未來(lái)土木工程師

1、 讀書報(bào)告：未來(lái)的土木工程與未來(lái)土木工程師之我見(jiàn)12級(jí)道路卓越班 李欣岡 201210010335摘要 土木工程的發(fā)展，是順應(yīng)著整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)的。在當(dāng)今日益嚴(yán)峻的人口問(wèn)題以及環(huán)境、資源等問(wèn)題面前，土木工程的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)當(dāng)是智能化，大型化，綠色化，耐久化的。而大自然總是創(chuàng)造最合理的結(jié)構(gòu)形式，形態(tài)萬(wàn)千的自然界蘊(yùn)藏著無(wú)窮優(yōu)美的、可供選擇的合理結(jié)構(gòu)，自然界的創(chuàng)造能力常常要超越人類的設(shè)計(jì)和想象能力，土木工程出于自然，在發(fā)展的未來(lái)，必定也會(huì)向自然靠攏。而作為未來(lái)的土木工程師，其對(duì)于大自然的了解是十分必要的。關(guān)鍵詞 土木工程，仿生，結(jié)構(gòu)1.緒論我國(guó)總體上是一個(gè)資源緊缺的國(guó)家，我國(guó)人均水資源占有量?jī)H相當(dāng)

2、于世界人均水資源占有量的 14；全國(guó) 2/3 城市供水不足。專家預(yù)測(cè)，我國(guó)人口在 2030年將達(dá)到 16 億的高峰，屆時(shí)將成為嚴(yán)重缺水的國(guó)家；我國(guó)礦產(chǎn)資源人均占有量只有世界平均水平的一半；我國(guó)人均耕地不足 15 畝，不到世界平均水平的 12。如此寶貴的耕地，每年還以近千萬(wàn)畝的速度在減少。據(jù)國(guó)土資源部最新統(tǒng)計(jì)，最近 7 年間，我國(guó)耕地總量已減少 1 億畝。600 多個(gè)縣市的人均耕地面積在世界公認(rèn)的警戒線 08 畝以下。總體上看，目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)并沒(méi)有從根本上改變“高投入、高消耗、高排放、不協(xié)調(diào)、難循環(huán)、低效率”的粗放型增長(zhǎng)方式。我國(guó)經(jīng)濟(jì)今后還將以較快速度增長(zhǎng)，資源短缺和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展之間的矛盾將日趨加

3、劇。要保持經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，就必須重視節(jié)約資源、有效利用資源，使有限的資源實(shí)現(xiàn)效益的最大化。土木工程產(chǎn)物是各類消費(fèi)品中耗用資源最多、同生態(tài)環(huán)境結(jié)合最密切的產(chǎn)品，在建造和使用過(guò)程中直接消耗的能源約占全社會(huì)總能耗的三分之一，節(jié)約資源和能源的任務(wù)十分繁重。經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的演變，大自然中每一種生物都是因結(jié)構(gòu)、功能和形態(tài)達(dá)到最優(yōu)，設(shè)計(jì)而留存于世。這些生物由內(nèi)至外無(wú)處不體現(xiàn)著對(duì)空間、能源利用的高適應(yīng)性、高技術(shù)性、以及經(jīng)濟(jì)合理性。隨著人類的生存環(huán)境問(wèn)題變得日益尖銳，人們對(duì)大自然的向往愈加強(qiáng)烈。同時(shí)現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步又對(duì)人類對(duì)生物上的探索提供了技術(shù)上的可能性，于是，師法自然的仿生建筑是這個(gè)時(shí)代的必然趨勢(shì)。2建筑仿生學(xué)

