第一篇：多元分析方法在辨證論治研究中的應用現狀與思考概要

多元分析方法在辨證論治研究中的應用現狀與思考

[ 08-10-30 15:03:00 ]

作者：田松

編輯：studa20 【摘要】

證候是中醫學認識疾病和辨證論治的主要依據，是帶動中醫藥基礎理論取得突破、促進中醫藥現代化的關鍵問題之一。證候的高維高階特性為證候實質的研究、證候的規范化、證候診斷標準的建立等帶來了困難。運用多元統計分析方法在合理整合和充分利用各種數據資源的基礎上，進行科學分析、特征提取和規律探索是研究中醫學臨床規律的一條可行的途徑。【關鍵詞】

多元分析 辨證論治 疾病危險度 證治規律 綜述

多元分析方法在辨證論治研究中的應用

1．1

共性特征和證候特征的研究

癥狀是疾病所反映的現象，他是判斷病種、辨別證候的主要依據。有專家指出，疾病的癥狀表現可大致分為3類：第1類是代表疾病本身特征的癥狀，第2類是代表證本身特征的癥狀，第3類是對辨證辨病皆貢獻不大的癥狀［1］。如何從紛繁復雜的癥狀中篩選出屬于中醫證本身的主要癥狀是認清證本身特點的前提。張琴等［2］運用因子分析、模糊C 均值聚類和模糊綜合評價的方法，提取900例肝炎后肝硬化患者的中醫證候因子，認為肝炎后肝硬化的癥狀和體征可劃分為共性特征和證候特征兩大類，前者反映疾病所具有的中醫基本病機，后者反映疾病的不同綜合病理狀態。李永健等［3］在肝癌流行性調查資料的基礎上，運用多元Logistic 回歸分析在篩選肝癌常見證候與癥狀方面做了一些嘗試性的探索。

1．2

證的分類與疾病危險度關系的研究

證是機體在疾病發展過程中某一階段的病理概括，反映出病變發展過程中某一階段病理變化的本質。疾病的證型會隨著疾病的發展而變化，同一疾病的不同證型反映了疾病不同階段的不同病機，也反映了疾病的輕重及危險性。當疾病表現出不同的證型時，其對健康的損害程度如何并不十分明了，所以分析每一證型危險程度的大小就顯得十分必要。丁邦晗等［4］對375例胸痹心痛患者進行證候分類和冠狀動脈造影檢查，通過二值多元Logistic 回歸分析，比較不同證型的危險度。結果提示對胸痹心痛的危險程度依次為血瘀證、痰濁證、氣虛證、陰虛證、寒凝證。

1．3

證型標準的研究

辨證分型是將西醫或中醫的某一疾病，分為幾個不同的證候類型進行治療。辨證分型的“型”是模型，是在對患者群高度分析總結的基礎上對疾病過程的模擬，是建立在疾病的基礎上的。而疾病是在病因的作用下，出現的具有一定發展規律的演化過程，具體表現出若干特定的癥狀和各階段的相應證候，是有規律可循的。因此建立在疾病基礎上的證和證型也是有規律可循的，可以運用數理統計如多元分析等客觀化的手段來探索其規律。李濤等［5］采用多元統計方法分析焦慮癥的中醫癥狀及證型的分布特征，用聚類分析的方法將焦慮癥的10 余種證型簡化為5 種證型組合。劉寨華等［6］通過對150 例胸痹心脾兩虛證患者的36 項指標進行多元線性逐步回歸分析，表明胸悶、心前痛等11 項指標對此證的貢獻度最大。

1．4

證與危險因素關系的研究

證候作為疾病過程中階段性的病理概括，影響因素常常涉及病因、病位、病程、病性、氣候、患者的年齡、性別、體質等諸多因素，在諸多因素的影響下常常表現為復雜而且多變的特點，但仍有一些規律可循。崔曉琳等［7］采用二元回歸法對739例首發中風急性期患者的辨證分型與危險因素的關系進行分析。認為高血壓病、吸煙、飲酒與中風之肝陽暴亢風火上擾證相關，其余證型與危險因素的關系無統計學意義。

1．5

證型與實驗指標關系的研究

應用現代先進的實驗方法與儀器，結合多元分析法建立辨證診斷的實驗指標，是探究證候的實質，實現辨證客觀化的必要手段。溫利輝等［8］運用多元分析法探討IgA 腎病的病理損害、臨床表現及實驗室檢測指標與中醫證型的關系，結果顯示IgA 腎病的病理損害和臨床表現與中醫證型相關聯，陽虛證與水腫、陰虛證與尿血關系密切。陳昌華等［9］對27 例肝血虛證患者的15 項指標進行檢測，經多因素聚類分析并進行典型指標篩選，認為血漿NE、T3下降，TXB2、cGMP、ALD升高可考慮作為肝血虛證的實驗診斷參考指標。

1．6

證治規律研究

傳統的文獻研究最大的弱點在于研究者沒有通過定量方法處理數據，往往主觀加以選擇或摒棄，令人無所適從。采用多元統計分析方法可以較好地避免數據處理時主觀因素的摻雜，客觀準確地反映研究對象，并在文獻資料中發現其內在的客觀規律［10］。通過文獻整理與多元分析相結合的方法，探析中醫病證的證治規律，重新審視中醫學對病機屬性、證治方案的認識，可揭示辨證論治的優勢和特點，為臨床研究提供有價值的依據。盧惠林等［11］通過多元統計分析方法，從方藥的頻數和劑量兩個角度探求唐宋金元明清各歷史時期糖尿病的方藥規律，發現補虛藥、清熱藥是治療此病的兩類主要藥物，提示熱盛傷陰、氣血兩虛應是歷朝歷代總的糖尿病證侯群的分型歸屬。李國春等［12］采用多元統計聚類分析的方法探討了半夏瀉心湯臨床案例的病種分布、用藥規律和特點。

思

考

辨證論治是中醫防病治病的基本方法，抓住辨證標準這一關鍵環節開展研究，就有可能帶動中醫理論、臨床療效、證候本質研究的進展。證候是中醫學認識疾病和辨證論治的主要依據，是帶動中醫藥基礎理論取得突破、促進中醫藥現代化的關鍵問題之一。然而，證候屬于高維高階的復雜系統，證候的高維高階特性為證候的規范化、證候實質的研究、證候診斷標準的建立等帶來了困難［13］。隨著生物信息學、系統生物學等研究的興起，人們越來越清楚地認識到，從信息系統視角研究同樣是系統的、復雜的中醫藥理論體系，在合理整合和充分利用各種數據資源的基礎上，進行科學分析、特征提取和規律探索，可能是研究中醫學臨床規律的一條可行的途徑［14］。

[ 08-10-30 15:03:00 ]

作者：田松

編輯：studa20

馬克思曾深刻指出：“一種科學只有在成功地運用了數學之后，才算達到了完善的地步。”早在《黃帝內經》中就有一定程度的數學語言和思維的運用，如《靈樞·九宮八風》中的“生數”、“成數”和“九宮”等涉及的正是我國古代數學上著名的幻方定理——河圖洛書的內容［15］。隨著近年來科技的進步，中醫藥研究也開始有意識地引用現代數學語言和方法，從非生命科學中發展起來的數學，在被應用于中醫藥領域時就需要多元統計分析的方法。多元統計分析是數理統計學近20多年來迅速發展的一個分支，他探討高維數據的內在規律，如研究多元變量間的相互關系、數據結構和數據簡化等，能綜合體現出人體生命活動的特點和規律，與中醫藥學基礎理論有內在的切合性。中醫藥學理論中充滿了數學語言和思維，如證的分類、組成和演變中飽含著多元模糊的數學思想，證候是以癥狀群組合的形式出現的，但同時又受到許多因素的影響，證與癥狀的關系不是單純的線性和正態的。將數理統計引入證的研究不但是可行的而且是科學的。當然在實踐運用過程中還存在不少問題，如通過多元分析所得到的證型分類往往與傳統中醫辨證分型之間存在一定的差異，提示我們現代科學的多元分析方法與傳統臨床辨證論治經驗相對接有待進一步探索。

