生物建造體系與展望

摘要：人類在地球上繁衍生息，建設了無數(shù)用于生存的棲息地。從遠古時代用來遮風擋雨的簡易建筑物，到如今的大廈林立、高鐵縱橫，土木工程建造技術(shù)經(jīng)歷了多個時代的更迭。隨著全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境問題日益嚴峻，傳統(tǒng)工程建造中高耗能、高排放、高污染及廢棄材料難分解的問題阻礙了雙碳發(fā)展戰(zhàn)略的實施和工程建造技術(shù)的進步，土木工程建造技術(shù)轉(zhuǎn)型迫在眉睫?；谕聊竟こ探ㄔ旒夹g(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)轉(zhuǎn)型需求，提出生物建造的概念，并闡述了生物建造的內(nèi)涵，構(gòu)建了生物建造體系，圍繞微生物建造、植物建造、動物建造和仿生建造4個類別，從生物建造理論、技術(shù)、材料、裝備、檢驗檢測和工程案例等方面進行了詳細闡述，并展望了生物建造的發(fā)展前景。

關鍵詞：生物建造；工程建造；微生物建造；植物建造；動物建造；仿生建造

中圖分類號：TU74" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：2096-6717（2024）04-0001-22

Biogenic construction： System and perspectives

LIU Hanlong

（School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract： Humanity has inhabited and proliferated on the earth， constructing countless habitats. From rudimentary shelters used by ancient civilizations to today's skyscrapers and high-speed railways， civil engineering has undergone technological changes across multiple epochs. With the increasingly challenges posed by global climate change and ecological issues， the characteristics associated with traditional engineering construction such as， high energy consumption， emissions， pollution， and non-degradable solid waste， are gradually becoming incompatible with the demands for today's construction. These include carbon neutrality， sustainability and recyclable. A transformation of civil engineering is inevitable. This article proposes the concept of “biogenic construction”. It is a system comprising four areas： microbial construction， plant construction， animal construction， and bioinspired construction. Each of the four areas is explained in terms of biogenic construction theory， technology， materials， equipment， processes， inspection， and testing. Some specific cases are also used to explain the concepts and applications. The perspectives of biogenic construction are also discussed.

Keywords： biogenic construction； engineering construction； microbial construction； plant construction； animal construction； bio-inspiration construction

土木工程最早可以追溯到古代文明時期，然而，對于“土木工程”的確切定義并沒有確鑿的起源。歷史上，人們一直在進行各種形式的土木工程活動，但直到近代，這一概念才逐漸被系統(tǒng)地界定和定義。

人類早期棲息于天然洞穴或人造洞穴，或以石頭、泥土和木頭為主要材料搭建簡易建筑物，并利用木材或者巖石堆砌成簡易柵欄，此時期的建筑物為原生態(tài)建筑，基本無碳排放，但空間較小，抵抗災變的能力較差。此階段可以稱為第1代土木工程建造。距今約5 000年前，人類掌握了燒制磚瓦的技術(shù)[1]，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、瓦片。這些磚瓦被用于建造城墻、宮殿、寺廟和其他重要建筑，自此工程建造進入使用磚瓦建造時期。這個時期的建筑物結(jié)構(gòu)性能得到提升，但仍存在空間、強度和功能上的不足。此階段可歸于第2代土木工程建造。19世紀初，英國人Joseph Aspdin發(fā)明了新型水硬性膠凝材料[2]，混凝土開始被大量應用于建筑領域，結(jié)合煉鋼技術(shù)和蒸汽機械的迅猛發(fā)展，土木建筑行業(yè)進入第3代土木工程建造階段。此時期的建筑物呈現(xiàn)超高層、大跨度、高強度的特點，具備了現(xiàn)代建筑物的基本特性。但由于生產(chǎn)水泥混凝土制品會產(chǎn)生大量的二氧化碳，對環(huán)境影響較大。近年來，隨著人工智能和數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動下計算力學和智能建造技術(shù)在土木工程領域成為新的生產(chǎn)力。智能建造是利用先進的信息技術(shù)、傳感技術(shù)、機器人技術(shù)等手段，實現(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[3]，可稱為第4代土木工程建造。智能建造技術(shù)的發(fā)展能促進工程建造效率和精度的提升，進而降低工程成本，減少能源消耗，也能提升工程安全性，但在建筑材料方面，智能建造技術(shù)沒有徹底解決水泥高排放和廢棄材料難分解的問題。

土木工程的高速發(fā)展與科技水平的進步密切相關，并推動工程建設質(zhì)量和規(guī)模取得質(zhì)的飛躍。然而，土木工程的發(fā)展造成地球上的“混凝土森林”成為第一大無法生物降解物質(zhì)，加劇了全球變暖、土壤和水資源污染。例如，全球混凝土年用量超過140億m3 [4]，每年產(chǎn)生的建筑垃圾超過23億t[5]，每年生產(chǎn)水泥造成的二氧化碳排放超過24億t[6]。除了少部分用于地基填料，大部分建筑垃圾仍堆放于地表，大量侵占其他物種的生存空間，建筑垃圾析出的污染物通過雨水和河流遷移，破壞生態(tài)環(huán)境。目前，智能建造技術(shù)能夠解決工程建設的效率問題，但如何促進土木工程建造與自然和生態(tài)之間的平衡，實現(xiàn)土木工程建造與生態(tài)系統(tǒng)和諧共生，是未來工程建造亟待解決的關鍵課題。

1 生物建造的內(nèi)涵

土木工程建造與生態(tài)自然和諧共生是當今社會發(fā)展的必然趨勢。在土木工程建造中，應以可持續(xù)發(fā)展理念為指導，最大限度地減少對自然資源的消耗和破壞。通過科學規(guī)劃和設計，致力于實現(xiàn)工程項目與周圍生態(tài)環(huán)境的融合，保護生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性。《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》指出，要堅持“綠色發(fā)展，和諧共生”的建設理念?！吨泄仓醒?國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和國務院《2030年前碳達峰行動方案》明確了城鄉(xiāng)建設領域降低碳排放的任務要求。由此可見，實現(xiàn)下一代土木工程建造發(fā)展的核心是“綠色生態(tài)”與“低碳”。

生物建造是圍繞土木工程建造與生態(tài)自然和諧共生的理念，倡導低碳與高效的新一代土木工程建造方式。生物建造可譯為bioconstruction或biogenic construction，曾被用于指代生物基建筑材料或珊瑚修復，然而全面系統(tǒng)地定義生物建造的內(nèi)涵還未有報道。自然界生物，包括微生物、植物、動物，能夠給予土木工程建造足夠靈感。代表性的有：微生物方面，近年來礦化微生物被應用于巖土生態(tài)加固、制備生物混凝土和混凝土裂隙自修復，具有替代水泥產(chǎn)品的潛力；植物方面，幾千年前的利用木材榫卯結(jié)構(gòu)進行工程建造；竹子強重比高[7]、質(zhì)量輕，可用作結(jié)構(gòu)支撐或者墻體加筋，常用于建筑施工；動物方面，珊瑚通過分泌鈣質(zhì)物質(zhì)，在海底形成堅固的珊瑚礁結(jié)構(gòu)，不僅為海洋生物提供了棲息地，還有助于減緩海浪沖擊，保護沿岸地區(qū)免受海洋侵蝕，被譽為海洋中的工程師；仿生建造方面，考慮到仿生建造是模仿生物的結(jié)構(gòu)、功能和行為進行的工程建造模式，是前三者的延伸，因此將仿生建造也歸類于生物建造。仿生建造能使建筑和施工設備更有效地適應環(huán)境、提高效率、降低能耗和資源消耗。總體而言，生物建造是以生物為載體進行工程建設，或以生物為基礎研發(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、低碳及與自然相融等典型特征。

2 生物建造體系

生物建造的理念和設計思路是，在實現(xiàn)建造功能的基礎上，從微生物、植物，以及動物的行為中汲取靈感，以“綠色低碳”和“自然相融”為基本原則，促進土木工程建造和環(huán)境發(fā)展的和諧統(tǒng)一。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)建了生物建造技術(shù)體系，如圖1所示。