4、分類及原理建筑仿生學(xué)是在建筑環(huán)境、功能、形式、組織結(jié)構(gòu)等方面模仿某些生物有效的系統(tǒng)特長(zhǎng)， 并結(jié)合建筑的自身特點(diǎn)和適應(yīng)新環(huán)境，使人類創(chuàng)造出更符合自然規(guī)律與人性要求的一門建 筑學(xué)。科根據(jù)仿生原理的不同，建筑仿生學(xué)大致可分為形態(tài)仿生、功能仿生、材料仿生和結(jié)構(gòu)仿生。1 2.1形態(tài)仿生形態(tài)仿生是在研究自然界生物體的外部形態(tài)特征及其象征寓意認(rèn)知的基礎(chǔ)上，以自然界生物機(jī)體的形態(tài)為原型，進(jìn)行藝術(shù)加工和再創(chuàng)造的一種設(shè)計(jì)手段1，建筑形態(tài)的仿生化傾向著重于建筑整體形象與動(dòng)植物形象的具象性。使用這一手法的建筑物對(duì)于周圍的環(huán)境能起到重要的點(diǎn)綴作用，滿足人們的審美需求，有的還更能形象地反映出該建筑物的使用功能，甚至還可以

5、再現(xiàn)建造地區(qū)所常見(jiàn)的動(dòng)植物特有的形象，產(chǎn)生出意想不到的宣傳效果2。如澳大利亞的悉尼歌劇院就是目前世界上最著名的形態(tài)仿生建筑，悉尼歌劇院是澳大利亞全國(guó)表演藝術(shù)中心，又稱海中歌劇院。它聳立在新南威爾士州首府悉尼市貝尼朗岬角上，緊靠著世界著名的海港大橋的一塊小半島上，三面環(huán)海，南端與市內(nèi)植物園和政府大廈遙遙相望。建筑造型新穎奇特、雄偉瑰麗，外形猶如一組揚(yáng)帆出海的船隊(duì)，也象一枚枚屹立在海灘上的潔白大貝殼，與周圍海上景色渾然一體，富有詩(shī)意，已成為悉尼的標(biāo)志。建筑形態(tài)的仿生，給人們傳統(tǒng)意識(shí)中的四四方方的“鋼筋混凝土盒子”樹(shù)立了新的形象，在人們審美要求日益提高的現(xiàn)在，建筑形態(tài)的仿生，能大幅提高建筑給人的美感

6、，符合人們對(duì)建筑的要求，是土木工程未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。2.2功能仿生功能仿生是通過(guò)研究生物體在適應(yīng)環(huán)境過(guò)程中自然形成的高效低耗、自適應(yīng)應(yīng)變等合理的生理功能，應(yīng)用類推等方法實(shí)現(xiàn)新穎、節(jié)能、相互協(xié)調(diào)的建筑功能1。在建筑使用功能方面的仿生，應(yīng)用也很普遍，不過(guò)表現(xiàn)的形式是多種多樣的，只要善于應(yīng)用類推的方法，就可以從自然界中吸取無(wú)窮的靈感，使建筑的空間布局更具有新意。1950年，法國(guó)建筑師勒·柯布西耶在設(shè)計(jì)法國(guó)孚日山區(qū)的朗香教堂期間，一枚蟹殼給了他無(wú)窮靈感。他選擇了與以往任何設(shè)計(jì)作品都不同的屋頂樣式。該屋頂各邊都像殼一樣向上彎曲，在殼易碎的超薄材料里蘊(yùn)藏著自然力和堅(jiān)韌性。同時(shí)，朗香教堂的平面就

7、是模擬人的耳朵，象征著上帝可以傾聽(tīng)信徒的祈禱。正是因其平面具有超現(xiàn)實(shí)的功能，以致在造型上也相應(yīng)獲得了奇異神秘的效果。芬蘭著名建筑師阿爾托設(shè)計(jì)的德國(guó)不萊梅的高層公寓(19581962)的平面就是仿自蝴蝶的原型，他把建筑的服務(wù)部分與臥室部分比作蝶身與翅膀，不僅造成內(nèi)部空間布局新穎，而且也使建筑的造型變得更為豐富。1966年由丹下健三在日本山梨縣建成的文化會(huì)館是一座新陳代謝派的著名作品，它的平面組合就是仿照植物新陳代謝的功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)個(gè)垂直的圓形交通塔，內(nèi)為電梯、樓梯與各種服務(wù)設(shè)施，所有辦公空間則建立其間，這樣可以根據(jù)需要不斷擴(kuò)建或減少。建筑的功能仿生是土木工程結(jié)構(gòu)智能化的體現(xiàn)，智能化是未來(lái)世界的