【參考文獻】

［1］梁茂新.中醫證研究的困惑與對策［M］.北京:人民衛生出版社，1998：6.［2］張琴，劉平，章浩偉，等.900例肝炎后肝硬化中醫證候判別模式 的研究［J］.中國中西醫結合雜志，2006，26（8）：694－697.［3］李永健，方肇勤，唐辰龍.154例原發性肝癌臨床癥狀多元Logis-tic回歸分析［J］.中國中醫基礎醫學雜志，2003，9（8）：59-61.［4］丁邦晗，劉濤，羅翌.胸痹心痛危險證型的回歸分析［J］.中國中醫急癥，2004，13（4）:225－22.［5］李濤，楊春霞.焦慮癥中醫證候多元分析初步研究［J］.中國中醫基礎醫學雜志，2006，12（2）：127－129.［6］劉寨華，曹洪欣，張明雪.胸痹（缺血性心臟病）心脾兩虛證辨證標準研究［J］.中醫藥學報，2004，32（1）:5-7.［7］崔曉琳，蔡業峰，盧明，等.739例首發中風急性期辨證分型與危險 因素關系的回顧性分析［J］.中國中醫急癥，2005，14（10）：974-976.［8］溫利輝，羅月中，洪欽國，等.IgA 腎病中醫辨證的多元分析［J］.廣州中醫藥大學學報，2006，23（4）:290－294.［9］陳昌華，石林階，舒毅剛.肝血虛證15 項實驗指標同步檢測的分析［J］.湖南醫科大學學報，2001，26（4）:337-339.［10］任艷玲，董平，鄭洪新.多元統計分析在中醫藥研究中的應用與思考［J］.中國中西醫結合雜志，2002，22（11）:860-862.［11］盧惠林，于景偉，吳童.用多元統計分析方法探求糖尿病的證治規律［J］.黑龍江大學自然科學學報，2005，22（6）:846-848.［12］李國春，史欣德.半夏瀉心湯臨床案例用藥量的聚類分析［J］.中醫藥學刊，2005，23（5）:836-838.［13］郭蕾，張啟明，王永炎，等.證候規范化研究的思路和方法探討［J］.中國中西醫結合雜志，2006，26（3）:258-261.［14］王永炎，劉保延，謝雁鳴.應用循證醫學方法構建中醫臨床評價體系［J］.中國中醫基礎醫學雜志，2003，9（3）∶227-231.［15］孫益鑫.論模糊數學與中醫學［J］.中國醫藥學報，1996，11（1）：15－17.

第二篇：信息技術在國外中小學教育中的應用現狀與研究的思考

信息技術在國外中小學教育中的應用現狀與研究的思考

通過對日本、澳大利亞、韓國、印度尼西亞和美國5個國家新信息技術在中小學教育中應用情況的研究，我們得出以下結論：

不同國家對新信息技術的理解不完全一致有些國家認為信息技術就是指計算機及與其相關的通訊技術手段，如日本、新西蘭、澳大利亞、韓國等，而有些發展中國家，比如馬來西亞就認為，對于發展中國家，在信息技術中應考慮的不僅僅是計算機技術，而應同時考慮其它設備，這就是說應包括印刷材料、媒體包、錄音帶、錄像帶、甚至包括人類資源。計算機用于學校對某些國家是一項昂貴的事業，尤其對邊遠和農村地區，那里的中小學能源可能還是個問題。

但是，無論對信息技術如何理解，計算機在社會中的作用以及計算機在中小學教育中的廣泛應用已經越來越得到更多人的重視。

與其它媒體在教育中的應用相比，在計算機教育中各國政府的行為比較多無論國家的教育管理體制是地方分權制還是中央集權制，關于計算機在中小學的應用，各個國家的政府都投入了相當大的精力，具體體現在：

不斷建立各種機構和組織，對信息技術的發展以及信息社會給教育提出的挑戰進行科學論證和科學決策；為了使教育為信息社會的到來做好準備，重新修改課程大納，其中信息學和計算機教育是這次課程大綱修改的核心；投資支持國內企業生產專門的教育計算機（如韓國）；為學校購買和分發計算機，并將計算機的配置標準化（如韓國，當然，這也曾造成學校計算機的單一化）；政府組織專門力量開發軟件，組織計算機軟件競賽，以促使提高教育軟件的質量（如日本、韓國、馬來西亞等）；政府制定有力的政策、策略并著力切實全面實施，如建立試點學校，教師分級培訓計劃等等（日本、韓國、馬來西亞、印度尼西亞、美國等）。

計算機教育及其教育應用的共同趨勢是工具模式、解放學習者計算機在每個國家具體的應用形式并不完全相同，這和各個國家的教育哲學、教育體制等各方面的具體情況直接相關。但是，共同的趨勢是計算機越來越成為人們獲取信息、處理信息、儲存信息的工具，同時，計算機的知識從“原來技術只是勞技、家政等中的一部分”，逐漸“獨立成一門課程”，目前又逐漸被整合到中小學生學習的各門學科當中去。

計算機在中小學教育中的應用方式大體上有指導教師模式、學習者模式、工具模式三種。

在日本，計算機更多的是作為眾多媒體資源中的一種，在初中和小學主要是全班用作指導教師模式，執行教師布置的任務；學習者模式即計算機本身及其對社會的影響日本也很重視，只是高考的壓力使日本學生更多地學習數學和物理而不是BASIC；日本計算機在學校教育中的最有特色的應用是用于教學過程管理以及教育管理方面；教師把計算機用于反應分析，教師能知道每個學生正在做什么并且可保存學生反應時間的記錄，把計算機更好地用作工具評價教學過程并理解學生是如何學習的，所以，計算機作為工具的模式對于日本來講更注重的是把它作為管理的工具。

對于新西蘭、澳大利亞這些地理環境遼闊、人口密度小的國家，計算機除了作為一種學習資源，用于指導教師模式、學習者模式之外，計算機還是遠距離通訊的重要設備、重要的節點和終端，是構造交互式、實時性的開放式學習模式的重要樞紐。計算機聯網并用于構造新的開放教育、教學模式是這些國家在中小學教育以及其他教育形式中利用計算機的獨有的特點。這一特色使得在澳大利亞、新西蘭等國的新信息技術真正成為了學生學習的重要不可缺少的學習資源，這種學習資源不僅作為一種可選擇的共享資源形式存在，而且它極大地豐富和完善了教學的模式，對教育產生了革命性的影響。

美國的計算機教育的發展則完全按照作為指導教師的模式、作為學習者模式、作為工具模式的發展軌跡，只不過美國更重視學生的計算機素質的培養，重視發展學生利用計算機解決問題的能力，所以計算機作為學習者模式在美國很流行，計算機語言的學習是美國小學、初中甚至高中的比較重要的方面，這方面的成績是學生升入大學的一個重要參考。

韓國、馬來西亞等計算機教育不是很先進的國家，他們在發展計算機教育的開始，為了少走彎路，借鑒了發達國家的經驗，一般是按照計算機作為學習者模式，即主要教學生計算機語言，到目前發展成計算機作為工具的模式，即逐漸把計算機作為各門課程的輔助工具，并把它與各門課程的學習整合起來。

