智能土木結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

夏巧麗

摘要： 智能土木結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中新興的仿生結(jié)構(gòu)體系，因其自身具備的多樣化與智能化等優(yōu)勢，能夠通過通訊技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)自動監(jiān)控建筑結(jié)構(gòu)中的各種設(shè)備，合理優(yōu)化信息資源，為住戶提供相應(yīng)的信息服務(wù)，提高了建筑結(jié)構(gòu)的整體性能，得到廣泛應(yīng)用，獲得支持與認(rèn)可，并在現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮越來越重要的作用。本文主要研究了智能土木結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，希望能為現(xiàn)代智能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。

Abstract： As a new bionic structure system in modern building structure， intelligent civil engineering structure can automatically monitor various equipment in building structures through communication technology and computer technology， rationally optimize information resources， provide corresponding information services for residents， improve the overall performance of the building structure because of its advantages of diversification and intelligence， it is widely and plays an increasingly important role in the design of modern building structures. This paper mainly studies the application of intelligent civil structure in modern building structure， hoping to provide reference for modern intelligent building structure design.

關(guān)鍵詞： 智能土木結(jié)構(gòu)；現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

Key words： intelligent civil structure；modern building structure；application

中圖分類號：TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0244-03

0 引言

以往的建筑物結(jié)構(gòu)均是通過提升建筑物材料的質(zhì)量與定期組織維修，才能提升建筑物的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，滿足人們對現(xiàn)代化建筑物的使用需要，但是這些處理模式屬于消極應(yīng)對方式，并不能徹底解決實(shí)質(zhì)性問題。加上這些處理模式如果沒有嚴(yán)格根據(jù)規(guī)程對建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，一旦建筑物結(jié)構(gòu)的某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，勢必為國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。因此在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如何實(shí)現(xiàn)對建筑物結(jié)構(gòu)的智能化控制，是值得探討的問題。

1 智能土木結(jié)構(gòu)的概述

設(shè)計師在進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不斷嘗試將建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計成一個能夠承受一定壓力，且具備感知、計算與分析能力的結(jié)構(gòu)，以調(diào)整、控制建筑物中的傳感器、信號放大器與控制電路，從而滿足建筑物自身的自診斷需要，并通過自身的分析，做出自我調(diào)整，以改變建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布與剛度，提高建筑物的自我修復(fù)能力，讓建筑物的功能更加完善，以提高建筑結(jié)構(gòu)的使用性能，這就是建筑結(jié)構(gòu)的智能化?？梢娡聊窘Y(jié)構(gòu)智能化的應(yīng)用，使得建筑物結(jié)構(gòu)本身具備較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力，這是智能化土木結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)，主要是在以往建筑物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，集控制、管理、維護(hù)和通信為一體，對建筑使用進(jìn)行安全檢查、環(huán)境監(jiān)控和報警監(jiān)視，從而營造一個高效、舒適與便利的居住環(huán)境[1]。

2 智能土木結(jié)構(gòu)的分類

在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用智能土木結(jié)構(gòu)，根據(jù)使用的形式，可細(xì)分為嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)和智能材料耦合結(jié)構(gòu)等兩大類，其中智能材料耦合結(jié)構(gòu)，即通過結(jié)構(gòu)材料的某些特性進(jìn)行監(jiān)測，了解材料結(jié)構(gòu)的特性發(fā)生了何種變化，方便及時做出相應(yīng)的調(diào)整。而嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)則是將傳感器安裝到鋼筋混凝土中，利用計算機(jī)軟硬件和其他材料儀器來調(diào)整建筑物的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計模式能夠在傳統(tǒng)建筑的基礎(chǔ)上作出改進(jìn)，不需要研究與分析建筑物的其他性能，就能從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能化結(jié)構(gòu)的過渡。雖然前者與后者之間的區(qū)別是利用對象不同，前者過于依賴建筑物本身材料使用的特性，而后者則是依賴信息材料，但是最終的目的是相同。此外，根據(jù)目的的不同，智能土木結(jié)構(gòu)都可歸類為智能混凝土結(jié)構(gòu)，依據(jù)特有功能的分類，可分成自診斷、疲勞壽命預(yù)報能力、自愈合功能、應(yīng)力應(yīng)變自診斷功能、變形及損傷自診斷功能。因此在實(shí)際使用的過程中，設(shè)計師需要依據(jù)現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的特性與具體需要，選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，這也是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中智能土木結(jié)構(gòu)分類細(xì)致的特性[2]。

