1、基于生物学隐喻的建筑工程演化论张骥1,2*,王世骐3,41.华中科技大学 土木与水利工程学院，武汉 430074;2.国家数字建造技术创新中心，武汉 430074;3.中国科学院 古脊椎动物与古人类研究所，北京 100044;4.中国科学院 生物演化与环境卓越创新中心，北京 100044摘要：关于工程演化一般规律的理论本世纪刚刚诞生。本文针对建筑工程行业，以演化生物学的理论框架为纲，展开类比研究。首先分析生物演化的底层逻辑，随之引出物种与环境的关系，最后上升到种系发生。运用隐喻方法将此图式结构影射到建筑工程演化论，并列举古今中外建筑工程及其技术要素、非技术要素的典型例子，借用生物学骨架建立起新
2、的理论模型。结果表明生物演化与建筑工程演化在整体上具有一定的相似性，由此可得到有实际价值的建筑工程演化模型，而且生物学中还有更多理论成果和统计方法有挖掘利用的潜力，二者之间的差异性有待进一步探讨。建筑史学可助力构建全面的工程系统演化论。本领域的研究同时面向建筑工程的过去、现在与未来。关键词：工程哲学；工程演化；建筑工程；演化生物学；类比中图分类号：B01;TU-05文献标识码：A文章编号：1674-4969(2023)05-0442-8引言人类走过漫长的工程实践历史之后，本世纪终于诞生了针对工程演化规律的专门研究1，2。草创伊始，侧重哲学的工程演化论2在认识论和方法论上，非常重视来自生物进化论
3、的类比和隐喻：“遗传”隐喻“工程传统”，“变异”隐喻“工程创新”。这两对朴素的类比为向工程演化论中引入生物学思想打开了大门。早在达尔文发表自然选择理论后不久，马克思就曾赞同地引用他人对资本论的评论：“经济生活呈现出的现象，和生物学的其他领域的发展工程研究跨学科视野中的工程2023 年 10 月JOURNAL OF ENGINEERING STUDIEShttp:/工 程 哲 学DOI:10.3724/j.issn.1674-4969.22082302收稿日期:2022-08-24;修回日期:2022-09-21基金项目:国家自然科学基金项目(41872001);中建三局应用示范研究项目(CSC
4、EC3Z-2019-03)作者简介:*张骥（1978），男，博士，副教授，研究方向为结构工程、计算演化生物学。E-mail:zhang_（通讯作者）王世骐（1980），男，博士，研究员，研究方向为古生物学与地层学、演化生物学。E-mail:引用格式:张骥,王世骐.基于生物学隐喻的建筑工程演化论J.工程研究跨学科视野中的工程,2023,14(5):442-449.DOI:10.3724/j.issn.1674-4969.22082302Zhang J,Wang S Q.Theory of evolution of architectural engineering based on biolog
5、ical metaphorJ.Journal ofEngineering Studies,2023,14(5):442-449.DOI:10.3724/j.issn.1674-4969.22082302史颇相类似旧经济学家不懂得经济规律的性质，他们把经济规律同物理学定律和化学定律相比拟”3。近40年来，越来越多西方经济学研究者努力将其自然科学基础从牛顿力学（新古典经济学）转换为生物学（演化经济学）。当前谋划我国交叉学科建设的一些科学家提出，生命科学可能正在推动整体科学范式的根本转移4，而现代力学的研究对象则从自然科学扩展到工程技术、生命体乃至工程哲学等人文社会科学5。工程演化论不仅能帮助我们认
6、识历史，还能帮助我们把握未来。今天的建筑业正在迈向以智慧城市、生态建筑、数字建造为特征的新时代，面临着人工智能设计、数字孪生、3D打印等新技术以及实物+数字产品、服务建造、平台经济等新业态的崛起6。建筑工程可能走向何方?这是迫切需要我们深入思考和认真回答的问题。有团队初步梳理了现代建筑工程史，展望数字建造时代的到来。但该研究着眼于历程叙述，没有提出演化理论7。在此背景之下，本文以科学-技术-工程三元论和工程本体论8为理论出发点，在遗传、变异隐喻2的基础上，尝试从演化生物学中进一步发掘出一整套具体思想方法作为借鉴，初步建立建筑业的工程系统演化理论。1演化逻辑1.1可传承的创新工程传统、工程创新分
