土木工程的起源可追溯至古代文明時期，但 “土木工程” 的確切定義并無明確起源。人類早期居住在天然或人造洞穴，或用石頭、泥土和木頭搭建簡易建筑，此為第 1 代土木工程建造，其碳排放低，但空間小、抗災能力差。約 5000 年前，人類掌握燒制磚瓦技術，工程建造進入磚瓦時期，此為第 2 代土木工程建造，建筑物結構性能有所提升，但仍存在不足。19 世紀初，混凝土在建筑領域大量應用，結合煉鋼技術和蒸汽機械的發展，土木建筑行業進入第 3 代土木工程建造階段，建筑物呈現超高層、大跨度、高強度的特點，但生產水泥混凝土制品會產生大量二氧化碳。近年來，隨著人工智能和數字孿生技術的發展，智能建造成為第 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，但未解決水泥高排放和廢棄材料難分解的問題。

　　土木工程的發展推動了工程建設質量和規模的提升，但也帶來了環境問題，如全球混凝土年用量大，每年產生大量建筑垃圾和水泥生產的二氧化碳排放，大部分建筑垃圾堆放地表，侵占其他物種生存空間，析出的污染物破壞生態環境。因此，如何促進土木工程建造與自然和生態的平衡，實現和諧共生，是未來工程建造亟待解決的關鍵問題。

　　1 生物建造的內涵

　　在土木工程建造中，以可持續發展理念為指導，實現與生態自然和諧共生是必然趨勢。《“十四五” 建筑節能與綠色建筑發展規劃》《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發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》等文件，明確了城鄉建設領域降低碳排放的任務要求，“綠色生態” 與 “低碳” 成為下一代土木工程建造發展的核心。

　　生物建造圍繞土木工程建造與生態自然和諧共生的理念，倡導低碳與高效，是新一代土木工程建造方式。自然界中的微生物、植物、動物能為土木工程建造提供靈感，例如礦化微生物用于巖土生態加固等，植物的木材和竹子用于工程建造，珊瑚礁為海洋生物提供棲息地并保護沿岸地區。仿生建造模仿生物的結構、功能和行為，也屬于生物建造。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新材料、新裝備和新工藝的新型工程建造模式，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建造功能的基礎上，從微生物、植物和動物的行為中獲取靈感，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境發展的和諧統一。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、材料、裝備、檢驗檢測等方面初步構建了生物建造技術體系。

　　微生物建造利用微生物代謝產生的活性物質及代謝微環境，開發綠色低碳建筑材料。植物建造利用植物生長特性和植物材料實現建筑的結構、加固、裝飾和功能。動物建造利用動物的新陳代謝產物或行為進行建筑或建筑材料的創造。仿生建造利用生物學原理和自然界生物的結構、功能等啟發，設計和構建建筑物。

　　3 微生物建造

　　微生物建造是利用微生物生產特定生物材料，以加強和改善建筑材料性能和功能的方法。通過引入特定微生物菌株，在適宜環境條件下誘導生成無機礦物、生物膠、生物纖維等材料，并應用于建筑結構加固、土壤固化、環境治理等領域，具有可持續性和環保性。

　　微生物礦化理論：常見的微生物礦化技術原理包括尿素水解、硫酸鹽還原和鐵鹽還原等，基于尿素水解反應的微生物礦化技術研究廣泛。以脲酶菌為例，添加脲酶菌可顯著催化尿素水解，反應生成氨氣和碳酸，提高水溶液環境的 pH 值，在高堿性環境下發生一系列反應，最終生成碳酸鈣沉淀。微生物礦化理論涉及多物理場理論和本構理論，生物 - 化學 - 水力模型是常用的多物理場模型。

　　微生物土固化理論：微生物礦化反應產生的碳酸鹽沉積物對加固材料的工程特性有顯著影響。碳酸鈣在土體中有膠結、填充、涂層等沉積模式，以及混合模式。隨著礦化反應進行，孔隙間和土體表面的碳酸鈣沉積物形成互聯，產生強化的膠結作用，改善土體的工程特性，包括降低固化體的滲透性和增強力學強度。

　　微生物固化土技術：微生物固化技術在土體加固與改良方面具有諸多優勢，如漿液和反應液低黏性、流動性好，可非擾動加固原狀土;細菌尺寸小，能穿透微小孔隙;礦化產物與巖土體相容性好，對環境影響小;采用原位激發技術，菌種環境適應性強;微生物能自動修復混凝土裂縫。研究表明，微生物加固土的無側限抗壓強度與碳酸鈣含量呈正相關，加固后的鈣質砂試樣抗液化性能改善，滲透性降低。微生物注漿技術可作為傳統水泥灌漿的有效替代方法，已應用于堤壩防滲、溝渠加固、巖石裂縫修復等領域。