地球生物主要由微生物、植物和動物構(gòu)成，生物建造技術(shù)以3種生物類別劃分，同時，仿生建造在生物本體之外融合了3種生物的技術(shù)優(yōu)勢。4種生物建造研究方向可歸納為：

1）微生物建造：利用微生物代謝產(chǎn)生的尿酶等活性物質(zhì)及微生物代謝周圍微環(huán)境，通過控制微生物的生長、代謝行為，開發(fā)綠色低碳建筑材料，從而形成一種新型建造技術(shù)。這種技術(shù)結(jié)合了生物學、化學、材料學和建筑學等多個領域的知識，可以用于生產(chǎn)環(huán)保、可持續(xù)的建筑材料，如生物水泥、微生物土和自愈合混凝土等。

2）植物建造：利用植物生長特性和植物材料來實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)、加固、裝飾和功能的新型建造技術(shù)。這種技術(shù)將植物作為建筑材料或設計元素，結(jié)合了植物的生態(tài)友好性、可再生性和美學特點。

3）動物建造：利用動物的新陳代謝產(chǎn)物或者借助動物行為，進行建筑或建筑材料的創(chuàng)造而形成的一種新的建造技術(shù)。盡管對這種技術(shù)的研究和應用相對較少，但自然界中一些動物的建筑行為和身體結(jié)構(gòu)的確為土木工程建造提供了一些啟示，為人類的建筑實踐提供了新的思路。

4）仿生建造：利用生物學原理和從自然界中生物結(jié)構(gòu)、功能等得到的啟發(fā)，設計和構(gòu)建建筑物的新型建造技術(shù)。這種技術(shù)將生物學與工程學相結(jié)合，通過模仿生物體的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能和行為，創(chuàng)造出具有優(yōu)異性能的建筑結(jié)構(gòu)、材料和系統(tǒng)。

3 微生物建造

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，以加強和改善建筑材料的性能和功能。通過引入特定微生物菌株，在適宜的環(huán)境條件下誘導生成無機礦物、生物膠、生物纖維等材料，然后將其應用于建筑結(jié)構(gòu)加固、土壤固化、環(huán)境治理等領域。這項技術(shù)具有可持續(xù)性和環(huán)保性，能降低對傳統(tǒng)高碳材料的依賴，減少對環(huán)境的影響。同時，由于微生物建造材料具有環(huán)境相容性和可持續(xù)性，因此在一些特殊環(huán)境下具有廣泛的應用前景，為工程建設和環(huán)境改善提供了新的解決方案。

3.1 微生物礦化理論

常見的微生物礦化技術(shù)原理包括尿素水解、硫酸鹽還原和鐵鹽還原等，這些過程都有助于在土壤中形成穩(wěn)定的礦物質(zhì)橋接，從而增強其力學性能。目前，基于尿素水解反應的微生物礦化技術(shù)被廣泛研究，特別是利用自然界中普遍存在的脲酶菌。脲酶菌是一種無毒且穩(wěn)定的高效產(chǎn)脲酶嗜堿性細菌，被認為是已知產(chǎn)脲酶活性最高的微生物之一，其脲酶基因的表達量可達細胞干重的1%。添加高效脲酶菌可顯著催化尿素水解（其速率相對自然水解提高約1014倍[8]），反應生成氨氣和碳酸，同時提高水溶液環(huán)境的pH值，在高堿性環(huán)境下發(fā)生碳平衡和氨平衡反應，生成的氫氧根離子與碳酸氫根離子進一步結(jié)合，生成碳酸根離子，通過外界添加可溶性鈣源（如氯化鈣、醋酸鈣、乳酸鈣等），碳酸根離子可與鈣離子反應生成碳酸鈣沉淀，反應過程如式（1）～式（5）所示[9]。

微生物礦化理論涉及多物理場理論和本構(gòu)理論。多物理場理論主要指微生物行為動力學、尿素沉淀與水解反應以及物質(zhì)傳輸過程等。細菌的行為動力學包括細菌的生長衰亡行為、趨化行為及運移行為。尿素沉淀與水解反應速率受脲酶活性和溶液飽和度影響較大，可用一階線性模型、尿素水解方程等理論公式簡化表示。生物-化學-水力模型是目前使用較多的能反應生物礦化的多物理場模型，涉及動量守恒的流場方程、質(zhì)量守恒的化學場方程、細菌懸浮和附著的生物場方程、反應速率的水解和沉淀方程以及應力場的本構(gòu)方程等[10]。

3.2 微生物土固化理論

微生物礦化反應過程中產(chǎn)生的碳酸鹽沉積物對加固材料的工程特性具有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)[11]，碳酸鈣在土體中有兩種極端沉積模式：一種是均勻分布在土顆粒表面，另一種則主要沉積在顆粒接觸點之間。進一步的SEM和X-μCT觀測表明，碳酸鈣的實際沉積狀態(tài)是這兩種模式之間的動態(tài)平衡[12]。如圖2所示，碳酸鈣沉積模式主要包括3種：1）膠結(jié)模式，即碳酸鈣沉積在砂土顆粒接觸點，增強了顆粒間的膠結(jié)作用；2）填充模式，即碳酸鈣填充在土體顆粒間的孔隙中，能有效減小孔隙率；3）涂層模式，即碳酸鈣晶體沉積在土體顆粒表面，增加了顆粒的粗糙度和不規(guī)則性。另外，還有包含以上3種模式的混合模式。隨著礦化反應的進行，孔隙間的碳酸鈣沉積物與土體表面的沉積物逐漸形成互聯(lián)，有效地橋接土體顆粒，產(chǎn)生強化的膠結(jié)作用，其引發(fā)的密實和膠結(jié)效應是土體工程特性改善的關鍵，前者能有效降低固化體的滲透性，后者能顯著增強固化體的力學強度。Wu等[13]發(fā)現(xiàn)弱膠結(jié)土呈現(xiàn)彌漫性破壞，同時發(fā)生膠結(jié)斷裂和磨損。中到強的膠結(jié)土顯示出局部失效，其主要機制從膠結(jié)斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)槟p，產(chǎn)生大量的孔隙填充細粒，如圖2所示。

3.3 微生物固化土技術(shù)

微生物固化技術(shù)在土體加固與改良方面具有巨大潛力，其主要優(yōu)勢集中在以下幾點：1）微生物漿液與反應液均具有低黏性與優(yōu)良的流動性，因而可以在自重滲流或低壓注漿作用下填充巖土體內(nèi)部微孔隙與裂隙，實現(xiàn)非擾動加固原狀土；2）細菌尺寸較小，可以穿透土壤中的微小孔隙進行活動；3）微生物礦化產(chǎn)物多為碳酸鹽礦物，其與巖土體材料之間相容性較好，對環(huán)境的影響較小；4）采用微生物原位激發(fā)技術(shù)，即向土壤中加入營養(yǎng)液，激活土壤中的微生物，選育出所需菌種具有較強的環(huán)境適應性；5）微生物能在混凝土裂縫形成后自動“修補”裂縫。

針對微生物固化土的力學性能，研究者們開展了廣泛研究。通過對不同顆粒尺寸及級配特性的無黏性土進行微生物加固處理，使土體獲得足夠的黏結(jié)強度。研究結(jié)果表明，在不同粒徑分類下，無側(cè)限抗壓強度（UCS）與碳酸鈣含量呈正相關[14]。大部分研究中的碳酸鈣含量均未超過32%，且在某些研究中，微生物加固試樣的抗壓強度甚至超過了10 MPa[10]，已能滿足大多數(shù)工程應用的要求。針對加固土體的液化風險，研究者采用動三軸試驗與振動臺試驗等評估加固土體在動態(tài)荷載作用下的強度與變形特性。經(jīng)過微生物加固后的鈣質(zhì)砂試樣具有更大的循環(huán)剪切阻力，動強度得到顯著提高，抗液化性能得到明顯改善[15]。在滲透性控制方面，微生物固化土亦表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在微生物處理過程中，碳酸鈣的沉積作用填補了土壤顆粒間的微小空隙，有效減少了水流通過土體的途徑。利用這一特性，研究者已成功將砂土加固為低滲透層，其滲透率從10-4 m/s降至10-7 m/s[16]。這些研究表明，由于其低黏度和低壓力的注漿特性，微生物注漿技術(shù)可以作為傳統(tǒng)水泥灌漿的有效替代方法，并已逐漸被應用于堤壩防滲[17]、溝渠加固[18]以及深部巖石裂縫修復[19]等領域。

