刘汉龙院士-生物建造体系研究|力学|微生物|材料|生物学|生物建造|院士

刘汉龙院士，中国工程院院士，山地城镇建设与新技术教育部重点实验室主任，重庆大学土木工程学院教授、博士生导师。本文核心是根据刘院士关于生物建造体系理论的研究解读，在此整理出来供行业同仁学习。相对于智能建造来说，生物建造体系其实是给行业提供了另外一种思路，不论是从设计出发还是基于建造考虑，生物建造都给行业带来新的思考和探索。

（本文根据网络公开资料收集整理，侵删）

研究的背景和意义

为什么要谈生物建造呢？我个人认为和双碳要求密切相关的，我国的建筑业一直是碳排放大户，从原材料到后期运营

土木工程不等同于房地产，受限于大众对建筑的认知很多都是来源于房地产，导致很多人认为土木工程就是房地产。其实不然，在古代土木工程的概念更多的是与水利工程、建筑工程和道路工程相关，直到近代，随着工程学科的逐渐发展和专业化，土木工程逐渐成为一个独立的科学领域。工程学家们开始系统的研究和应用土木工程原理，从而为城市基础设施、交通运输、水资源管理等方面提供解决方案。在现代，国际上普遍接受的土木工程定义是：土木工程是一门工程学科，涉及设计、建造和维护用于人类社会活动的基础设施，包括但不限于道路、桥梁、隧道、水利工程、建筑物、港口、机场等。

第一代土木工程建造。人类早期栖息于天然洞穴或者人造洞穴，并以石头、泥土和木头为主要材料搭建建筑物，且能够利用木材或者岩石堆砌成栅栏，这个时期可以称为第一代土木工程建造，此时期的建筑物为原生态建筑，基本无碳排放，与自然相融，但建筑空间狭小，抵御灾变的能力比较差。

第二代土木工程建造。距今5000年前，人类掌握了烧制砖瓦的技术，开始使用泥土制作成砖块、瓦片形状，并将其晾干，然后烧制成硬化的砖块和瓦片。这些砖瓦被用于建造城墙、宫殿、寺庙和其他重要建筑，自此，工程建造进入使用砖瓦建造时期，称为第二代土木工程建造。

第三代土木工程建造。19世纪初，英国人J.阿斯普丁发明了新型的水硬性胶凝材料，混凝土开始被大量应用于建筑领域，结合炼钢技术和蒸汽机械的迅猛发展，土木建筑行业进入了钢筋混凝土时代。此时期的建筑物呈现超高层、大跨度、高强度的特征，具备了现代建筑物的基本特性，但由于生产水泥制品会产生大量的二氧化碳，对环境负担较重。

第四代土木工程建造。近年来，数据驱动下计算力学和智能建造技术在土木工程领域成为新的生产力。智能建造是实现建筑施工过程的自动化、数字化、智能化的一种建造方式。智能建造技术的发展能够促进工程建造效率和精度的提升，进而降低工程成本，减少能源消耗，同时也能够提升工程安全性。但智能建造技术仍存在较大的发展空间，智能建造技术在建筑材料方面没有彻底解决水泥高排放和固废材料分解的问题。

土木工程的发展使得地球上的“混凝土森林”成为第一大无法生物降解物质，加剧了全球气候变暖、土地和水资源的污染。2024年3月，国际能源署（IEA）发布《2023年碳排放报告》指出：2023年中国碳排放126亿吨（占全球碳排放量的三分之一）。尽管建筑业过去在绿色低碳方面取得了重大的进展和成绩，但还是存在一些必须要面对和亟待解决的“高耗能、高排放和高污染”等重要问题。如何促进土木建设与自然和生态之间的平衡，实现土木建设与生态体系的和谐共生？这就对第五代土木工程建造提出新的要求，生物建造的课题研究应运而生。

什么是生物建造？

生物建造是以生物为载体进行的工程建设，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、低碳及与自然相融合等典型特征。

应用场景——月球生物建造

应用场景——文物微生物保护与修复

应用场景——沙漠微生物治理

生物建造体系

生物建造的理念和设计思路在实现建造功能的基础上，从动物、植物以及微生物汲取灵感，以“绿色低碳”“自然相融”为基本原则。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体系和发展思路。

微生物建造是一种利用微生物生产特定生物材料的方法，以加强和改善建筑材料的性能和功能。通过应用特定微生物菌株，并在适宜的环境条件下，合成无机矿物、生物胶、生物纤维等材料，然后将其应用于建筑结构加固、土壤固化、环境治理等领域。这项技术具有可持续性和环保性，能够降低对传统材料的依赖，减少对环境的影响。