從世界計算機教育的發展趨勢來看，在80年代初，前蘇聯伊爾肖夫提出的計算機編程是第二文化的觀念在各個國家中產生了很大的影響；隨著計算機技術的不斷發展，和人們對編程是否促進學生思維發展試驗的反面結論，促使人們對計算機在教育中作用的更深層次思考，到了80年代中期，計算機作為工具的觀念逐漸被人們接受，家庭計算機逐漸增多，軟件開發發展迅速，一時間在各門課程中使用計算機輔助軟件非常流行；90年代，計算機多媒體、計算機網絡的發展給信息技術在教育中的應用提供了更大的可能性，再加上人們對計算機輔助教學軟件如何使用才更能達到促進教學的效果的思考，進一步提出了“整合”的概念，即把計算機和計算機教育整合到學生學的各門課程當中去，并提出要通過計算機在教育中的應用解放學習者的重要思考。當然，要完全整合到各門學科當中去，而不是作為強加給教師和學生的一種負擔，要解放學習者，解放教師，教師對計算機的掌握、教師的新信息技術的文化和意識是至關重要的。

各個國家對教師培訓都很重視國內有一著名學者認為，教師使用信息技術可以分成三個階段：

早期階段，在這個階段計算機剛剛進入師范學校，用計算機、管計算機的只是專門的或是專業人員，此時，計算機是極端的以技術為主的文化，是少數人參與的階段，在這個階段，廣大的教師沒有認識到信息技術和他們的關系，產生“why”的疑問；政府和教師認識到計算機的重要，開始大量投入，包括對教師的培訓，但對“how”，即對如何培訓、培訓內容很困惑，教師對計算機產生恐懼感、神秘感；教師知道如何使用計算機，此階段教師不僅是去學計算機，而是把計算機結合到課程中，從而成為信息技術在教育中應用的最重要推動力。

因此，對教師的培訓是信息技術在教育中應用的關鍵問題。

對教師的培訓，一般包含職前培訓和在職培訓兩方面，對于在職培訓，各個國家大都采用了分級培訓體系，即政府對各地區代表實施各級水平的培訓，這些地區代表回到本地再當地教師進行培訓。有些國家還采取了遠距離的培訓方式（如印度尼西亞）；有些國家為開發計算機軟件的人員尤其是教師提供專門的培訓（如韓國），以便鼓勵他們自己編制軟件，以解決軟件質量的問題；還有的國家為當地政府的管理人員和研究人員提供專門的培訓，以便使他們理解計算機教育的國家政策和教育部的計劃，并最終對計算機教育提供科學的行政支持。

一些國家還很重視對教師培訓效果的評價，并提出以被訓者培訓后測驗成績或一些相關行為作為評價培訓效果的唯一標準是片面的，評價應具有職前和職后行為的整體性，即應對被訓者培訓后在他們工作崗位中實際計算機教育應用的能力和效果進行追蹤監督，在工作中的應用水平和解決問題的能力等應是評價中要考慮的重要指標等較為切實的思想（如韓國、新西蘭、馬來西亞、印度尼西亞等）。

五、新信息技術的復雜性和技術的融合性，要求在教育軟件的開發中應有一個由各方面專家組成的分工合作的良好的運行機制

信息技術的不斷發展，就是技術的不斷分化和融合的過程，如多媒體技術就是集數據處理，接收、處理聲音、圖像、活動圖像、網絡聯接技術等于一體的綜合技術，因此，其相應的教育軟件開發就應當綜合計算機技術人員、美工、媒體制作人員、教學設計專家、學科內容專家、教育心理專家、教師、管理人員、評價人員等各方面專家的專長，從而從根本上保證了節目各個方面的科學性、權威性，使節目具有較高的質量；同時軟件的開發是一個系統開發的過程，制作過程中各個環節、各個階段應很好的進行銜接，從而保證節目從總體思想、內容確定、腳本創作、以及媒體的表現到軟件的制作、以及最后的評價等等具有高度的一致性；在復雜的軟件制作過程中，各個階段的評價和修改，也是有效保證節目質量的重要舉措，同時節目的現場試驗和修改這種形成性評價的重要方式在制作過程中也是很重要且必不可少的步驟；最后，軟件原型的現場監督和反饋信息的收集，這些信息都作為修改節目的重要信息來源，也是繼續開發節目的一面鏡子。

總之，隨著新信息技術的出現，及其在教育中的廣泛應用，人們將不斷發現許多概念都在重新擴大，如教師、學生、學校、學習、資源等等；人們也將會感到，新信息技術絕不僅僅是為學習者提供了多種可選擇的學習資源，它將導致教育方法、教育模式、乃至教育體制的革命。而在這諸多變化中，教育觀念的變化和更新是重中之重，否則，就會出現用18世紀的思想利用21世紀技術的歷史笑話。

確實，新信息技術、傳播媒體的發展給教育現代化帶來了機遇，它們在教育領域有良好的、廣闊的應用前景。但是我們也應當清醒地認識到，新信息技術本身不會孤立的在教育中必然地發揮作用，新信息技術對培養面向未來人才的作用，是要在現代先進的教育價值觀念、現代教育思想指導之下才能得以實現，同時，只有把它和科學地確定課程內容、開發適合于使用新信息技術的教學結構、確定合理而科學的評價標準等教育、教學過程中各方面的措施系統地結合起來，只有為新信息技術的應用提供良好的運行環境和管理機制，才會最終實現優化教育效果的目標。

《中國電化教育》1999年1月作者單位：北京師范大學現代教育技術研究所

第三篇：地源熱泵研究與應用現狀

地源熱泵研究與應用現狀

應用現狀：

一、世界地源熱泵應用現狀

地熱發電已在世界27個國家開展，總裝機容量達到了10751MWe，年發電利用67246GW·h，平均利用系數為72%（一年中有72%的時間在工作）。近五年內增長最大的美國530MWe、印尼400MWe、冰島373MWe、新西蘭193MWe。地熱發電裝機容量和發量世界排名前十位的國家是：美國、菲律賓、印尼、墨西哥、意大利、冰島、新西蘭、日本、薩爾瓦多、肯尼亞。印尼近5年的快速發展使其排名從2005年的第四位升為第三位，與墨西哥對換了位置。地熱直接利用在78個國家，總設備容量達到了50583MWth，年利用熱能121696GW·h，平均利用系數0.27。利用熱能量的世界排名前十位的是：中國、美國、瑞典、土耳其、日本、挪威、冰島、法國、德國和荷蘭。在2005年世界地熱大會統計中，瑞典因大力發展地源熱泵，從2000年的第十位躍升至第二位；這5年其熱泵發展減緩，與美國對換了位置，美國升為第二名[3]。

二、中國地源熱泵應用現狀

進入21世紀前后，受國際地源熱泵開發大發展的影響，我國開始了地源熱泵工程的實踐，山東富爾達公司開始生產地源熱泵（壓縮機部件靠進口），北京、遼寧遼陽、濟南、浙江寧波等地開始了一些試點工程。

地源熱泵工程在我國的大發展在2004年以后。2004年全國地源熱泵工程供暖（有的含制冷）總面積767萬m2；至2006年發展至2035萬m2，年增長率超過了60%；2007年更飛躍發展至3800萬m2，在新的基礎上仍然完成年增長率80%以上。這種供熱（有的兼含制冷）面積的統計法是我國的習慣，國際上按設備的供熱能力統計，則2007年我國已達約1900 MWth裝機容量，這個數字已經進入世界五強之列，其前面的排序是美國、瑞典以及德國和法國。

在全國地源熱泵的大發展中，沈陽市走在全國首位，其地源熱泵的發展規劃是：在2006年9月312萬平方米的基礎上，2007年已完成新增面積1500萬m2，2008年計劃增加1700萬m2，2009年和2010年還將發展各1800多萬m2。

