多元分析方法在辨证论治研究中的应用现状与思考概要

第一篇：多元分析方法在辨证论治研究中的应用现状与思考概要

多元分析方法在辨证论治研究中的应用现状与思考

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

作者：田松

编辑：studa20 【摘要】

证候是中医学认识疾病和辨证论治的主要依据，是带动中医药基础理论取得突破、促进中医药现代化的关键问题之一。证候的高维高阶特性为证候实质的研究、证候的规范化、证候诊断标准的建立等带来了困难。运用多元统计分析方法在合理整合和充分利用各种数据资源的基础上，进行科学分析、特征提取和规律探索是研究中医学临床规律的一条可行的途径。【关键词】

多元分析 辨证论治 疾病危险度 证治规律 综述

多元分析方法在辨证论治研究中的应用

1．1

共性特征和证候特征的研究

症状是疾病所反映的现象，他是判断病种、辨别证候的主要依据。有专家指出，疾病的症状表现可大致分为3类：第1类是代表疾病本身特征的症状，第2类是代表证本身特征的症状，第3类是对辨证辨病皆贡献不大的症状［1］。如何从纷繁复杂的症状中筛选出属于中医证本身的主要症状是认清证本身特点的前提。张琴等［2］运用因子分析、模糊C 均值聚类和模糊综合评价的方法，提取900例肝炎后肝硬化患者的中医证候因子，认为肝炎后肝硬化的症状和体征可划分为共性特征和证候特征两大类，前者反映疾病所具有的中医基本病机，后者反映疾病的不同综合病理状态。李永健等［3］在肝癌流行性调查资料的基础上，运用多元Logistic 回归分析在筛选肝癌常见证候与症状方面做了一些尝试性的探索。

1．2

证的分类与疾病危险度关系的研究

证是机体在疾病发展过程中某一阶段的病理概括，反映出病变发展过程中某一阶段病理变化的本质。疾病的证型会随着疾病的发展而变化，同一疾病的不同证型反映了疾病不同阶段的不同病机，也反映了疾病的轻重及危险性。当疾病表现出不同的证型时，其对健康的损害程度如何并不十分明了，所以分析每一证型危险程度的大小就显得十分必要。丁邦晗等［4］对375例胸痹心痛患者进行证候分类和冠状动脉造影检查，通过二值多元Logistic 回归分析，比较不同证型的危险度。结果提示对胸痹心痛的危险程度依次为血瘀证、痰浊证、气虚证、阴虚证、寒凝证。

1．3

证型标准的研究

辨证分型是将西医或中医的某一疾病，分为几个不同的证候类型进行治疗。辨证分型的“型”是模型，是在对患者群高度分析总结的基础上对疾病过程的模拟，是建立在疾病的基础上的。而疾病是在病因的作用下，出现的具有一定发展规律的演化过程，具体表现出若干特定的症状和各阶段的相应证候，是有规律可循的。因此建立在疾病基础上的证和证型也是有规律可循的，可以运用数理统计如多元分析等客观化的手段来探索其规律。李涛等［5］采用多元统计方法分析焦虑症的中医症状及证型的分布特征，用聚类分析的方法将焦虑症的10 余种证型简化为5 种证型组合。刘寨华等［6］通过对150 例胸痹心脾两虚证患者的36 项指标进行多元线性逐步回归分析，表明胸闷、心前痛等11 项指标对此证的贡献度最大。

1．4

证与危险因素关系的研究

证候作为疾病过程中阶段性的病理概括，影响因素常常涉及病因、病位、病程、病性、气候、患者的年龄、性别、体质等诸多因素，在诸多因素的影响下常常表现为复杂而且多变的特点，但仍有一些规律可循。崔晓琳等［7］采用二元回归法对739例首发中风急性期患者的辨证分型与危险因素的关系进行分析。认为高血压病、吸烟、饮酒与中风之肝阳暴亢风火上扰证相关，其余证型与危险因素的关系无统计学意义。

1．5

证型与实验指标关系的研究

应用现代先进的实验方法与仪器，结合多元分析法建立辨证诊断的实验指标，是探究证候的实质，实现辨证客观化的必要手段。温利辉等［8］运用多元分析法探讨IgA 肾病的病理损害、临床表现及实验室检测指标与中医证型的关系，结果显示IgA 肾病的病理损害和临床表现与中医证型相关联，阳虚证与水肿、阴虚证与尿血关系密切。陈昌华等［9］对27 例肝血虚证患者的15 项指标进行检测，经多因素聚类分析并进行典型指标筛选，认为血浆NE、T3下降，TXB2、cGMP、ALD升高可考虑作为肝血虚证的实验诊断参考指标。

1．6

证治规律研究

传统的文献研究最大的弱点在于研究者没有通过定量方法处理数据，往往主观加以选择或摒弃，令人无所适从。采用多元统计分析方法可以较好地避免数据处理时主观因素的掺杂，客观准确地反映研究对象，并在文献资料中发现其内在的客观规律［10］。通过文献整理与多元分析相结合的方法，探析中医病证的证治规律，重新审视中医学对病机属性、证治方案的认识，可揭示辨证论治的优势和特点，为临床研究提供有价值的依据。卢惠林等［11］通过多元统计分析方法，从方药的频数和剂量两个角度探求唐宋金元明清各历史时期糖尿病的方药规律，发现补虚药、清热药是治疗此病的两类主要药物，提示热盛伤阴、气血两虚应是历朝历代总的糖尿病证侯群的分型归属。李国春等［12］采用多元统计聚类分析的方法探讨了半夏泻心汤临床案例的病种分布、用药规律和特点。

思

考

辨证论治是中医防病治病的基本方法，抓住辨证标准这一关键环节开展研究，就有可能带动中医理论、临床疗效、证候本质研究的进展。证候是中医学认识疾病和辨证论治的主要依据，是带动中医药基础理论取得突破、促进中医药现代化的关键问题之一。然而，证候属于高维高阶的复杂系统，证候的高维高阶特性为证候的规范化、证候实质的研究、证候诊断标准的建立等带来了困难［13］。随着生物信息学、系统生物学等研究的兴起，人们越来越清楚地认识到，从信息系统视角研究同样是系统的、复杂的中医药理论体系，在合理整合和充分利用各种数据资源的基础上，进行科学分析、特征提取和规律探索，可能是研究中医学临床规律的一条可行的途径［14］。

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

作者：田松

编辑：studa20

马克思曾深刻指出：“一种科学只有在成功地运用了数学之后，才算达到了完善的地步。”早在《黄帝内经》中就有一定程度的数学语言和思维的运用，如《灵枢·九宫八风》中的“生数”、“成数”和“九宫”等涉及的正是我国古代数学上著名的幻方定理——河图洛书的内容［15］。随着近年来科技的进步，中医药研究也开始有意识地引用现代数学语言和方法，从非生命科学中发展起来的数学，在被应用于中医药领域时就需要多元统计分析的方法。多元统计分析是数理统计学近20多年来迅速发展的一个分支，他探讨高维数据的内在规律，如研究多元变量间的相互关系、数据结构和数据简化等，能综合体现出人体生命活动的特点和规律，与中医药学基础理论有内在的切合性。中医药学理论中充满了数学语言和思维，如证的分类、组成和演变中饱含着多元模糊的数学思想，证候是以症状群组合的形式出现的，但同时又受到许多因素的影响，证与症状的关系不是单纯的线性和正态的。将数理统计引入证的研究不但是可行的而且是科学的。当然在实践运用过程中还存在不少问题，如通过多元分析所得到的证型分类往往与传统中医辨证分型之间存在一定的差异，提示我们现代科学的多元分析方法与传统临床辨证论治经验相对接有待进一步探索。