8、一個(gè)必不可少的因素，因此，未來(lái)的土木工程產(chǎn)物也應(yīng)當(dāng)是智能化的。2.3材料仿生材料仿生是研究生物材料在組織結(jié)構(gòu)等方面的特征和優(yōu)越性能，進(jìn)而設(shè)計(jì)和制造出具有特殊強(qiáng)度、韌性及類生物特性的新材料，而這些材料在建筑結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用往往能發(fā)揮意想不到的作用1。目前有一項(xiàng)研究3是根據(jù)沙漠蜥蜴體表三維形貌設(shè)計(jì)溝槽形態(tài)仿生樣件；根據(jù)背側(cè)皮膚組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)仿生樣件；結(jié)合形態(tài)與結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了形態(tài)-結(jié)構(gòu)耦合樣件。使用沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)仿生樣件進(jìn)行了固體粒子沖蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：與普通樣件相比，形態(tài)仿生樣件的耐沖蝕性能最多可以提高約 20%；結(jié)構(gòu)仿生樣件的耐沖蝕性能可以提高約 10%。材料仿生目前相對(duì)成熟的一個(gè)例子

9、是仿生自愈合混凝土，在日本，以東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者將內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊或玻璃纖維摻入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂，部分膠囊或空心纖維破裂，粘結(jié)液流出深入裂縫，粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合，此外，在文中也提到，混凝土材料，其未來(lái)發(fā)展應(yīng)既是高性能的建筑結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)又具有優(yōu)異的智能性能4，真正達(dá)到混凝土材料結(jié)構(gòu)-智能一體化的境界。這就需要在自愈合混凝土的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步融入信息科學(xué)的內(nèi)容，如感知、識(shí)別、和控制驅(qū)動(dòng)等。從而達(dá)到適應(yīng)環(huán)境、調(diào)節(jié)環(huán)境、材料和結(jié)構(gòu)健康狀況的自診斷和自修復(fù)等目的，使其具有多種完善的仿生功能。2.4結(jié)構(gòu)仿生結(jié)構(gòu)仿生是研究并模仿生物體的結(jié)構(gòu)或其巢穴等

10、的優(yōu)良力學(xué)性能，進(jìn)而設(shè)計(jì)出用料省、強(qiáng)度高、剛度大且穩(wěn)定性好的建筑結(jié)構(gòu)1。在結(jié)構(gòu)仿生方面，先進(jìn)的工程師們?cè)诮鼛资陙?lái)已取得了非凡的成就，他們比建筑師更善于觀察自然界的一切生態(tài)規(guī)律，已應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)造了一系列嶄新的仿生結(jié)構(gòu)體系。從一滴水珠和一個(gè)蛋殼看到了其自由拋物線型曲面的張力與薄壁高強(qiáng)的性能；從一片樹(shù)葉的葉脈發(fā)現(xiàn)了其交叉網(wǎng)狀的支撐組織肌理，這些對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)都是十分有益的啟示。比如人的頭顱骨，它可以可靠地防護(hù)人腦，對(duì)付外界多數(shù)情況下可能所發(fā)生的襲擊。這里，頭顱骨的形式起著極為重要的作用。人到中年，頭顱骨基本上是一個(gè)扁球體形狀，曲率較為均勻，厚度幾乎是一個(gè)常數(shù)，與殼體結(jié)構(gòu)相似。骨骼結(jié)構(gòu)從頂點(diǎn)