北京市緊隨其后，至2007年底北京累計完成各類地源熱泵項目逾500項，新增超過300萬m2，供暖（有的兼制冷）總面積超過1100萬m2，利用淺層地能的功率約550 MWth。項目遍布城區、近郊區和遠郊區縣。北京市計劃至2010年達到總面積3000萬m2，即每年增長約600萬m2。

另外，地源熱泵在我國華北、東北、西北、南方以及西藏高原都有應用，它們組成了不同溫度級別提取淺層地熱能的應用，這些工程實例代表了地源熱泵在不同地理位置和氣候條件下的應用及適用性[4]。

展望：地源熱泵技術作為一項新技術，目前已取得很大的發展，雖然有許多問題需要解決，但應用前景非常廣泛。中國由于國土遼闊，近地表低溫地熱資源豐富，加之人口眾多，采暖和制冷工業的基礎相對薄弱，將來需求量無可比擬而被國外學者認為是世界上直接利用地熱潛力最大的國家。在未來的日子里，中國面臨著巨大的能源和環保壓力，中國的經濟要保持較高速度的增長，同時又必須考慮環保和可持續發展的問題，因此要求調整能源結構，提高能源利用效率。地源熱泵技術以其節能、環保和可持續發展的突出優點，已成為空調供暖工程優先選擇的方案之一。[5]

[3] 供熱制冷，2010：60-61 [4]供熱制冷，2010：62-63

[5]裴俠風，地源熱泵技術的應用現狀及展望[J]，制冷與空調，2004，（3）：76-78

第四篇：既有建筑抗震加固方法的研究與應用現狀

既有建筑抗震加固方法的研究與應用現狀

唐曹明 研究員,現任中國建筑科學研究院建研科技股份公司建筑設計院結構總工程師,從事建筑結構抗震防災研究及工程設計工作,負責和參加過全國政協禮堂加固改造工程（1.7萬平方米）、北京東方銀座地下部分結構加固方案技術可行性、山西省政府高層住宅樓——佳泰花園抗震技術和國家博物館加固改造工程（19萬平方米）等重大工程的設計和咨詢。系《建筑抗震設計規范》修編、《非結構構件抗震設計標準》、《配筋和約束砌體結構抗震技術規程》及《建筑震后評估、修復和加固技術規程》參編人員。

地震具有巨大破壞力，能在瞬間使大量建筑物破壞或倒塌，并引發各種次生災害，造成人員傷亡，帶來破壞與恐慌，是迄今人類尚難以抗御的自然災害。我國地處全球兩個最活躍的地震帶，是地震多發國家之一。由于地震發生的具體時間、地域和震級大小均很難預測，正如陳肇元院士所說，為了盡量減輕地震造成的損失，目前能夠采取的最現實和有效的措施，只能是通過設計和施工，使建筑物與各種重要基礎設施具有足夠的抗震能力。

當前我國既有建筑面積超過400億平方米，其中很大部分建成于上世紀五六十年代，已分別進入了“老年”和“中年”期。限于當時的經濟、技術條件，設計標準偏低，絕大多數既有建筑存在著抗災能力弱、運行能耗高、使用功能差等問題。如何避免風災、地震等自然災害對這些建筑造成的破壞甚至威脅人民的生命財產安全？如果將存在問題的既有建筑全部拆除會產生大量建筑垃圾，一拆一建既不經濟，又對環境造成污染，也不符合我國政府的可持續發展戰略。解決問題的最佳途徑是對其進行合理改造和加固，在僅增加少量投資的前提下，提高既有建筑物的綜合抗災能力，防止強震作用下倒塌或不至于粉碎性倒塌以提供一定的生存空間，或不至于很快倒塌以提供足夠的逃生時間。如遭遇不可預見的特大地震，將倒塌的房屋數量和生命財產損失降到最低，將被動救災的費用降到最少。我國抗震加固工作發展歷程

不論是新建工程的抗震設防，還是既有工程的抗震加固，震害調查與研究一直是工程抗震理論的基礎，也是工程抗震措施成功與否的檢驗標準。1966年在河北省邢臺地震的震害調查中，一些民房采取了簡單加固方法卻大大減輕了震害，從而打開了專業人員通過抗震加固提高既有房屋抗震能力的思路。之后，北京、天津地區首先開展了部分房屋的抗震普查與鑒定，1968年編制了京津地區一般民用建筑、單層工業廠房、舊建筑、農村房屋及煙囪、水塔等的抗震鑒定標準（草案）和抗震措施要點，并在京津地區開展了抗震加固的試點工作。

1975年海城地震以后，在當時國家建委京津地區抗震辦公室領導和組織下，我國工程抗震的技術人員很快編寫制定了《京津地區工業與民用建筑抗震鑒定標準》（試行），于1975年9月正式實施。京津兩市的部分房屋立即據此進行抗震鑒定與加固，開創了我國抗震加固工作的先河。盡管這種加固措施相對簡單粗糙，但使用經濟，符合當時國情，經加固的房屋在1976年唐山大地震中經受了考驗。1976年唐山大地震以后，在總結大量震害經驗的基礎上，迅速開展應急性質的結構抗震加固技術研究，1977年12月頒布了《工業與民用建筑抗震鑒定標準》TJ23-77以及為配合該標準的實施而編制的《工業建筑抗震加固參考圖集》GC-01和《民用建筑抗震加固參考圖集》GC-02，成為指導全國建筑抗震鑒定與加固工作的規范文件，標志著我國抗震加固工作已從局部地區試點推進到全國，也標志著抗震鑒定與加固工作已成為防震減災的重要組成部分，逐步進入規范化、制度化的軌道，具有里程碑的意義。1977～1978年間，不少單位先后進行了夾板墻、組合柱、外加構造柱、外加圈梁和鋼拉桿、磚墻裂縫修復和墻體壓力灌漿等項目的試驗研究，并于1978年12月在成都召開了首次全國抗震加固科研成果交流會，會后編制了《民用磚房抗震加固技術措施》，這對提高磚房抗震加固設計質量起到了一定的指導作用。1980年后，抗震加固技術研究不斷深入，并列入國家抗震重點科研項目。全國22個設計、科研單位和大專院校，相繼開展了556項足尺模型試驗研究，提出了46篇試驗研究報告。在此基礎上，于1985年編制了《工業與民用建筑抗震加固技術措施》，同期冶金部編制了《冶金建筑抗震加固技術措施》，并在本系統內應用。這段時間內的試驗規模和研究深度，均標志著我國抗震加固技術的研究已進入世界先進行列。

1994年12月1日，建設部正式頒布實施了《建筑工程抗御地震災害管理規定》，該規定指出，“對列入城市近期改建、企業改造計劃的房屋、工程設施和設備可不進行抗震加固，對臨時性建筑不進行抗震鑒定、加固，除此之外，凡未經抗震設防的房屋、工程設施和設備，均應按現行抗震鑒定標準和加固技術規程進行鑒定和加固，以達到應有的抗震能力。”這是我國第一次將抗震加固以行政法規的名義加以規范、規定。

1996年6月1日，《建筑抗震鑒定標準》GB50023-95正式實施。1997年2月，全國人民代表大會常務委員會通過了《中華人民共和國防震減災法》，該法第二十條規定：“已經建成的下列建筑物、構筑物，未采取抗震設防措施的，應當按照國家有關規定進行抗震性能鑒定，并采取必要的抗震加固措施：①屬于重大建設工程的建筑物、構筑物。②可能發生嚴重次生災害的建筑物、構筑物。③有重大文物價值和紀念意義的建筑物、構筑物。④地震重點監視防御區的建筑物、構筑物。”這是第一次將抗震鑒定與加固工作寫進法律，明確了既有建筑進行抗震鑒定與加固的范圍，充分體現出抗震鑒定與加固工作的重要性，表明抗震鑒定與加固工作已進入法制化的軌道。1999年3月1日，《建筑抗震加固技術規程》JGJ116-98也正式實施。

