201*年專業(yè)技術(shù)人員繼續(xù)教育培訓(xùn)學(xué)習(xí)心得

黑龍江省201*年度專業(yè)技術(shù)人員繼續(xù)教育知識更新培訓(xùn)學(xué)習(xí)心得

仿生原理與仿生機(jī)械概論

學(xué)習(xí)心得

通過學(xué)習(xí)吳偉國老師主講的《仿生原理與仿生機(jī)械概論》，對探討工業(yè)仿生機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科研實(shí)驗(yàn)等實(shí)際操作任務(wù)前應(yīng)具備的基礎(chǔ)理論和技術(shù)，如工業(yè)仿生機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)或本體產(chǎn)品的物理參數(shù)識別、末端操作器操作軌跡規(guī)劃、各種控制方法與技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)一步掌握。學(xué)習(xí)涉及到機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、理論力學(xué)、自動控制理論基礎(chǔ)、線性代數(shù)、機(jī)電一體化等機(jī)械工程類大學(xué)本科所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課程的知識，使自己對仿生機(jī)器人控制的實(shí)際應(yīng)用有了更全面、更深入的認(rèn)識和理解，尤其對機(jī)器人控制在原理、結(jié)構(gòu)級成及控制策略上加深了理解，理論上得到了提高，下面就具體談?wù)剬W(xué)習(xí)上的一些體會：

一、仿生機(jī)械與仿生機(jī)器人技術(shù)進(jìn)展

1.仿生機(jī)械與仿生機(jī)器人主要的基礎(chǔ)問題

仿生學(xué)[bionics,biomimetics]以在自然界中生存的、經(jīng)過數(shù)十億萬年長期進(jìn)化的生物為研究對象，研究生物系統(tǒng)機(jī)能、結(jié)構(gòu)、能量、信息機(jī)制等問題，并利用研究中獲得的知識去解決工程問題的分支科學(xué)。研究模仿生命系統(tǒng)功能的系統(tǒng)的科學(xué)。

機(jī)器人[android，automaton，robot]ISO定義：是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個軸，能夠借助于可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人！

機(jī)器人（1）像人或人的上肢，并能模仿人的動作；（2）具有智力或感覺與識別能力；（3）是人造的機(jī)器或機(jī)械裝置。

仿生機(jī)械研究的特點(diǎn)與難點(diǎn)

復(fù)雜靈活的運(yùn)動機(jī)能、天然合理的體能與形體設(shè)計(jì)、控制靈活/柔軟、環(huán)境適應(yīng)性、快速反應(yīng)能力、損傷再生能力、復(fù)雜的群體社會行為這些都是目前仿生機(jī)器人研究中所要面對的難點(diǎn)。

仿生機(jī)械與生物對比存在的問題(1)驅(qū)動機(jī)構(gòu)

首先是驅(qū)動器的重量/性能比同生物的筋肉相比小。鳥類和哺乳類生物平均單位筋肉的有效功率約為200W/kg;單臺小型大扭矩型DC電機(jī)約為550W/kg。但實(shí)際上，為適應(yīng)于關(guān)節(jié)驅(qū)動的角速度，加上減速齒輪、諧波減速器驅(qū)動，就變?yōu)?10W/kg左右，遠(yuǎn)不及動物的筋肉程度。再加上電源系統(tǒng)來比較差別就更大了。昆蟲跳躍時(shí)瞬時(shí)功率，狍子競達(dá)2800W/kg。它不單純是筋肉瞬間收縮，還依賴于事前蓄積的彈性能的急劇釋放。在高溫高壓下進(jìn)行燃燒的引擎的重量/功率比可以達(dá)到同肌肉相當(dāng)?shù)某潭�。但是從小型化和控制方面來看不適于機(jī)器人。使用電機(jī)作驅(qū)動源很難達(dá)到與動物同等運(yùn)動性能的目標(biāo)。因此，M.H.Raibert在研究模仿動物動態(tài)運(yùn)動時(shí)他的單腿跳躍機(jī)器人采用液壓驅(qū)動解決了問題。

(2)能量

目標(biāo)軌跡追蹤控制或者力矩(轉(zhuǎn)矩)控制是目前多被用于機(jī)器人的控制手法�？墒�，伴隨著軌跡準(zhǔn)確追蹤能被實(shí)現(xiàn)的另一方面，電機(jī)消耗能量成為大問題。高密度的電池開發(fā)正在進(jìn)行，但是能夠保證正常工作時(shí)間的很少。生物的運(yùn)

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動巧妙地利用重力和共振，從而減少其能量消耗。它不單單是驅(qū)動各關(guān)節(jié)，有時(shí)是非驅(qū)動的，利用重力等外力幾乎使之自由運(yùn)動，通過共振作用來增加振幅。有人將這些原理的機(jī)構(gòu)及控制手法應(yīng)用于機(jī)器人，研究并實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)動控制。例如，就雙足步行動作，McGeer制作了沒有驅(qū)動器的步行機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一邊下坡一邊步行動作。此外，這種被動步行(PassiveWalking)、在關(guān)節(jié)施加一定的力矩時(shí)的步幅的變化、以及周期性的Chaos變化等也被研究了。

