土木与环境工程学报杂志投稿格式参考范文：生物建造体系与展望

　　土木工程的起源可追溯至古代文明时期，但 “土木工程” 的确切定义并无明确起源。人类早期居住在天然或人造洞穴，或用石头、泥土和木头搭建简易建筑，此为第 1 代土木工程建造，其碳排放低，但空间小、抗灾能力差。约 5000 年前，人类掌握烧制砖瓦技术，工程建造进入砖瓦时期，此为第 2 代土木工程建造，建筑物结构性能有所提升，但仍存在不足。19 世纪初，混凝土在建筑领域大量应用，结合炼钢技术和蒸汽机械的发展，土木建筑行业进入第 3 代土木工程建造阶段，建筑物呈现超高层、大跨度、高强度的特点，但生产水泥混凝土制品会产生大量二氧化碳。近年来，随着人工智能和数字孪生技术的发展，智能建造成为第 4 代土木工程建造方式，它能提升工程建造效率和精度，降低成本和能耗，提高工程安全性，但未解决水泥高排放和废弃材料难分解的问题。

　　土木工程的发展推动了工程建设质量和规模的提升，但也带来了环境问题，如全球混凝土年用量大，每年产生大量建筑垃圾和水泥生产的二氧化碳排放，大部分建筑垃圾堆放地表，侵占其他物种生存空间，析出的污染物破坏生态环境。因此，如何促进土木工程建造与自然和生态的平衡，实现和谐共生，是未来工程建造亟待解决的关键问题。

　　1 生物建造的内涵

　　在土木工程建造中，以可持续发展理念为指导，实现与生态自然和谐共生是必然趋势。《“十四五” 建筑节能与绿色建筑发展规划》《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和国务院《2030 年前碳达峰行动方案》等文件，明确了城乡建设领域降低碳排放的任务要求，“绿色生态” 与 “低碳” 成为下一代土木工程建造发展的核心。

　　生物建造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，是新一代土木工程建造方式。自然界中的微生物、植物、动物能为土木工程建造提供灵感，例如矿化微生物用于岩土生态加固等，植物的木材和竹子用于工程建造，珊瑚礁为海洋生物提供栖息地并保护沿岸地区。仿生建造模仿生物的结构、功能和行为，也属于生物建造。总体而言，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，具有绿色、低碳及与自然相融等典型特征。

　　2 生物建造体系

　　生物建造的理念和设计思路是在实现建造功能的基础上，从微生物、植物和动物的行为中获取灵感，以 “绿色低碳” 和 “自然相融” 为基本原则，促进土木工程建造和环境发展的和谐统一。围绕微生物建造、植物建造、动物建造和仿生建造 4 个方向，从理论、技术、材料、装备、检验检测等方面初步构建了生物建造技术体系。

　　微生物建造利用微生物代谢产生的活性物质及代谢微环境，开发绿色低碳建筑材料。植物建造利用植物生长特性和植物材料实现建筑的结构、加固、装饰和功能。动物建造利用动物的新陈代谢产物或行为进行建筑或建筑材料的创造。仿生建造利用生物学原理和自然界生物的结构、功能等启发，设计和构建建筑物。

　　3 微生物建造

　　微生物建造是利用微生物生产特定生物材料，以加强和改善建筑材料性能和功能的方法。通过引入特定微生物菌株，在适宜环境条件下诱导生成无机矿物、生物胶、生物纤维等材料，并应用于建筑结构加固、土壤固化、环境治理等领域，具有可持续性和环保性。

　　微生物矿化理论：常见的微生物矿化技术原理包括尿素水解、硫酸盐还原和铁盐还原等，基于尿素水解反应的微生物矿化技术研究广泛。以脲酶菌为例，添加脲酶菌可显著催化尿素水解，反应生成氨气和碳酸，提高水溶液环境的 pH 值，在高碱性环境下发生一系列反应，最终生成碳酸钙沉淀。微生物矿化理论涉及多物理场理论和本构理论，生物 - 化学 - 水力模型是常用的多物理场模型。

　　微生物土固化理论：微生物矿化反应产生的碳酸盐沉积物对加固材料的工程特性有显著影响。碳酸钙在土体中有胶结、填充、涂层等沉积模式，以及混合模式。随着矿化反应进行，孔隙间和土体表面的碳酸钙沉积物形成互联，产生强化的胶结作用，改善土体的工程特性，包括降低固化体的渗透性和增强力学强度。

　　微生物固化土技术：微生物固化技术在土体加固与改良方面具有诸多优势，如浆液和反应液低黏性、流动性好，可非扰动加固原状土;细菌尺寸小，能穿透微小孔隙;矿化产物与岩土体相容性好，对环境影响小;采用原位激发技术，菌种环境适应性强;微生物能自动修复混凝土裂缝。研究表明，微生物加固土的无侧限抗压强度与碳酸钙含量呈正相关，加固后的钙质砂试样抗液化性能改善，渗透性降低。微生物注浆技术可作为传统水泥灌浆的有效替代方法，已应用于堤坝防渗、沟渠加固、岩石裂缝修复等领域。