2008年12月27日，《中華人民共和國防震減災法》于第十一屆全國人民代表大會常務委員會第六次會議修訂通過，自2009年5月1日起施行。防震減災法的修訂，是在總結法律實施10年來的經驗基礎上，為適應經濟社會和防震減災事業發展需要，對法律制度進行全面的修改和完善。

2009年6月5日，《建筑抗震鑒定標準》GB50023-2009由住房和城鄉建設部發布，自2009年7月1日起實施；6月18日，《建筑抗震加固技術規程》JGJ116-2009也相繼發布，自2009年8月1日起實施。這兩個規范性文件的頒布，總結了近年來建筑結構抗震鑒定和加固的經驗，是我國最新的科研成果和工程經驗總結，標志著我國在抗震鑒定與加固領域仍處于世界前列。

抗震加固常用方法

隨著科學技術的發展，經過幾十年的科學研究和對工程實踐經驗的總結，我國基本形成了層次配套、概念清楚、要求明確、易于掌握的建筑結構成套鑒定與加固技術。下面分別對鋼筋混凝土結構、砌體結構和鋼結構等幾種常見既有建筑的抗震加固方法逐一總結、分析，并對地基基礎常用加固方法做一說明。

鋼筋混凝土結構。直接加固梁、柱構件的方法。當鋼筋混凝土梁受彎承載力不足時，可采用增大截面、外粘型鋼、粘貼鋼板或纖維復合材、鋼絲繩網片-聚合物砂漿外加層、增設支點以及外加預應力等方法加固補強；當鋼筋混凝土柱受彎承載力不足時，則可采用增大截面、外粘型鋼、鋼絲繩網片-聚合物砂漿外加層以及外加預應力等方法予以加固；當梁、柱構件的受剪承載力不足時，可采用增加箍筋、包鋼板箍、粘貼纖維箍、鋼絲繩網片-聚合物砂漿外加層以及纏繞鋼絲等方法進行加固；當受壓區混凝土強度偏低或有嚴重缺陷時，可采用置換混凝土法對構件進行加固。粘貼纖維復合材和鋼絲繩網片-聚合物砂漿外加層兩種加固方法，是近年來隨著對加固工程中的新材料、新工藝、新技術開展廣泛的研究后發展起來的新技術，輕質高強，加固不增大結構體積，所增加的結構自重幾乎可以忽略不計；施工工序簡單，可用小型工具操作，因而可以在傳統技術無法施工的有限作業空間內實施；施工污染小、無噪聲，且施工進度快、工期短。尤其是鋼絲繩網片-聚合物砂漿外加層法還很好地解決了加固后的耐久性、防火以及耐高溫性能等問題。

改變結構受力體系的方法。通過在框架原有圍護墻及分隔墻位置增設一定數量的剪力墻或在框架柱兩側設置翼墻，使原來的柔性框架結構改變為框架-剪力墻結構或壁式框架結構；當建筑物需要較大敞開洞口（如學校、商場等）時，也可采用在原有框架中新加支撐，使原柔性框架結構改變為框架-支撐結構。該方法通過改變結構抗側力體系，降低原有框架分擔的地震作用，在減少加固原框架梁、柱工作量的前提下提高結構抗震能力，達到抗震設防要求。該方法關鍵在于解決好新增墻體或支撐與原框架的連接問題，確保新增抗側力構件與原框架能共同工作。因這種加固方法基本上能保證不影響建筑使用功能，保持原建筑風貌，且結構加固工作量相對較少，縮短工期，理論成熟，施工工藝簡單，所以是目前提高既有建筑抗側力能力的一個重要方法。全國政協禮堂、北京火車站和國家博物館老館等加固改造工程均采用過此種加固方法。

卸荷方法。二十世紀五六十年代的公共建筑，其內部分隔墻及外圍護墻基本是較重的磚墻，這些分隔墻一般是按建筑功能要求布置，其平面分布往往不對稱，造成結構平面質心與剛心不一致，導致地震作用增大，同時結構在地震作用下的扭轉效應也隨之增大。鑒于此，將原較重的磚墻換成輕質隔墻，卸去荷載，既能減輕地震作用和結構在地震作用下的扭轉效應，又絲毫不損傷原結構，對改善既有建筑的抗震性能，實乃一種行之有效的方法。在國家博物館老館加固改造工程中，就曾將上、下層位置不對齊，高大厚重的粘土磚分隔墻換為輕質隔墻。

取消建筑物間的伸縮縫，將原來相互獨立的單體結構連成整體的加固方法。二十世紀五六十年代的公共建筑，不少是由伸縮縫分成各自獨立的單體結構，但這些伸縮縫寬度均較小，不能滿足現行抗震規范對防震縫最小寬度的要求，地震時相鄰房屋互撞導致破壞甚至倒塌。各個單體結構分別加固，施工空間小，難度大，若對部分單體結構采取在伸縮縫處設置鋼筋混凝土抗震墻，將兩個甚至多個單體連成整體，從整體上綜合考慮結構加固方案，這樣不僅能減少加固工程量，而且易于實現。

消能減震方法。這種方法是在結構的適當部位附加耗能減震裝置，小震時減震裝置如消能桿件或阻尼器處于彈性狀態，建筑物仍具有足夠的側向剛度以滿足正常使用要求；在強烈地震作用時，隨著結構受力和變形的增大，讓消能桿件和阻尼器首先進入非彈性變形狀態，產生較大的阻力，大量耗散輸入結構的地震能量并迅速衰減結構地震反應。極強地震能量的主要部分由控制裝置來耗散而非借助主體結構的塑性變形來耗散，從而使主體結構避免進入明顯的非彈性狀態而免遭破壞。另外，控制裝置不僅能有效地耗散地震能量，而且可改變結構的動力特性和受力性能，減少由于結構自振頻率與輸入的地震波的卓越頻率相近引起共振的趨勢，減少結構的地震反應。如采用消能支撐的結構，其結構頻率的變化主要依賴于支撐體系剛度的改變（支撐體系剛度的改變可以通過耗能元件的變形來實現），而不同普通鋼筋混凝土結構，其頻率的變化是依賴于結構自身損傷引起的剛度變化。作為非承重構件，消能元件的損傷過程也是保護主體結構的過程。這種被動控制技術能兼顧抗側剛度的提高和抗側能力增大，特別在大震時能有效減少地震能量的輸入，明顯降低結構側移，達到控制結構地震反應的目的。該方法結構簡單，無需外部能量輸入，無特殊的維護要求，且對原有建筑布局影響甚小，故在公共建筑的抗震加固上應用前景廣闊。北京飯店、北京火車站和國家博物館老館改造等工程中都有應用（見圖1、2）。

砌體結構。面層或板墻加固方法。當房屋抗震承載力不足時，可根據原砌體實際情況及強度相差大小分別采用水泥砂漿面層、鋼筋網砂漿面層、鋼絞線網-聚合物砂漿面層和現澆鋼筋混凝土板墻加固方法。其中現澆鋼筋混凝土板墻加固方法最為常用，如當既有多層砌體房屋的層數超過規定限值需改變結構體系或原有墻體抗震承載力差得較多時均首選該加固方法。尤其是噴射鋼筋混凝土，除了增大斷面外，還能填補砌體結構中的孔洞、縫隙、麻面等，施工速度快，加固效果易得到保證。

增設抗震墻加固方法。當房屋抗震承載力不足且建筑使用功能允許時，對局部強度過低的原有墻體可拆除重砌并增設抗震墻，重砌和增設抗震墻的結構材料宜采用與原結構相同的磚和砌塊，也可采用現澆鋼筋混凝土。