3.4 微生物土3D打印

近年來，3D打印技術(shù)因其顯著簡化材料生產(chǎn)工藝、縮短制備周期以及提供更大設計自由度和打印復雜幾何形狀的能力而受到廣泛關注[20]?；谏锏V化產(chǎn)物卓越的機械性能和獨特的反應機理，研究人員[21]開發(fā)了一種自動化3D打印技術(shù)，將基于微生物誘導碳酸鹽沉淀（MICP）與3D打印技術(shù)相結(jié)合，用于“生物打印”土體和巖石結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在這一過程中，將具有脲酶活性的碳酸鈣粉末與石英砂混合并打印沉積成三維結(jié)構(gòu)，隨后將該結(jié)構(gòu)通過膠結(jié)溶液處理，其抗壓強度與低等級混凝土相當，同時克服了微生物礦化過程中碳酸鈣沉淀分布不均勻的問題。此外，研究者還開發(fā)了一種可打印的“生物墨水”，由裝載巴氏芽孢桿菌的明膠基微凝膠制成[22]，如圖4所示。這種生物墨水能夠?qū)崿F(xiàn)MICP固化反應，將包含礦化菌似凝膠的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛操|(zhì)、能承載的材料。微凝膠能被精確打印成所需形狀，并通過在支架中沉積碳酸鈣來增強其結(jié)構(gòu)完整性。

MICP與3D打印的結(jié)合是生物技術(shù)與先進制造技術(shù)的融合，當前該領域還處于探索階段，研究人員正在努力優(yōu)化生物反應的效率，提高結(jié)構(gòu)的均勻性，以及擴展生產(chǎn)規(guī)模。盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但這一領域的進展不僅展示了一種減少建筑材料碳排放的可行策略，還為傳統(tǒng)建筑材料提供了一種有前景的替代方案，為可持續(xù)建筑材料的創(chuàng)新和發(fā)展提供了新的思路。

3.5 微生物混凝土技術(shù)

在傳統(tǒng)建筑材料中，混凝土由于其出色的機械性能和經(jīng)濟效益而被廣泛使用，但其抗拉強度較低，對環(huán)境的敏感性導致其易出現(xiàn)裂縫，進而影響結(jié)構(gòu)的完整性和安全性。常見的修復技術(shù)，如注入環(huán)氧樹脂或水泥漿，雖然能暫時修復裂縫，但多數(shù)缺乏長期適應性，且在成本和環(huán)境影響方面表現(xiàn)不佳。由MICP發(fā)展而來的微生物自修復混凝土是一種創(chuàng)新型材料，它充分利用了微生物在特定條件下的生理活動來誘導碳酸鈣的形成，從而實現(xiàn)混凝土裂縫的自動修復[23-24]。這種材料的開發(fā)，不僅提升了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，還有效降低了維護和修復混凝土的經(jīng)濟成本。由于混凝土的固有堿性環(huán)境，通常選擇能耐受高pH值的細菌，如巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii），以適應并有效工作于混凝土的堿性條件中。在制備自修復混凝土的過程中，除了傳統(tǒng)的水泥、砂和水之外，還需引入這些細菌或其孢子以及必要的反應液（如尿素和鈣源）。這些組分混合后，在混凝土硬化過程中構(gòu)建出適合微生物生存的微環(huán)境。當混凝土出現(xiàn)裂縫時，外部氧氣和水分的滲透會引起內(nèi)部微環(huán)境的變化（例如pH值和濕度的變動），從而觸發(fā)這些微生物的活性，促使其產(chǎn)生碳酸鈣并逐步填補裂縫，恢復結(jié)構(gòu)的完整性。這一過程不僅增強了混凝土的自愈能力，也提高了其耐久性和功能性。

3.6 工程案例

1）微生物島礁地基加固

在復雜地質(zhì)環(huán)境下的人工吹填島礁中，研究者通過交替傾倒微生物溶液和反應液進行鈣質(zhì)砂地基現(xiàn)場加固處理，通過自重滲流對鈣質(zhì)砂地基內(nèi)部進行強化。表面貫入強度測試顯示，4次加固后地基強度普遍提升，如圖5所示。

2）微生物邊坡加固

Xiao等[26]通過反復噴灑微生物菌液和反應液將微生物加固技術(shù)引入到土質(zhì)邊坡表面加固，如圖6所示。在進行0、3、6、12次微生物處理后，對坡面進行175 mm/h的人工降雨試驗，結(jié)果顯示，隨著處理次數(shù)的增加，碳酸鈣含量增加，坡面對降雨的響應時間延長，濕潤鋒速度減慢，表面貫入阻力亦有所增加，表明微生物加固有效改變了土質(zhì)邊坡受降雨影響的侵蝕模式。

3）微生物防滲加固

Blauw等[27]在奧地利Greifenstein水電站的土壩上進行了生物防滲試驗，如圖7所示。結(jié)果表明，處理后的土體滲透系數(shù)顯著降低，最高可降低兩個數(shù)量級，且土樣的平均強度增加了約13%，表明微生物固結(jié)技術(shù)不僅能有效防滲，還能增強土體結(jié)構(gòu)。

4）微生物文物修復

與其他有機/無機修復材料相比，微生物加固方法修復的試樣具有較好的強度、較小的色差和穩(wěn)定的耐候性，并具有操作簡單高效、塑形時效適宜、綠色無毒、環(huán)保性強等優(yōu)點。劉漢龍等[28]針對石質(zhì)文物和骨質(zhì)文物開展微生物加固修復，取得了較好的應用效果，如圖8、圖9所示。微生物礦化修復技術(shù)開辟了文物修復的一條新路徑。

5）混凝土微生物自修復

Du等[30]開展了混凝土微生物自愈合工程實踐，與普通混凝土墻相比，微生物混凝土在有效治愈裂縫并減少裂縫數(shù)量，以及裂縫的平均長度、寬度和深度等方面取得了較好的應用效果，如圖10所示。

6）其他方面

微生物礦化技術(shù)除被應用于工程建造外，細菌菌絲和微藻類同樣可應用于建筑體的構(gòu)建。商務公司MOGU已經(jīng)開始售賣由菌絲制成的建筑裝飾材料，如墻磚和地板磚等。世界上第一座蘑菇磚塔于2014年在美國建成，如圖11所示。

4 植物建造

植物建造在土木工程領域的應用展現(xiàn)了對可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)友好建筑的追求。植物建造不僅將植物作為建筑物的裝飾元素，更是將其融入建筑結(jié)構(gòu)、材料和設計中，發(fā)揮其獨特的生態(tài)功能和環(huán)境適應性。植物建造技術(shù)在土木工程中的應用不僅拓展了建筑設計的可能性，還為實現(xiàn)生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保的建筑目標提供了重要路徑。

4.1 植物建造理論

植物建造理論涉及生物力學、結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論、復合材料理論、生物仿生學等理論，具有理論和概念相互交叉融合的特點，支撐植物材料在工程建造領域的應用。