　　微生物土 3D 打印：3D 打印技术受到广泛关注，基于生物矿化产物的性能和反应机理，研究人员开发了将微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)与 3D 打印技术相结合的自动化 3D 打印技术，用于 “生物打印” 土体和岩石结构，还开发了可打印的 “生物墨水”。该领域虽处于探索阶段，但为减少建筑材料碳排放和传统建筑材料替代提供了新思路。

　　微生物混凝土技术：传统混凝土抗拉强度低，易出现裂缝，影响结构完整性和安全性。微生物自修复混凝土利用 MICP 技术，在混凝土中引入能耐受高 pH 值的细菌及反应液，构建适合微生物生存的微环境。当混凝土出现裂缝时，微生物被激活产生碳酸钙，填补裂缝，提升混凝土结构的耐久性，降低维护和修复成本。

　　工程案例：微生物建造在多个工程领域有应用，如微生物岛礁地基加固，通过交替倾倒微生物溶液和反应液强化钙质砂地基;微生物边坡加固，喷洒微生物菌液和反应液可改变土质边坡受降雨影响的侵蚀模式;微生物防渗加固，能降低土体渗透系数，增强土体结构;微生物文物修复，具有强度好、色差小、耐候性稳定等优点;混凝土微生物自修复，能有效治愈裂缝，减少裂缝数量和尺寸;此外，细菌菌丝和微藻类还可应用于建筑体构建，如蘑菇砖塔的建造。

　　4 植物建造

　　植物建造在土木工程领域体现了对可持续发展和生态友好建筑的追求，将植物融入建筑结构、材料和设计中，发挥其生态功能和环境适应性。

　　植物建造理论：植物建造理论涉及生物力学、结构优化理论、复合材料理论、生物仿生学等多个理论，相互交叉融合，为植物材料在工程建造领域的应用提供支撑。例如，植物材料的多尺度结构力学行为和水力运移机制，可为植物基纤维复合增强材料和植物 - 土壤水力传输提供理论指导;结构优化理论通过设计和改进植物材料的建筑结构，提高其性能;植物复合材料理论考虑材料的组分、结构和界面特性，形成具有特定性能的复合建筑材料结构。根系固土理论涉及根土复合力学理论、植物生长机理和生态修复机理等，对植被边坡土体的稳定性具有重要作用。

　　植物建造材料：植物建造材料包括天然植物材料和植物基改性建筑材料。天然植物材料如木材和竹子，具有优质的结构性能和装饰效果，是建筑领域的重要材料，在现代建筑中仍有新的发展。植物加筋材料以植物纤维为主，与其他材料结合形成具有高强度和耐久性的复合材料，具有环保、可再生和低碳的特点。植物基改性建筑材料以植物为原料，通过加工得到，具有环保、可再生、低碳排放等共性，如生物沥青、木质素改性沥青、硅藻土、生物炭等，在建筑结构、装修装饰、保温隔热、土壤改良等方面有广泛应用前景。

　　植物建造技术：植物建造技术包括植物源脲酶矿化加固技术和植物加筋技术。植物源脲酶诱导碳酸钙沉淀加固技术(EICP)从植物材料中提取脲酶，与尿素和钙离子溶液混合生成碳酸钙沉淀，实现土体加固。与 MICP 相比，EICP 具有较高的环境适应性，但加固均匀性可能较差。目前，国内外学者对 EICP 加固土体进行了大量试验研究，取得了丰富成果。植物加筋技术利用植物纤维对土体的加筋作用，提高土体的整体稳定性，常见的植物纤维有剑麻纤维、棕榈纤维等。植物纤维能增大土体的黏聚力、强度和内摩擦角，提升土体的抗压和抗剪强度，提高土体的动强度。植物加筋挡墙是植物加筋土工程应用的典型代表，包括土工格栅包加筋土挡墙和绿色加筋格宾挡墙，利用植物根系的加筋作用，提高加筋墙体的稳定性。

　　工程案例：植物建造在工程中有多种应用案例，如木竹结构建筑，现代木结构建筑如瑞典的 Skellefteå 文化中心，注重功能性、实用性、艺术性和环保性;竹结构建筑如中国的苗族吊脚楼、傣族竹楼，以及印度尼西亚巴厘岛的竹制体育馆等。植物纤维和胶黏剂在工程中也有应用，如敦煌汉长城中以芦苇作为加筋材料，植物纤维毯用于土壤保护，糯米灰浆作为天然黏合剂在古代建筑和现代工程修复中使用。生物炭、硅藻土和生物沥青在土壤改良、植物生长促进、水体污染治理等方面有现场工程应用，如生物炭可控制稻田铬吸收，硅藻土能稳定土壤中的重金属，生物沥青可降低路面建设碳排放。