(3)機(jī)構(gòu)

動物的筋肉收縮時(shí)作為驅(qū)動系統(tǒng)工作，伸展時(shí)僅作為彈性要素被動工作。因此，不總是主動控制/驅(qū)動關(guān)節(jié)，有時(shí)利用重力等自由運(yùn)動來減少能量損耗�！窬哂信c動物的筋肉產(chǎn)生相同的驅(qū)動力矩、而且非驅(qū)動時(shí)完全自由動作等特性的驅(qū)動器重量將變得很重離合器。此外，動態(tài)運(yùn)動與被形態(tài)和重力支配的機(jī)構(gòu)固有振動模型有相當(dāng)大的關(guān)系。因此，關(guān)于動物有利于其運(yùn)動的機(jī)構(gòu)(長度、質(zhì)量分布)的報(bào)告出現(xiàn)了。其中指出，有關(guān)人與猴子在軀體與腳長比、質(zhì)量分布等數(shù)據(jù)表明：人易于雙足步行，而猴子更易于攀援樹枝。對于機(jī)器人也同樣，也需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)動作的合理質(zhì)量分布。因此，用較少的能量，既可準(zhǔn)確控制又能劣驅(qū)動關(guān)節(jié)控制的機(jī)器人是可能的。但是，驅(qū)動器的質(zhì)量、及其搭載性問題等。

(4)柔軟性

生物的關(guān)節(jié)以及骨骼在生物與物體發(fā)生撞擊時(shí)，能起到減緩沖擊力，吸收能量的作用。用金屬做成機(jī)器人的情況下，要想使其自身來具有這樣的緩沖特性是很難的，雖然可以通過阻抗控制讓各驅(qū)動關(guān)節(jié)具有任意的動態(tài)特性的方法來解決，但從采樣實(shí)時(shí)等方面來看，對于造成沖擊的外力很難得到充分的響應(yīng)特性。此外，與采用柔軟材料可以減緩沖擊力的優(yōu)點(diǎn)相反，因?yàn)槿彳洸牧系男巫�，自身位置控制又變得十分困難。

(5)控制

控制對象通常為多桿件系統(tǒng)，不只非線性強(qiáng)，而且在與環(huán)境接觸的情況下，系統(tǒng)桿件結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化。例如，體操比賽和跳高比賽，運(yùn)動員跳向空中時(shí)刻，來自環(huán)境的約束沒有了，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化了。還有，運(yùn)動員在空中進(jìn)行姿勢控制時(shí)，結(jié)構(gòu)上為劣驅(qū)動系統(tǒng)。在這樣的動態(tài)系統(tǒng)中，系統(tǒng)具有的特性發(fā)生了很大的變化，因此其控制方法也需要相應(yīng)地改變。諸如跳躍的體育機(jī)器人

仿生機(jī)器人運(yùn)動學(xué)習(xí)控制的必要性完全靠基于模型的控制方法是很難達(dá)到面向復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的仿生機(jī)器人的柔軟、靈活的控制目的。

(1)多輸入多輸出(Multi-I/O)問題

(2)內(nèi)部模型的構(gòu)筑(非線性、桿件結(jié)構(gòu)的變化)(3)劣驅(qū)動系統(tǒng)（被動驅(qū)動系統(tǒng)）(4)較大的搜索次數(shù)

(5)環(huán)境部分觀測的馬爾可夫決定過程(6)穩(wěn)定性，Robust的評價(jià)方法(7)復(fù)雜行為的實(shí)現(xiàn)方法

二、仿生學(xué)研究中生物運(yùn)動形態(tài)與力學(xué)原理

仿生學(xué)的力學(xué)原理腿式行走生物的穩(wěn)定性與力學(xué)1.雙足步行的機(jī)構(gòu)、力學(xué)、穩(wěn)定性與控制2.四足步行步態(tài)、穩(wěn)定性與力學(xué)3.六足昆蟲的自律步行原理與控制4.腿跳躍式行走的力學(xué)原理

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5.翔的性：翼的形狀、與空推力學(xué)；胴體雙足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)

雙足步行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題

(1)便于運(yùn)動學(xué)分析和控制盡可能將運(yùn)動分解成獨(dú)立的Sagittal平面和Lateral平面內(nèi)運(yùn)動；(2)步行控制時(shí)可以最大限度地選擇著地點(diǎn)從腳底來看期望慣性矩盡可能地小。慣性小時(shí)，可以快速邁動抬離地面的腳(游腳)，而且邁腳時(shí)的動態(tài)影響也小。快速擺動游腳與高速動步行相關(guān)；(3)關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)及機(jī)器人的整體剛度要好；(4)較大的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍，等等。

四足步行步態(tài)、穩(wěn)定性與力學(xué)

