和炼钢技术的结合；第四代是现代智能建造技术的发展。尽管技术不断进步，土木工程也带来了环境问题，如混凝土森林、建筑垃圾和二氧化碳排放。智能建造技术虽提升了效率和安全性，但未能解决建筑材料的高排放问题。

未来土木工程需解决与自然和生态的平衡问题，实现和谐共生。作者讨论了土木工程的发展对环境的影响，并提出如何促进土木工程建造与自然和生态之间的平衡、实现土木工程建造与生态系统和谐共生，是未来工程建造亟待解决的关键课题。

1 生物建造的内涵

生物建造是围绕土木工程建造与生态自然和谐共生的理念，倡导低碳与高效的新一代土木工程建造方式。生物建造是以生物为载体进行工程建设，或以生物为基础研发新材料、新装备和新工艺的新型工程建造模式，主要代表为微生物建造、植物建造、动物建造和仿生建造,具有绿色、低碳及与自然相融等典型特征。自然界生物能够给予土木工程建造足够灵感，如矿化微生物、植物、竹子、珊瑚礁等。这些生物建造方式能使建筑和施工设备更有效地适应环境、提高效率、降低能耗和资源消耗。

2 生物建造体系

生物建造体系的主要研究方向，包括微生物建造、植物建造、动物建造和仿生建造，以及它们在建筑实践中的应用和启示。初步构建了生物建造技术体系，从理论、技术、材料、装备、检验检测等方面进行了探讨，并介绍了生物建造理念和设计思路的基本原则，即绿色低碳和自然相融，以及生物建造技术结合了生物学、化学、材料学和建筑学等多个领域的知识。同时，也强调了仿生建造在生物本体之外融合了3种生物的技术优势，为土木工程建造提供了新的思路。

3 微生物建造

微生物建造体系，包括微生物矿化理论、微生物土固化理论、微生物固化土技术、微生物土3D打印、微生物混凝土技术等。该技术具有可持续性和环保性，能降低对传统高碳材料的依赖，减少对环境的影响，并为工程建设和环境改善提供了新的解决方案。此外，该技术还可被应用于工程建造、文物修复等领域，展示了减少建筑材料碳排放的可行策略，为可持续建筑材料的创新和发展提供了新的思路。同时介绍了微生物菌丝和微藻类在建筑体构建中的应用。

4 植物建造

植物建造在土木工程领域的应用，包括植物建造理论、植物建造材料和植物建造技术。其中，重点讨论了植物材料在工程建造领域的应用，包括植物基纤维增强材料、植物复合建筑材料、根土复合体的力学理论、植物根系土壤增强效果、植物加筋技术、植物纤维毯的应用、植物基黏合剂的应用以及生物炭、硅藻土和生物沥青在土壤改良、植物生长促进、水体污染治理、土壤稳定化和生态修复等方面的应用。

5 动物建造

动物建造技术，包括动物本体的建造行为和利用动物材料进行建造，以及动物源建筑材料和工程案例。重点介绍了珊瑚岛礁、牡蛎护堤、动物毛发、皮革、骨骼、尿液等动物源建筑材料在人类工程建造中的应用，以及人类历史上利用动物建造的典型案例。最后，总结了动物材料在人类工程建造中的重要性和未来建造中仍可发挥的作用。

6 仿生建造

仿生建造是将生物学原理和自然系统中的设计理念应用到工程建造领域的一种方法，旨在通过模仿自然界的生物系统，设计和构建具有更高效、更环保和更智能特性的工程技术。仿生建造技术包括仿生结构构件和仿生构筑物，其中仿生结构通过模仿生物系统的精密结构和功能，如昆虫的翅膀、植物的结构、动物的运动方式等。此外，仿生建造材料是模仿生物系统的结构、功能和性能来设计和生产的建筑材料，如荷叶表面有一层超疏水材料，科研人员研发了含多巴和多巴类似物的共聚物仿生黏合剂。同时，仿生建造装备正逐渐成为关注的焦点，通过仿生学原理的运用，研究人员致力于设计和优化工程设备，以提高施工效率、降低能源消耗、减少对环境的影响，并增强设备的适应性和稳定性。介绍了多个工程案例，包括以自然界的生物形态或生物住所形态为灵感设计的仿生建筑，以及应用超疏水材料、仿生胶结剂、仿生盾构机、仿生挖掘机和仿生钻头的案例。

7 生物建造展望

生物建造体系作为一种新的建造理念，在建筑设计和建造过程中融入生物多样性、可再生性、高效性和生态友好性，旨在创造更加健康、环保和可持续的工程建造环境。生物建造通过利用生物质材料，如微生物、植物、动物材料等，降低工程建造对于自然资源的依赖，减少对于环境的影响，提供了更加多元化的建筑设计和建造可能性。此外，生物建造有望推动建筑的生态化和智能化发展，通过结合生物学原理和智能建造技术，可以设计出具有自洁、自修、自保护等特性的建筑，实现能源高效、智能管理、人性化和生态化的目标。生物建造为未来第五代土木工程建造提出了新的方向，但其理论、技术、材料、装备和检测检验方法等还需要深入系统的研究。

本文作者

刘汉龙 院士

刘汉龙，中国工程院院士，教授、博士生导师，现任重庆大学党委常委、常务副校长。教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国务院学科评议组成员，教育部长江学者创新团队负责人，国家外专局、教育部111创新引智基地负责人，兼任国际土力学与岩土工程学会（ISSMGE）堤坝工程减灾与修复技术委员会（TC303）主席，《Biogeotechnics》《土木与环境工程学报（中英文）》主编。

刘汉龙长期致力于软弱地基加固与桩基工程、环境岩土力学与防灾减灾工程领域科学研究和人才培养。发表SCI等高水平论文326篇，ESI高被引论文12篇，H指数62，2019年以来连续5年入选爱思唯尔中国高被引学者榜单，2023年入选科睿唯安全球高被引科学家。获国家发明专利132件，软件著作权7件。出版中、英文专著5部，主编国家和行业等标准7部。先后获国家技术发明二等奖2项，国家科技进步二等奖1项，获国家教学成果二等奖2项。获首届全国创新争先奖、何梁何利基金科学与技术创新奖、光华工程科技奖、茅以升土力学及岩土工程大奖、国际岩土进展协会德赛大奖和重庆市科学技术突出贡献奖等荣誉。

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