外加圈梁-鋼筋混凝土柱加固方法。當房屋的整體性不滿足要求時，在建筑專業許可的情況下，可采用外加圈梁-鋼筋混凝土柱加固房屋。該方法唐山地震后即由工程技術人員提出并應用于砌體結構加固工程中，施工便捷，加固效果易保證，只是對建筑立面有所影響。

隔震加固方法。當對房屋加固后抗震性能要求較高時，可采用隔震方法進行加固。隔震支座具有很大的豎向剛度和相對較小的水平剛度，在非災害荷載作用下，隔震支座處于彈性狀態，變形很小，可以完全滿足上部結構較高的加固目標；在災害荷載（大震）作用下，由于支座的水平剛度較小，支座發生較大的變形，進入塑性狀態，此時整個結構體系的基本周期很大（相對于固定基礎的結構），結構受到的地震作用也相對很小。圖3為傳統抗震結構與隔震結構地震時建筑物的反應。事實上，隔震結構體系在大震作用下，上部結構的運動類似于置于隔震支座上的剛體運動，整個上部結構完全處于彈性狀態，可以達到結構的正常使用或立即入住水平（見圖4）。該方法用于既有建筑抗震加固在美國、日本等國家已有成功的工程實例，不僅可用在砌體結構中，也可用于鋼筋混凝土結構和鋼結構中。如美國對鹽湖城大廈、洛杉磯政府大樓等幾十棟建筑就是采用此法進行加固；日本對一些辦公樓、機場等大型公共建筑也是采用此方法，效果都十分明顯。

鋼結構。直接加固柱、梁、屋架構件的方法。在盡量卸荷的情況下，直接對截面進行補強，如用鋼板或型鋼通過焊接或高強螺栓與原柱連接；在翼緣上加焊水平板、垂直板、斜板或型鋼等加強鋼梁正截面強度；在腹板兩側加焊鋼板增大鋼梁抗剪強度；增設支撐以減小柱的計算長度；增設吊桿或下支撐構件減小梁跨度；采用預應力筋、撐桿構架、構件再分式等方法加固屋架。

改變結構受力體系的方法。同鋼筋混凝土結構加固措施一樣，通過在框架原有圍護墻及分隔墻位置增設支撐或剪力墻，使原柔性框架結構改變為框架-支撐結構或框架-剪力墻結構，讓新增支撐或剪力墻成為主要抗側力構件，從而大大減小原來框架所受的地震作用。卸荷方法。

消能減震方法。消能減震裝置是因兩端產生相對速度或相對位移而導致滯回變形或摩擦從而實現耗能，相對運動速度越快或位移越大，產生的阻尼力越大，耗能就越多。一般來說，結構越高、越柔、跨度越大，耗能減震效果越顯著。所以耗能減震加固技術適用于多高層鋼結構及鋼筋混凝土框架結構。尤其是屈曲約束耗能支撐，在受拉和受壓兩種狀態下都能達到屈服，克服了普通支撐受壓屈曲的問題，是一種集抗側力和耗能為一體的消能減震裝置。在日本，每年有一半的屈曲約束支撐用于各類建筑抗震加固中，通過測算，屈曲約束支撐為抗震加固最為經濟與便捷的加固手段之一。

地基基礎加固。在既有建筑物抗震加固和改造中，常遇到原有基礎面積不夠的問題，若處理不當會造成浪費或不能保證上部建筑物的安全。為此，應根據加固目的，結合地基基礎和上部結構的現狀，從預期效果、施工難易程度、材料來源和運輸條件、施工安全性、對鄰近建筑和環境的影響、機具條件、施工工期和造價等方面進行技術經濟分析和比較，選定最佳的加固方法。

加大基礎底面積方法。該方法適用于當既有建筑物的地基承載力或基礎底面積尺寸不滿足設計要求時的加固，可采用混凝土套或鋼筋混凝土套加大基礎底面積。加大基礎底面積的設計和施工應符合《既有建筑地基基礎加固技術規范》JGJ123-2000第6.2.1條的規定。

當不宜采用混凝土套或鋼筋混凝土套加大基礎底面積時，可將原獨立基礎改成條形基礎；將原條形基礎改成十字交叉條形基礎或筏形基礎；將原筏形基礎改成箱形基礎。該方法因施工簡單，所需設備少，因而得到較多的應用。

微型樁方法。微型樁一般是采用壓力灌漿的方式灌注水泥砂漿或水泥漿而成，一部分漿液滲入樁周土體（特別是對于粗顆粒土），與普通灌注樁相比，樁與樁周土體結合更緊密，因此，樁側阻力及樁端阻力均比普通鋼筋混凝土灌注樁要大得多。與其他方法相比，微型樁具有承載力高、沉降量小、所需施工場地較小、能穿透各種障礙物、適用于各種不同的土質條件等優點，同時樁孔孔徑小，對基礎和地基土幾乎都不產生附加應力，施工時對原有基礎影響小，也不干擾建筑物的正常使用。

加深基礎法。該方法適用于地基淺層有較好的土層可作為持力層且地下水位較低的情況。可將原基礎埋置深度加深，使基礎支承在較好的持力層上，以滿足設計對地基承載力和變形的要求。當地下水位較高時，應采取相應的降水或排水措施。

此外，還有石灰樁、注漿加固等方法，最為常用的是加大基礎底面積和微型樁兩種加固方法。抗震加固前沿技術研究

隨著經濟建設的發展、建筑類型的多樣化，性能結構抗震設計已成為必然的發展趨勢，新建建筑如此，既有建筑的抗震加固更不例外，而且隨業主、使用功能的變更，其要求將更加迫切，這為性能結構抗震設計在抗震加固領域的應用創造了良好的條件。美、日等發達國家都已將基于性能的抗震設計概念應用于建筑物加固中，我國也已開展這方面的研究工作，中國建筑科學研究院現正在進行“十一五”國家科技支撐項目“基于性能的建筑抗震加固設計研究”工作。

1994年美國洛杉磯北嶺地震和1995年日本阪神地震的震害經驗為世人展現了建筑抗震技術的新出路，隔震和消能減震技術在大地震中經受了考驗，表現出對建筑物和工程設施極好的保護功能。人們從采用隔震和消能減震技術而幸免地震破壞、保持完好功能的建筑物和工程設施上，看到了這種技術的生命力和極其巨大的社會、經濟效益。因此，工程結構隔震和消能減震技術已成為國際工程抗震界關注的熱點、前沿問題。近十幾年來，我國在隔震和消能減震技術方面也開展了廣泛深入的研究。廣州大學土木工程學院周云教授在基于性能的抗震設計理論研究的基礎上，結合耗能減震加固結構的特性，提出了基于性能的耗能減震加固結構整體設計理論框架，給出了設計中各關鍵環節的子框圖，較為清晰地展現了設計的基本過程，為以后的研究工作指明了方向。當前抗震加固工作中應注意的幾個問題

當前全國各地都在如火如荼地開展中小學校舍抗震加固工作，由于量大面廣，任務重、時間緊，參與檢測、鑒定和加固設計的單位多，盡管這些單位和人員大都具有資質和職業資格，但不少設計單位的技術人員對新建筑的設計熟悉，對抗震加固設計的特點以及加固施工中應注意事項不清楚，之前很少甚或從未接觸過加固工程，故這里稍作說明，以期引起重視。（1）仔細閱讀規范條文及說明，弄清來龍去脈，準確理解其真實含義，有針對性地采取對原結構損傷小、施工便捷、工期短等易于實現的加固方法，經濟合理，避免千篇一律大面積地加固。上世紀五、六十年代建造的裝配式鋼筋混凝土樓、屋蓋學校教學樓，抗震橫墻間距一般為9～11m，大于《建筑抗震鑒定標準》GB50023-2009表5.2.2規定的最大間距，但超過值均在4m以內。鑒定、加固設計時，不一定要通過在原有預制鋼筋混凝土圓孔板上增加現澆鋼筋混凝土疊合層，將原來的裝配式樓蓋改變為裝配整體式樓蓋，使橫墻間距滿足規范要求，而應該根據建筑物的實際情況，結合墻體等豎向構件的加固，使結構抗震能力滿足國家現行有關規范、標準的要求即可。對砌體房屋的樓、屋面預制板進行大面積鑿毛是非常困難的，若處理不當，將不但達不到預期的加固效果，反而適得其反降低了原結構的抗震能力。