間歇小跑步態(tài)”是高速四足步行機(jī)器人的最優(yōu)步態(tài)從步態(tài)規(guī)劃的角度來看，“間歇小跑步態(tài)”也是有利的。這正如后面所述的那樣，因?yàn)椤伴g歇小跑步態(tài)”能夠同時(shí)得到相對的兩腳的著地點(diǎn)相同狀態(tài)(同時(shí)起落)。另外，從安全性角度來看，“間歇小跑步態(tài)”也是優(yōu)越的。為使機(jī)器人實(shí)用化，不只是實(shí)驗(yàn)室這樣的理想環(huán)境下的穩(wěn)定性，在有凸凹不平、外力等未知外部繞亂之類的環(huán)境下也需要有持續(xù)的步行能力。這樣，即使未知因素導(dǎo)致步行中平衡遭到破壞的非常事態(tài)，也能期望通過讓處在游腳狀態(tài)的腳著地來完全回避跌倒的發(fā)生。間歇小跑步態(tài)在2腳支撐期間，對于兩著地點(diǎn)的連線無論哪一側(cè)平衡遭到破壞都有防止跌倒的游腳，可以認(rèn)為是安全步態(tài)。根據(jù)上述理由，可以認(rèn)為間歇小跑步態(tài)是高速的四足步行機(jī)器人最優(yōu)步態(tài)。

飛翔的運(yùn)動性鳥、昆蟲等小型生物高飛行性能的機(jī)制

生物體的大小與飛行特征的關(guān)系:給出了生物體大小與前進(jìn)速度間的關(guān)系。由圖中可以看出，生物體越小則其前進(jìn)速度V減小。因此，前進(jìn)速度可由重量W，翼面積S的實(shí)測值推定出來。搖搖晃晃飛行所需的能量，也能從搖搖晃晃飛行到前進(jìn)飛行，而且可以較寬速度范圍進(jìn)行飛行。前進(jìn)飛行中，昆蟲翼的對氣速度大大偏離于在翅膀動作效果下前進(jìn)速度，翼產(chǎn)生的升力也常常不能垂直向上，

概念升阻比：升力與阻力的比。升力是與翼運(yùn)動方向垂直的力，是與能量消耗無關(guān)的力。阻力是與翼的運(yùn)動平行的力，伴隨著能量消耗。我們期望的翼應(yīng)該是：盡可能在較小的能量消耗下，產(chǎn)生盡可能大的升力(即有效的飛行力)。所以，具有高升阻比的翼既是高性能的翼。結(jié)論：綜上所述，薄的、具有鋸齒狀斷面的翼具有較高的升阻比，剛度也高。這樣斷面形狀的翼也正是昆蟲的翼的形狀。

飛翔生物的神經(jīng)系統(tǒng)（控制系統(tǒng)）、感知器（測控系統(tǒng)）、筋肉（動力源）在工學(xué)領(lǐng)域也是具有相當(dāng)大研究魅力的課題，正在不斷取得進(jìn)展。只有在完全弄清楚生物飛行的各個方面的機(jī)理，才能制作出不亞于生物的機(jī)器。三、仿生學(xué)研究中從生物學(xué)到的設(shè)計(jì)技術(shù)

為了人工再現(xiàn)生命系統(tǒng)，就必須實(shí)現(xiàn)部分的綜合化。復(fù)雜性的科學(xué)或許能夠?qū)Υ藛栴}給與一些解釋。目前，在探索生命奧秘的研究上，許多學(xué)者把生命現(xiàn)象完全寄托在基因組解明上，而與此相反，美國華盛頓大學(xué)的J.Bassingthwaighte教授則提倡生理機(jī)能測定上的Physiome概念，他認(rèn)為生命現(xiàn)象應(yīng)該在生理學(xué)上尋求答案。Physiome的中心思想是綜合各個層次的研究，然后搞清楚整體機(jī)能。這一學(xué)已經(jīng)萌芽，并且已開始就把握住住綜合研究生命系統(tǒng)的問題，已成為二十一世紀(jì)的重要方向。

1.從細(xì)胞學(xué)到的微化學(xué)分析

FIA裝置與混合反應(yīng)器、微型攪拌機(jī)、由微混合器的化學(xué)分析。

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作為物質(zhì)生產(chǎn)裝置的生物生物制造工程新開端生物工業(yè)的發(fā)展與人類的需求：理想的人工腸道系統(tǒng)：2.自修復(fù)性與自修復(fù)機(jī)械

生命系統(tǒng)可以看作是許多被稱為細(xì)胞的均質(zhì)要素（可以看作“機(jī)械單元”）構(gòu)成的分散型機(jī)械系統(tǒng)。因此，日本學(xué)者村田志(Murada)研究由概念性地模擬細(xì)胞的“單元”集合而成的自重構(gòu)的可變機(jī)械，他指出這種機(jī)械可以自裝配、自修復(fù)。他提出了一種全新概念的機(jī)械系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)性地給出這種系統(tǒng)的可行性，進(jìn)一步地用計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。可以說是生命系統(tǒng)的特征能夠在工學(xué)上實(shí)現(xiàn)，也預(yù)示了適應(yīng)進(jìn)化系統(tǒng)的可能性。分散型機(jī)械系統(tǒng)的研究實(shí)例、自重構(gòu)可變機(jī)械和自修復(fù)、自重構(gòu)可變機(jī)械和自修復(fù)、自重構(gòu)可變機(jī)械的單元、自裝配的軟件。