【参考文献】

［1］梁茂新.中医证研究的困惑与对策［M］.北京:人民卫生出版社，1998：6.［2］张琴，刘平，章浩伟，等.900例肝炎后肝硬化中医证候判别模式 的研究［J］.中国中西医结合杂志，2006，26（8）：694－697.［3］李永健，方肇勤，唐辰龙.154例原发性肝癌临床症状多元Logis-tic回归分析［J］.中国中医基础医学杂志，2003，9（8）：59-61.［4］丁邦晗，刘涛，罗翌.胸痹心痛危险证型的回归分析［J］.中国中医急症，2004，13（4）:225－22.［5］李涛，杨春霞.焦虑症中医证候多元分析初步研究［J］.中国中医基础医学杂志，2006，12（2）：127－129.［6］刘寨华，曹洪欣，张明雪.胸痹（缺血性心脏病）心脾两虚证辨证标准研究［J］.中医药学报，2004，32（1）:5-7.［7］崔晓琳，蔡业峰，卢明，等.739例首发中风急性期辨证分型与危险 因素关系的回顾性分析［J］.中国中医急症，2005，14（10）：974-976.［8］温利辉，罗月中，洪钦国，等.IgA 肾病中医辨证的多元分析［J］.广州中医药大学学报，2006，23（4）:290－294.［9］陈昌华，石林阶，舒毅刚.肝血虚证15 项实验指标同步检测的分析［J］.湖南医科大学学报，2001，26（4）:337-339.［10］任艳玲，董平，郑洪新.多元统计分析在中医药研究中的应用与思考［J］.中国中西医结合杂志，2002，22（11）:860-862.［11］卢惠林，于景伟，吴童.用多元统计分析方法探求糖尿病的证治规律［J］.黑龙江大学自然科学学报，2005，22（6）:846-848.［12］李国春，史欣德.半夏泻心汤临床案例用药量的聚类分析［J］.中医药学刊，2005，23（5）:836-838.［13］郭蕾，张启明，王永炎，等.证候规范化研究的思路和方法探讨［J］.中国中西医结合杂志，2006，26（3）:258-261.［14］王永炎，刘保延，谢雁鸣.应用循证医学方法构建中医临床评价体系［J］.中国中医基础医学杂志，2003，9（3）∶227-231.［15］孙益鑫.论模糊数学与中医学［J］.中国医药学报，1996，11（1）：15－17.

第二篇：信息技术在国外中小学教育中的应用现状与研究的思考

信息技术在国外中小学教育中的应用现状与研究的思考

通过对日本、澳大利亚、韩国、印度尼西亚和美国5个国家新信息技术在中小学教育中应用情况的研究，我们得出以下结论：

不同国家对新信息技术的理解不完全一致有些国家认为信息技术就是指计算机及与其相关的通讯技术手段，如日本、新西兰、澳大利亚、韩国等，而有些发展中国家，比如马来西亚就认为，对于发展中国家，在信息技术中应考虑的不仅仅是计算机技术，而应同时考虑其它设备，这就是说应包括印刷材料、媒体包、录音带、录像带、甚至包括人类资源。计算机用于学校对某些国家是一项昂贵的事业，尤其对边远和农村地区，那里的中小学能源可能还是个问题。

但是，无论对信息技术如何理解，计算机在社会中的作用以及计算机在中小学教育中的广泛应用已经越来越得到更多人的重视。

与其它媒体在教育中的应用相比，在计算机教育中各国政府的行为比较多无论国家的教育管理体制是地方分权制还是中央集权制，关于计算机在中小学的应用，各个国家的政府都投入了相当大的精力，具体体现在：

不断建立各种机构和组织，对信息技术的发展以及信息社会给教育提出的挑战进行科学论证和科学决策；为了使教育为信息社会的到来做好准备，重新修改课程大纳，其中信息学和计算机教育是这次课程大纲修改的核心；投资支持国内企业生产专门的教育计算机（如韩国）；为学校购买和分发计算机，并将计算机的配置标准化（如韩国，当然，这也曾造成学校计算机的单一化）；政府组织专门力量开发软件，组织计算机软件竞赛，以促使提高教育软件的质量（如日本、韩国、马来西亚等）；政府制定有力的政策、策略并着力切实全面实施，如建立试点学校，教师分级培训计划等等（日本、韩国、马来西亚、印度尼西亚、美国等）。

计算机教育及其教育应用的共同趋势是工具模式、解放学习者计算机在每个国家具体的应用形式并不完全相同，这和各个国家的教育哲学、教育体制等各方面的具体情况直接相关。但是，共同的趋势是计算机越来越成为人们获取信息、处理信息、储存信息的工具，同时，计算机的知识从“原来技术只是劳技、家政等中的一部分”，逐渐“独立成一门课程”，目前又逐渐被整合到中小学生学习的各门学科当中去。

计算机在中小学教育中的应用方式大体上有指导教师模式、学习者模式、工具模式三种。

在日本，计算机更多的是作为众多媒体资源中的一种，在初中和小学主要是全班用作指导教师模式，执行教师布置的任务；学习者模式即计算机本身及其对社会的影响日本也很重视，只是高考的压力使日本学生更多地学习数学和物理而不是BASIC；日本计算机在学校教育中的最有特色的应用是用于教学过程管理以及教育管理方面；教师把计算机用于反应分析，教师能知道每个学生正在做什么并且可保存学生反应时间的记录，把计算机更好地用作工具评价教学过程并理解学生是如何学习的，所以，计算机作为工具的模式对于日本来讲更注重的是把它作为管理的工具。

对于新西兰、澳大利亚这些地理环境辽阔、人口密度小的国家，计算机除了作为一种学习资源，用于指导教师模式、学习者模式之外，计算机还是远距离通讯的重要设备、重要的节点和终端，是构造交互式、实时性的开放式学习模式的重要枢纽。计算机联网并用于构造新的开放教育、教学模式是这些国家在中小学教育以及其他教育形式中利用计算机的独有的特点。这一特色使得在澳大利亚、新西兰等国的新信息技术真正成为了学生学习的重要不可缺少的学习资源，这种学习资源不仅作为一种可选择的共享资源形式存在，而且它极大地丰富和完善了教学的模式，对教育产生了革命性的影响。

美国的计算机教育的发展则完全按照作为指导教师的模式、作为学习者模式、作为工具模式的发展轨迹，只不过美国更重视学生的计算机素质的培养，重视发展学生利用计算机解决问题的能力，所以计算机作为学习者模式在美国很流行，计算机语言的学习是美国小学、初中甚至高中的比较重要的方面，这方面的成绩是学生升入大学的一个重要参考。

韩国、马来西亚等计算机教育不是很先进的国家，他们在发展计算机教育的开始，为了少走弯路，借鉴了发达国家的经验，一般是按照计算机作为学习者模式，即主要教学生计算机语言，到目前发展成计算机作为工具的模式，即逐渐把计算机作为各门课程的辅助工具，并把它与各门课程的学习整合起来。