植物建造中涉及的生物力學包括植物材料，如植物纖維的多尺度結(jié)構(gòu)力學行為和植物不同尺度的水力運移機制，分別可為植物基纖維復合增強材料以及植物-土壤水力傳輸提供理論指導。結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論涉及設計和改進植物材料的建筑結(jié)構(gòu)，以使其在給定約束條件下達到最佳性能的方法和原理，主要涉及拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、材料優(yōu)化等。結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論通常與數(shù)值模擬和計算機輔助設計工具結(jié)合使用，以快速評估不同設計方案的性能，并找到最優(yōu)解。植物復合材料理論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合建筑材料結(jié)構(gòu)。Liu等[32]總結(jié)了植物體內(nèi)多尺度結(jié)構(gòu)的生物力學特性及其對抗旱性能的影響，并研究了微流體、細胞彈性和分子熱動力學特性在植物抗旱性方面的作用表現(xiàn)。戴靖沛等[33]將根土復合體視為天然纖維增強復合材料，并根據(jù)均勻化理論提出了根土復合體的數(shù)值計算模型，從理論方面對植物根系土壤增強效果進行了分析。

根系固土理論研究內(nèi)容主要涉及根土復合力學理論、植物生長機理、生態(tài)修復機理，包括土壤理化特性和重金屬吸附性等[34]。程洪等[35]總結(jié)出根系與土體之間的力學作用機制，主要包括復合體的自重力、根系的吸附力，以及根土之間的相互作用力。Van Genuchen等[36]、Wu[37]、Schwarz等[38]提出了根土復合體的本構(gòu)模型和水力計算模型，奠定了根土復合體的理論力學基礎。試驗方面，植物種類對根系固土的效果影響較大，主要受根系長度、埋深、根徑粗細程度等影響。學者們認為，隨著根長的減小，抗拉強度會下降，根系含水率呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，但根徑的增加會影響含水率與抗拉強度之間的關系[39]。土體的抗剪強度會隨根系量的增加先增大后減小，存在一個最優(yōu)值，強度的提高主要由黏聚力增大導致。植物根系對土體起到加筋作用，因此，根土復合體可認為是一種由植物根系和土組成的三維復合材料，通過加筋理論同樣可以對根土復合體的力學特性進行解釋[32]。根系固土中非飽和土的水力與根系加筋耦合作用對植被邊坡土體的穩(wěn)定性具有重要作用。吳宏偉等[40]修正了考慮植物根系形狀的植被非飽和邊坡孔隙水壓解析解方程，并提出了考慮水力作用和植物根系加筋作用的非飽和植被邊坡安全系數(shù)，為不同植被邊坡穩(wěn)定性設計提供了理論基礎。

4.2 植物建造材料

1）天然植物材料

作為天然建筑材料，幾千年來木材和竹子一直被用作建筑物的結(jié)構(gòu)和裝飾材料。這種源自自然、簡單而又可靠的材料，以其優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)性能和多樣化的裝飾效果，成為建筑領域中不可或缺的一部分。木材作為建筑材料的歷史可以追溯到人類文明的早期，在當時，人們就開始利用樹木建造簡單的住所和結(jié)構(gòu)，如木屋、木橋等。木材的天然來源、易加工性和良好的結(jié)構(gòu)強度，使其成為古代建筑的首選材料之一。竹子的輕質(zhì)、堅韌、柔韌和可再生的特性，使其成了古代東亞建筑的主要材料之一[41]。隨著時間的推移，木材和竹子作為建筑材料的應用并未減弱，反而在現(xiàn)代建筑中得到了新的發(fā)展和創(chuàng)新。盡管現(xiàn)代建筑材料的種類繁多，但木材和竹子因其獨特的性能和環(huán)保的優(yōu)勢，仍然受到重視。在當代建筑中，木結(jié)構(gòu)建筑、竹結(jié)構(gòu)建筑和木竹混合結(jié)構(gòu)建筑等形式層出不窮，成為可持續(xù)建筑和綠色建筑的重要組成部分[42]。

植物加筋材料是一種以植物纖維為主的加強建筑材料，其將植物纖維與其他材料相結(jié)合，形成一種具有較高強度和耐久性的復合材料，可用于建筑結(jié)構(gòu)和工程項目中[43]。植物加筋材料不僅具有優(yōu)良的機械性能，還具有環(huán)保、可再生和低碳的特點，符合當今社會對于可持續(xù)建筑和綠色發(fā)展的追求。植物纖維，如竹子、麻、棉等，具有良好的拉伸強度和耐磨性，可以有效增強材料的抗拉、抗彎和抗沖擊性能。植物加筋材料具有良好的環(huán)保性能，與金屬、玻璃纖維等傳統(tǒng)合成材料相比，其具有可再生性和生物降解性，不會對環(huán)境造成污染或危害[44]。

2）植物基改性建筑材料

植物基改性建筑材料是指以植物為原料或來源，通過一定的加工方式，如化學處理、熱處理等，生產(chǎn)得到的建筑材料，具有環(huán)保、可再生、低碳排放等共性，在建筑行業(yè)中受到越來越多的關注和應用[45]。與傳統(tǒng)的石油基合成材料相比，植物基建筑材料生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生有害氣體和廢棄物，從而減少了對環(huán)境的污染和破壞[46]。除了環(huán)保、可再生和低排放等共性特點之外，植物基建筑材料還具有一系列的優(yōu)良性能和廣泛的應用前景。例如，具有良好的機械性能、隔熱保溫性能、吸音隔音性能等，在建筑結(jié)構(gòu)、裝修裝飾、保溫隔熱、土壤改良等方面都應用廣泛[47]。在當前全球建設綠色建筑和可持續(xù)建筑的背景下，植物基改性建筑材料將會成為建筑行業(yè)的重要發(fā)展方向和主流趨勢。

通過將生物油代替部分瀝青形成混合物，生物瀝青具備代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石瀝青的潛力[48]。生物油可通過植物材料，如稻殼等，快速熱裂解或者水熱液化的方式制備，與化石瀝青具有較高的相容性，能夠填充瀝青的間隙，與老化瀝青結(jié)合，起到修復再生的作用[49]。同時，生物瀝青對化石瀝青的耐久性和抗凍性起到優(yōu)化作用，但耐高溫性較差[50]。生物瀝青在土木工程領域有著廣泛的應用前景，不僅可以滿足路面建筑材料的需求，還能促進環(huán)境友好型的工程材料發(fā)展。木質(zhì)素改性瀝青是一種環(huán)保型植物基建筑材料。木質(zhì)素是植物細胞壁的主要成分之一，主要來源于木材或植物纖維，可從造紙和乙醇生產(chǎn)的廢棄物中得到[51]。在道路建設中，木質(zhì)素瀝青被應用于路面的鋪設和修復，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石瀝青，并具有提高道路耐久性和承載力的能力[52]。

硅藻土是一種由硅藻遺骸組成的天然材料，主要成分為二氧化硅，其具有多孔性、吸水性強、化學穩(wěn)定性好等特點。在土木工程中，作為一種多功能材料，硅藻土被廣泛應用于多個領域，包括建筑隔聲、土壤改良、水處理、制備膠凝材料等[53]。在建筑內(nèi)部，可以將硅藻土板材或墻面涂料等材料應用于隔聲墻、天花板等位置，有效地吸收和隔離聲音，提高建筑的聲學環(huán)境質(zhì)量[54]。與傳統(tǒng)的隔聲材料相比，硅藻土具有環(huán)保、無毒、無污染等優(yōu)點。硅藻土中含有豐富的微量元素和礦物質(zhì)，對土壤有著良好的改良作用。在工程中，人們常將硅藻土與土壤混合使用，用于改良土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。硅藻土可以改善土壤的通氣性和保水性，增加土壤的肥力，改善植物的生長環(huán)境和地基土的工程性質(zhì)[55]。此外，硅藻土具有良好的吸附性能，可以吸附水中的有機物、重金屬和細菌等有害物質(zhì)，起到凈化水質(zhì)的作用[56]。