3 智能土木結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

對于智能土木結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，在高層建筑、大壩與橋梁中獲得了廣闊的發(fā)展前景。具體體現(xiàn)為：在20世紀(jì)八十年代，美國在佛羅里達(dá)州的Sunshine Skyway Bridge橋梁上開始嘗試安裝監(jiān)測傳感器，用于驗證設(shè)計中的假定，對施工質(zhì)量與服役安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。八十年代后期，英國開始嘗試在大型橋梁上安裝監(jiān)測儀器與設(shè)備，我國也在江陰長江大橋、香港的Lantan Fixed Crossing Bridge、虎門橋和青馬大橋等工程項目中安裝了傳感系統(tǒng)，對建成后的橋梁服役安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。直到1993年后，加拿大在Calgary建設(shè)的Bedding Trail橋梁上第一次成功地安裝了光纖布拉格光柵傳感器，負(fù)責(zé)對橋梁內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。在采油平臺、船閘與大壩等大面積混凝土結(jié)構(gòu)中也開始嘗試安裝傳感器，實(shí)現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)的智能化。尤其是在近年來科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，大規(guī)模分布式智能傳感元器件的廣泛運(yùn)用，為民用建筑結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐，使得智能大廈在國內(nèi)如同雨后春筍般崛起[3]。

4 智能土木結(jié)構(gòu)應(yīng)用的技術(shù)分析

4.1 電（磁）流變體

電（磁）流變體，稱為ER，屬于可控流體。主要通過導(dǎo)電、不導(dǎo)磁的母液、固體電解質(zhì)顆粒與磁性顆粒制作成懸浮液，在電場與磁場的作用下，讓ER和MR的固體顆粒組成纖維狀的鏈體，橫架在電場和磁場中，組成屈服剪應(yīng)力的粘塑性體。因其設(shè)計方便、出力大，被應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制領(lǐng)域。目前應(yīng)用電（磁）流變體進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動控制，開展了許多研究，已經(jīng)研制出了許多減振控制器，同時對結(jié)構(gòu)控制方法也進(jìn)行了一系列的探索研究。例如Lord公司生產(chǎn)了雙推桿式MR流體阻尼器，驅(qū)動力為20t；在大跨度結(jié)構(gòu)振動控制方面，開展了橋梁MR阻尼器的振動性能試驗研究，有效控制了橋面和橋墩之間的位移，提高了建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震性能[4]。

4.2 愈合材料

愈合材料主要包括3類：內(nèi)置纖維膠液管自修復(fù)混凝土、形狀記憶合金智能自修復(fù)混凝土和內(nèi)置膠囊自修復(fù)混凝土等，由于材料中的混凝土及其結(jié)構(gòu)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，在遭到損傷后，能夠自動修復(fù)，是解決建筑結(jié)構(gòu)中混凝土材料損傷的有效技術(shù)手段。但對于如何快速地修復(fù)混凝土材料的損傷和進(jìn)行混凝土自修復(fù)等方面的研究，是近年來隨著機(jī)敏混凝土與仿生混凝土研究熱的興起，才引起人們的關(guān)注。例如在智能混凝土中應(yīng)用仿生學(xué)，將化學(xué)粘結(jié)劑添加到內(nèi)置玻璃纖維管與空心膠囊，一旦出現(xiàn)裂縫，玻璃纖維管與空心膠囊就會破碎，內(nèi)部的化學(xué)粘結(jié)劑便會隨著裂縫排出體外，當(dāng)遇到空氣后就會凝結(jié)，減緩與阻止裂縫擴(kuò)大，同時保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋，防止鋼筋遇到空氣、水發(fā)生銹蝕。