从世界计算机教育的发展趋势来看，在80年代初，前苏联伊尔肖夫提出的计算机编程是第二文化的观念在各个国家中产生了很大的影响；随着计算机技术的不断发展，和人们对编程是否促进学生思维发展试验的反面结论，促使人们对计算机在教育中作用的更深层次思考，到了80年代中期，计算机作为工具的观念逐渐被人们接受，家庭计算机逐渐增多，软件开发发展迅速，一时间在各门课程中使用计算机辅助软件非常流行；90年代，计算机多媒体、计算机网络的发展给信息技术在教育中的应用提供了更大的可能性，再加上人们对计算机辅助教学软件如何使用才更能达到促进教学的效果的思考，进一步提出了“整合”的概念，即把计算机和计算机教育整合到学生学的各门课程当中去，并提出要通过计算机在教育中的应用解放学习者的重要思考。当然，要完全整合到各门学科当中去，而不是作为强加给教师和学生的一种负担，要解放学习者，解放教师，教师对计算机的掌握、教师的新信息技术的文化和意识是至关重要的。

各个国家对教师培训都很重视国内有一著名学者认为，教师使用信息技术可以分成三个阶段：

早期阶段，在这个阶段计算机刚刚进入师范学校，用计算机、管计算机的只是专门的或是专业人员，此时，计算机是极端的以技术为主的文化，是少数人参与的阶段，在这个阶段，广大的教师没有认识到信息技术和他们的关系，产生“why”的疑问；政府和教师认识到计算机的重要，开始大量投入，包括对教师的培训，但对“how”，即对如何培训、培训内容很困惑，教师对计算机产生恐惧感、神秘感；教师知道如何使用计算机，此阶段教师不仅是去学计算机，而是把计算机结合到课程中，从而成为信息技术在教育中应用的最重要推动力。

因此，对教师的培训是信息技术在教育中应用的关键问题。

对教师的培训，一般包含职前培训和在职培训两方面，对于在职培训，各个国家大都采用了分级培训体系，即政府对各地区代表实施各级水平的培训，这些地区代表回到本地再当地教师进行培训。有些国家还采取了远距离的培训方式（如印度尼西亚）；有些国家为开发计算机软件的人员尤其是教师提供专门的培训（如韩国），以便鼓励他们自己编制软件，以解决软件质量的问题；还有的国家为当地政府的管理人员和研究人员提供专门的培训，以便使他们理解计算机教育的国家政策和教育部的计划，并最终对计算机教育提供科学的行政支持。

一些国家还很重视对教师培训效果的评价，并提出以被训者培训后测验成绩或一些相关行为作为评价培训效果的唯一标准是片面的，评价应具有职前和职后行为的整体性，即应对被训者培训后在他们工作岗位中实际计算机教育应用的能力和效果进行追踪监督，在工作中的应用水平和解决问题的能力等应是评价中要考虑的重要指标等较为切实的思想（如韩国、新西兰、马来西亚、印度尼西亚等）。

五、新信息技术的复杂性和技术的融合性，要求在教育软件的开发中应有一个由各方面专家组成的分工合作的良好的运行机制

信息技术的不断发展，就是技术的不断分化和融合的过程，如多媒体技术就是集数据处理，接收、处理声音、图像、活动图像、网络联接技术等于一体的综合技术，因此，其相应的教育软件开发就应当综合计算机技术人员、美工、媒体制作人员、教学设计专家、学科内容专家、教育心理专家、教师、管理人员、评价人员等各方面专家的专长，从而从根本上保证了节目各个方面的科学性、权威性，使节目具有较高的质量；同时软件的开发是一个系统开发的过程，制作过程中各个环节、各个阶段应很好的进行衔接，从而保证节目从总体思想、内容确定、脚本创作、以及媒体的表现到软件的制作、以及最后的评价等等具有高度的一致性；在复杂的软件制作过程中，各个阶段的评价和修改，也是有效保证节目质量的重要举措，同时节目的现场试验和修改这种形成性评价的重要方式在制作过程中也是很重要且必不可少的步骤；最后，软件原型的现场监督和反馈信息的收集，这些信息都作为修改节目的重要信息来源，也是继续开发节目的一面镜子。

总之，随着新信息技术的出现，及其在教育中的广泛应用，人们将不断发现许多概念都在重新扩大，如教师、学生、学校、学习、资源等等；人们也将会感到，新信息技术绝不仅仅是为学习者提供了多种可选择的学习资源，它将导致教育方法、教育模式、乃至教育体制的革命。而在这诸多变化中，教育观念的变化和更新是重中之重，否则，就会出现用18世纪的思想利用21世纪技术的历史笑话。

确实，新信息技术、传播媒体的发展给教育现代化带来了机遇，它们在教育领域有良好的、广阔的应用前景。但是我们也应当清醒地认识到，新信息技术本身不会孤立的在教育中必然地发挥作用，新信息技术对培养面向未来人才的作用，是要在现代先进的教育价值观念、现代教育思想指导之下才能得以实现，同时，只有把它和科学地确定课程内容、开发适合于使用新信息技术的教学结构、确定合理而科学的评价标准等教育、教学过程中各方面的措施系统地结合起来，只有为新信息技术的应用提供良好的运行环境和管理机制，才会最终实现优化教育效果的目标。

《中国电化教育》1999年1月作者单位：北京师范大学现代教育技术研究所

第三篇：地源热泵研究与应用现状

地源热泵研究与应用现状

应用现状：

一、世界地源热泵应用现状

地热发电已在世界27个国家开展，总装机容量达到了10751MWe，年发电利用67246GW·h，平均利用系数为72%（一年中有72%的时间在工作）。近五年内增长最大的美国530MWe、印尼400MWe、冰岛373MWe、新西兰193MWe。地热发电装机容量和发量世界排名前十位的国家是：美国、菲律宾、印尼、墨西哥、意大利、冰岛、新西兰、日本、萨尔瓦多、肯尼亚。印尼近5年的快速发展使其排名从2005年的第四位升为第三位，与墨西哥对换了位置。地热直接利用在78个国家，总设备容量达到了50583MWth，年利用热能121696GW·h，平均利用系数0.27。利用热能量的世界排名前十位的是：中国、美国、瑞典、土耳其、日本、挪威、冰岛、法国、德国和荷兰。在2005年世界地热大会统计中，瑞典因大力发展地源热泵，从2000年的第十位跃升至第二位；这5年其热泵发展减缓，与美国对换了位置，美国升为第二名[3]。

二、中国地源热泵应用现状

进入21世纪前后，受国际地源热泵开发大发展的影响，我国开始了地源热泵工程的实践，山东富尔达公司开始生产地源热泵（压缩机部件靠进口），北京、辽宁辽阳、济南、浙江宁波等地开始了一些试点工程。

地源热泵工程在我国的大发展在2004年以后。2004年全国地源热泵工程供暖（有的含制冷）总面积767万m2；至2006年发展至2035万m2，年增长率超过了60%；2007年更飞跃发展至3800万m2，在新的基础上仍然完成年增长率80%以上。这种供热（有的兼含制冷）面积的统计法是我国的习惯，国际上按设备的供热能力统计，则2007年我国已达约1900 MWth装机容量，这个数字已经进入世界五强之列，其前面的排序是美国、瑞典以及德国和法国。