　　微生物土 3D 打印：3D 打印技術受到廣泛關注，基于生物礦化產物的性能和反應機理，研究人員開發了將微生物誘導碳酸鹽沉淀(MICP)與 3D 打印技術相結合的自動化 3D 打印技術，用于 “生物打印” 土體和巖石結構，還開發了可打印的 “生物墨水”。該領域雖處于探索階段，但為減少建筑材料碳排放和傳統建筑材料替代提供了新思路。

　　微生物混凝土技術：傳統混凝土抗拉強度低，易出現裂縫，影響結構完整性和安全性。微生物自修復混凝土利用 MICP 技術，在混凝土中引入能耐受高 pH 值的細菌及反應液，構建適合微生物生存的微環境。當混凝土出現裂縫時，微生物被激活產生碳酸鈣，填補裂縫，提升混凝土結構的耐久性，降低維護和修復成本。

　　工程案例：微生物建造在多個工程領域有應用，如微生物島礁地基加固，通過交替傾倒微生物溶液和反應液強化鈣質砂地基;微生物邊坡加固，噴灑微生物菌液和反應液可改變土質邊坡受降雨影響的侵蝕模式;微生物防滲加固，能降低土體滲透系數，增強土體結構;微生物文物修復，具有強度好、色差小、耐候性穩定等優點;混凝土微生物自修復，能有效治愈裂縫，減少裂縫數量和尺寸;此外，細菌菌絲和微藻類還可應用于建筑體構建，如蘑菇磚塔的建造。

　　4 植物建造

　　植物建造在土木工程領域體現了對可持續發展和生態友好建筑的追求，將植物融入建筑結構、材料和設計中，發揮其生態功能和環境適應性。

　　植物建造理論：植物建造理論涉及生物力學、結構優化理論、復合材料理論、生物仿生學等多個理論，相互交叉融合，為植物材料在工程建造領域的應用提供支撐。例如，植物材料的多尺度結構力學行為和水力運移機制，可為植物基纖維復合增強材料和植物 - 土壤水力傳輸提供理論指導;結構優化理論通過設計和改進植物材料的建筑結構，提高其性能;植物復合材料理論考慮材料的組分、結構和界面特性，形成具有特定性能的復合建筑材料結構。根系固土理論涉及根土復合力學理論、植物生長機理和生態修復機理等，對植被邊坡土體的穩定性具有重要作用。

　　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，具有優質的結構性能和裝飾效果，是建筑領域的重要材料，在現代建筑中仍有新的發展。植物加筋材料以植物纖維為主，與其他材料結合形成具有高強度和耐久性的復合材料，具有環保、可再生和低碳的特點。植物基改性建筑材料以植物為原料，通過加工得到，具有環保、可再生、低碳排放等共性，如生物瀝青、木質素改性瀝青、硅藻土、生物炭等，在建筑結構、裝修裝飾、保溫隔熱、土壤改良等方面有廣泛應用前景。

　　植物建造技術：植物建造技術包括植物源脲酶礦化加固技術和植物加筋技術。植物源脲酶誘導碳酸鈣沉淀加固技術(EICP)從植物材料中提取脲酶，與尿素和鈣離子溶液混合生成碳酸鈣沉淀，實現土體加固。與 MICP 相比，EICP 具有較高的環境適應性，但加固均勻性可能較差。目前，國內外學者對 EICP 加固土體進行了大量試驗研究，取得了豐富成果。植物加筋技術利用植物纖維對土體的加筋作用，提高土體的整體穩定性，常見的植物纖維有劍麻纖維、棕櫚纖維等。植物纖維能增大土體的黏聚力、強度和內摩擦角，提升土體的抗壓和抗剪強度，提高土體的動強度。植物加筋擋墻是植物加筋土工程應用的典型代表，包括土工格柵包加筋土擋墻和綠色加筋格賓擋墻，利用植物根系的加筋作用，提高加筋墻體的穩定性。

　　工程案例：植物建造在工程中有多種應用案例，如木竹結構建筑，現代木結構建筑如瑞典的 Skellefteå 文化中心，注重功能性、實用性、藝術性和環保性;竹結構建筑如中國的苗族吊腳樓、傣族竹樓，以及印度尼西亞巴厘島的竹制體育館等。植物纖維和膠黏劑在工程中也有應用，如敦煌漢長城中以蘆葦作為加筋材料，植物纖維毯用于土壤保護，糯米灰漿作為天然黏合劑在古代建筑和現代工程修復中使用。生物炭、硅藻土和生物瀝青在土壤改良、植物生長促進、水體污染治理等方面有現場工程應用，如生物炭可控制稻田鉻吸收，硅藻土能穩定土壤中的重金屬，生物瀝青可降低路面建設碳排放。