生物炭是一種新型的環(huán)保降碳材料，由固廢通過無氧或者限氧熱解的方式制備。由于制備過程中氧氣參與反應有限，避免了二氧化碳的生成量，能夠?qū)崿F(xiàn)碳固定的作用[57]。同時，熱解過程的副產(chǎn)物如焦油等能夠作為燃料進行回收利用[58]。生物炭的原材料包括農(nóng)作物秸稈、廢棄木材等，常被以焚燒的方式進行銷毀，據(jù)統(tǒng)計，每年因焚燒農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生的碳排放總量約為4.77×107 t[50]。因此，以熱解方式對固廢進行資源化利用，既能起到降碳減排的作用，又能獲得具有較高功能屬性的生物炭，對環(huán)境保護起到積極的促進作用。在土木工程領域，作為一種多功能材料，生物炭具有廣闊的應用前景。生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積，能增加土壤的通氣性、保水性和肥力，改善土壤的物理結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)[59]。生物炭具有良好的吸附和解吸性能，能吸附水中的有機物、重金屬、農(nóng)藥殘留等有害物質(zhì)，起到凈化水質(zhì)的作用[60-61]。生物炭還能與水泥、石灰、瀝青等常用建筑材料混合使用，用于制備新型建筑材料，如生物炭混凝土、生物炭磚、生物炭瀝青等[62]。這些新型建筑材料具有輕質(zhì)、保溫、隔聲、吸濕調(diào)濕等特點，適用于建筑物的結(jié)構(gòu)、裝飾和環(huán)保等領域，為土木工程材料提供了更多的選擇和可能性。

4.3 植物建造技術(shù)

1）植物源脲酶礦化加固技術(shù)

與微生物加固技術(shù)的原理相似，植物源脲酶誘導碳酸鈣沉淀加固技術(shù)（EICP）是從植物材料中提取脲酶，常見的如大豆和刀豆等[63]。具體方式為將大豆或者其他種子磨成粉并充分混合在水中，通過離心提純?nèi)〉煤休^高濃度的脲酶溶液，與尿素和鈣離子溶液混合后即可生成碳酸鈣沉淀。碳酸鈣沉淀能夠填充土壤孔隙，膠結(jié)土顆粒，實現(xiàn)土體加固的作用。與MICP相比，EICP具有較高的環(huán)境適應性，能夠在MICP加固條件無法保障的情況下使用，如EICP加固不需要氧氣，且脲酶分子尺寸很小，在細粒土加固和微裂隙封堵方面具有更好的應用效果[64]。然而，由于缺少細菌作為成核位點，EICP加固的均勻性可能較差[65]。目前，國內(nèi)外學者開展了大量EICP加固土體試驗研究，從不同尺度分析了EICP加固土體的加固機理和技術(shù)路線，取得了豐富的研究成果。Cui等[66]提出使用單相低pH的方法進行土體加固，在這種方法中，將pH = 6.5的脲酶溶液與尿素、氯化鈣混合而成的EICP溶液注入土壤。試驗結(jié)果表明，與常規(guī)兩相EICP法相比，單相低pH法能顯著提高鈣的轉(zhuǎn)化效率和砂樣中碳酸鈣分布的均勻性。此外，單相低pH法處理砂的無側(cè)限抗壓強度遠高于兩相法處理砂的無側(cè)限抗壓強度，而且由于注入次數(shù)少，單相低pH法也更簡單、更有效。Zhang等[67]針對海岸線的砂土坡進行了EICP加固并開展了水槽沖蝕試驗，試驗結(jié)果表明，EICP能有效提高砂坡的表面強度和抗侵蝕能力。Miao等[68]利用EICP技術(shù)在騰格里沙漠烏馬公路兩側(cè)進行了6萬m2的現(xiàn)場固沙試驗，現(xiàn)場應用效果表明，EICP能有效提高沙漠沙表面的穩(wěn)定性，從而提高抗風蝕能力，并且能促進沙漠表面植物的生長?？梢姡珽ICP技術(shù)可作為一種綠色和低碳技術(shù)用于土體加固，是植物建造方面的代表性新技術(shù)之一，具有較高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2）植物加筋技術(shù)

植物加筋技術(shù)主要指利用植物纖維對土體的加筋作用，以提高土體的整體穩(wěn)定性。常見的植物纖維有劍麻纖維、棕櫚纖維、水稻小麥秸稈纖維等。一定摻量的植物纖維能增大土體的黏聚力、強度和內(nèi)摩擦角，提升土體的工程性質(zhì)。目前，植物加筋技術(shù)已應用于邊坡、擋墻、路基等工程加固中，取得了較好的應用效果。植物纖維能提升土體的抗壓和抗剪強度。張心語[69]探究了油菜籽殼、花生殼和黃豆殼對土體的加筋作用，發(fā)現(xiàn)不同種類的植物殼最優(yōu)摻量有所區(qū)別，分別在0.3%和0.8%達到無側(cè)限和直剪強度的最大值。李麗華等[70]探究了水稻秸稈加筋土的力學特性和植生特性，發(fā)現(xiàn)當秸稈纖維摻量小于0.3%時，摻量的增加會促進秸稈與土顆粒之間的接觸面積，能增加土體的密實度，從而實現(xiàn)土體強度的提高。當纖維摻量大于0.3%時，秸稈和秸稈之間的接觸面積會隨著摻量的增加而提高，從而弱化了土體的強度。植物纖維能提高土體的動強度。Kafodya等[71]探究了劍麻纖維對土體動力特性的影響。25 mm長度的劍麻纖維含量小于0.5%時，土的剪切模量呈增長趨勢，當纖維摻量大于0.5%時，土體內(nèi)部孔隙增加導致土體剛度降低。植物纖維的增加增大了土體的阻尼比，并減小了土體永久變形。此外，水分含量對植物纖維加固土的力學特性有顯著影響。植物纖維的多孔結(jié)構(gòu)對水分十分敏感，較高的土體孔隙率會與纖維耦合形成滲水通道，降低加固土的強度[72]。因此，高的土體密實度對確保植物纖維加筋土的強度十分重要。植物加筋擋墻是植物加筋土工程應用的典型代表，主要形式包括土工格柵包加筋土擋墻和綠色加筋格賓擋墻。通過將土工格柵包疊成墻體，包內(nèi)填充種植土，可快速形成綠化效果，格柵包通常使用麻布袋材質(zhì)，不易老化。綠色加筋格賓擋墻是利用鋼筋形成墻體，通過在墻內(nèi)種植植物，形成墻體的綠化和植物根系的輔助加固作用。以上兩種方法利用了植物根系的加筋作用，將根系看作纖維，植物的生長能夠不斷加深加筋效果，不斷提高加筋墻體的穩(wěn)定性，是土體綠色加固技術(shù)的代表[73]。

4.4 工程案例

1）木竹結(jié)構(gòu)

木結(jié)構(gòu)建筑曾經(jīng)是主流建筑形式。隨著工業(yè)革命的到來，鋼鐵和混凝土等新材料的廣泛應用，木結(jié)構(gòu)建筑逐漸被取代，陷入了衰落。然而，隨著環(huán)境保護意識的增強和對可持續(xù)建筑的需求，木結(jié)構(gòu)建筑重新受到重視，開始復興?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑不僅在設計理念上更加創(chuàng)新，還利用了先進的建筑技術(shù)和工程方法，如計算機輔助設計、數(shù)字化制造等。現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑既注重建筑的功能性和實用性，又追求建筑的藝術(shù)性和環(huán)保性，成了建筑領域的重要發(fā)展方向。典型的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)代表之一是瑞典的Skellefte?文化中心（Skellefte? Cultural Centre），如圖12所示。該建筑采用了大量的木結(jié)構(gòu)，建筑外觀簡潔現(xiàn)代，內(nèi)部空間采用了大面積的木質(zhì)元素，包括木梁、木柱、木地板等，營造出溫馨、舒適的氛圍。建筑采用了多層次的木結(jié)構(gòu)，形成了多樣化的空間布局，滿足了不同功能和活動的需求。

竹結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)的發(fā)展史相似，但因竹子地域性分布的特點，竹結(jié)構(gòu)建筑在高緯度地區(qū)比較少見。中國具有代表性的竹結(jié)構(gòu)建筑物有苗族吊腳樓和傣族竹樓?？梢酝ㄟ^計算分析等手段實現(xiàn)現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建筑更加復雜的結(jié)構(gòu)，如印度尼西亞巴厘島的竹制體育館，越南Cuc Phuong國家公園內(nèi)的竹頂餐廳，如圖13所示。