在全国地源热泵的大发展中，沈阳市走在全国首位，其地源热泵的发展规划是：在2006年9月312万平方米的基础上，2007年已完成新增面积1500万m2，2008年计划增加1700万m2，2009年和2010年还将发展各1800多万m2。

北京市紧随其后，至2007年底北京累计完成各类地源热泵项目逾500项，新增超过300万m2，供暖（有的兼制冷）总面积超过1100万m2，利用浅层地能的功率约550 MWth。项目遍布城区、近郊区和远郊区县。北京市计划至2010年达到总面积3000万m2，即每年增长约600万m2。

另外，地源热泵在我国华北、东北、西北、南方以及西藏高原都有应用，它们组成了不同温度级别提取浅层地热能的应用，这些工程实例代表了地源热泵在不同地理位置和气候条件下的应用及适用性[4]。

展望：地源热泵技术作为一项新技术，目前已取得很大的发展，虽然有许多问题需要解决，但应用前景非常广泛。中国由于国土辽阔，近地表低温地热资源丰富，加之人口众多，采暖和制冷工业的基础相对薄弱，将来需求量无可比拟而被国外学者认为是世界上直接利用地热潜力最大的国家。在未来的日子里，中国面临着巨大的能源和环保压力，中国的经济要保持较高速度的增长，同时又必须考虑环保和可持续发展的问题，因此要求调整能源结构，提高能源利用效率。地源热泵技术以其节能、环保和可持续发展的突出优点，已成为空调供暖工程优先选择的方案之一。[5]

[3] 供热制冷，2010：60-61 [4]供热制冷，2010：62-63

[5]裴侠风，地源热泵技术的应用现状及展望[J]，制冷与空调，2004，（3）：76-78

第四篇：既有建筑抗震加固方法的研究与应用现状

既有建筑抗震加固方法的研究与应用现状

唐曹明 研究员,现任中国建筑科学研究院建研科技股份公司建筑设计院结构总工程师,从事建筑结构抗震防灾研究及工程设计工作,负责和参加过全国政协礼堂加固改造工程（1.7万平方米）、北京东方银座地下部分结构加固方案技术可行性、山西省政府高层住宅楼——佳泰花园抗震技术和国家博物馆加固改造工程（19万平方米）等重大工程的设计和咨询。系《建筑抗震设计规范》修编、《非结构构件抗震设计标准》、《配筋和约束砌体结构抗震技术规程》及《建筑震后评估、修复和加固技术规程》参编人员。

地震具有巨大破坏力，能在瞬间使大量建筑物破坏或倒塌，并引发各种次生灾害，造成人员伤亡，带来破坏与恐慌，是迄今人类尚难以抗御的自然灾害。我国地处全球两个最活跃的地震带，是地震多发国家之一。由于地震发生的具体时间、地域和震级大小均很难预测，正如陈肇元院士所说，为了尽量减轻地震造成的损失，目前能够采取的最现实和有效的措施，只能是通过设计和施工，使建筑物与各种重要基础设施具有足够的抗震能力。

当前我国既有建筑面积超过400亿平方米，其中很大部分建成于上世纪五六十年代，已分别进入了“老年”和“中年”期。限于当时的经济、技术条件，设计标准偏低，绝大多数既有建筑存在着抗灾能力弱、运行能耗高、使用功能差等问题。如何避免风灾、地震等自然灾害对这些建筑造成的破坏甚至威胁人民的生命财产安全？如果将存在问题的既有建筑全部拆除会产生大量建筑垃圾，一拆一建既不经济，又对环境造成污染，也不符合我国政府的可持续发展战略。解决问题的最佳途径是对其进行合理改造和加固，在仅增加少量投资的前提下，提高既有建筑物的综合抗灾能力，防止强震作用下倒塌或不至于粉碎性倒塌以提供一定的生存空间，或不至于很快倒塌以提供足够的逃生时间。如遭遇不可预见的特大地震，将倒塌的房屋数量和生命财产损失降到最低，将被动救灾的费用降到最少。我国抗震加固工作发展历程

不论是新建工程的抗震设防，还是既有工程的抗震加固，震害调查与研究一直是工程抗震理论的基础，也是工程抗震措施成功与否的检验标准。1966年在河北省邢台地震的震害调查中，一些民房采取了简单加固方法却大大减轻了震害，从而打开了专业人员通过抗震加固提高既有房屋抗震能力的思路。之后，北京、天津地区首先开展了部分房屋的抗震普查与鉴定，1968年编制了京津地区一般民用建筑、单层工业厂房、旧建筑、农村房屋及烟囱、水塔等的抗震鉴定标准（草案）和抗震措施要点，并在京津地区开展了抗震加固的试点工作。

1975年海城地震以后，在当时国家建委京津地区抗震办公室领导和组织下，我国工程抗震的技术人员很快编写制定了《京津地区工业与民用建筑抗震鉴定标准》（试行），于1975年9月正式实施。京津两市的部分房屋立即据此进行抗震鉴定与加固，开创了我国抗震加固工作的先河。尽管这种加固措施相对简单粗糙，但使用经济，符合当时国情，经加固的房屋在1976年唐山大地震中经受了考验。1976年唐山大地震以后，在总结大量震害经验的基础上，迅速开展应急性质的结构抗震加固技术研究，1977年12月颁布了《工业与民用建筑抗震鉴定标准》TJ23-77以及为配合该标准的实施而编制的《工业建筑抗震加固参考图集》GC-01和《民用建筑抗震加固参考图集》GC-02，成为指导全国建筑抗震鉴定与加固工作的规范文件，标志着我国抗震加固工作已从局部地区试点推进到全国，也标志着抗震鉴定与加固工作已成为防震减灾的重要组成部分，逐步进入规范化、制度化的轨道，具有里程碑的意义。1977～1978年间，不少单位先后进行了夹板墙、组合柱、外加构造柱、外加圈梁和钢拉杆、砖墙裂缝修复和墙体压力灌浆等项目的试验研究，并于1978年12月在成都召开了首次全国抗震加固科研成果交流会，会后编制了《民用砖房抗震加固技术措施》，这对提高砖房抗震加固设计质量起到了一定的指导作用。1980年后，抗震加固技术研究不断深入，并列入国家抗震重点科研项目。全国22个设计、科研单位和大专院校，相继开展了556项足尺模型试验研究，提出了46篇试验研究报告。在此基础上，于1985年编制了《工业与民用建筑抗震加固技术措施》，同期冶金部编制了《冶金建筑抗震加固技术措施》，并在本系统内应用。这段时间内的试验规模和研究深度，均标志着我国抗震加固技术的研究已进入世界先进行列。

1994年12月1日，建设部正式颁布实施了《建筑工程抗御地震灾害管理规定》，该规定指出，“对列入城市近期改建、企业改造计划的房屋、工程设施和设备可不进行抗震加固，对临时性建筑不进行抗震鉴定、加固，除此之外，凡未经抗震设防的房屋、工程设施和设备，均应按现行抗震鉴定标准和加固技术规程进行鉴定和加固，以达到应有的抗震能力。”这是我国第一次将抗震加固以行政法规的名义加以规范、规定。