大規(guī)模系統(tǒng)的自裝配和自修復(fù)

通過均質(zhì)的機(jī)械單元的集合能夠?qū)崿F(xiàn)型的自裝配和自修復(fù)。當(dāng)然，“形狀”是伴隨著機(jī)械所擁有的機(jī)能的，僅此距離現(xiàn)實(shí)的（能夠自裝配自修復(fù)）的“機(jī)械”還相差很遠(yuǎn)。均質(zhì)-分散型單元機(jī)械還面臨著許多難題，但是，如果說本來的研究目標(biāo)的話，那就是“適應(yīng)、進(jìn)化的系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)”。不僅是形狀，就連系統(tǒng)的機(jī)能也應(yīng)相應(yīng)于環(huán)境的變化形成具有系統(tǒng)自己期望的相應(yīng)機(jī)能的系統(tǒng)自己生成新的自我。自裝配和自修復(fù)還只是其第一步。

3.環(huán)境適應(yīng)性

支撐生物的構(gòu)造組織、生物體組織的適應(yīng)性、CellAutomatonModel(細(xì)胞自動機(jī)模型)、構(gòu)造的自組織化Simulation、仿真結(jié)果、面向超級生物機(jī)械的實(shí)現(xiàn)。

從蚯蚓學(xué)到的“柔軟機(jī)械”的設(shè)計(jì)技術(shù)

“柔軟機(jī)械”與蚯蚓、蚯蚓的構(gòu)造、蚯蚓的行為、蚯蚓的學(xué)習(xí)、蚯蚓行為的電氣生理學(xué)解釋。以上從神經(jīng)生物學(xué)的角度匯總介紹了有關(guān)蚯蚓的行為及神經(jīng)回路的最近主要研究成果。通過早期的達(dá)爾文觀察，以及利用各種實(shí)驗(yàn)器具進(jìn)行的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，象蚯蚓這樣可能具有簡單神經(jīng)系統(tǒng)的生物是否存在智能的疑問正在被逐步弄清楚。此外，作為制作能夠在現(xiàn)實(shí)世界空間移動中進(jìn)行作業(yè)的機(jī)械思想的算法也被提出了。種種研究表明：能夠仿生研究出象蚯蚓自適應(yīng)環(huán)境那樣的自適應(yīng)型機(jī)械。

4.創(chuàng)造性通過RoboCup進(jìn)行的認(rèn)知機(jī)器人的學(xué)習(xí)與開發(fā)

認(rèn)知機(jī)器人學(xué)的設(shè)計(jì)論、RoboCup機(jī)器人行為學(xué)習(xí)、進(jìn)化、RoboCup的根本問題是多智能體的協(xié)調(diào)。迄今為止的強(qiáng)化學(xué)習(xí)的手法還只是在不存在其他能動的智能體的簡單作業(yè)下，能夠自律地構(gòu)成狀態(tài)空間。但是隨著維數(shù)的極度增加，并且環(huán)境中有對手的情況下，還難于直接應(yīng)用�；�于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的移動智能體機(jī)制及一個人援助為目標(biāo)的分散機(jī)器人統(tǒng)合法。

四、仿生學(xué)研究中的生物運(yùn)動系統(tǒng)與仿生運(yùn)動控制

六足昆蟲機(jī)器人自律步行的力學(xué)原理與控制

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的理論體系是站在截取自然的某些片斷角度，在其狀況確定的情況下，追求自然規(guī)律。因此，在不可預(yù)測的環(huán)境變化下，不可能實(shí)時(shí)地進(jìn)行柔軟的運(yùn)動控制等等。一方面，可以認(rèn)為生命系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)地進(jìn)行柔軟控制的方法。這個差別歸結(jié)為本質(zhì)上把不完全設(shè)定問題的課題作為完全設(shè)定問題來處理是否具有方法論的差異。在不可預(yù)測、復(fù)雜、變化的環(huán)境下為把不完全設(shè)定問題作為

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完全設(shè)定問題處理需要有把初始條件、參數(shù)、邊界條件能夠由系統(tǒng)自身自治地確定的機(jī)制。基于這種機(jī)制才能開始構(gòu)筑出生成信息智能性系統(tǒng)。迄今為止的控制理論都是以把某一系統(tǒng)放在某一給定環(huán)境時(shí)為實(shí)現(xiàn)給定機(jī)能的控制為目標(biāo)的。例如：諾爾伯特維納(NorbertWiener[1894-1964])的Cybernetics(控制論：1948年)認(rèn)為：“假設(shè)關(guān)于我們的狀況的變量有兩個，其一是我們所不能夠控制的，而另一個是由我們能夠調(diào)節(jié)的�；�于從當(dāng)時(shí)不能控制的變量的過去到現(xiàn)在的值，適當(dāng)?shù)剡x定可調(diào)節(jié)的變量的值，有希望給我們帶來我們所期望的最好狀況”�，F(xiàn)代控制理論就是基于這一想法發(fā)展起來的，但其理論是以系統(tǒng)能夠得到的狀態(tài)空間是可控為前提才成立的。