7、别与遗传、变异的直观相似性是工程演化之生物学隐喻的最初基础。然而仅有遗传和变异尚不能构成生物演化，另一个必要条件是新产生的变异还可以继续遗传。当代学者为达尔文晚年著作所作的序言9里称之为“可遗传的变异”。人有目的地促成了技术发明和工程创新，当然就会有意识地在后续项目里继续使用和传承。在建筑工程的各项技术要素、非技术要素方面，例子有复杂建筑造型和墙面图案、基于人工智能的建筑/结构/设备设计、混凝土/FRP/钢结构3D打印建造技术、纤维增强混凝土复合材料、期房预售融资渠道、建筑机器人、基于BIM的设计-施工管理等。在建筑工程整体方面，例子有装配式建筑10，11、数字建造等综合诸多要素的系统创新。类
8、似于可遗传的变异，它们都可称为“可传承的创新”。1.2生存竞争1.2.1种内斗争在自然界,同一物种内或近缘物种间各个个体的生活空间和资源是高度重叠的,故而为了争夺生存机会而展开各种形式的斗争。在建筑工程界,市场空间常常是固定的,扮演相近角色、承担相同功能的工程或其组成要素之间也会形成类似的互斥竞争。技术要素、非技术要素之间存在竞争，比如复杂体型/立面与方盒子外形、AI与传统设计、3D打印与传统浇注/制造、纤维混凝土与钢筋混凝土、期房与现房销售、机器人与建筑工人、BIM与图纸设计-施工。诸要素组成的整体建筑工程之间也存在这样的竞争，比如装配式建筑与现浇混凝土建筑、不 同 形 式 和 程 度 的
9、数 字 建 造 与 传 统 建 造模式。1.2.2种间合作在自然界,不同物种之间可以形成捕食、寄生、共生等合作关系。在建筑工程界,扮演不同角色、承担不同功能的技术要素、非技术要素之间以及这些要素与整体建筑工程之间也会形成类似的合作。比如纤维增强混凝土复合材料为3D打印混凝土结构建造技术解决了抗拉强度和抗裂能力不足的问题，而3D打印建造技术又为复杂建筑造型及墙面图案设计解决了施工浇注困难和一次性模板浪费的问题。又比如高强混凝土材料和预应力钢筋张拉技术为大跨场馆和摩天大楼工程提供了基础条件。反过来，后者也为前者打开了生存空间，促进前者的研发升级。1.2.3环境适应与改造各种生物以各自的方式适应和改
10、造自然环境。相应地,各类建筑工程及其技 建筑信息模型（Building Information Modeling）。张骥,等.基于生物学隐喻的建筑工程演化论443术、非技术要素也会适应和改造自然环境和社会环境。比如在唐宋之交东亚降水量增加，屋架举高普遍提升。房地产起步阶段面临资本不足，发展出期房预售制度；而该制度反过来刺激开发商提高杠杆率，推动城市化加速扩张。又比如土地供应紧张催生大片高层写字楼、住宅建筑工程；带来了附近工作人群和居民生活方式以及城市微经济的变迁。随着环境、能源危机迫近以及建筑工人短缺，装配式建筑工程得到大力推广10，11；反过来又能推进城市的信息化、智能化、数字化。1.3人类
11、选择自然根据生物个体繁殖后代的概率做出选择。对于各类建筑工程及其技术要素、非技术要素而言，根据在随后工程项目里得到沿用传承的数量，人类社会也类似地做出选择。比如一战之后，现代主义设计风格广受青睐，“包豪斯”方盒子建筑风靡全球。城市化进程刚起步时，地方政府需要不断出让土地以支持建设，购房者享受房价上涨收益，各方普遍欢迎期房预售。又比如在美国经济活跃的地区，高层建筑工程稳步发展，即使911恐袭事件也没有吓阻市场兴建高楼的热情。在重工业发达、劳动力成本高的社会，钢结构、装配式混凝土结构工程更普遍，反之则现浇混凝土结构工程占大多数。选择优势变异个体的同时，可能会伴有别的负面特质。比如古人类直立行走、劳