（2）抗震加固的內涵是結構加固而非單個構件補強，因此在加固設計時，首先應考慮整體性結構加固，盡可能地保留和利用原有構件，減少不必要的拆除和更換，使加固措施發揮綜合效應，避免“頭痛醫頭，腳痛醫腳”的構件加固。

（3）不應存在局部加強或剛度突變而形成新的薄弱部位；同時，還應考慮結構剛度增大而導致地震作用效應增大的影響。

（4）把握關鍵，突出重點，新舊結合面的處理至關重要。加固設計應與實際施工方法緊密結合，采取有效措施，保證新增構件和部件與原結構連接可靠，新增截面與原截面粘結牢固，形成整體共同工作；并應避免對未加固部分以及相關的結構、構件和地基基礎造成不利的影響。（5）嚴把材料質量關。加固材料的性能和質量應符合有關規范的規定。

目前國內對于各類結構的加固方法很多，這些方法各有其適用條件，這就要求必須結合工程的實際情況，進行技術經濟的綜合分析，充分考慮各種方法實施的難易程度、施工影響面及投資等因素，優化決策，采取最優方案，使加固既能保證結構安全，又經濟合理。

性能結構抗震設計理論將對工程抗震產生持久而深遠的影響，深入研究性能結構抗震設計理論在抗震加固中的應用，具有明確的現實需求，會對抗震加固技術起到重要的理論指導作用。

隔震和消能減震技術是通過調整結構動力特性的途徑，減小結構在地震中的振動反應，從而保護結構以及結構內部的設備、儀器、管線和裝飾物等不受損壞。盡管該技術仍處于不斷發展和完善的階段，但到目前為止，該技術在美國、日本、新西蘭及我國等許多國家已被應用在多項新建和抗震加固工程上，有些已經受到了實際地震的考驗，表現良好，技術和經濟效益非常明顯，具有廣闊的發展前景。

文/中國建筑科學研究院 唐曹明

第五篇：仿生材料在環境保護中的應用現狀與前景

仿生材料在環境保護中的應用現狀與前景

摘要：仿生材料是材料學科的一個新的研究領域，本文介紹了環境材料的研究現狀，指出環境材料的合理應用在環境保護中發揮的重要作用，并從仿生材料科學與工程以及凈化環境的觀點介紹了仿生材料材料的主要研究研究現狀及其環境保護中的應用現狀與前景，并展現與生態環境協調的材料和系統的構思。關鍵詞：仿生材料、環境材料、環境保護 前言：

材料是直接或間接利用自然資源來制造成有用物件的物質[1],是人類社會文明進步的物質基礎和先導，材料科學家把材料科學與工程定義為關于材料的組成、結構、制備工藝與其性能及使用過程間相互關系的知識開發及應用的科學[2]。長期以來，材料的生產—使用—廢棄過程，可以說是一個提取資源，再大量地將廢棄物排回到環境之中的惡性循環過程。在這一過程中，人們在材料設計時很少注意到自然資源和生態環境對此惡性循環的承受能力。基于此，曾漢民提出了促進可持續發展的材料設計與自然資源密切關系的模式[3]，它充分反映出材料的設計、應用與環境、資源的和諧、協調。他認為化學組成、物理結構是材料的2個基本要素，決定了材料的性質、使用性能和制備工藝。同時，這些因素與環境及資源都緊密相關且相互作用。

所謂生態材料(eeomaterials)系指從生態學角度構思與環境協調的材料。隨著社會的發展，資源消耗急速增加，大量廢棄物及有害物的排出，使周圍環境、地球環境日益惡化。21世紀世界人口將突破100億，為了解決資源和環境的協調問題，必定要在材料科學與工程學科的發展中反映環境意識[4]。

在環境材料中有一類是仿生材料，它指模仿生物的各種特點或特性而開發的材料。我們在現實生活中接觸過許多動物與植物，他們都屬于生物的范疇。在地球上所有生物都是由理想的無機或有機材料通過組合而形成，例如能夠跳動80年都不停止的人類心臟，幾乎不發熱量的冷血昆蟲。從材料化學的觀點來看，僅僅利用極少的幾種高分子材料所制造的從細胞到纖維直至各種器官能夠發揮如此多種多樣的功能，簡直不可思議。因此，仿生材料學的研究內容就是以闡明生物體的材料構造與形成過程為目標，用生物材料的觀點來思考人工材料，從生物功能的角度來考慮材料的設計與制作[5]。但是迄今為止該學科未開拓的領域和未解決的問題非常之多，可以認為仿生材料學的學科體系還沒有完全形成。

1、生態材料的仿生領域 1.1仿自然材料

自然界中的物質和生物經數億年以上的進化，迄今已具有最適宜的結構。由生態材料的觀點考慮，這些生物消耗適度物質和能量而生存，能適應環境，當其主要功能喪失后，轉變為夭然存在的材料。如樹苗吸收太陽的能量、水分、CO2及土壤中的養分成長為樹木。樹木死亡后細胞木質化、心材化便得到可再生的資源，其材料化過程耗能430kWh/t，要比煉鋁的17000Wh/t和煉鋼的2700Wh/t小得多，而且廢木料燃燒時放出的熱能可再利用，在自然界中廢木料經細菌作用可再循環。木材和人們關系密切，因它具有高絕熱性、容積比熱大可調節室內氣溫；它的近表面的微粒子狀物質的擴散反射，能很好地吸收紫外線，反射率低適應人眼的視覺；此外它為多孔性結構，含有水分和空氣，而內部的空氣層有吸音和隔音性能。

又如日常接觸的土壤具有許多優異的功能。土壤是支撐動、植物活動的結構材料，具有通透空氣和水并保持它們存在的功能；土壤中存在荷電物質故有離子交換功能。

天然材料的自然循環特性是顯而易見的，如源于巖石的石材復合結構中各種礦物經水合、水解，相應成分溶解使母材解體，而殘留于土壤中。這種天然物質長期的解體、再生的循環可于低負荷下進行。模仿這種材料的自然循環性，研究與開發了易解體材料。

實際上生物的形狀及構成生物的骨和纖維等材料，其結構能很好地適應重力、風和生物本身的運動。這和材料的微結構、材料組成及結構密切相關。例如在非洲南部灼熱氣候中生長的稱為Fenstraria的植物，其主體埋于地下，僅葉尖露出地面，此葉端相當于透明的窗，作為吸收光的入口，同時作為有害紫外線的濾光器，光通過葉內部的透明質均勻地在地下的葉壁分配。具有這種結構的光能變換元件，其單位表面積的變換效率甚高，現正以此為模式設計三維集成化器件。1.2仿生過程 為有效地協調生產物與自然環境之間的生態平衡，人們研究與開發了模仿生物功能的人工過程，茲舉例說明。

(1)利用細菌過程。土壤受重金屬污染可用細菌處理，如人們從重金屬污染的土壤中分離出鎘耐性菌，將其在含50g/m3的培養導報基上培養20h，此菌可存貯27.3mg鎘，該量相當于干燥菌體重的53%。亦有用六價鉻耐性菌和水銀耐性霉等吸收除去Cr和Hg的報道。此外利用微生物除去活性污泥中的金屬，這可能與微生物所含的多糖、蛋白質、脂質和核酸等的官能基與金屬結合有關。迄今地球上存在的微生物僅很少一部分被利用。極限環境(高溫、強酸性、高堿性、高鹽性環境、深海底和地熱等)下微生物的檢索、采集、培養與利用是很有意義的課題。