4.3 磁致伸縮材料

以磁致伸縮材料制作成驅(qū)動器，應(yīng)用到主動隔震中，能夠讓自由度平臺的振動降至到30dB。在我國近年來對于磁致伸縮材料的研究中，許多研究人員采用超磁致伸縮材料制作成主動振動控制器，并加以試驗分析，自由度平臺振動降至40dB。但我國當(dāng)前對其研究僅限制在航空、微制造、軍事和機(jī)械等領(lǐng)域中，研發(fā)的控制器僅限制在控制小型結(jié)構(gòu)、器械等方面，對于大型土木工程結(jié)構(gòu)的控制方面有待進(jìn)一步的研發(fā)[5]。如表1所示。

4.4 壓電材料

研究員先后應(yīng)用壓電陶瓷作為加速度驅(qū)動體育傳感器，對任意負(fù)載激勵下壓電層與結(jié)構(gòu)的主動振動控制、主動阻尼、被動阻尼問題進(jìn)行相應(yīng)研究，研究員甚至依據(jù)經(jīng)典復(fù)合板理論，使用加速度反饋控制方法，通過壓電傳感元件實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料層合梁的主動阻尼控制進(jìn)行了試驗研究。目前我國將壓電堆技術(shù)與壓電材料運(yùn)用到土木工程的抗震抗風(fēng)、靜變形控制能、安全評定、噪聲主動控制、自適應(yīng)修復(fù)與健康監(jiān)測等方面中，獲得了良好的控制效果。如表2所示。

4.5 光導(dǎo)材料

在原有的混凝土結(jié)構(gòu)中安裝光纖，作為傳感元件，實(shí)時評價、診斷和控制結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、裂縫、施工質(zhì)量、損傷、鋼筋腐蝕以及變形等情況，并增加形狀記憶合金，集控制元件與信息處理系統(tǒng)為一體，組成一個具有智能功能的混凝土結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到混凝土結(jié)構(gòu)的自我修復(fù)、自我檢測、自適應(yīng)以及自我診斷等目的。在20世紀(jì)80年代，美國以將光纖維材料運(yùn)用到橋梁的振動監(jiān)測方面，國內(nèi)也在類似的健康監(jiān)測與安全評定系統(tǒng)中應(yīng)用光纖材料，進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測[6]。例如在我國三峽工程最后一個大面積澆筑壩段——左廠14壩，考慮到該部位屬于塔帶機(jī)，倉面尺寸為32×20m，高程為140.56m，薄層澆筑層為1.5m，并且在底部設(shè)置有蛇形冷卻水管，因此需要應(yīng)用大面積混凝土分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)混凝土施工期與運(yùn)行期的溫度場監(jiān)測，選用直徑為3mm的50m多模單芯不銹鋼鎧裝光纜作為傳感光纜，壩體內(nèi)部總共敷設(shè)81.1m的傳感光纜，在確?；炷翜囟戎当O(jiān)測結(jié)果的同時，避免混凝土澆筑過程中損傷傳感光纜。