1996年6月1日，《建筑抗震鉴定标准》GB50023-95正式实施。1997年2月，全国人民代表大会常务委员会通过了《中华人民共和国防震减灾法》，该法第二十条规定：“已经建成的下列建筑物、构筑物，未采取抗震设防措施的，应当按照国家有关规定进行抗震性能鉴定，并采取必要的抗震加固措施：①属于重大建设工程的建筑物、构筑物。②可能发生严重次生灾害的建筑物、构筑物。③有重大文物价值和纪念意义的建筑物、构筑物。④地震重点监视防御区的建筑物、构筑物。”这是第一次将抗震鉴定与加固工作写进法律，明确了既有建筑进行抗震鉴定与加固的范围，充分体现出抗震鉴定与加固工作的重要性，表明抗震鉴定与加固工作已进入法制化的轨道。1999年3月1日，《建筑抗震加固技术规程》JGJ116-98也正式实施。

2008年12月27日，《中华人民共和国防震减灾法》于第十一届全国人民代表大会常务委员会第六次会议修订通过，自2009年5月1日起施行。防震减灾法的修订，是在总结法律实施10年来的经验基础上，为适应经济社会和防震减灾事业发展需要，对法律制度进行全面的修改和完善。

2009年6月5日，《建筑抗震鉴定标准》GB50023-2009由住房和城乡建设部发布，自2009年7月1日起实施；6月18日，《建筑抗震加固技术规程》JGJ116-2009也相继发布，自2009年8月1日起实施。这两个规范性文件的颁布，总结了近年来建筑结构抗震鉴定和加固的经验，是我国最新的科研成果和工程经验总结，标志着我国在抗震鉴定与加固领域仍处于世界前列。

抗震加固常用方法

随着科学技术的发展，经过几十年的科学研究和对工程实践经验的总结，我国基本形成了层次配套、概念清楚、要求明确、易于掌握的建筑结构成套鉴定与加固技术。下面分别对钢筋混凝土结构、砌体结构和钢结构等几种常见既有建筑的抗震加固方法逐一总结、分析，并对地基基础常用加固方法做一说明。

钢筋混凝土结构。直接加固梁、柱构件的方法。当钢筋混凝土梁受弯承载力不足时，可采用增大截面、外粘型钢、粘贴钢板或纤维复合材、钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层、增设支点以及外加预应力等方法加固补强；当钢筋混凝土柱受弯承载力不足时，则可采用增大截面、外粘型钢、钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层以及外加预应力等方法予以加固；当梁、柱构件的受剪承载力不足时，可采用增加箍筋、包钢板箍、粘贴纤维箍、钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层以及缠绕钢丝等方法进行加固；当受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷时，可采用置换混凝土法对构件进行加固。粘贴纤维复合材和钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层两种加固方法，是近年来随着对加固工程中的新材料、新工艺、新技术开展广泛的研究后发展起来的新技术，轻质高强，加固不增大结构体积，所增加的结构自重几乎可以忽略不计；施工工序简单，可用小型工具操作，因而可以在传统技术无法施工的有限作业空间内实施；施工污染小、无噪声，且施工进度快、工期短。尤其是钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层法还很好地解决了加固后的耐久性、防火以及耐高温性能等问题。

改变结构受力体系的方法。通过在框架原有围护墙及分隔墙位置增设一定数量的剪力墙或在框架柱两侧设置翼墙，使原来的柔性框架结构改变为框架-剪力墙结构或壁式框架结构；当建筑物需要较大敞开洞口（如学校、商场等）时，也可采用在原有框架中新加支撑，使原柔性框架结构改变为框架-支撑结构。该方法通过改变结构抗侧力体系，降低原有框架分担的地震作用，在减少加固原框架梁、柱工作量的前提下提高结构抗震能力，达到抗震设防要求。该方法关键在于解决好新增墙体或支撑与原框架的连接问题，确保新增抗侧力构件与原框架能共同工作。因这种加固方法基本上能保证不影响建筑使用功能，保持原建筑风貌，且结构加固工作量相对较少，缩短工期，理论成熟，施工工艺简单，所以是目前提高既有建筑抗侧力能力的一个重要方法。全国政协礼堂、北京火车站和国家博物馆老馆等加固改造工程均采用过此种加固方法。

卸荷方法。二十世纪五六十年代的公共建筑，其内部分隔墙及外围护墙基本是较重的砖墙，这些分隔墙一般是按建筑功能要求布置，其平面分布往往不对称，造成结构平面质心与刚心不一致，导致地震作用增大，同时结构在地震作用下的扭转效应也随之增大。鉴于此，将原较重的砖墙换成轻质隔墙，卸去荷载，既能减轻地震作用和结构在地震作用下的扭转效应，又丝毫不损伤原结构，对改善既有建筑的抗震性能，实乃一种行之有效的方法。在国家博物馆老馆加固改造工程中，就曾将上、下层位置不对齐，高大厚重的粘土砖分隔墙换为轻质隔墙。

取消建筑物间的伸缩缝，将原来相互独立的单体结构连成整体的加固方法。二十世纪五六十年代的公共建筑，不少是由伸缩缝分成各自独立的单体结构，但这些伸缩缝宽度均较小，不能满足现行抗震规范对防震缝最小宽度的要求，地震时相邻房屋互撞导致破坏甚至倒塌。各个单体结构分别加固，施工空间小，难度大，若对部分单体结构采取在伸缩缝处设置钢筋混凝土抗震墙，将两个甚至多个单体连成整体，从整体上综合考虑结构加固方案，这样不仅能减少加固工程量，而且易于实现。

消能减震方法。这种方法是在结构的适当部位附加耗能减震装置，小震时减震装置如消能杆件或阻尼器处于弹性状态，建筑物仍具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求；在强烈地震作用时，随着结构受力和变形的增大，让消能杆件和阻尼器首先进入非弹性变形状态，产生较大的阻力，大量耗散输入结构的地震能量并迅速衰减结构地震反应。极强地震能量的主要部分由控制装置来耗散而非借助主体结构的塑性变形来耗散，从而使主体结构避免进入明显的非弹性状态而免遭破坏。另外，控制装置不仅能有效地耗散地震能量，而且可改变结构的动力特性和受力性能，减少由于结构自振频率与输入的地震波的卓越频率相近引起共振的趋势，减少结构的地震反应。如采用消能支撑的结构，其结构频率的变化主要依赖于支撑体系刚度的改变（支撑体系刚度的改变可以通过耗能元件的变形来实现），而不同普通钢筋混凝土结构，其频率的变化是依赖于结构自身损伤引起的刚度变化。作为非承重构件，消能元件的损伤过程也是保护主体结构的过程。这种被动控制技术能兼顾抗侧刚度的提高和抗侧能力增大，特别在大震时能有效减少地震能量的输入，明显降低结构侧移，达到控制结构地震反应的目的。该方法结构简单，无需外部能量输入，无特殊的维护要求，且对原有建筑布局影响甚小，故在公共建筑的抗震加固上应用前景广阔。北京饭店、北京火车站和国家博物馆老馆改造等工程中都有应用（见图1、2）。

砌体结构。面层或板墙加固方法。当房屋抗震承载力不足时，可根据原砌体实际情况及强度相差大小分别采用水泥砂浆面层、钢筋网砂浆面层、钢绞线网-聚合物砂浆面层和现浇钢筋混凝土板墙加固方法。其中现浇钢筋混凝土板墙加固方法最为常用，如当既有多层砌体房屋的层数超过规定限值需改变结构体系或原有墙体抗震承载力差得较多时均首选该加固方法。尤其是喷射钢筋混凝土，除了增大断面外，还能填补砌体结构中的孔洞、缝隙、麻面等，施工速度快，加固效果易得到保证。

