現代建筑結構中智能土木結構的應用分析

人們物質生活水平的不斷提高，對于建筑物的實際需求逐漸開始呈現出智能化、多樣化的發展趨勢。為滿足人們這一需求，需對當前的建筑結構加以改進和完善。現代大型建筑對于土木結構具有較高要求，其對于建筑的安全性、可靠性以及穩定性具有較為直接的影響。智能土木結構的應用，符合時代發展趨勢，彌補了傳統建筑結構的缺陷和不足，對于建筑物性能及質量的提升，具有至關重要的作用。

1 智能土木結構簡述

智能化土木結構是科學技術以及現代化結構不斷發展的重要產物。當前，人類已步入信息化社會，在生產信息材料的過程中，已逐步實現了制造、設計一體化。而這些變化的產生，也為土木工程師提供了創作靈感和動力源泉。近年來，人們在設計建筑結構的過程中，已不再將目光單純局限于其承受力，而是要求其具有一定的分析能力、計算能力以及感知能力，通過這些能力的不斷優化和調整，實現建筑結構的自我調節與控制。為此，設計師們也嘗試通過傳感器、信號放大器以及控制電路等，幫助建筑結構實現這一目標。所謂建筑結構智能化，即要求建筑物可進行自我診斷，并通過深入分析，完成自我調整，也就是所說的“自我修復能力”，具有該功能的建筑物可對自身結構的應力分布、剛度、強度等進行調節和改變，從而對建筑物整體加以完善。智能化的土木結構，賦予了建筑物一定的自我調節能力，而這也恰恰是其智能化的具體表現，其充分發揮了信息材料的優勢與特征，符合當今時代人們對于建筑物的實際需求[1]。

2 智能土木結構分類

在具體應用過程中，智能土木結構通常可分為以下幾類：第一，智能材料耦合結構。該結構充分運用了結構材料的部分特性，在對這些特性進行檢測時，可對結構的變化特征加以明確，并以此實現結構的自我調整。第二，嵌入式智能土木結構。其主要原理為：將傳感器放入鋼筋混凝土中，通過一些材料儀器、計算機、軟、硬件，對建筑物的結構進行優化和調整。具體實施過程中，該結構主要是在傳統結構的基礎上，實現了改進和調整，且無需對建筑物原有性能進行分析與研究，如此便可直接從傳統結構過渡到智能化結構，充分滿足了居民的實際需求。以上兩類智能土木結構在某些方面存在一定差別，如嵌入式智能土木結構需充分借助信息材料，而智能材料耦合結構則比較關注建筑自身所使用的原料特性。但兩者的終極目標基本保持一致。除以上提到的兩種類型外，結合智能土木結構目的的差異性，還可進行詳細劃分，而這些結構均隸屬于智能混凝土范圍。從功能上看，可劃分為應力應變自診斷、自愈合功能、自診斷功能、壽命預警功能以及損傷自我診斷功能等等。這種分類方式，一般可從名稱上判斷其結構性能，在具體應用過程中，設計人員可結合工程的實際需求，選擇出最適宜的土木結構，從而最大限度的發揮其優勢和特長[2]。

3 現代建筑結構中智能土木結構的應用現狀

3.1 智能傳感元件的應用

在土木工程中，技術人員時常會在建筑結構中添加傳感元件，以此實現建筑物的健康檢測，在保證結果精準性的同時，還需對建筑物的安全性、穩固性等進行綜合評價，且同樣需保證數據的精準性，從而對建筑物的實際使用壽命進行判斷，最后做出相應的報廢或維修處理。而對于某些大型的工程建筑而言，由于其建筑結構修建時間一般較長，且設備陳舊老化，若在此依然采取添加傳感器的方式，則往往與實際情況不相符合。此時便需選擇性能較強的傳感器(如圖1）進行結構檢測，通過光纖智能材料等制作而成的傳感器，具有十分強大的性能，將其應用于土木工程中，可起到事半功倍的檢測效果，同時也為土木工程發展提供了新契機。