4.6 形狀記憶合金

形狀記憶合金被動耗能器因其自身具有相變偽彈性的特點(diǎn)，能夠吸收60%的地震能量，相變回復(fù)能力達(dá)400MPa，得到廣泛應(yīng)用，但為了提高監(jiān)測的結(jié)果，大部分的形狀記憶合金被動耗能器往往安裝于建筑結(jié)構(gòu)的層間和底部，方便耗能器準(zhǔn)確的監(jiān)測到建筑結(jié)構(gòu)的層間變形情況[7]。例如在建筑抗震結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)用一種有形狀記憶合金與疊層橡膠支座共同組成的智能抗震耗能體系，安裝到建筑結(jié)構(gòu)底層與基礎(chǔ)頂面之間，在結(jié)構(gòu)底層上使用拉索固定，另一端的拉索固定中基礎(chǔ)頂層上，并在每一根拉索上安裝溫度控制器，同時在拉索中安裝常溫馬氏體狀態(tài)與馬氏體逆向完成溫度的SMA合金絲，這樣建筑結(jié)構(gòu)體系一旦受到震動，可有足夠的初始剛度來抵御側(cè)向變向，讓建筑結(jié)構(gòu)處在彈性工作狀態(tài)，而在強(qiáng)震的情況下，SMA拉索能夠保持一個滯回耗能狀態(tài)，借助拉索的超彈性變形耗散地震動能量，減小對建筑上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，確保建筑結(jié)構(gòu)整體的安全性，如果智能抗震耗能體系在振動結(jié)束后出現(xiàn)因摩擦力形成的殘余變形，可利用常溫馬氏體狀態(tài)的溫度控制器來增加拉索的溫度，借助形狀記憶效應(yīng)讓結(jié)構(gòu)復(fù)位。

此外，一旦SMA拉索的工作溫度改變，隔震層的水平剛度也會發(fā)生變化，讓建筑結(jié)構(gòu)適應(yīng)不同的地震波，并避開共振，從而達(dá)到隔震智能性的目的。

5 智能土木結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用——以民用建筑為例

5.1 屋頂

民用建筑物的屋頂均是直接平面敞開，方便直接與大自然的空間接觸。因此在土木智能結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，不僅需要結(jié)合屋頂?shù)拿烙^與綠化，還需充分考慮智能建筑的屋頂上安裝太陽能電池板、降水收集裝置和熱能利用裝置等設(shè)備，以快速吸收、利用自然界的熱能量和物質(zhì)。此外，為了避免這些設(shè)施遭到破壞，還需采取相應(yīng)的措施來處理。

5.2 墻體

在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，墻體除了起到隔斷與承重作用外，還可在建筑墻體內(nèi)部預(yù)留各種型號不同的接線口，方便在墻體內(nèi)部空間安裝各種控制設(shè)施、重力與震動傳感器[8]。例如在墻體智能化設(shè)計方面，使用鍍鋅鋼絲網(wǎng)作為墻體網(wǎng)格，利用引線連接敏感柵電阻元件和測量電路，并在鍍鋅鋼絲網(wǎng)中安裝電阻式應(yīng)變傳感器，一旦墻體遭受到外界環(huán)境的損壞時，電阻式應(yīng)變傳感器就會接收重力與振動信號，形成蜂鳴警告，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，向物業(yè)管理平臺與消控中心提交控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果，管理人員就能通過監(jiān)控界面上獲取相應(yīng)的預(yù)警信號，準(zhǔn)確找出遭到破壞的墻體位置和對應(yīng)業(yè)主信號，及時采取相應(yīng)的措施來處理，避免事件進(jìn)一步惡化。

5.3 地面

民用建筑內(nèi)的地面設(shè)計，往往使用預(yù)制線槽、地毯地面與架空地面的樓板面層等設(shè)計方法來設(shè)計。其中架空地面布線的操作簡單，地下空間容量較大，有足夠的空間布設(shè)強(qiáng)弱電走線，適用于已有建筑結(jié)構(gòu)的改造施工。預(yù)制線槽的樓板面層設(shè)計，有利于設(shè)計者在民用建筑室內(nèi)任何一個位置安裝走線接口，并且這種結(jié)構(gòu)設(shè)計不會形成高低落差，操作簡單、方便，在樓板面層下方10cm的位置內(nèi)可以合理布置管道與走線。而方塊地毯的地面結(jié)構(gòu)設(shè)計，可在地毯下方安裝布線系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)對建筑物層高的影響，通過扁平線設(shè)計的方式來連接設(shè)備，減少建筑電氣線路交叉點(diǎn)的分支線路，方便日后維護(hù)與管理。但需要注意的是，在安裝布線結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)施與室內(nèi)其他家具時，必須做好電氣設(shè)備的防靜電屏蔽工作，提高設(shè)施使用的安全性。

