生物建造：土木工程的未来发展方向
生物建造：土木工程的未来发展方向
随着全球气候变化和可持续发展成为重要议题，传统的土木工程建造方式面临着前所未有的挑战。在这样的背景下，生物建造作为一种创新的工程建造模式应运而生。本文将为您详细介绍生物建造的基本概念、发展历程、应用场景以及未来展望。
土木工程建造的历史演进
土木工程的发展历程可以分为四个阶段：
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。
生物建造的定义与意义
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。
生物建造的应用场景
生物建造技术已经在多个领域展现出其独特的优势和潜力：
- 月球生物建造：利用生物材料和生物过程在极端环境下构建可持续的居住环境。
- 文物微生物保护与修复：通过微生物技术实现文物的保护和修复，延长文物寿命。
- 沙漠微生物治理：利用微生物改良土壤，促进植被生长，实现沙漠治理。
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
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。
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。
动物建造
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。
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。
生物建造的未来展望
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。