無限定問題與生命系統(tǒng)

這里我們總結(jié)一下無限定問題中時(shí)時(shí)刻刻面對著的生命系統(tǒng)的特點(diǎn)。構(gòu)成生物的要素的數(shù)量同迄今為止工程上處理的任何系統(tǒng)相比都壓倒性地多。人腦超過一千億以上。如果即使構(gòu)成人腦的各要素的力學(xué)方程式能夠?qū)懗觯�要素越多我們所能得到的信息就越有限，所以初始條件、各參數(shù)就不能完全確定出來，此時(shí)就成為不完全設(shè)定問題。為了從“自他分離”以外的觀點(diǎn)來解決不完全設(shè)定問題，通過減少未知變量的數(shù)量、象規(guī)定參數(shù)那樣人為地把各種約束條件強(qiáng)加給系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成“完全系統(tǒng)”來求解。但是，在人腦這樣的系統(tǒng)中，從外部用非自治地施加約束條件的方法作為可規(guī)定的問題處理從觀測限度來看幾乎是不可能的。再者，生命系統(tǒng)本質(zhì)上就是不完全設(shè)定問題，否則就會存在不可能。

在不可預(yù)測的變化生命系統(tǒng)在被放置在某個環(huán)境中才開始有意義。因?yàn)榻o定的環(huán)境與生命系統(tǒng)融合在一起形成約束條件，生命系統(tǒng)能夠在給定的環(huán)境下養(yǎng)成自己與環(huán)境的關(guān)系。但是，所說的生成的約束條件與環(huán)境給與生命系統(tǒng)全部要素的初始條件和參數(shù)是有本質(zhì)區(qū)別的。這是因?yàn)樯�命系統(tǒng)是“自己自言”(自我參照地)地生成約束條件的。

作為不完結(jié)系統(tǒng)的多形態(tài)回路

作為生命系統(tǒng)的控制系統(tǒng)最發(fā)達(dá)的就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以說是能夠?qū)��?yīng)于從認(rèn)知到運(yùn)動控制的各種各樣無限定問題的系統(tǒng)。

多形態(tài)回路是從上位神經(jīng)系統(tǒng)接受用受限物質(zhì)表示的少數(shù)自由度輸入，在這些輸入基礎(chǔ)上生成多樣的輸出樣本的信息生成系統(tǒng)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總多形態(tài)回路的特點(diǎn)如下：1)神經(jīng)細(xì)胞的活動具有內(nèi)因的馳緩振動特性；

2)位相關(guān)系是由PostinhibitoryRebound特性引起的；

3)介入到多形態(tài)回路生成的是馳緩振動，輸出的猝發(fā)(Burst)沒有介入；

4)決定多形態(tài)性的是來自monoamine(一元胺，單胺：只含有一個胺原子團(tuán)的胺化合物，尤指作用于神經(jīng)傳遞的化合物)等的含有受限物質(zhì)神經(jīng)。步行樣本的Simulation和Robot在此就模型化的系統(tǒng)詳細(xì)考察、研究了當(dāng)目標(biāo)(約束條件)和環(huán)境變化時(shí)生成的步行樣本是如何變化的，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。所進(jìn)行的計(jì)算分以下四種情況：1)目標(biāo)速度變化的情況下；2)沿行進(jìn)方向負(fù)荷變動的情況下(Loadeffect)；3)肢體受到損傷的情況下(切斷Amputation)；4）對四肢的運(yùn)動施加外部擾動的情況下(Stability)。

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建設(shè)工程專業(yè)學(xué)習(xí)心得

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隨著現(xiàn)代建筑的快速發(fā)展，對節(jié)能的要求也越來越高，不但要求節(jié)能，還要滿足實(shí)用和保證質(zhì)量，建筑節(jié)能的控制貫穿于建筑建造的全過程。只有采取強(qiáng)化節(jié)能的措施和提高效能的對策，才能形成能源可持續(xù)發(fā)展的新體制。本文就建筑節(jié)能的問題進(jìn)行了探討。

建筑能耗，即建筑物使用過程中用于供暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明、家用電器、烹飪、給排水和熱水供應(yīng)等的能耗。本世紀(jì)以來，人類在能源消耗上的增長速度，大大超過了人口的增長，能源問題已倍受各國重視，已成為當(dāng)代社會的四大問題之一。我國經(jīng)濟(jì)正處在調(diào)整發(fā)展期，能源需求也正快速增長，城鄉(xiāng)建設(shè)與能源供需矛盾日益突出。特別是建筑領(lǐng)域中的建筑業(yè)和住宅產(chǎn)業(yè)是能源消耗大戶，我國建筑節(jié)能與發(fā)達(dá)國家相比，差距很大，如何大幅度降低能源消耗、節(jié)約資源，已嚴(yán)峻地?cái)[在我們面前。一、建筑節(jié)能面臨的問題