5.4 天花板

智能民用建筑內(nèi)的天花板作用是輔助照明燈具、消防噴灑、排氣出風(fēng)設(shè)施和煙霧傳感設(shè)施等出口、走向的布設(shè)，保證室內(nèi)裝修的美觀性[9]。例如在頂棚綜合布線方面，為實(shí)現(xiàn)智能土木結(jié)構(gòu)的設(shè)計，需要根據(jù)《住宅設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求，將普通住宅層高設(shè)為2.8m，住宅頂棚綜合布線應(yīng)根據(jù)天花板的吊裝高度，設(shè)為2.5～2.7m，且考慮到各種管線、照明系統(tǒng)、煙感溫感報警器、自動噴淋、送風(fēng)和回風(fēng)口等設(shè)備設(shè)施的布置，需要將智能化住宅的層高控制在3.0～3.3m內(nèi)，然后開鑿線槽綜合走線，從而達(dá)到住宅智能化設(shè)計的目的。

5.5 建筑物外部空間

民用建筑的外部空間是開放的外部空間，在這一區(qū)域的智能化設(shè)計過程中，為了營造良好的活動空間，設(shè)計師需要根據(jù)限定的空間，通過變化標(biāo)高與應(yīng)用不同的墻體來創(chuàng)造一定的封閉空間。但考慮到建筑物外部空間具有的流動性與開敞性特性，在實(shí)際設(shè)計時，設(shè)計師需要通過獨(dú)特的空間布置來設(shè)計不同空間的應(yīng)用功能，營造舒適的空間環(huán)境。此外，在建筑物外部空間設(shè)計方面，由于外部空間容易受日照范圍、生活習(xí)俗與城市規(guī)劃的影響，給業(yè)主帶來不同的感受，設(shè)計師在設(shè)計時，需要利用空間不同尺寸的差異將民用建筑的外部空間展現(xiàn)出不同的空間形態(tài)，填補(bǔ)已有室內(nèi)空間的先天缺陷，豐富建筑物外部空間，實(shí)現(xiàn)外部空間層次感不同的體現(xiàn)[10]。

6 結(jié)束語

綜上所述，智能土木結(jié)構(gòu)，成為土木工程界的知識經(jīng)濟(jì)，它的應(yīng)用有利于實(shí)現(xiàn)建筑的小型化、高功率化與多功能化，通過建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)合控制、耦合連接元件、傳感和驅(qū)動系統(tǒng)對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控，對有效利用太陽能、風(fēng)振與抵御地震等方面起到促進(jìn)作用，為人們的工作、生活提供安全、舒適的環(huán)境。但要想提高智能土木結(jié)構(gòu)的作用，還需將智能土木結(jié)構(gòu)技術(shù)靈活運(yùn)用到現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)管理、控制的智能化。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾數(shù)名.土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與發(fā)展[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2016（11）：2770.

[2]李廣.民用建筑中土木智能結(jié)構(gòu)體系設(shè)計應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2013（2）：82.

[3]吳海華.現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[J].硅谷，2015（4）：139.

[4]馬燁烽.智能土木結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用[J].建筑知識：學(xué)術(shù)刊，2013（B06）：388.

[5]李沁羽.智能土木建筑技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013（19）：46.

[6]趙成功，牛涌.仿生智能混凝土在實(shí)際工程中的運(yùn)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2014（36）：9974-9975.

[7]陳鐵.智能土木結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2015（10）：2315.

[8]王杉杉.試析現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[J].工程技術(shù)：全文版，2016（11）：246.

[9]王世濤，陳瑞.談現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015（16）：5624.

[10]孫建平.基于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015（20）：5544.