微生物矿化理论

微生物固化土技术

微生物土3D打印装备

微生物混凝土自愈合技术

微生物建造技术应用案例

刘院士的微生物加固技术在地基处理、边坡加固、土体防渗、文物修复以及混凝土自修复方面开展了丰富的工程应用。

植物建造

植物建造技术在土木工程领域的应用展现了对可持续发展和生态友好建造的追求，这种技术不仅将植物作为建筑物的装饰元素，更是将其融入到建筑结构、材料和设置之中，发挥其独特的生态功能和环境适应性。植物建造包括植物建造行为和植物建造材料。

生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。植物建造中涉及的生物力学包括植物材料如植物纤维的多尺度结构力学行为和植物不同尺度的水力运移机制等，分别可为植物基纤维复合增强材料以及植物-土壤水力传输提供理论指导。

结构优化设计是在给定约束条件下，按某种目标（如重量最轻、成本最低、刚度最大等）求出最好的设计方案。结构优化理论通常与数值模拟和计算机辅助设计工具结合使用，以快速评估不同设计方案的性能，并找到最优解。植物复合材料可考虑材料的组分特性、结构特性、界面特性等，通过植物组织中不同成分的结合方式、相互作用，以及协同工作的模式，从而形成具有特定性能和功能的复合建筑材料结构。

动物建造——动物本体建造技术

受动物自身的建造行为启发，动物建造技术利用动物生物体内的材料或借助动物行为，进行建筑或者建筑材料的创造和形成的一种建筑技术。动物建造分为动物本体的建造行为和利用动物材料进行建造。在历史上，人类利用动物进行生产生活的做法非常普遍，涵盖农业、工业和娱乐等多个方面。

动物本体的建造行为多种多样，部分建造行为或者建造体可为人类所用。通过深入了解动物习性，加以驯化形成规模，可为人类绿色低碳建造技术的发展提供帮助。动物本体建造技术中涉及到的基础理论有动物学、动物行为学、生态学及工程学等，属于多学科较差范畴。

动物建造材料

动物源建筑材料指的是来源于动物本体可用于人类建造的天然材料。如动物的毛发、皮革、骨骼、尿液甚至是血液等。历史上建筑技术不发达时期，人类有使用动物骨骼作为建筑体的结构材料案例。古代人类多以直接利用动物材料建设为主，随着现代科技的发展，动物材料改性或者联合工业方法，可作为新型环保材料用于工程建设。

仿生建造

仿生建造是一种融合了生物学原理和工程学方法的创新领域，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建造技术手段。仿生建造技术的发展受益于对自然界复杂系统的深入理解，以及对生物体适应环境的独特策略的研究。仿生建造是一种将生物学原理和自然系统中的设计理念应用到建造领域的方法，是一个学科交叉十分充分的研究方向，涉及到：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、信号与控制理论、材料和结构力学理论等。

仿生建造技术可分为仿生结构构件和仿生构筑物部分。仿生结构汲取了生物界独特的设计灵感，将其应用于技术创新和工程设计中，如昆虫的翅膀、植物的结构、动物的运动方式等。仿生构筑物是指建筑物整体设计上受到生物系统、生物结构或生物过程的启发而设计的建筑。这种建筑的设计可能从自然界中的生物体形态、行为等方面获取灵感，并将其应用于建筑的设计和功能上。

生物建造的展望

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到建筑设计和工程建造过程中，旨在创造更加健康、环保和可持续的工程建造环境。生物建造也为建筑材料的选择提供了更多元化的可能性，传统的建筑材料如混凝土、钢铁等往往存在着资源消耗大、能源消耗高、碳排放量大、污染严重等问题，而生物建造则可以利用生物质材料（如微生物、植物、动物材料等），降低工程建造对自然资源的依赖，减少碳排放和对环境的影响。生物建造有望推动建筑的生态化和智能化发展。生物建造不仅关注建筑材料的生物性，更注重工程建设与自然环境的融合。通过结合生物学原理，可以设计出具有自洁、自修、自保护等特性的建筑，使建筑更加适应周边环境的变化。

生物建造作为一种全新的生态自然和谐共生的建造理念，为未来第五代土木工程建造开辟了新的领域。生物建造有望成为未来建造技术的主流方向，推动土木行业向着更加生态化和可持续化的方向迈进，为人类创造出更加美好、健康、可持续的建筑环境。