隨著建筑能源消耗的迅速增加，建筑節(jié)能的重要性已逐步被人們所認(rèn)識，近年來，全球能源形勢日趨嚴(yán)峻，據(jù)一些國際研究機(jī)構(gòu)分析，世界一次性能源僅夠人類使用30年，能源危機(jī)始終困擾著各國。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的中國，能源匱乏也同樣引起人們的高度關(guān)注。中國煤炭消耗總量的40%，石油消耗量成為僅次于美國的第二大國。人類從自然界所獲得的50%以上的物質(zhì)原料用來建造各類建筑及其附屬設(shè)施，這些建筑在建造于使用過程中又消耗了全球能源的50%左右。我國建筑單位面積消耗是發(fā)達(dá)國家的2倍~3倍。嚴(yán)峻的事實(shí)告訴我們，要走可持續(xù)發(fā)展道路，要貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院提出的建設(shè)節(jié)約型社會，開展資源節(jié)約工作的精神，要深入貫徹落實(shí)《民用建筑節(jié)能條例》，進(jìn)一步推進(jìn)住房城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域節(jié)能工作。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)改委對新建筑提出了節(jié)能要求，并對既有建筑實(shí)施節(jié)能改造。當(dāng)前，新建建筑節(jié)能強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行力不高，既有建筑的節(jié)能改造困難重重，難以全國啟動，離國家廟宇的建筑節(jié)能總體目標(biāo)差距較大，這是各地普遍存在的問題。從問題的普遍性分析，一是全社會沒有充分認(rèn)識到建筑節(jié)能工作的總要意義，缺乏節(jié)能建筑的基本知識和主動意識；二是缺乏可操作的強(qiáng)制各方利益主體必須積極參與的地方性法規(guī)；三是對節(jié)能建筑缺乏有效的激勵政策進(jìn)行引導(dǎo)和扶植；四是建筑節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)的綜合性標(biāo)準(zhǔn)體系還不夠完善；五是缺乏有效的行政監(jiān)管體系。二、建筑節(jié)能的主要措施

建筑的節(jié)能主要依靠減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱以及提高供熱效率兩個方面。建筑外形盡可能規(guī)整，避免不必要的凹凸變化；在夜間加強(qiáng)保溫的條件下，要合理提高鍋爐的負(fù)荷率，改善鍋爐運(yùn)行狀況，采用管網(wǎng)水平衡技術(shù)以及加強(qiáng)供熱管道路保溫等等。（一）控制建筑的體型系數(shù)

爭取南北朝向，適當(dāng)開大南窗，以增加太陽熱能的獲得。南北朝向建筑物夏季可以減少太陽輻射散熱，冬季可以增加太陽輻射得熱度，是最有利得朝向。建筑體型系數(shù)指建筑物外表面積與其所包圍的體積的比值。體形系數(shù)越大，那么建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失越大。因此建筑外形盡可能規(guī)整，避免不必要的凹凸變化。（二）提高墻體、屋頂?shù)臒峁ば阅?/p>

外墻、屋頂和地面的保溫，采用高效保溫材料復(fù)合，使用多層門窗，用空心磚、加氣混凝土等新型墻體材料代替實(shí)心粘土磚；提高建筑物的氣密性，選用密封性能好的門窗并加密封條，用密封材料填實(shí)穿墻管線連接處裂隙。

（三）提高窗戶的熱工性能、

在一般建筑中，門窗面積占建筑外圍結(jié)構(gòu)面積的30%，門窗能耗占建筑外圍結(jié)構(gòu)熱損失的40%~50%，在建筑能耗中占相當(dāng)大的比例，因此研制新型保溫門窗是當(dāng)前門窗行業(yè)的主攻方向。中空玻璃作為一種最佳的窗用節(jié)能建材和一種成熟的高科技產(chǎn)品，已日益受到我國有關(guān)方面的重視。與普通玻璃相比，它具有卓越的保溫、隔熱、隔音、搞凝霜揭露等性能，在窗戶中玻璃面積占窗戶面積的58%~87%，由于普通玻璃的熱阻會上很小，單層玻璃是窗戶保溫節(jié)能薄弱的環(huán)節(jié)。國內(nèi)外實(shí)踐證明，使用中空玻璃是實(shí)現(xiàn)門窗節(jié)能的重要途徑。

例如：由于實(shí)施既有建筑的節(jié)能改造，天津市紅橋區(qū)桃花南里16號-50號的228戶居民今年過了一個“溫暖的冬天”。

這個冬天這些居民家的室內(nèi)溫度由13-15°C升到了20°C以上。據(jù)介紹，建筑節(jié)能不僅僅只針對新開工建設(shè)的項(xiàng)目，市政府還投資對既有建筑推進(jìn)節(jié)能改造，不用居民花一分錢。三、建筑節(jié)能的發(fā)展方向（一）開發(fā)新材料，采用新工藝