增设抗震墙加固方法。当房屋抗震承载力不足且建筑使用功能允许时，对局部强度过低的原有墙体可拆除重砌并增设抗震墙，重砌和增设抗震墙的结构材料宜采用与原结构相同的砖和砌块，也可采用现浇钢筋混凝土。

外加圈梁-钢筋混凝土柱加固方法。当房屋的整体性不满足要求时，在建筑专业许可的情况下，可采用外加圈梁-钢筋混凝土柱加固房屋。该方法唐山地震后即由工程技术人员提出并应用于砌体结构加固工程中，施工便捷，加固效果易保证，只是对建筑立面有所影响。

隔震加固方法。当对房屋加固后抗震性能要求较高时，可采用隔震方法进行加固。隔震支座具有很大的竖向刚度和相对较小的水平刚度，在非灾害荷载作用下，隔震支座处于弹性状态，变形很小，可以完全满足上部结构较高的加固目标；在灾害荷载（大震）作用下，由于支座的水平刚度较小，支座发生较大的变形，进入塑性状态，此时整个结构体系的基本周期很大（相对于固定基础的结构），结构受到的地震作用也相对很小。图3为传统抗震结构与隔震结构地震时建筑物的反应。事实上，隔震结构体系在大震作用下，上部结构的运动类似于置于隔震支座上的刚体运动，整个上部结构完全处于弹性状态，可以达到结构的正常使用或立即入住水平（见图4）。该方法用于既有建筑抗震加固在美国、日本等国家已有成功的工程实例，不仅可用在砌体结构中，也可用于钢筋混凝土结构和钢结构中。如美国对盐湖城大厦、洛杉矶政府大楼等几十栋建筑就是采用此法进行加固；日本对一些办公楼、机场等大型公共建筑也是采用此方法，效果都十分明显。

钢结构。直接加固柱、梁、屋架构件的方法。在尽量卸荷的情况下，直接对截面进行补强，如用钢板或型钢通过焊接或高强螺栓与原柱连接；在翼缘上加焊水平板、垂直板、斜板或型钢等加强钢梁正截面强度；在腹板两侧加焊钢板增大钢梁抗剪强度；增设支撑以减小柱的计算长度；增设吊杆或下支撑构件减小梁跨度；采用预应力筋、撑杆构架、构件再分式等方法加固屋架。

改变结构受力体系的方法。同钢筋混凝土结构加固措施一样，通过在框架原有围护墙及分隔墙位置增设支撑或剪力墙，使原柔性框架结构改变为框架-支撑结构或框架-剪力墙结构，让新增支撑或剪力墙成为主要抗侧力构件，从而大大减小原来框架所受的地震作用。卸荷方法。

消能减震方法。消能减震装置是因两端产生相对速度或相对位移而导致滞回变形或摩擦从而实现耗能，相对运动速度越快或位移越大，产生的阻尼力越大，耗能就越多。一般来说，结构越高、越柔、跨度越大，耗能减震效果越显著。所以耗能减震加固技术适用于多高层钢结构及钢筋混凝土框架结构。尤其是屈曲约束耗能支撑，在受拉和受压两种状态下都能达到屈服，克服了普通支撑受压屈曲的问题，是一种集抗侧力和耗能为一体的消能减震装置。在日本，每年有一半的屈曲约束支撑用于各类建筑抗震加固中，通过测算，屈曲约束支撑为抗震加固最为经济与便捷的加固手段之一。

地基基础加固。在既有建筑物抗震加固和改造中，常遇到原有基础面积不够的问题，若处理不当会造成浪费或不能保证上部建筑物的安全。为此，应根据加固目的，结合地基基础和上部结构的现状，从预期效果、施工难易程度、材料来源和运输条件、施工安全性、对邻近建筑和环境的影响、机具条件、施工工期和造价等方面进行技术经济分析和比较，选定最佳的加固方法。

加大基础底面积方法。该方法适用于当既有建筑物的地基承载力或基础底面积尺寸不满足设计要求时的加固，可采用混凝土套或钢筋混凝土套加大基础底面积。加大基础底面积的设计和施工应符合《既有建筑地基基础加固技术规范》JGJ123-2000第6.2.1条的规定。

当不宜采用混凝土套或钢筋混凝土套加大基础底面积时，可将原独立基础改成条形基础；将原条形基础改成十字交叉条形基础或筏形基础；将原筏形基础改成箱形基础。该方法因施工简单，所需设备少，因而得到较多的应用。

微型桩方法。微型桩一般是采用压力灌浆的方式灌注水泥砂浆或水泥浆而成，一部分浆液渗入桩周土体（特别是对于粗颗粒土），与普通灌注桩相比，桩与桩周土体结合更紧密，因此，桩侧阻力及桩端阻力均比普通钢筋混凝土灌注桩要大得多。与其他方法相比，微型桩具有承载力高、沉降量小、所需施工场地较小、能穿透各种障碍物、适用于各种不同的土质条件等优点，同时桩孔孔径小，对基础和地基土几乎都不产生附加应力，施工时对原有基础影响小，也不干扰建筑物的正常使用。

加深基础法。该方法适用于地基浅层有较好的土层可作为持力层且地下水位较低的情况。可将原基础埋置深度加深，使基础支承在较好的持力层上，以满足设计对地基承载力和变形的要求。当地下水位较高时，应采取相应的降水或排水措施。

此外，还有石灰桩、注浆加固等方法，最为常用的是加大基础底面积和微型桩两种加固方法。抗震加固前沿技术研究

随着经济建设的发展、建筑类型的多样化，性能结构抗震设计已成为必然的发展趋势，新建建筑如此，既有建筑的抗震加固更不例外，而且随业主、使用功能的变更，其要求将更加迫切，这为性能结构抗震设计在抗震加固领域的应用创造了良好的条件。美、日等发达国家都已将基于性能的抗震设计概念应用于建筑物加固中，我国也已开展这方面的研究工作，中国建筑科学研究院现正在进行“十一五”国家科技支撑项目“基于性能的建筑抗震加固设计研究”工作。

1994年美国洛杉矶北岭地震和1995年日本阪神地震的震害经验为世人展现了建筑抗震技术的新出路，隔震和消能减震技术在大地震中经受了考验，表现出对建筑物和工程设施极好的保护功能。人们从采用隔震和消能减震技术而幸免地震破坏、保持完好功能的建筑物和工程设施上，看到了这种技术的生命力和极其巨大的社会、经济效益。因此，工程结构隔震和消能减震技术已成为国际工程抗震界关注的热点、前沿问题。近十几年来，我国在隔震和消能减震技术方面也开展了广泛深入的研究。广州大学土木工程学院周云教授在基于性能的抗震设计理论研究的基础上，结合耗能减震加固结构的特性，提出了基于性能的耗能减震加固结构整体设计理论框架，给出了设计中各关键环节的子框图，较为清晰地展现了设计的基本过程，为以后的研究工作指明了方向。当前抗震加固工作中应注意的几个问题