2）植物纖維和膠黏劑

早在幾千年前，中國敦煌漢長城中以蘆葦?shù)戎参镒鳛榧咏畈牧锨度牒煌翂?nèi)，實現(xiàn)增強城墻本體結(jié)構(gòu)性的作用。植物纖維在巖土工程中具有很好的工程應用前景，最為典型的是植物纖維毯[79]。植物纖維毯是一種利用植物纖維制成的覆蓋材料，常用于土壤保護、植被恢復和生態(tài)修復等領域，具有生物降解性和環(huán)保性。此外，除了植物纖維在建筑工程中的應用，植物基黏合劑同樣在人類建筑史上發(fā)揮了不可替代的作用，最為典型的應用為糯米灰漿[80]。糯米灰漿又稱為中國古代水泥，是將糯米煮爛與石灰混合，形成一種天然的黏合劑。糯米漿中的支鏈淀粉與石灰發(fā)生交聯(lián)反應，使得粘結(jié)更為牢固。長城城墻、福建土樓等古代建筑物都使用了糯米漿作為建筑材料，建筑體幾百年依舊大致保存完整。糯米漿在現(xiàn)代工程中仍得到應用，如汶川地震后九寨溝景區(qū)的修復就使用了大量的糯米灰漿代替水泥[81]，實現(xiàn)了環(huán)境保護的要求，如圖14所示 。

3）生物炭、硅藻土和生物瀝青

在土壤改良、植物生長促進、水體污染治理、土壤穩(wěn)定化和生態(tài)修復等方面，學者們利用生物炭開展了現(xiàn)場工程應用。Cui等[86]通過兩年的現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭在重金屬污染稻田鉻吸收控制方面具有良好的應用效果，水稻的鉻吸收率下降50%以上。Guo等[87]利用花生殼生物炭對一垃圾填埋場上覆土體進行改良，3年的試驗發(fā)現(xiàn)，通過生物炭改良，植物根系密度提高了100%，強降雨后生物碳和植物根系協(xié)同作用土壤基質(zhì)吸力同樣提高了100%，如圖15所示。朱健等[88]發(fā)現(xiàn)，硅藻土能夠穩(wěn)定土壤中的Cd，穩(wěn)定率在57%左右。蔡德龍等[89]發(fā)現(xiàn)硅肥的施加能夠提升蘋果產(chǎn)量10%左右。劉珺等[90]發(fā)現(xiàn)，摻量為2%、硅藻土焙燒溫度為800 ℃條件下，水泥基材料的抗壓強度能提高28%。硅藻土隔熱磚也成為較為成熟的產(chǎn)品，如圖16所示。有學者[91]認為硅藻土改善水泥基強度的機理在于其較高的保水能力能延長水泥水化反應時間，使得水化反應更為充分。生物瀝青可通過將生物油混入石油瀝青進行制備，植物秸稈的液化產(chǎn)物與石油瀝青具有較高的相容性[92]。據(jù)荷蘭瓦赫寧根大學推算，使用木質(zhì)素瀝青能使路面建設產(chǎn)生的碳排放降低70%[93]，如圖16所示。生物瀝青已在荷蘭、比利時等國家的多個道路得到應用。

5 動物建造

動物建造是利用動物體內(nèi)的材料或動物行為進行工程建造或者生產(chǎn)建筑材料的一種建造技術(shù)。動物建造可以分為動物本體的建造行為和利用動物材料進行建造。在歷史上，人類利用動物進行生產(chǎn)生活的做法非常普遍，涵蓋了多個方面，包括農(nóng)業(yè)和工業(yè)等領域。自然界中，動物本體具有一定的建造能力，可稱之為動物建筑家。蚯蚓和船蛆等能在土壤、木頭內(nèi)鉆孔打洞，螞蟻通過分泌纖維素與多肽寡糖物質(zhì)結(jié)合砂子、泥土來建造巢穴等[97]。自然界眾多精巧的動物建造方案中，只有少數(shù)可被人類直接利用，筆者主要探討與人類工程建造直接相關的動物建造技術(shù)，從動物本體建造技術(shù)和動物源建筑材料出發(fā)，搭建動物建造方向的結(jié)構(gòu)體系。

5.1 動物本體建造

珊瑚島礁是動物建造體被人類使用的代表性案例。珊瑚島礁是由珊瑚蟲骨骼堆積而成的石灰?guī)r結(jié)構(gòu)，是海洋中重要的生態(tài)系統(tǒng)之一。它們不僅為海洋生物提供棲息地，也保護海岸線免受侵蝕。天然珊瑚礁是人工填島的絕佳位置，為人工島提供穩(wěn)定的基礎，通過將海底土（如珊瑚砂等）吹填至指定天然珊瑚島礁而形成人工珊瑚島。

珊瑚島礁的形成是一個緩慢而復雜的過程，需要數(shù)千甚至數(shù)萬年的時間。它主要經(jīng)歷以下幾個階段[98]：1）珊瑚蟲分泌碳酸鈣，形成骨骼，這些骨骼相互聯(lián)結(jié)，形成珊瑚礁；2）隨著珊瑚蟲的不斷繁殖和死亡，它們的骨骼逐漸堆積，珊瑚礁逐漸擴大，珊瑚礁的生長速度很慢，每年通常只有幾厘米；3）珊瑚礁會隨著海平面的變化、地震、火山活動等因素而不斷演化，例如，當海平面上升時，珊瑚礁會向上生長，形成環(huán)礁或堡礁；當海平面下降時，珊瑚礁會暴露在空氣中，形成陸地。然而，填海造島可能對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重破壞，對周邊海洋生物群落和生態(tài)平衡產(chǎn)生負面影響。

同樣是在海洋，“牡蠣護堤”是人類利用動物建造的典型案例之一[99]?！澳迪犠o堤”是一種生態(tài)工程措施，旨在利用牡蠣養(yǎng)殖來保護海岸免受海浪侵蝕和風暴潮的影響。其利用牡蠣的生長習性和貝殼的結(jié)構(gòu)特點，將牡蠣人工種植在海岸線附近水域，形成一個類似于天然堤壩的結(jié)構(gòu)。牡蠣的貝殼可以附著并固定沉積物，形成牢固的巖礁，從而減緩海浪的沖擊力，保護沿岸地區(qū)免受海水侵蝕。此外，牡蠣養(yǎng)殖還能改善水質(zhì)，提供生態(tài)棲息地，并促進海洋生物多樣性。牡蠣護堤已經(jīng)在一些地方得到了廣泛應用，特別是在需要加強海岸保護和生態(tài)恢復的地區(qū)。這種生態(tài)工程措施在維護海岸生態(tài)系統(tǒng)平衡和保護沿岸社區(qū)方面發(fā)揮了重要作用。

5.2 動物源建筑材料

動物源建筑材料指的是來源于動物本體的、可用于人類建造的天然材料，如動物毛發(fā)、皮革、骨骼、尿液，甚至是血液等。歷史上建筑技術(shù)不發(fā)達時期，人類曾使用動物骨骼作為建筑體的結(jié)構(gòu)材料。愛斯基摩人（也稱為因紐特人）生活在北極地區(qū)，過去常常使用鯨魚骨來搭建房屋[100]。在這種房屋建造中，鯨魚骨是一種非常重要的結(jié)構(gòu)材料。鯨魚骨通常來源于已經(jīng)死亡的鯨魚，愛斯基摩人會將這些骨骼收集起來，然后用它們來搭建房屋的框架。動物的毛發(fā)可作為加筋材料。在古代歐洲，特別是在北歐和東歐地區(qū)，人們常常使用馬毛作為填充材料來增加建筑物的保溫性能[101]。隨著科技的進步和建筑材料的發(fā)展，使用馬毛作為墻體材料的做法逐漸減少?，F(xiàn)代建筑中，人們更傾向于使用更加先進的隔熱材料和絕緣材料，如聚苯板、玻璃棉等，來提高建筑物的保溫性能和舒適度[102]。此外，動物皮革是古時人類常用的建筑材料，經(jīng)常用于制作帳篷和遮陽篷，特別是在游牧民族和沙漠地區(qū)。動物皮革具有良好的柔韌性和耐久性，能提供防風、防水和遮陽的功能。生蠔作為常見的貝類生物，也有用作建筑材料的歷史，明代陳懋仁的《泉南雜志》和宋應星的《天工開物》都有使用蠔灰作為建筑膠結(jié)材料的做法。