　　5 动物建造

　　动物建造是利用动物体内的材料或动物行为进行工程建造或生产建筑材料的技术，可分为动物本体的建造行为和利用动物材料进行建造。

　　动物本体建造：珊瑚岛礁是动物建造体被人类使用的代表性案例，由珊瑚虫骨骼堆积而成，为海洋生物提供栖息地，保护海岸线。珊瑚岛礁的形成过程缓慢而复杂，填海造岛可能对其生态系统造成破坏。“牡蛎护堤” 是利用牡蛎养殖保护海岸的生态工程措施，牡蛎的贝壳可附着沉积物，减缓海浪冲击力，保护沿岸地区，同时改善水质，促进海洋生物多样性，已在一些地方广泛应用。

　　动物源建筑材料：动物源建筑材料是来源于动物本体的天然材料，如动物毛发、皮革、骨骼、尿液、血液等。历史上，人类曾使用动物骨骼作为建筑结构材料，如爱斯基摩人用鲸鱼骨搭建房屋;动物毛发可作为加筋材料，如古代欧洲用马毛增加建筑物保温性能;动物皮革用于制作帐篷和遮阳篷;生蚝壳可作为建筑胶结材料。

　　工程案例：中国南海西沙市分布着大量珊瑚岛礁，对永兴岛岩心的研究反映了珊瑚礁的成岩机理。泉州洛阳桥在桥墩加固方面使用了牡蛎等材料，使其更加坚固。在福建泉州和广东珠三角地区，有使用蚝壳作为墙体材料的习惯。此外，尿液在建筑黏合剂方面有记载，近年来还被试验用于月球建造中的胶结材料;古代城墙建造中会将猪血混入砂浆中，提高砂浆的抗水性，现代研究也验证了混入动物血的石灰砂浆具有较高的抗冻融性。

　　6 仿生建造

　　仿生建造是运用生物界的机理和规律解决实际复杂工程问题的综合性交叉建造模式，主要研究思路是提出生物学或物理模型并应用于工程建造，涉及形态仿生、结构仿生、功能仿生、材料仿生、控制仿生等。

　　仿生建造理论：仿生建造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，涉及多个学科理论，如生物结构与功能理论、生物材料与材料科学理论、生物力学理论等。通过模仿生物体的结构与功能，可设计出新型的建筑结构、建筑材料和建造技术。

　　仿生建造技术：仿生建造技术融合了生物学原理和工程学方法，可分为仿生结构构件和仿生构筑物。仿生结构汲取生物界的设计灵感，应用于技术创新和工程设计，如由竹子结构仿生研发的吸能薄壁钢管。仿生构筑物是受生物系统启发设计的建筑，如壳体建筑模仿龟壳、贝壳等形式，具有较高的结构效率和承载能力;利用竹子的力学特性设计了台北 101 大厦等著名建筑。

　　仿生建造材料：仿生建造材料通过模仿生物系统的结构、功能和性能来设计和生产，如仿生混凝土模仿 “荷叶效应” 实现 “透气不透水” 的功能;受海洋无脊椎动物附着行为启发，研发了含多巴和多巴类似物的共聚物仿生黏合剂。

　　仿生建造装备：仿生建造装备通过运用仿生学原理，设计和优化工程设备，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。如借鉴洞穴动物的运动和生活方式研发地下开挖装备，借鉴甲壳类生物的耐磨特性研发自修复性仿生钻探设备，模仿蛏子的掘进行为研发自动掘进机器人。

　　工程案例：仿生建造在工程中有多种应用案例，如仿蚁巢、蜂巢建筑，北京鸟巢体育馆以鸟巢结构为原型设计，印度莲花寺灵感来源于莲花的形貌，津巴布韦首都东门购物与办公 中心大楼基于白蚁巢结构的通风降温能力建造，阿卜杜拉国王石油研究中心以六边形棱柱为结构构成晶格系统。仿生超疏水材料与仿生胶结剂，如人造超疏水材料应用于土木工程领域，模仿蚂蚁、沙堡蠕虫等生物分泌的黏性物质设计仿生胶水类产品。仿生盾构机、仿生挖掘机和仿生钻头，如盾构机模仿船蛆掘进过程，Roboclam 模仿蛏子的钻孔机制，仿生耦合孕镶金刚石钻头具有磨屑捕集、自润滑等增益特性。

　　7 生物建造展望

　　随着科技进步和人们对环境的重视，生物建造作为新的建造理念逐渐受到关注，成为未来土木工程建造的发展趋势。生物建造将生物多样性、可再生性、高效性和生态友好性融入建筑设计和建造过程，利用生物质材料降低对自然资源的依赖，减少对环境的影响。它有望推动建筑的生态化和智能化发展，设计出具有自洁、自修、自保护等特性的建筑，促进建筑与智能技术的结合，打造智能生态建筑，为月球等地外人类栖息地的建设提供新思路。然而，生物建造理论、技术、材料、装备和检测检验方法等还需要深入系统的研究，希望能引起同行关注，共同推动土木行业向生态化和可持续化方向发展。

刘汉龙,重庆大学土木工程学院,202404