圖1 傳感器

如在混凝土中接入光纖，并將其作為傳感元件，實現建筑結構振動、變形、損傷、裂縫、銹蝕等方面的自動化預警、檢測和控制，同時，也可在其中加入驅動元件，并將其與信息處理系統進行有效融合，從而形成智能化混凝土結構，實現建筑物的自檢測、自修復和自診斷功能。目前，該技術在國外的實踐應用已取得了十分顯著的成果，而光纖材料也逐漸成為土木工程結構振動自控制和健康診斷中設計傳感器的理想化材料。隨著應用效果的不斷提升，該材料目前還被廣泛的應用于大壩工程的安全測定和健康監測，為建筑物的安全性和穩固性提供了良好的保障。

例如，廣州市某鋼鐵房機建造于深厚軟土地基上，主要是以淤泥質土為主，土質的力學性能較差，基坑挖深11m，H型鋼約為25m。本次工程中，主要是采用了分布式光纖傳感技術對H型鋼進行優化和改造，以此提升其變形感知能力，并實現H型鋼水平位置、彎矩以及應變等數據的實時獲取，具體情況見圖2。

圖2 廣州市某鋼鐵房地下支護結構光線監測實景圖

3.2 現代建筑節能技術

智能土木結構的應用，為建筑物安全檢測性能的提升提供了良好保障，同時也提供了大量的節能技術，可在今后的實踐發展中加以推廣。而通過該結構的應用，也提升了建筑工程師的節能意識。所謂節能建筑，即在建造和設計的過程中，均統一采用節能器具和材料，并通過智能土木結構的應用，賦予建筑物自我監測的能力，使其可靈活自如的應對外部環境變化，最大限度的降低能耗。智能土木結構的實際應用，為節能建筑提供了強大的技術支持，加快了綠色建筑目標的實現，為可持續發展型、環境友好型社會的建設奠定了良好基礎[3]。

3.3 工程健康監測

將智能土木結構應用于建筑工程中，在健康檢測和結構損傷等方面具有著至關重要的作用。在土木工程中，建筑物檢測常以目測方式為主，同時還會輔助聲發射、x射線、超聲波等技術，通過該方式的應用，可有效避免很多缺陷問題，能夠對建筑物結構的破損情況進行動態監測，不僅滿足了人們的實際需求，同時也確保了檢測結果的精準性和效率性。如建筑物在出現損傷時，其內部結構也會相應破裂，在外力作用的影響下，通常會加大損傷力度，而這些變化均會被傳感器感知到，從而使工作人員可在第一時間對建筑的實際情況加以掌握和了解，并以此為基礎采取針對性調整措施，有效避免建筑發生安全事故造成的人員傷亡問題。

大量調查數據顯示，形狀記憶合金具有較高的相變回復力，最高數值可達400MPa。以上述特性為基礎，可開發出具有變形能力的被動耗能控制系統和記憶合金被動耗能器,以此實現土木工程結構的抗震控制。這些結構在具體應用的過程中，通常是安裝在結構的底部或層間，如此當建筑結構出現形變時，便會迅速被耗能器所感知，從而可最大限度的消耗地震能量。據調查，在建筑結構中安裝了記憶合金耗能器，大約有60%地震能量均可吸收，有效抑制了建筑結構的位移、變形等問題。目前，在國外很多國家，均開始將該設備應用于建筑物的防震、抗震設計中，效果顯著。

4 提升智能土木結構應用效果的有效措施

4.1 提升智能傳感水平

在現代建筑結構中，為了能夠最大限度的提升智能土木結構的應用效果，首要工作便是提升智能傳感技術水平。因此，有必要對傳感元件的性能進行優化。站在仿生學的立場看，對于現代建筑而言，傳感器則相當于其自身的某個器官。若想提高建筑物整體的感知能力，則必須對傳感技術水平進行提升，從系統性方向入手，強化傳感器的處理能力、識別能力以及感知能力，并在此基礎上，增強其系統的靈敏度與可靠性。將智能傳感元件應用于現代建筑工程中，應注意禁止對建筑外形造成影響，與此同時，還應確保建筑結構的相容性，不斷提升其抗干擾能力[4]。