5.3 工程案例

中國南海西沙市分布著大量珊瑚島礁，如圖17所示。吳佳慶等[103]對永興島巖心進行了化學分析，巖心成分主要為骨架灰?guī)r和生物碎屑，且珊瑚礁的成分較為單一，大部分為碳酸鹽類方解石，極少部分的生物化石中發(fā)現(xiàn)了文石，研究成果反映了珊瑚礁的成巖機理。

泉州洛陽橋是中國福建省泉州市一座歷史悠久的古橋，建于唐代，距今已有千余年的歷史。在橋墩加固方面，使用了牡蠣等特殊材料，使得橋墩更加堅固。在福建泉州和廣東珠三角地區(qū)有使用蠔殼作為墻體材料的習慣，如圖18所示。

人類歷史上，有使用尿液作為建筑黏合劑的記載，如在烏茲別克斯坦Khoja Zaynuddin清真寺的墻體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了尿液的成分[106]。近年來，隨著生物誘導碳酸鈣膠結(jié)技術(shù)的發(fā)展，尿液中的尿素可作為生產(chǎn)要素之一用于制作微生物磚塊。此外，歐洲空間研究與技術(shù)中心正試驗將尿液作為月球建造中的膠結(jié)材料，如圖19所示，含有3%重量尿液的3D打印體強度能達到10 MPa以上，為月球建造工程材料提供了全新思路[107]。根據(jù)《天工開物》記載，古代城墻建造中會將豬血混入砂漿中，以提高砂漿的抗水性。Din?-?eng?nül等[108]驗證了混入動物血的石灰砂漿具有較高的抗凍融性。可見，在人類工程建造中，動物材料一直是不可或缺的一部分，在未來建造中仍可發(fā)揮作用。

6 仿生建造

仿生建造是運用生物界中發(fā)現(xiàn)的機理和規(guī)律來解決實際復雜工程問題的綜合性交叉建造模式。仿生建造的主要研究思路是提出生物學或者物理模型并應用于工程建造。仿生建造技術(shù)主要涉及形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生、材料仿生、控制仿生等。伴隨著城市化進程的推進，人們對高層建筑和地下空間的需求日益增長，對堅固的土木建筑材料、高效的開挖方法、精確的測試儀器以及創(chuàng)新的土木工程理論和技術(shù)的需求也與日俱增。通過研究自然界中生物的強化和增韌、憎水和憎冰、摩擦各向異性以及鉆探和挖掘過程中的脫附減阻等現(xiàn)象[109]，并模仿生物的外部形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征或運動機理，也可以為土木工程的創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展提供新思路、新原理和創(chuàng)新理論。

6.1 仿生建造理論

仿生建造是將生物學原理和自然系統(tǒng)中的設計理念應用到工程建造領域的一種方法，是一個學科交叉復雜的研究方向，涉及生物結(jié)構(gòu)與功能理論、生物材料與材料科學理論、生物力學理論、信號與控制理論、材料和結(jié)構(gòu)力學理論等[110]。如生物結(jié)構(gòu)與功能理論是生物學中的一個核心理論，指的是生物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其功能之間的關系[111]。生物體結(jié)構(gòu)與功能的密切關系使其能適應生存環(huán)境。例如，鳥類的翅膀結(jié)構(gòu)適合飛行，魚類的鰓結(jié)構(gòu)適合在水中呼吸。對生物結(jié)構(gòu)與功能的深入理解為仿生建造提供了重要的基礎。通過模仿生物體的結(jié)構(gòu)與功能，人類能設計出各種新型的建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料和建造技術(shù)。

6.2 仿生建造技術(shù)

仿生建造技術(shù)是一種融合了生物學原理和工程學方法的創(chuàng)新技術(shù)，旨在通過模仿自然界的生物系統(tǒng)，設計和構(gòu)建具有更高效、更環(huán)保和更智能特性的工程技術(shù)。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。

仿生結(jié)構(gòu)汲取了生物界獨特的設計靈感，可以將其應用于技術(shù)創(chuàng)新和工程設計中。通過深入研究生物系統(tǒng)的精密結(jié)構(gòu)和功能，如昆蟲的翅膀、植物的結(jié)構(gòu)、動物的運動方式等。仿生結(jié)構(gòu)的美妙之處在于，它不僅僅是單純地模仿自然，更是通過理解生物系統(tǒng)的原理和機制，創(chuàng)造出新的解決方案。如由竹子結(jié)構(gòu)仿生研發(fā)的吸能薄壁鋼管，相較于等直徑鋼管，具有更高的吸能性，更輕的重量，能夠節(jié)省鋼材使用量[112]。仿生構(gòu)筑物是指建筑物整體設計上受到生物系統(tǒng)、生物結(jié)構(gòu)或生物過程的啟發(fā)而設計的建筑。這種建筑的設計可能從自然界中的生物體形態(tài)、行為、結(jié)構(gòu)等方面獲取靈感，并將其應用于建筑的設計和功能上。仿生構(gòu)筑物可能整體上具有生物體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)或特征，或者在功能性上模仿生物體的生態(tài)系統(tǒng)。殼體建筑是典型的仿生建筑物，通過將建筑物的形貌設計成仿龜殼、貝殼甚至蛋殼等形式。殼體建筑通常采用曲線形態(tài)，其外觀通常呈現(xiàn)出流暢的曲線和連續(xù)的表面，能夠?qū)崿F(xiàn)高度的結(jié)構(gòu)效率和承載能力[113]。與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)相比，殼體建筑通常具有較高的自支撐性，即其結(jié)構(gòu)能夠在不需要大量支撐柱或梁的情況下實現(xiàn)跨度較大的空間覆蓋。竹子結(jié)構(gòu)也是一種力學性能優(yōu)異的建筑形式，每段節(jié)桿受力彎曲變形的能力基本一致，是一種近似的“等強度桿”[114]。利用這種優(yōu)良的力學特性，設計了臺北101大廈、吉隆坡雙子塔等著名建筑。

6.3 仿生建造材料

仿生建造材料是通過模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和性能來設計和生產(chǎn)的建筑材料。這種材料的設計靈感源自大自然，利用生物體內(nèi)的機制和特征，以創(chuàng)新的方式解決建造領域的挑戰(zhàn)。仿生建造材料已經(jīng)成為建筑工程領域的一項重要創(chuàng)新，如荷葉表面有一層超疏水材料，使得水流聚股流下，沖洗淤泥。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到，荷葉表面上有許多微小的“小山包”，灰塵、雨水等降落在這種結(jié)構(gòu)的葉面上后，隔著一層極薄的空氣，只能同葉面上“山包”的凸頂形成幾個點接觸。仿生混凝土通過模仿“荷葉效應”設計理念，以實現(xiàn)“透氣不透水”的功能[115]。為了克服海水的高流動性，海洋無脊椎動物能夠?qū)⒆约焊街谒械母鞣N物體上。這種附著與其生理功能密切相關，如蛻皮和生物礦化，它們使用的黏合劑是一種天然生物分子材料，在大多數(shù)情況下是蛋白復合物。受此啟發(fā)，科研人員研發(fā)了含多巴和多巴類似物的共聚物仿生黏合劑，其強度能達到商用膠水強度[116]。