在建材生產(chǎn)方面，研制開發(fā)多種節(jié)能新材料新工藝來降低建材生產(chǎn)能耗。例如，過去我國一直采用標(biāo)準(zhǔn)粘土磚作為主要的墻體材料，這種傳統(tǒng)墻材的生產(chǎn)不但毀壞了大量耕地，是我國本已十分緊張的人均耕地面積愈加減少，嚴(yán)重的威脅著我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且燒制粘土磚需要大量的能源，不利于節(jié)能。同時(shí)粘土磚自重大、熱工性能不夠好，施工勞動強(qiáng)度大，不利于建筑工業(yè)化。諸多自身無法克服的缺點(diǎn)，限制了它的繼續(xù)使用，現(xiàn)在國家已明令限制使用標(biāo)準(zhǔn)粘土磚，取而代之的是用工業(yè)廢料制成的砌塊和板材，如現(xiàn)在廣為應(yīng)用的粉煤灰砌塊，由于其質(zhì)輕、節(jié)能，還能減輕工業(yè)廢料處理壓力，已成為環(huán)保型的新生墻材。此外，改進(jìn)常用材料的加工工藝或采用新工藝，也是節(jié)能的有效途徑。

（二）低能耗建筑綜合技術(shù)組成

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。墻體是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體。傳統(tǒng)的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往是承重功能與保溫功能相結(jié)合，構(gòu)成較為簡單，單純用磚石、混凝土或木材筑成。這種材料的保溫隔熱效能很差。例如，傳統(tǒng)的普通粘土磚砌體的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)0.81W/（m〃k）,而近期迅速發(fā)展的能夠工業(yè)化大生產(chǎn)的泡沫聚苯乙烯板、巖棉板、玻璃棉板等高校保溫材料、則可低至0.035W/（m〃k）-0.04W/（m〃k）左右，也就是說，其保溫效能可以高出普通粘土磚砌體的20倍。于是人們了解到，用高效保溫材料、隔汽材料和覆面加強(qiáng)材料組合而成的復(fù)合墻體，可以以薄很多的結(jié)構(gòu)，取得高許多倍的保溫隔熱效果。按保溫材料所處位置不同，又分有多種方式，其中外墻內(nèi)保溫和外墻外保溫是日前最常用的兩種方式。

近年來，參照國外經(jīng)驗(yàn)，用擠塑聚苯乙烯板（OPS）做倒置式屋面保溫層，即從結(jié)構(gòu)層往上分別是防水層、保溫層，砌體保溫層。倒置式屋面保溫對屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了革新。效果良好。已在不少工程中得到應(yīng)用。OPS板具有連續(xù)的表層和閉孔式蜂窩狀結(jié)構(gòu)、結(jié)繩均勻、連接緊密、抗壓強(qiáng)度高、低熱導(dǎo)性高、高抗水汽滲透性能和耐氣候性能好，不易老化。用這種XPS板做屋面保溫覆蓋在防水層上，使保溫層起到保護(hù)防水層的作用，即可使防水層免受日光的暴曬，又大大緩解了防水層受外界溫度的影響，還可避免防水層受到磨損、沖擊、穿刺等破壞，使其壽命大大延長。四、如何推進(jìn)建筑節(jié)能

能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、改善人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。要想建筑節(jié)能快速地全面地開展，需要正確把握并處理好以下幾個關(guān)系：（一）經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的關(guān)系

推進(jìn)建筑節(jié)能，即改善室內(nèi)的環(huán)境，又降低能源的消耗，還可以減少溫室氣體的排放，是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的利國立民的事情。從當(dāng)前來看，建造節(jié)能建筑，雖然會增加一些投入成本，但是，在追求發(fā)展、追求經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還可以兼顧社會效益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的有機(jī)統(tǒng)一，關(guān)注生態(tài)成本和社會成本。（二）“新建”控制與“既有”改造的關(guān)系推進(jìn)建筑節(jié)能，當(dāng)前面臨的雙重任務(wù)是既要按節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制新建建筑的能耗水平，又要加快對既有建筑的節(jié)能改造步伐，必須堅(jiān)持“兩手抓”的原則，一手抓“新建”控制，一手抓“既有”改造。

能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、改善人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)�；�礎(chǔ)目前我國能源形勢相當(dāng)嚴(yán)峻，今后在較長時(shí)期內(nèi)也難以緩解，為使我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)發(fā)展，提高環(huán)境質(zhì)量。必須節(jié)約使用能源，逐步扭轉(zhuǎn)能源浪費(fèi)嚴(yán)重的狀況。創(chuàng)新精神不是與生俱來的，而且通過后天培養(yǎng)逐步塑造的。培養(yǎng)和激發(fā)創(chuàng)造動機(jī)，最根本的是要有強(qiáng)烈的事業(yè)心和社會責(zé)任感。社會精神通過培養(yǎng)轉(zhuǎn)化為社會實(shí)踐主體的創(chuàng)新。社會輿論是一種強(qiáng)大的社會心理力量，正確的社會輿論會使個體產(chǎn)生創(chuàng)新的積極性，良好的風(fēng)尚習(xí)慣會形成強(qiáng)大的心理暗示，引導(dǎo)社會主體積極創(chuàng)新、勇于創(chuàng)新。創(chuàng)新精神是人的創(chuàng)新本質(zhì)的精神表現(xiàn)，是人在創(chuàng)新活動中反映的精神素質(zhì)。培養(yǎng)創(chuàng)新的社會精神對推動令尊具有十分重要的意義。創(chuàng)新精神是一種懷疑精神。不迷信理論，不迷信權(quán)威，不唯書，不唯上。令尊精神是一種批判精神。批判就是研究，批判就是討論，批判就是思想的交鋒、互補(bǔ)和互動，通過交換達(dá)到思想的完整和提升。創(chuàng)新精神是一種科學(xué)精神，要求人們在創(chuàng)造性活動中堅(jiān)持實(shí)事求是，尊重客觀規(guī)律，形似，講求實(shí)效，吧主觀能動性和現(xiàn)實(shí)可能性統(tǒng)一起來。創(chuàng)新精神是一種自由精神。