11、向額弓及向后頸變化著，頭蓋骨帶有空腔的隆起狀的增厚。在額弓部的空腔中充滿了空氣，而在頸頂?shù)目涨恢谐錆M了液體。與一個(gè)在基底上的碗形支座的拉環(huán)有相似的作用，隆起的增厚部分穩(wěn)定了頭顱骨并且又能承受住突然發(fā)生的超載并使其分配到各處。與之功能相配合，頭顱骨中產(chǎn)生不同的彈性變形，這種變形有可能導(dǎo)致開(kāi)裂。腦殼表面是由不同大小、互相嚙合的骨板構(gòu)成；骨平板的折線形嚙合使腦殼得到一定的彈性，同時(shí)也保證了所需要的穩(wěn)定性；其嚙合曲線的走向并非任意的，而是按照應(yīng)力分布所決定的。骨縫也可稱之為自然裂縫，這在龜鱉的甲殼上也可以發(fā)現(xiàn)。我們可以將這種裂縫與混凝土墻體上連續(xù)的接縫相比較，它可以在受到本來(lái)可以導(dǎo)致開(kāi)裂的重大撞擊時(shí)是

12、沖擊力沿著既定裂縫自我消解，不致擴(kuò)展為更大裂縫。3.未來(lái)的土木工程師土木工程產(chǎn)物的發(fā)展趨勢(shì)，直接決定了未來(lái)的土木工程師所要具備的專業(yè)素養(yǎng)，除去現(xiàn)在土木工程師所必備的基本品德素養(yǎng)（職業(yè)道德，團(tuán)隊(duì)合作精神等），我認(rèn)為，未來(lái)的土木工程師應(yīng)當(dāng)符合以下幾點(diǎn)要求：（1）具備一定的生物科學(xué)知識(shí)：對(duì)于仿生化的未來(lái)土木工程產(chǎn)物，就要求土木工程師對(duì)于自然界中各類生物體的結(jié)構(gòu)有所了解，至少要對(duì)其基本受力情況，基本性能有所了解，只有先掌握了這一部分的知識(shí)，才能有設(shè)計(jì)出高效的仿生土木工程結(jié)構(gòu)物的可能。（2）精通生物類力學(xué)：生物體結(jié)構(gòu)的受力情況往往復(fù)雜于基本的混凝土結(jié)構(gòu)或是其他的土木工程結(jié)構(gòu)，受力情況一般較難分析，這就要

13、求未來(lái)的土木工程師要在掌握基本力學(xué)的同時(shí)，還要精通生物類的力學(xué)學(xué)科，正確的受力分析，是設(shè)計(jì)出高效仿生土木工程結(jié)構(gòu)物的必要條件（3）精通計(jì)算機(jī)技術(shù)：上面提到，生物體結(jié)構(gòu)的受力情況較為復(fù)雜，除了要靠基本的受力分析去分析出受力情況之外，還要計(jì)算在一定的荷載下其準(zhǔn)確的作用大小，計(jì)算量太大，加之將其與土木工程融合在一起之后，計(jì)算量十分巨大，手算的速率完全不能被時(shí)代所接受，只有利用好計(jì)算機(jī)，才能高效地進(jìn)行計(jì)算。（4）精通一類特定結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)：未來(lái)的土木工程師們，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)是分工合作的，并且是要精通這一類結(jié)構(gòu)物的工程師來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)應(yīng)類型的結(jié)構(gòu)物，這樣才能保證所設(shè)計(jì)出來(lái)的東西組合起來(lái)是完美的。4.結(jié)語(yǔ)未來(lái)的

14、土木工程是吸收了自然界中結(jié)構(gòu)物的智能化，綠色化等優(yōu)點(diǎn)的仿生工程，大自然是人類最好的老師，開(kāi)展建筑仿生設(shè)計(jì)可以使我們從中獲得很多啟示。隨著人類社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)各類空間結(jié)構(gòu)的造型、空間效果和使用功能提出了越來(lái)越高的要求，新穎、美觀、個(gè)性化的建筑將是今后發(fā)展的方向，無(wú)論是在建筑造型還是結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理性方面，仿生建筑都能很好地滿足這一發(fā)展趨勢(shì)，而未來(lái)的土木工程師，除了要具備一個(gè)工程師最基本的素質(zhì)與專業(yè)知識(shí)，之外也應(yīng)當(dāng)具備一定的生物學(xué)知識(shí)，并且專精于一種結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)：1葉青會(huì). 仿生學(xué)原理在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用J.結(jié)構(gòu)工程師，2010，26(3):13-18.2金明姬. 建筑形態(tài)的