4.2 智能控制集成發展

若將建筑物比作人體，則智能控制系統就是人的大腦神經中樞系統，其作為一個核心部分，不僅操控著運動系統程序和感覺系統，同時也直接影響著整個神經的協調功能和運轉功能。將該智能集成系統安裝于建筑智能土木結構中，可大幅度提升建筑物的外部抵抗能力，如風暴、降雨等等，使其在第一時間做出相應反應，最大限度的避免人員傷亡，并降低經濟損失。基于上述情況，我國相關技術部門應重點對智能控制系統進行研究與開發，并加大推廣應用力度，以此為基礎，實現整個建筑環境的優化控制，為建筑結構的穩固性、安全性提供有力保障。

4.3 大力發展節能新技術

隨著社會經濟的不斷增長，生態能源短缺、環境污染惡化問題日益嚴重，威脅著人們的生存和發展環境。近年來，人們對于節能環保理念的重視程度越來越高。在此環境背景下，綠色建筑應運而生，但在我國目前的現代化建筑結構中，節能新技術尚未實現普及，應用率有待提升，且能源浪費問題仍較為常見。為此，應加大節能技術的開發和創新力度，增強技術人員的創新意識，從而使節能新技術可與現代智能土木結構相互適應，為綠色建筑的發展提供便利條件。具體分析如下：首先，在將節能技術應用于現代建筑結構中時，應保證其定位的精準性，在確保建筑結構正常運行的同時，最大限度的減少浪費，降低能源消耗。其次，結合建筑結構的實際情況和具體要求，有針對性的引進節能新技術和新理念，以此提升技術的成效性和適應性。最后，在具體應用過程中，還應充分考慮建筑物的外部環境變化，并結合其具體情況，對節能技術進行及時更新和調整，從而最大限度的發揮其節能環保性能，為綠色建筑發展提供有力保障[5]。

智能土木結構是一種新興的結構類型，其在現代建筑結構中的實踐應用，雖具有良好效果，但從整體角度看，由于該結構應用目前尚處于初級發展階段，故在個別領域仍存在較多缺陷和問題，如應用技術水平低、結構選擇不當等等，限制和影響了智能土木結構應用優勢和價值的充分發揮。為避免上述問題的發生，技術人員應加大對該結構的研究力度，并對其適用條件、類型、結構內涵等進行綜合分析，結合建筑物規模、性質以及功能的不同，選擇合理的土木結構類型，以此提升應用效果。另外，智能土木結構的應用，還可提供節能技術，實現了建筑物的環保生態功能，與此同時，也大幅度降低了能源消耗。在進行節能技術研究的過程中，可提高風能、地熱能以及太陽能的應用效率，最大限度降低化石燃料的應用率，避免環境污染問題的發生，從而為城市環境的改善貢獻應有的力量。

5 結 語

隨著科技的發展以及智能化技術的不斷普及，給人們的日常生活、生產帶來了極大改變。智能化土木結構集合了各種先進技術和材料，將其應用于現代建筑結構中，可大幅度提升建筑物的安全性和健康檢測能力，并可滿足人們對于建筑物的多元化需求。本文主要對智能土木結構及其分類進行了分析，并闡述了其在現代建筑結構中的應用現狀，最后提出幾點提升應用效果的有效措施，以期為綠色建筑的發展以及環境友好型社會建設提供支持和保障。

[1]嚴先輝.淺析智能材料在土木工程結構振動控制中的應用[J].四川水泥,2016,4412:297.

[2]寧學前.智能材料在土木工程結構振動控制中的應用[J].科技資訊,2015,02:38-156.

[3]歐進萍.土木工程結構用智能感知材料、傳感器與健康監測系統的研發現狀[J].功能材料信息,2014,054:12-22.

[4]李宏男,李軍,宋鋼兵.采用壓電智能材料的土木工程結構控制研究進展[N].建筑結構學報,2015,403:1-8+29.

[5]任勇生.智能材料在土木結構監測和振動控制中的應用[N].太原理工大學學報,2015,105:486-493.