当前全国各地都在如火如荼地开展中小学校舍抗震加固工作，由于量大面广，任务重、时间紧，参与检测、鉴定和加固设计的单位多，尽管这些单位和人员大都具有资质和职业资格，但不少设计单位的技术人员对新建筑的设计熟悉，对抗震加固设计的特点以及加固施工中应注意事项不清楚，之前很少甚或从未接触过加固工程，故这里稍作说明，以期引起重视。（1）仔细阅读规范条文及说明，弄清来龙去脉，准确理解其真实含义，有针对性地采取对原结构损伤小、施工便捷、工期短等易于实现的加固方法，经济合理，避免千篇一律大面积地加固。上世纪五、六十年代建造的装配式钢筋混凝土楼、屋盖学校教学楼，抗震横墙间距一般为9～11m，大于《建筑抗震鉴定标准》GB50023-2009表5.2.2规定的最大间距，但超过值均在4m以内。鉴定、加固设计时，不一定要通过在原有预制钢筋混凝土圆孔板上增加现浇钢筋混凝土叠合层，将原来的装配式楼盖改变为装配整体式楼盖，使横墙间距满足规范要求，而应该根据建筑物的实际情况，结合墙体等竖向构件的加固，使结构抗震能力满足国家现行有关规范、标准的要求即可。对砌体房屋的楼、屋面预制板进行大面积凿毛是非常困难的，若处理不当，将不但达不到预期的加固效果，反而适得其反降低了原结构的抗震能力。

（2）抗震加固的内涵是结构加固而非单个构件补强，因此在加固设计时，首先应考虑整体性结构加固，尽可能地保留和利用原有构件，减少不必要的拆除和更换，使加固措施发挥综合效应，避免“头痛医头，脚痛医脚”的构件加固。

（3）不应存在局部加强或刚度突变而形成新的薄弱部位；同时，还应考虑结构刚度增大而导致地震作用效应增大的影响。

（4）把握关键，突出重点，新旧结合面的处理至关重要。加固设计应与实际施工方法紧密结合，采取有效措施，保证新增构件和部件与原结构连接可靠，新增截面与原截面粘结牢固，形成整体共同工作；并应避免对未加固部分以及相关的结构、构件和地基基础造成不利的影响。（5）严把材料质量关。加固材料的性能和质量应符合有关规范的规定。

目前国内对于各类结构的加固方法很多，这些方法各有其适用条件，这就要求必须结合工程的实际情况，进行技术经济的综合分析，充分考虑各种方法实施的难易程度、施工影响面及投资等因素，优化决策，采取最优方案，使加固既能保证结构安全，又经济合理。

性能结构抗震设计理论将对工程抗震产生持久而深远的影响，深入研究性能结构抗震设计理论在抗震加固中的应用，具有明确的现实需求，会对抗震加固技术起到重要的理论指导作用。

隔震和消能减震技术是通过调整结构动力特性的途径，减小结构在地震中的振动反应，从而保护结构以及结构内部的设备、仪器、管线和装饰物等不受损坏。尽管该技术仍处于不断发展和完善的阶段，但到目前为止，该技术在美国、日本、新西兰及我国等许多国家已被应用在多项新建和抗震加固工程上，有些已经受到了实际地震的考验，表现良好，技术和经济效益非常明显，具有广阔的发展前景。

文/中国建筑科学研究院 唐曹明

第五篇：仿生材料在环境保护中的应用现状与前景

仿生材料在环境保护中的应用现状与前景

摘要：仿生材料是材料学科的一个新的研究领域，本文介绍了环境材料的研究现状，指出环境材料的合理应用在环境保护中发挥的重要作用，并从仿生材料科学与工程以及净化环境的观点介绍了仿生材料材料的主要研究研究现状及其环境保护中的应用现状与前景，并展现与生态环境协调的材料和系统的构思。关键词：仿生材料、环境材料、环境保护 前言：

材料是直接或间接利用自然资源来制造成有用物件的物质[1],是人类社会文明进步的物质基础和先导，材料科学家把材料科学与工程定义为关于材料的组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学[2]。长期以来，材料的生产—使用—废弃过程，可以说是一个提取资源，再大量地将废弃物排回到环境之中的恶性循环过程。在这一过程中，人们在材料设计时很少注意到自然资源和生态环境对此恶性循环的承受能力。基于此，曾汉民提出了促进可持续发展的材料设计与自然资源密切关系的模式[3]，它充分反映出材料的设计、应用与环境、资源的和谐、协调。他认为化学组成、物理结构是材料的2个基本要素，决定了材料的性质、使用性能和制备工艺。同时，这些因素与环境及资源都紧密相关且相互作用。

所谓生态材料(eeomaterials)系指从生态学角度构思与环境协调的材料。随着社会的发展，资源消耗急速增加，大量废弃物及有害物的排出，使周围环境、地球环境日益恶化。21世纪世界人口将突破100亿，为了解决资源和环境的协调问题，必定要在材料科学与工程学科的发展中反映环境意识[4]。

在环境材料中有一类是仿生材料，它指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。我们在现实生活中接触过许多动物与植物，他们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成，例如能够跳动80年都不停止的人类心脏，几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看，仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能，简直不可思议。因此，仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标，用生物材料的观点来思考人工材料，从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作[5]。但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多，可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。

1、生态材料的仿生领域 1.1仿自然材料

自然界中的物质和生物经数亿年以上的进化，迄今已具有最适宜的结构。由生态材料的观点考虑，这些生物消耗适度物质和能量而生存，能适应环境，当其主要功能丧失后，转变为夭然存在的材料。如树苗吸收太阳的能量、水分、CO2及土壤中的养分成长为树木。树木死亡后细胞木质化、心材化便得到可再生的资源，其材料化过程耗能430kWh/t，要比炼铝的17000Wh/t和炼钢的2700Wh/t小得多，而且废木料燃烧时放出的热能可再利用，在自然界中废木料经细菌作用可再循环。木材和人们关系密切，因它具有高绝热性、容积比热大可调节室内气温；它的近表面的微粒子状物质的扩散反射，能很好地吸收紫外线，反射率低适应人眼的视觉；此外它为多孔性结构，含有水分和空气，而内部的空气层有吸音和隔音性能。

又如日常接触的土壤具有许多优异的功能。土壤是支撑动、植物活动的结构材料，具有通透空气和水并保持它们存在的功能；土壤中存在荷电物质故有离子交换功能。

天然材料的自然循环特性是显而易见的，如源于岩石的石材复合结构中各种矿物经水合、水解，相应成分溶解使母材解体，而残留于土壤中。这种天然物质长期的解体、再生的循环可于低负荷下进行。模仿这种材料的自然循环性，研究与开发了易解体材料。

实际上生物的形状及构成生物的骨和纤维等材料，其结构能很好地适应重力、风和生物本身的运动。这和材料的微结构、材料组成及结构密切相关。例如在非洲南部灼热气候中生长的称为Fenstraria的植物，其主体埋于地下，仅叶尖露出地面，此叶端相当于透明的窗，作为吸收光的入口，同时作为有害紫外线的滤光器，光通过叶内部的透明质均匀地在地下的叶壁分配。具有这种结构的光能变换元件，其单位表面积的变换效率甚高，现正以此为模式设计三维集成化器件。1.2仿生过程 为有效地协调生产物与自然环境之间的生态平衡，人们研究与开发了模仿生物功能的人工过程，兹举例说明。

