未来土木工程师

1、 读书报告：未来的土木工程与未来土木工程师之我见12级道路卓越班 李欣冈 201210010335摘要 土木工程的发展，是顺应着整个人类社会的发展趋势的。在当今日益严峻的人口问题以及环境、资源等问题面前，土木工程的发展趋势应当是智能化，大型化，绿色化，耐久化的。而大自然总是创造最合理的结构形式，形态万千的自然界蕴藏着无穷优美的、可供选择的合理结构，自然界的创造能力常常要超越人类的设计和想象能力，土木工程出于自然，在发展的未来，必定也会向自然靠拢。而作为未来的土木工程师，其对于大自然的了解是十分必要的。关键词 土木工程，仿生，结构1.绪论我国总体上是一个资源紧缺的国家，我国人均水资源占有量仅相当

2、于世界人均水资源占有量的 14；全国 2/3 城市供水不足。专家预测，我国人口在 2030年将达到 16 亿的高峰，届时将成为严重缺水的国家；我国矿产资源人均占有量只有世界平均水平的一半；我国人均耕地不足 15 亩，不到世界平均水平的 12。如此宝贵的耕地，每年还以近千万亩的速度在减少。据国土资源部最新统计，最近 7 年间，我国耕地总量已减少 1 亿亩。600 多个县市的人均耕地面积在世界公认的警戒线 08 亩以下。总体上看，目前我国经济并没有从根本上改变“高投入、高消耗、高排放、不协调、难循环、低效率”的粗放型增长方式。我国经济今后还将以较快速度增长，资源短缺和经济快速发展之间的矛盾将日趋加

3、剧。要保持经济持续快速增长，就必须重视节约资源、有效利用资源，使有限的资源实现效益的最大化。土木工程产物是各类消费品中耗用资源最多、同生态环境结合最密切的产品，在建造和使用过程中直接消耗的能源约占全社会总能耗的三分之一，节约资源和能源的任务十分繁重。经过亿万年的演变，大自然中每一种生物都是因结构、功能和形态达到最优，设计而留存于世。这些生物由内至外无处不体现着对空间、能源利用的高适应性、高技术性、以及经济合理性。随着人类的生存环境问题变得日益尖锐，人们对大自然的向往愈加强烈。同时现代科学的进步又对人类对生物上的探索提供了技术上的可能性，于是，师法自然的仿生建筑是这个时代的必然趋势。2建筑仿生学

4、分类及原理建筑仿生学是在建筑环境、功能、形式、组织结构等方面模仿某些生物有效的系统特长， 并结合建筑的自身特点和适应新环境，使人类创造出更符合自然规律与人性要求的一门建 筑学。科根据仿生原理的不同，建筑仿生学大致可分为形态仿生、功能仿生、材料仿生和结构仿生。1 2.1形态仿生形态仿生是在研究自然界生物体的外部形态特征及其象征寓意认知的基础上，以自然界生物机体的形态为原型，进行艺术加工和再创造的一种设计手段1，建筑形态的仿生化倾向着重于建筑整体形象与动植物形象的具象性。使用这一手法的建筑物对于周围的环境能起到重要的点缀作用，满足人们的审美需求，有的还更能形象地反映出该建筑物的使用功能，甚至还可以

5、再现建造地区所常见的动植物特有的形象，产生出意想不到的宣传效果2。如澳大利亚的悉尼歌剧院就是目前世界上最著名的形态仿生建筑，悉尼歌剧院是澳大利亚全国表演艺术中心，又称海中歌剧院。它耸立在新南威尔士州首府悉尼市贝尼朗岬角上，紧靠着世界著名的海港大桥的一块小半岛上，三面环海，南端与市内植物园和政府大厦遥遥相望。建筑造型新颖奇特、雄伟瑰丽，外形犹如一组扬帆出海的船队，也象一枚枚屹立在海滩上的洁白大贝壳，与周围海上景色浑然一体，富有诗意，已成为悉尼的标志。建筑形态的仿生，给人们传统意识中的四四方方的“钢筋混凝土盒子”树立了新的形象，在人们审美要求日益提高的现在，建筑形态的仿生，能大幅提高建筑给人的美感

6、，符合人们对建筑的要求，是土木工程未来发展的一个趋势。2.2功能仿生功能仿生是通过研究生物体在适应环境过程中自然形成的高效低耗、自适应应变等合理的生理功能，应用类推等方法实现新颖、节能、相互协调的建筑功能1。在建筑使用功能方面的仿生，应用也很普遍，不过表现的形式是多种多样的，只要善于应用类推的方法，就可以从自然界中吸取无穷的灵感，使建筑的空间布局更具有新意。1950年，法国建筑师勒·柯布西耶在设计法国孚日山区的朗香教堂期间，一枚蟹壳给了他无穷灵感。他选择了与以往任何设计作品都不同的屋顶样式。该屋顶各边都像壳一样向上弯曲，在壳易碎的超薄材料里蕴藏着自然力和坚韧性。同时，朗香教堂的平面就

7、是模拟人的耳朵，象征着上帝可以倾听信徒的祈祷。正是因其平面具有超现实的功能，以致在造型上也相应获得了奇异神秘的效果。芬兰著名建筑师阿尔托设计的德国不莱梅的高层公寓(19581962)的平面就是仿自蝴蝶的原型，他把建筑的服务部分与卧室部分比作蝶身与翅膀，不仅造成内部空间布局新颖，而且也使建筑的造型变得更为丰富。1966年由丹下健三在日本山梨县建成的文化会馆是一座新陈代谢派的著名作品，它的平面组合就是仿照植物新陈代谢的功能，设计了一个个垂直的圆形交通塔，内为电梯、楼梯与各种服务设施，所有办公空间则建立其间，这样可以根据需要不断扩建或减少。建筑的功能仿生是土木工程结构智能化的体现，智能化是未来世界的