6.4 仿生建造裝備

在建筑工程領域，隨著科技的不斷進步和人們對可持續(xù)發(fā)展的追求，仿生建造裝備正逐漸成為關注的焦點。通過仿生學原理的運用，研究人員致力于設計和優(yōu)化工程設備，以提高施工效率、降低能源消耗、減少對環(huán)境的影響，并增強設備的適應性和穩(wěn)定性。仿生建造設備借鑒了動物和植物在自然進化中某方面獲得的先天優(yōu)勢，并將這種優(yōu)勢整合進工程建造裝備中。這種趨勢不僅在技術(shù)層面上推動了施工行業(yè)的發(fā)展，也引領著建筑工程向更加可持續(xù)和智能化的方向邁進。如地下工程中，人們通過借鑒洞穴動物的運動和生活方式研發(fā)了地下開挖裝備，工程效率得到提升。通過借鑒甲殼類生物的耐磨特性，研究人員研發(fā)了具有自修復性的仿生鉆探設備，工程設備的耐久性得到提升，工程造價降低[117]。目前巖土工程鉆孔取樣需要大型設備施工，且需要耗費大量人力。通過模仿蟶子等生物的掘進行為，有學者研發(fā)了自動掘進機器人，其具有小巧靈活、能實現(xiàn)快速挖掘的潛力[118]。

6.5 工程案例

1）仿蟻巢、蜂巢建筑

形態(tài)仿生建筑主要以自然界的生物形態(tài)或生物住所形態(tài)為靈感設計而成，如北京鳥巢體育館是以鳥巢結(jié)構(gòu)為原型進行設計，印度蓮花寺靈感來源于蓮花的形貌。白蟻巢結(jié)構(gòu)具有較好的通風降溫能力，基于此建造了津巴布韋首都東門購物與辦公中心大樓，如圖20所示。六邊形是最優(yōu)質(zhì)的拓撲結(jié)構(gòu)，自然界中蜜蜂蜂巢就是以六邊形為單元結(jié)構(gòu)體建造而成。以此為啟發(fā)，阿卜杜拉國王石油研究中心以六邊形棱柱為結(jié)構(gòu)構(gòu)成了晶格系統(tǒng)，實現(xiàn)了材料用量的優(yōu)化并與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，如圖21所示。

2）仿生超疏水材料與仿生膠結(jié)劑

考慮到荷葉表面結(jié)構(gòu)超疏水特性的工程應用價值，眾多科學家開展了荷葉相關的仿生研究，促進了人造超疏水材料的誕生。作為一種新型功能材料，超疏水材料可以應用于金屬、木材和混凝土等材料表面，保護物質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此得以在土木工程領域廣泛應用，如混凝土路面、堤壩和文物保護等方面，如圖22所示。

螞蟻、沙堡蠕蟲等生物通過分泌凝膠類物質(zhì)進行巢穴搭建，基于此類天然的生物黏性物質(zhì)，學者們提出并設計了仿生膠水類產(chǎn)品。如Xu等[122]通過將正負多糖類和蛋白質(zhì)類生物聚合物混合，制備了具有高黏度的生物黏合劑，此類生物黏合劑可作為環(huán)境友好型建筑材料用于未來綠色生物建造。作為仿生材料設計研究中的熱點，貝殼珍珠母是一種片狀陶瓷材料，具有超強的斷裂韌性，比脆性文石的斷裂韌性高出幾個數(shù)量級。微觀尺度上，它具有砌墻式的磚泥結(jié)構(gòu)，其中“磚”是碳酸鈣薄片，“泥”是幾丁質(zhì)等有機物。

3）仿生盾構(gòu)機、仿生挖掘機和仿生鉆頭

盾構(gòu)機是模仿船蛆掘進過程的典型施工裝備。在鉆孔過程中，船蛆自身能夠分泌出一種黏液，這種黏液會形成薄薄的石灰質(zhì)的白色管子，將其柔軟的身體保護起來，避免在鉆洞過程中與木材摩擦而導致受傷，如圖23所示。受此啟發(fā)，盾構(gòu)機通過刀盤的刀片將巖石或者土削下來，從入口進入排土系統(tǒng)，經(jīng)過內(nèi)部管道運輸?shù)剿淼劳?，并將管片拼成支撐結(jié)構(gòu)，不僅可以保護施工人員，也能防止塌方，如圖24所示。

通過模仿蟶子特異的鉆孔機制，麻省理工學院設計出了一款新式挖掘機械——Roboclam[125]，如圖25所示。研究發(fā)現(xiàn)，蟶子的足不停地在泥潭中進行伸縮運動，將疏松介質(zhì)局部流化，能降低90%的能耗。仿生研制的原型機Roboclam是一種簡單的水下挖掘機，其由一個帶兩個氣動活塞的控制平臺組成，與大西洋刀蟶用它的足來上下移動貝殼不同的是，Roboclam通過一個更簡單的機械裝置——氣動活塞來模仿蟶子殼的運動，使周圍的風化層局部流化，然后上下移動驅(qū)動末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器密封在橡膠套里，長為9.97 cm，寬為1.52 cm，其掘進速度與生物相當，能產(chǎn)生與成年蟶子相同的收縮位移，通過雙錨原理和流化作用挖掘，能以0.8 cm/s的挖掘速度挖至20 m的深度。

王照智[126]、孫友宏等[127]研發(fā)了仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭，該鉆頭具有磨屑捕集、自潤滑、減黏脫附等諸多增益特性，能夠提高巖土體開挖的效率和降低開挖成本，如圖26所示。

7 生物建造展望

當今社會，人們對土木建筑行業(yè)的未來充滿期待與探索的欲望。隨著科技的不斷進步和人類對環(huán)境的日益重視，作為一種新的建造理念，生物建造正逐漸嶄露頭角，成為未來土木工程建造的一大發(fā)展趨勢。它將生物多樣性、可再生性、高效性和生態(tài)友好性融入建筑設計和建造過程中，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。生物建造可以在建筑理論、材料、技術(shù)及裝備的選擇上提供更多元化的可能性。傳統(tǒng)建筑材料，如混凝土等往往存在資源消耗大、能源消耗高、污染嚴重且難以降解等難題，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，這些材料天然環(huán)保、可再生、易于獲取，能夠降低工程建造對于自然資源的依賴，減少對于環(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，其不僅關注建筑材料的可持續(xù)性，還注重工程建設與自然環(huán)境的融合。通過結(jié)合生物學原理，可以設計出具有自潔、自修、自保護等特性的建筑，使建筑更加適應周圍環(huán)境的變化。同時，生物建造也能促進建筑與智能技術(shù)的結(jié)合，打造智能生態(tài)建筑，實現(xiàn)能源高效、智能管理、人性化、生態(tài)化的目標。智能建造技術(shù)，如3D打印、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等已經(jīng)在建筑領域得到廣泛應用，而生物建造則為這些技術(shù)提供了更加豐富的應用場景和可能性。例如，利用智能建造技術(shù)和生物建造原理，可以為月球等地外人類棲息地的建設提供全新的建設思路。

生物建造是一個全新的概念，為未來第五代土木工程建造提出了新的方向。然而生物建造理論、技術(shù)、材料、裝備和檢測檢驗方法等還需要進行深入系統(tǒng)的研究。筆者僅做了初步探索，希望能夠拋磚引玉，引起同行的高度關注，共同開展研究，以推動土木行業(yè)向著更加生態(tài)化和可持續(xù)化的方向邁進，為人類創(chuàng)造出更加美好、健康、可持續(xù)的建筑環(huán)境。

致謝：在本文成稿過程中，重慶大學微生物巖土創(chuàng)新團隊進行了深入探討并給予了充分建議，謹表誠摯謝意。

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（編輯" 胡英奎）

收稿日期：2023?11?13

基金項目：重慶英才計劃優(yōu)秀科學家項目（cstc2021ycjhbgzxm0051）

作者簡介：劉漢龍（1964- ），男，中國工程院院士，教授，博士生導師，主要從事環(huán)境巖土力學與防災減災工程研究，E-mail：hliuhhu@163.com。

Received： 2023?11?13

Foundation item： Chongqing Talents Program Outstanding Scientist Project （No. cstc2021ycjhbgzxm0051）

Author brief： LIU Hanlong （1964- ）， academician of Chinese Academy of Engineering， professor， doctorial supervisor， main research interests： environmental geomechanics and disaster prevention engineering， E-mail：hliuhhu@163.com.