12、作赢得生存竞争获得了自然的选择，但也带来膝关节退变、静脉曲张、痔疮、分娩困难、腰椎退变等弱点。类似地，高层建筑工程赢得商业竞争获得了部分都市社会的选择，然而安全隐患、资源消耗、热岛效应、城市阴影、幕墙光污染等弊端也层出不穷。2物种与环境2.1生殖隔离在前述演化逻辑的基础上，当出现某种原因阻碍几个种群（population）之间的基因交流时，可能会分化出不同的亚种乃至新物种。与之类比，当建筑工程群体之间创新的传播和继承受到某种阻碍时，也可能导致各工程群体的性状发生分化。2.1.1地理隔离自然界里最直观、也许是最重要的生殖隔离机制是地理空间屏障。建筑工程界也有很多类似的现象：包豪斯运动从德国迅速走
13、向世界，一时间千人一面；在各地区内相对独立地演化并适应当地社会文化环境之后，逐渐表现出一些地域差别。唐代佛教建筑风格和技术传入日本，形成大佛造；后世为屋面排水需要提升举高，此时宋代改革传统抬梁式结构，而日本改用当地小屋组结构，从此以后唐代寺庙建筑工程的中日两支后代彻底分道扬镳。2.1.2生态隔离共处于一片天空下，不同的生态位也常常阻碍基因变异在种群之间扩散和遗传，最著名的例子莫过于长颈鹿采食高处树叶以避免与羚羊、斑马等食草动物竞争。在建筑工程界，典型例子包括民用建筑与工业/农业建筑工程、多高层建筑与大跨场馆建筑工程之间的隔离，分别占据各自的市场位置，相对独立地发展演变。有时新的生态位来自无心插
14、柳。最近的化石证据和研究表明，长颈鹿的体型演化很可能是源于性选择，而摄食生态位是一个结果12。近年来我国大力推动BIM甚至数字孪生技术，市场反应一直不理想；新冠疫情暴发后，应急医院工程产生了对这些新技术的迫切需求，通过展示多专业协调与气密性、空气流动等测试方面的价值，数字技术还可能在平时医院工程以及其他特种建筑工程中获得市场。2.2演化方向生物演化常常呈现出从简单到复杂、从低级到高级的一系列精彩画面，但同时依然有种类繁多、数量庞大的简单和低级生物一路演化至今。而且演化史上也有不少从复杂退回到简单的例子。现代人类虽不断刷新摩天大楼、大跨场馆等 日本佛教建筑的造法样式。444工程研究跨学科视野中的
15、工程,14(5):442-449(2023)空间尺寸的记录，但不妨碍人们对结构简单的茅屋、别墅的广泛享用。而且古代石砌教堂、木构殿宇等繁复的工程技艺如今已不再使用。自然环境决定生物演化的方向。从地质时间尺度来看，自然历史上环境的变迁有一定规律，但也充满了种种偶然。自然环境和社会环境共同决定建筑工程演化的方向：历次强烈地震考验人类城市，17世纪以伽利略和牛顿为代表的科学家们创立古典力学，18世纪中叶19世纪中叶第一次工业革命带来铁、玻璃等高产廉价建材以及蒸汽锤、起重机等工程机械，19世纪末叶第二次工业革命带来钢、混凝土等现代建材以及电力驱动机械设备，19世纪中叶20世纪中叶接连涌现从工艺美术运动
16、到现代建筑运动一系列艺术思潮，20世纪实用主义哲学成为主流思潮，始于20世纪中叶的第三次工业革命带来高性能建材和电子计算机，20世纪中后期连续出现环境灾难和能源危机，刚刚拉开序幕的第四次工业革命正在带来环保建材、智能建造、清洁能源社会环境的变迁有自身规律，但同样充满偶然。2.3间断平衡生物演化在大部分时期里处于中性的渐变平衡态，随机的遗传漂变带来个体性状的缓慢波动；而当环境发生剧烈变化，或者基因变异显著影响到个体生存繁殖时，演化进入突变间断期，自然选择登上舞台，一些旧物种灭绝，一些新物种诞生。“创造性毁灭”理论认为社会经济的常态是周期性失衡，每一次大规模创新淘汰掉旧的技术和生产体系，建立起新的经济结构。这同样也适用于建筑业。17世纪末法国发明压铸平板玻璃，巴黎市民纷纷抛弃木板窗、油纸窗、铅条格栅小块玻璃窗，换上平整的大块玻璃窗。电子计算机问世后，CAD（计算机辅助设计）的出现和普及令以往工作量极大的手绘施工图很快被淘汰。随着数值计算技术飞速发展、中国建筑科学研究院等机构主持开发软件并推广使用，过去任务繁重、容易出错的手算结构设计很快被电算取代。当今数字时代背景下，正在成长中的三维数字模