　　5 動物建造

　　動物建造是利用動物體內的材料或動物行為進行工程建造或生產建筑材料的技術，可分為動物本體的建造行為和利用動物材料進行建造。

　　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，由珊瑚蟲骨骼堆積而成，為海洋生物提供棲息地，保護海岸線。珊瑚島礁的形成過程緩慢而復雜，填海造島可能對其生態系統造成破壞。“牡蠣護堤” 是利用牡蠣養殖保護海岸的生態工程措施，牡蠣的貝殼可附著沉積物，減緩海浪沖擊力，保護沿岸地區，同時改善水質，促進海洋生物多樣性，已在一些地方廣泛應用。

　　動物源建筑材料：動物源建筑材料是來源于動物本體的天然材料，如動物毛發、皮革、骨骼、尿液、血液等。歷史上，人類曾使用動物骨骼作為建筑結構材料，如愛斯基摩人用鯨魚骨搭建房屋;動物毛發可作為加筋材料，如古代歐洲用馬毛增加建筑物保溫性能;動物皮革用于制作帳篷和遮陽篷;生蠔殼可作為建筑膠結材料。

　　工程案例：中國南海西沙市分布著大量珊瑚島礁，對永興島巖心的研究反映了珊瑚礁的成巖機理。泉州洛陽橋在橋墩加固方面使用了牡蠣等材料，使其更加堅固。在福建泉州和廣東珠三角地區，有使用蠔殼作為墻體材料的習慣。此外，尿液在建筑黏合劑方面有記載，近年來還被試驗用于月球建造中的膠結材料;古代城墻建造中會將豬血混入砂漿中，提高砂漿的抗水性，現代研究也驗證了混入動物血的石灰砂漿具有較高的抗凍融性。

　　6 仿生建造

　　仿生建造是運用生物界的機理和規律解決實際復雜工程問題的綜合性交叉建造模式，主要研究思路是提出生物學或物理模型并應用于工程建造，涉及形態仿生、結構仿生、功能仿生、材料仿生、控制仿生等。

　　仿生建造理論：仿生建造將生物學原理和自然系統中的設計理念應用到工程建造領域，涉及多個學科理論，如生物結構與功能理論、生物材料與材料科學理論、生物力學理論等。通過模仿生物體的結構與功能，可設計出新型的建筑結構、建筑材料和建造技術。

　　仿生建造技術：仿生建造技術融合了生物學原理和工程學方法，可分為仿生結構構件和仿生構筑物。仿生結構汲取生物界的設計靈感，應用于技術創新和工程設計，如由竹子結構仿生研發的吸能薄壁鋼管。仿生構筑物是受生物系統啟發設計的建筑，如殼體建筑模仿龜殼、貝殼等形式，具有較高的結構效率和承載能力;利用竹子的力學特性設計了臺北 101 大廈等著名建筑。

　　仿生建造材料：仿生建造材料通過模仿生物系統的結構、功能和性能來設計和生產，如仿生混凝土模仿 “荷葉效應” 實現 “透氣不透水” 的功能;受海洋無脊椎動物附著行為啟發，研發了含多巴和多巴類似物的共聚物仿生黏合劑。

　　仿生建造裝備：仿生建造裝備通過運用仿生學原理，設計和優化工程設備，提高施工效率、降低能源消耗、減少對環境的影響，并增強設備的適應性和穩定性。如借鑒洞穴動物的運動和生活方式研發地下開挖裝備，借鑒甲殼類生物的耐磨特性研發自修復性仿生鉆探設備，模仿蟶子的掘進行為研發自動掘進機器人。

　　工程案例：仿生建造在工程中有多種應用案例，如仿蟻巢、蜂巢建筑，北京鳥巢體育館以鳥巢結構為原型設計，印度蓮花寺靈感來源于蓮花的形貌，津巴布韋首都東門購物與辦公 中心大樓基于白蟻巢結構的通風降溫能力建造，阿卜杜拉國王石油研究中心以六邊形棱柱為結構構成晶格系統。仿生超疏水材料與仿生膠結劑，如人造超疏水材料應用于土木工程領域，模仿螞蟻、沙堡蠕蟲等生物分泌的黏性物質設計仿生膠水類產品。仿生盾構機、仿生挖掘機和仿生鉆頭，如盾構機模仿船蛆掘進過程，Roboclam 模仿蟶子的鉆孔機制，仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭具有磨屑捕集、自潤滑等增益特性。

　　7 生物建造展望

　　隨著科技進步和人們對環境的重視，生物建造作為新的建造理念逐漸受到關注，成為未來土木工程建造的發展趨勢。生物建造將生物多樣性、可再生性、高效性和生態友好性融入建筑設計和建造過程，利用生物質材料降低對自然資源的依賴，減少對環境的影響。它有望推動建筑的生態化和智能化發展，設計出具有自潔、自修、自保護等特性的建筑，促進建筑與智能技術的結合，打造智能生態建筑，為月球等地外人類棲息地的建設提供新思路。然而，生物建造理論、技術、材料、裝備和檢測檢驗方法等還需要深入系統的研究，希望能引起同行關注，共同推動土木行業向生態化和可持續化方向發展。

劉漢龍,重慶大學土木工程學院,202404