其次，社會心態(tài)創(chuàng)新。心態(tài)就是性格加態(tài)度。性格就是一個人獨(dú)特而穩(wěn)定個性特征。態(tài)度是一個人對客觀事物的心理反應(yīng)，即一個人在思想觀念支配下的為人處世態(tài)度和心理狀態(tài)的總和。良好的心態(tài)是創(chuàng)新的基礎(chǔ)條件，應(yīng)該包括健康的心理機(jī)制、健全的性格、穩(wěn)定的情緒、堅(jiān)強(qiáng)的意志和寬廣的胸懷。首先，應(yīng)該充滿激情，保持求和、求新、求變、求奇、求勝的心態(tài)，積極的心態(tài)有助于人們克服困難，看到希望，保持旺盛的斗志，發(fā)揮聰明才智，能夠增強(qiáng)心理承受能力，使自己的思想和行為適應(yīng)客觀實(shí)際變化的要求。要使自己養(yǎng)成精益求精的習(xí)慣，并且以愛心和熱情發(fā)揮這種習(xí)慣。積極的激情能夠調(diào)動起全身心的巨大潛力，推動創(chuàng)新。其次，做到百折不饒，必須確立堅(jiān)持的心態(tài)，調(diào)試自控，增加自己的耐性，以開闊的心胸包括所有的事物，世界上沒有人可以一步登天，一而再得挫折正是成功路上的指路牌，愈挫愈勇是所有成功者的共同歷程，務(wù)盡一切努力去贏得勝利，成功的唯一途徑就是堅(jiān)持不懈。

第三，科學(xué)理論創(chuàng)新。理論創(chuàng)新是社會發(fā)展和變革的先導(dǎo)，所謂理論創(chuàng)新是人們通過創(chuàng)造的活動而賦予理論以新的內(nèi)涵，它是在揚(yáng)棄原有的思想、原理的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)造性的思維活動，提出新思想、新學(xué)說、新理論的過程。從理論創(chuàng)新的角度看，要敢于否定自己，超越自我，古人云勝人者有力，自勝者強(qiáng)，因此，推陳出新、隔故鼎新是理論創(chuàng)新的重要途徑，以胡錦濤主席為首的新一屆中央領(lǐng)導(dǎo)集體立足我國實(shí)際，提出了具有世界觀和方法論意義的科學(xué)發(fā)展觀，大大豐富和發(fā)展了我國現(xiàn)代化建設(shè)的指導(dǎo)思想。把執(zhí)政理想由追求經(jīng)濟(jì)增長轉(zhuǎn)到人自身，科學(xué)發(fā)展觀以人為本，把人的全面發(fā)展確立為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的根本目的，對人的全面發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)作為價(jià)值目標(biāo)，提升了認(rèn)識的新境界。人的發(fā)展和社會的發(fā)展互為基礎(chǔ)，互相促進(jìn)。社會的發(fā)展永無止境，人的全面發(fā)展也要不斷開辟廣闊的空間。當(dāng)今世界，政治經(jīng)濟(jì)文化等全方位的全球化，已經(jīng)把整個人類的命運(yùn)聯(lián)系在一起，人類不僅要在共同制定的規(guī)則下進(jìn)行交往與合作，還要共同面對威脅人類生存的生態(tài)惡化、環(huán)境污染、恐怖主義、戰(zhàn)爭陰影。衡量社會進(jìn)步的尺度是人的自由實(shí)現(xiàn)程度和解放程度，人的全面發(fā)展本質(zhì)上是人的素質(zhì)全面提升，具體包括人的認(rèn)識能力、審美能力、道德情操和實(shí)踐能力的全面發(fā)展。理論創(chuàng)新需要創(chuàng)新者具有很高的理論素養(yǎng)，還要遵循理論創(chuàng)新的內(nèi)在和原則。做到堅(jiān)持真理和發(fā)展真理的辯證統(tǒng)一，解放思想和事實(shí)其實(shí)的統(tǒng)一，時(shí)刻牢記群眾的實(shí)踐是理論創(chuàng)新的源泉，任何理論創(chuàng)新都是全面借鑒人類文明優(yōu)秀成果的結(jié)晶，要樂于并且敢于參加各種創(chuàng)新的實(shí)踐，善于在實(shí)踐中總結(jié)和提高，與時(shí)俱進(jìn)，永無止境。

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