在迪拜828米高的哈利法塔與河北趙縣37米跨的隋代趙州橋之間，隱藏著人類建造史的共同基因——材料與結構的極致適配。澳門大學李宗津團隊在《Frontiers of Structural and Civil Engineering》發表的重磅綜述揭示：通過材料導向集成設計與施工（MIDCS），土木工程正從“資源消耗型”轉向“環境共生型”，為全球“雙碳”目標提供關鍵技術路徑。

材料基因革命：當混凝土學會“思考”

傳統混凝土產業貢獻全球7%的碳排放，而MIDCS技術正在改寫這一困局：

  • 地質聚合物混凝土：用粉煤灰、礦渣替代70%水泥，江蘇某高速項目顯示碳排放降低65%，抗壓強度卻達80MPa；
  • 自修復混凝土：植入芽孢桿菌膠囊，荷蘭代爾夫特理工大學實測裂縫修復率91%，結構壽命延長至150年；
  • 相變儲能墻體：石蠟/膨脹石墨復合材料使北京某辦公樓空調能耗下降38%，夜間谷電儲熱效率達87%。

更革命性的是碳納米管智能混凝土：摻入0.05%多壁碳管后，深圳平安大廈實時監測系統可捕捉微應變級形變，預警精度較傳統傳感器提升20倍。

冷彎薄壁鋼：制造業與建造業的“超鏈接”

武漢火神山醫院9天建成的奇跡，背后是冷彎薄壁鋼（CFS）的精密演繹：

  • 鋼鐵折紙術：1mm鋼板經22道冷軋成型，上海某裝配式公寓項目用CFS構件使建筑自重減輕60%，地震響應降低45%；
  • 移動工廠革命：集裝箱式生產線8小時產出700米鋼構件，海南三沙市項目實現海島建筑“現場打印”；
  • 零廢料算法：BIM模型直接驅動數控折彎機，重慶某工程鋼材利用率達99.3%，較傳統施工提升27%。

研究顯示，CFS建筑在全生命周期可減少碳排放48%，正在改寫全球應急建筑與生態住宅的標準。

生物仿生與3D打印：自然智慧的數字重生

從貝殼的層狀結構到竹子的纖維排布，自然進化4700萬年的智慧正被解碼：

  • 珍珠母啟發的ECC材料：浙江大學仿生設計的水泥基復合材料，斷裂韌性提升8倍，應用于港珠澳大橋伸縮縫壽命延長至30年；
  • 蜂窩結構拓撲優化：蘇黎世聯邦理工學院通過算法生成的3D打印橋墩，在同等承載力下節省混凝土58%；
  • 木材仿生混凝土：中國林科院開發的各向異性材料，導熱系數較傳統混凝土降低76%，哈爾濱冰雪大世界館實現零能耗保溫。

更前沿的是微生物礦化技術：美國某實驗室用巴氏芽孢桿菌固化月球塵埃，抗壓強度達40MPa，為外星建造提供可能。

從“百年大計”到“循環紀元”：拆解重建的終結者

MIDCS推動建筑進入“代謝時代”：

  • 可拆卸鋼節點：雄安市民服務中心采用螺栓連接框架，建筑拆改材料回收率提升至92%；
  • 化學解聚混凝土：德國開發EDTA基溶解劑，實現廢舊混凝土骨料100%再生；
  • FRP模塊化橋梁：碳纖維增強聚合物橋面板壽命達80年，廣州某立交改造工程夜間6小時完成換裝，交通零中斷。

據國際能源署預測，到2040年MIDCS技術可使全球建筑垃圾減少55%，每年節省4.3億噸標準煤。正如論文所述：“未來的建筑不是被建造的，而是在數字與生物的共生中自然生長。”當每一塊磚都能感知環境、每一根梁都自帶修復能力，人類終將實現《營造法式》未能企及的理想——讓建筑與地球共呼吸。

來源: FrontClVIL