8、一个必不可少的因素，因此，未来的土木工程产物也应当是智能化的。2.3材料仿生材料仿生是研究生物材料在组织结构等方面的特征和优越性能，进而设计和制造出具有特殊强度、韧性及类生物特性的新材料，而这些材料在建筑结构方面的应用往往能发挥意想不到的作用1。目前有一项研究3是根据沙漠蜥蜴体表三维形貌设计沟槽形态仿生样件；根据背侧皮肤组织结构设计了结构仿生样件；结合形态与结构特征，设计了形态-结构耦合样件。使用冲蚀磨损试验机对仿生样件进行了固体粒子冲蚀试验。试验结果表明：与普通样件相比，形态仿生样件的耐冲蚀性能最多可以提高约 20%；结构仿生样件的耐冲蚀性能可以提高约 10%。材料仿生目前相对成熟的一个例子

9、是仿生自愈合混凝土，在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心纤维破裂，粘结液流出深入裂缝，粘结液可使混凝土裂缝重新愈合，此外，在文中也提到，混凝土材料，其未来发展应既是高性能的建筑结构材料，同时又具有优异的智能性能4，真正达到混凝土材料结构-智能一体化的境界。这就需要在自愈合混凝土的基础上，进一步融入信息科学的内容，如感知、识别、和控制驱动等。从而达到适应环境、调节环境、材料和结构健康状况的自诊断和自修复等目的，使其具有多种完善的仿生功能。2.4结构仿生结构仿生是研究并模仿生物体的结构或其巢穴等

10、的优良力学性能，进而设计出用料省、强度高、刚度大且稳定性好的建筑结构1。在结构仿生方面，先进的工程师们在近几十年来已取得了非凡的成就，他们比建筑师更善于观察自然界的一切生态规律，已应用现代技术创造了一系列崭新的仿生结构体系。从一滴水珠和一个蛋壳看到了其自由抛物线型曲面的张力与薄壁高强的性能；从一片树叶的叶脉发现了其交叉网状的支撑组织肌理，这些对建筑结构的创新设计都是十分有益的启示。比如人的头颅骨，它可以可靠地防护人脑，对付外界多数情况下可能所发生的袭击。这里，头颅骨的形式起着极为重要的作用。人到中年，头颅骨基本上是一个扁球体形状，曲率较为均匀，厚度几乎是一个常数，与壳体结构相似。骨骼结构从顶点

11、向额弓及向后颈变化着，头盖骨带有空腔的隆起状的增厚。在额弓部的空腔中充满了空气，而在颈顶的空腔中充满了液体。与一个在基底上的碗形支座的拉环有相似的作用，隆起的增厚部分稳定了头颅骨并且又能承受住突然发生的超载并使其分配到各处。与之功能相配合，头颅骨中产生不同的弹性变形，这种变形有可能导致开裂。脑壳表面是由不同大小、互相啮合的骨板构成；骨平板的折线形啮合使脑壳得到一定的弹性，同时也保证了所需要的稳定性；其啮合曲线的走向并非任意的，而是按照应力分布所决定的。骨缝也可称之为自然裂缝，这在龟鳖的甲壳上也可以发现。我们可以将这种裂缝与混凝土墙体上连续的接缝相比较，它可以在受到本来可以导致开裂的重大撞击时是

12、冲击力沿着既定裂缝自我消解，不致扩展为更大裂缝。3.未来的土木工程师土木工程产物的发展趋势，直接决定了未来的土木工程师所要具备的专业素养，除去现在土木工程师所必备的基本品德素养（职业道德，团队合作精神等），我认为，未来的土木工程师应当符合以下几点要求：（1）具备一定的生物科学知识：对于仿生化的未来土木工程产物，就要求土木工程师对于自然界中各类生物体的结构有所了解，至少要对其基本受力情况，基本性能有所了解，只有先掌握了这一部分的知识，才能有设计出高效的仿生土木工程结构物的可能。（2）精通生物类力学：生物体结构的受力情况往往复杂于基本的混凝土结构或是其他的土木工程结构，受力情况一般较难分析，这就要

13、求未来的土木工程师要在掌握基本力学的同时，还要精通生物类的力学学科，正确的受力分析，是设计出高效仿生土木工程结构物的必要条件（3）精通计算机技术：上面提到，生物体结构的受力情况较为复杂，除了要靠基本的受力分析去分析出受力情况之外，还要计算在一定的荷载下其准确的作用大小，计算量太大，加之将其与土木工程融合在一起之后，计算量十分巨大，手算的速率完全不能被时代所接受，只有利用好计算机，才能高效地进行计算。（4）精通一类特定结构物的设计：未来的土木工程师们，在设计时应当是分工合作的，并且是要精通这一类结构物的工程师来设计计算对应类型的结构物，这样才能保证所设计出来的东西组合起来是完美的。4.结语未来的

14、土木工程是吸收了自然界中结构物的智能化，绿色化等优点的仿生工程，大自然是人类最好的老师，开展建筑仿生设计可以使我们从中获得很多启示。随着人类社会的发展和科学技术的进步，人们对各类空间结构的造型、空间效果和使用功能提出了越来越高的要求，新颖、美观、个性化的建筑将是今后发展的方向，无论是在建筑造型还是结构构造合理性方面，仿生建筑都能很好地满足这一发展趋势，而未来的土木工程师，除了要具备一个工程师最基本的素质与专业知识，之外也应当具备一定的生物学知识，并且专精于一种结构物的设计。参考文献：1叶青会. 仿生学原理在空间结构中的应用J.结构工程师，2010，26(3):13-18.2金明姬. 建筑形态的