(1)利用细菌过程。土壤受重金属污染可用细菌处理，如人们从重金属污染的土壤中分离出镉耐性菌，将其在含50g/m3的培养导报基上培养20h，此菌可存贮27.3mg镉，该量相当于干燥菌体重的53%。亦有用六价铬耐性菌和水银耐性霉等吸收除去Cr和Hg的报道。此外利用微生物除去活性污泥中的金属，这可能与微生物所含的多糖、蛋白质、脂质和核酸等的官能基与金属结合有关。迄今地球上存在的微生物仅很少一部分被利用。极限环境(高温、强酸性、高碱性、高盐性环境、深海底和地热等)下微生物的检索、采集、培养与利用是很有意义的课题。

(2)生物吸着过程。生物吸着是指利用生物物质吸着水溶液中的金属离子使其浓缩的过程。吸着介质可为特定的菌类和藻类，其吸着量可达33-72Omg/g。此藻类和菌类的细胞壁由蛋白质和多糖类组成，其氨基、羧基、酰胺基和羟基能与金属离子结合，故生物吸着机理是在细胞表面迅速产生离子交换反应，随之进行扩散与还原以及配位反应等。调节藻类溶液的pH可改变其离子吸附特性。利用生物物质可开发出经济的金属回收方法，但需进一步研究生物生与死时吸着机理的差异。1.3仿生科学与工程

旨在阐明自然过程的特征，且以人工的合成分子组成反应装置或机械，来模拟自然过程。以此构思金属的精制和金属化合物的合成过程。下面介绍以细抱为基本单元的物质传递控制功能，以启迪仿生的思路。

(l)选择性主动传递过程。物质经细咆膜的传递过程与一般精制和分离过程迥异。前者是以分子或离电化学位为基础的主动传递现象，对特定分子和离子传递的选择性特别受人注目。从细胞的分子生物学分析，K+在细咆内的浓度比细胞外的浓度高约20倍，Na+的浓度则相反，这是由于输运体蛋白质腺苷三磷酸酶(ATPase)将Na+向细咆外，而将K+向细胞内主动传递的结果。

为模仿细胞膜的这种选择性的主动传递过程，应设计柔性的物理或化学载体，它可使膜在低浓度侧选择性结合特定离子；而在膜的高浓度侧此离子脱离。(2)选择性被动传递过程。细胞膜由于具有离子通道开闭的门功能，它的选择性要比一般分离膜高得多。因此，仿照生体膜的离子传递体系，可将人工离子通道预埋于脂质体中，进行Co2+的选择传递研究，开发具有开关功能的特定物质传递器件或自动控制物质传递器件。

(3)利用人工微球过程。自1965年Bangham用磷脂质制成了接近细胞膜的人工脂质双层膜以来：生体膜的物理化学发展甚快。如研究与开发了微球状封闭的双层脂质体，其大小可调节(由直径25nm的微脂质体到数μm大小的红血球)。此外，模仿生体膜又制成直径μm级的微囊，其内部的芯物质和外部环境隔离成微小容器。此芯物质微粒子分散在连续介质中，由界面聚合法成膜，膜厚可在nm到μm范围调节。上述脂质体和微囊类具有物质传递控制功能。

(4)利用膜动传递过程。细胞独特的物质传递是很有意义的现象。细胞内外的蛋白质、多糖等巨大分子通过细胞膜的变形、粘连、融合和分离可在细胞内外出入，即细胞的内摄作用和细胞排粒作用。仿照细胞膜动态传递过程虽有困难，但可启发人们构思选择效率高的浓缩装置[3]。

2、仿生材料在环境中的应用 2．1人造生物纤维

最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝，人类自古就有很大的兴趣，这些丝纯粹是由蛋白质构成，特别是蚕丝，具有温暖的触感和美丽的光泽。二十世纪以来，人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法，此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维，例如，牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维(东洋纺)，商品名为稀苤的高吸湿性纤维(旭化成)等等。这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与内部构造取得了成功[6]。另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究(日本农业生物资源研究所)，并且对蜘蛛丝也进行了研究(日本岛根大学)，研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。2．2抗污染表面图层材料 “荷叶效应”和“非光滑表面理论”的同时发现和相继发展，展示了国内外学者在仿生学研究中的竞争和挑战。1971-1990年，Bonn大学植物学家Borthlott等[7]发现荷叶表面的乳状突起构型，研究其抗污染的自清洁效应，并将模仿荷叶所制备的纳米表面涂层材料应用于汽车制造工业和建筑工程（图1）。吉林大学任露泉等人20世纪80年代起开始研究蜣螂、蚯蚓、蝼蛄等所谓土壤动物体表不被粘附的问题。生物界存在着光滑和非光滑两种界面。传统上认为，界面越光滑，阻力越小，越不被粘附。任露泉等[8]发现，在一定的条件下，生物体的一定的非光滑表面具有减粘、脱附、降阻和耐磨效应。他们开发出仿生犁壁、推土板和不粘锅等系列的减粘脱附仿生产品（图2）。

图1荷叶表面的乳状突起和污染的自清洁效应（仿Barthlott等，1997）.左：荷叶表面排污现象；中：荷叶表面的乳状突起；右：仿荷叶涂料的自清洁效应，其中左侧为普通涂料，右侧为仿荷叶涂料（4年后）2．3仿生材料对水体中POPs的富集

POPs是指持久存在于环境中，通过食物网积聚，并对人类健康及环境造成不利影响的化学物质，具有持久性、生物累积性、长距离大气传输性和毒性。近几十年来，国内外饮用水源水中发现存在持久性有机污染物[9-11]。检测到的POPs在水体中浓度很低，甚至在ng/L~pg/L的浓度级[12-13],直接导致了监测和有效去除的困难。所以开发新型的富集材料来实现有效监测和去除POPs就显得非常重要。

在职业病毒理学和环境毒理学方面，皮肤一般被认为是有毒物质被摄入的通道。因此皮肤作为一种能够吸收有毒物质的膜受到了关注。早在1988年，Joy Houk和Richard H.Guy[14]在他们关于皮肤渗透研究模型回顾中详细介绍了1988年以前在仿皮肤渗透膜方面取得的一些研究进展。Huckins等设计了包含三油酸甘油酯的半透膜采样器(Triolein-SPMDs)应用于环境污染监测[15]，是基于模拟生物、替代生物进行环境监测构思的基础上加以设计的。低密度聚乙烯薄长带为半渗透膜，三油酸甘油酯涂布于带内，整个结构为“三明治状”层叠式。大多数的有机污染物分子通过被动扩散的方式进入膜材料并在三油酸甘油酯内得到富集。疏水性的聚乙烯薄膜表面对水分子的排斥作用导致溶解态的疏水性有机污染物通透能力差，减慢了富集速度。为此一系列以亲水性的高分子膜内嵌三油酸甘油酯的复合膜得到开发。

包含类脂的取样器件能够长期富集水体中的有毒有机污染物，适用于环境中低剂量的POPs富集分离检测，在环境监测中得到了广泛的应用。3展望

以上概要地介绍了生态材料的主要研究领域、现状及今后的发展趋势。先进国家自由市场经济的发展是以地球环境的破坏为代价的。现今环境意识已逐步为人们所共识，技术与环境的协调将促进文明。随环境经济的提出，生态材料的研究与开发刻不容缓地摆在人们面前，实际上以仿生科学与工程为基础的生态材料学的发展必将促进材料科学与工程学科的发展，无疑地将促进经济发展，并造福人类。参考文献

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