(2)生物吸著過程。生物吸著是指利用生物物質吸著水溶液中的金屬離子使其濃縮的過程。吸著介質可為特定的菌類和藻類，其吸著量可達33-72Omg/g。此藻類和菌類的細胞壁由蛋白質和多糖類組成，其氨基、羧基、酰胺基和羥基能與金屬離子結合，故生物吸著機理是在細胞表面迅速產生離子交換反應，隨之進行擴散與還原以及配位反應等。調節藻類溶液的pH可改變其離子吸附特性。利用生物物質可開發出經濟的金屬回收方法，但需進一步研究生物生與死時吸著機理的差異。1.3仿生科學與工程

旨在闡明自然過程的特征，且以人工的合成分子組成反應裝置或機械，來模擬自然過程。以此構思金屬的精制和金屬化合物的合成過程。下面介紹以細抱為基本單元的物質傳遞控制功能，以啟迪仿生的思路。

(l)選擇性主動傳遞過程。物質經細咆膜的傳遞過程與一般精制和分離過程迥異。前者是以分子或離電化學位為基礎的主動傳遞現象，對特定分子和離子傳遞的選擇性特別受人注目。從細胞的分子生物學分析，K+在細咆內的濃度比細胞外的濃度高約20倍，Na+的濃度則相反，這是由于輸運體蛋白質腺苷三磷酸酶(ATPase)將Na+向細咆外，而將K+向細胞內主動傳遞的結果。

為模仿細胞膜的這種選擇性的主動傳遞過程，應設計柔性的物理或化學載體，它可使膜在低濃度側選擇性結合特定離子；而在膜的高濃度側此離子脫離。(2)選擇性被動傳遞過程。細胞膜由于具有離子通道開閉的門功能，它的選擇性要比一般分離膜高得多。因此，仿照生體膜的離子傳遞體系，可將人工離子通道預埋于脂質體中，進行Co2+的選擇傳遞研究，開發具有開關功能的特定物質傳遞器件或自動控制物質傳遞器件。

(3)利用人工微球過程。自1965年Bangham用磷脂質制成了接近細胞膜的人工脂質雙層膜以來：生體膜的物理化學發展甚快。如研究與開發了微球狀封閉的雙層脂質體，其大小可調節(由直徑25nm的微脂質體到數μm大小的紅血球)。此外，模仿生體膜又制成直徑μm級的微囊，其內部的芯物質和外部環境隔離成微小容器。此芯物質微粒子分散在連續介質中，由界面聚合法成膜，膜厚可在nm到μm范圍調節。上述脂質體和微囊類具有物質傳遞控制功能。

(4)利用膜動傳遞過程。細胞獨特的物質傳遞是很有意義的現象。細胞內外的蛋白質、多糖等巨大分子通過細胞膜的變形、粘連、融合和分離可在細胞內外出入，即細胞的內攝作用和細胞排粒作用。仿照細胞膜動態傳遞過程雖有困難，但可啟發人們構思選擇效率高的濃縮裝置[3]。

2、仿生材料在環境中的應用 2．1人造生物纖維

最早開始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纖維和人的皮膚的接觸感而制造的人造纖維。對蠶或者蜘蛛吐出的絲，人類自古就有很大的興趣，這些絲純粹是由蛋白質構成，特別是蠶絲，具有溫暖的觸感和美麗的光澤。二十世紀以來，人們模仿蠶吐絲的過程研制了各種化學纖維的紡絲方法，此后又模仿生物纖維的吸濕性、透氣性等服用性能研制了許多新型纖維，例如，牛奶蛋白質與丙烯晴共聚纖維(東洋紡)，商品名為稀苤的高吸濕性纖維(旭化成)等等。這些產品的出現顯示了人類仿造生物纖維表面細微形態與內部構造取得了成功[6]。另外人們還對蠶的產絲體進行了卓有成效的研究(日本農業生物資源研究所)，并且對蜘蛛絲也進行了研究(日本島根大學)，研究者們期待著有朝一日能夠制造出與蠶絲完全一樣的人造絲。2．2抗污染表面圖層材料 “荷葉效應”和“非光滑表面理論”的同時發現和相繼發展，展示了國內外學者在仿生學研究中的競爭和挑戰。1971-1990年，Bonn大學植物學家Borthlott等[7]發現荷葉表面的乳狀突起構型，研究其抗污染的自清潔效應，并將模仿荷葉所制備的納米表面涂層材料應用于汽車制造工業和建筑工程（圖1）。吉林大學任露泉等人20世紀80年代起開始研究蜣螂、蚯蚓、螻蛄等所謂土壤動物體表不被粘附的問題。生物界存在著光滑和非光滑兩種界面。傳統上認為，界面越光滑，阻力越小，越不被粘附。任露泉等[8]發現，在一定的條件下，生物體的一定的非光滑表面具有減粘、脫附、降阻和耐磨效應。他們開發出仿生犁壁、推土板和不粘鍋等系列的減粘脫附仿生產品（圖2）。

圖1荷葉表面的乳狀突起和污染的自清潔效應（仿Barthlott等，1997）.左：荷葉表面排污現象；中：荷葉表面的乳狀突起；右：仿荷葉涂料的自清潔效應，其中左側為普通涂料，右側為仿荷葉涂料（4年后）2．3仿生材料對水體中POPs的富集

POPs是指持久存在于環境中，通過食物網積聚，并對人類健康及環境造成不利影響的化學物質，具有持久性、生物累積性、長距離大氣傳輸性和毒性。近幾十年來，國內外飲用水源水中發現存在持久性有機污染物[9-11]。檢測到的POPs在水體中濃度很低，甚至在ng/L~pg/L的濃度級[12-13],直接導致了監測和有效去除的困難。所以開發新型的富集材料來實現有效監測和去除POPs就顯得非常重要。

在職業病毒理學和環境毒理學方面，皮膚一般被認為是有毒物質被攝入的通道。因此皮膚作為一種能夠吸收有毒物質的膜受到了關注。早在1988年，Joy Houk和Richard H.Guy[14]在他們關于皮膚滲透研究模型回顧中詳細介紹了1988年以前在仿皮膚滲透膜方面取得的一些研究進展。Huckins等設計了包含三油酸甘油酯的半透膜采樣器(Triolein-SPMDs)應用于環境污染監測[15]，是基于模擬生物、替代生物進行環境監測構思的基礎上加以設計的。低密度聚乙烯薄長帶為半滲透膜，三油酸甘油酯涂布于帶內，整個結構為“三明治狀”層疊式。大多數的有機污染物分子通過被動擴散的方式進入膜材料并在三油酸甘油酯內得到富集。疏水性的聚乙烯薄膜表面對水分子的排斥作用導致溶解態的疏水性有機污染物通透能力差，減慢了富集速度。為此一系列以親水性的高分子膜內嵌三油酸甘油酯的復合膜得到開發。

包含類脂的取樣器件能夠長期富集水體中的有毒有機污染物，適用于環境中低劑量的POPs富集分離檢測，在環境監測中得到了廣泛的應用。3展望

以上概要地介紹了生態材料的主要研究領域、現狀及今后的發展趨勢。先進國家自由市場經濟的發展是以地球環境的破壞為代價的。現今環境意識已逐步為人們所共識，技術與環境的協調將促進文明。隨環境經濟的提出，生態材料的研究與開發刻不容緩地擺在人們面前，實際上以仿生科學與工程為基礎的生態材料學的發展必將促進材料科學與工程學科的發展，無疑地將促進經濟發展，并造福人類。參考文獻

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