智能土木結構在現代建筑結構中的應用研究

夏巧麗

摘要： 智能土木結構作為現代建筑結構中新興的仿生結構體系，因其自身具備的多樣化與智能化等優勢，能夠通過通訊技術和計算機技術自動監控建筑結構中的各種設備，合理優化信息資源，為住戶提供相應的信息服務，提高了建筑結構的整體性能，得到廣泛應用，獲得支持與認可，并在現代化建筑結構設計中發揮越來越重要的作用。本文主要研究了智能土木結構在現代建筑結構中的應用，希望能為現代智能建筑結構設計提供借鑒。

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.

關鍵詞： 智能土木結構；現代建筑結構；應用

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

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

0 引言

以往的建筑物結構均是通過提升建筑物材料的質量與定期組織維修，才能提升建筑物的安全性、穩定性和可靠性，滿足人們對現代化建筑物的使用需要，但是這些處理模式屬于消極應對方式，并不能徹底解決實質性問題。加上這些處理模式如果沒有嚴格根據規程對建筑物結構進行控制，一旦建筑物結構的某個環節出現失誤，勢必為國家帶來巨大的經濟損失。因此在現代建筑結構設計中，如何實現對建筑物結構的智能化控制，是值得探討的問題。

1 智能土木結構的概述

設計師在進行土木工程結構設計中，不斷嘗試將建筑物的結構設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構，以調整、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，做出自我調整，以改變建筑結構的強度、結構應力分布與剛度，提高建筑物的自我修復能力，讓建筑物的功能更加完善，以提高建筑結構的使用性能，這就是建筑結構的智能化。可見土木結構智能化的應用，使得建筑物結構本身具備較強的自我調節能力，這是智能化土木結構的體現，主要是在以往建筑物結構的基礎上，集控制、管理、維護和通信為一體，對建筑使用進行安全檢查、環境監控和報警監視，從而營造一個高效、舒適與便利的居住環境[1]。

2 智能土木結構的分類

在現代建筑結構中應用智能土木結構，根據使用的形式，可細分為嵌入式智能土木結構和智能材料耦合結構等兩大類，其中智能材料耦合結構，即通過結構材料的某些特性進行監測，了解材料結構的特性發生了何種變化，方便及時做出相應的調整。而嵌入式智能土木結構則是將傳感器安裝到鋼筋混凝土中，利用計算機軟硬件和其他材料儀器來調整建筑物的結構。這種結構設計模式能夠在傳統建筑的基礎上作出改進，不需要研究與分析建筑物的其他性能，就能從傳統結構實現智能化結構的過渡。雖然前者與后者之間的區別是利用對象不同，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，根據目的的不同，智能土木結構都可歸類為智能混凝土結構，依據特有功能的分類，可分成自診斷、疲勞壽命預報能力、自愈合功能、應力應變自診斷功能、變形及損傷自診斷功能。因此在實際使用的過程中，設計師需要依據現代建筑結構的特性與具體需要，選擇相應的結構，這也是現代建筑結構中智能土木結構分類細致的特性[2]。

3 智能土木結構在現代建筑結構中的應用研究現狀

對于智能土木結構的運用，在高層建筑、大壩與橋梁中獲得了廣闊的發展前景。具體體現為：在20世紀八十年代，美國在佛羅里達州的Sunshine Skyway Bridge橋梁上開始嘗試安裝監測傳感器，用于驗證設計中的假定，對施工質量與服役安全狀態進行監測。八十年代后期，英國開始嘗試在大型橋梁上安裝監測儀器與設備，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，對建成后的橋梁服役安全狀態進行監測。直到1993年后，加拿大在Calgary建設的Bedding Trail橋梁上第一次成功地安裝了光纖布拉格光柵傳感器，負責對橋梁內部的應變狀態進行監測。在采油平臺、船閘與大壩等大面積混凝土結構中也開始嘗試安裝傳感器，實現了建筑結構的智能化。尤其是在近年來科學技術迅猛發展的背景下，大規模分布式智能傳感元器件的廣泛運用，為民用建筑結構的智能監測系統的發展提供了技術支撐，使得智能大廈在國內如同雨后春筍般崛起[3]。

4 智能土木結構應用的技術分析

4.1 電（磁）流變體

電（磁）流變體，稱為ER，屬于可控流體。主要通過導電、不導磁的母液、固體電解質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，組成屈服剪應力的粘塑性體。因其設計方便、出力大，被應用到土木工程結構的振動控制領域。目前應用電（磁）流變體進行結構振動控制，開展了許多研究，已經研制出了許多減振控制器，同時對結構控制方法也進行了一系列的探索研究。例如Lord公司生產了雙推桿式MR流體阻尼器，驅動力為20t；在大跨度結構振動控制方面，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，提高了建筑物結構設計的抗震性能[4]。

4.2 愈合材料

愈合材料主要包括3類：內置纖維膠液管自修復混凝土、形狀記憶合金智能自修復混凝土和內置膠囊自修復混凝土等，由于材料中的混凝土及其結構具有良好的環境適應性，在遭到損傷后，能夠自動修復，是解決建筑結構中混凝土材料損傷的有效技術手段。但對于如何快速地修復混凝土材料的損傷和進行混凝土自修復等方面的研究，是近年來隨著機敏混凝土與仿生混凝土研究熱的興起，才引起人們的關注。例如在智能混凝土中應用仿生學，將化學粘結劑添加到內置玻璃纖維管與空心膠囊，一旦出現裂縫，玻璃纖維管與空心膠囊就會破碎，內部的化學粘結劑便會隨著裂縫排出體外，當遇到空氣后就會凝結，減緩與阻止裂縫擴大，同時保護建筑結構內部的鋼筋，防止鋼筋遇到空氣、水發生銹蝕。

4.3 磁致伸縮材料

以磁致伸縮材料制作成驅動器，應用到主動隔震中，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。但我國當前對其研究僅限制在航空、微制造、軍事和機械等領域中，研發的控制器僅限制在控制小型結構、器械等方面，對于大型土木工程結構的控制方面有待進一步的研發[5]。如表1所示。

4.4 壓電材料

研究員先后應用壓電陶瓷作為加速度驅動體育傳感器，對任意負載激勵下壓電層與結構的主動振動控制、主動阻尼、被動阻尼問題進行相應研究，研究員甚至依據經典復合板理論，使用加速度反饋控制方法，通過壓電傳感元件實現對復合材料層合梁的主動阻尼控制進行了試驗研究。目前我國將壓電堆技術與壓電材料運用到土木工程的抗震抗風、靜變形控制能、安全評定、噪聲主動控制、自適應修復與健康監測等方面中，獲得了良好的控制效果。如表2所示。

4.5 光導材料

在原有的混凝土結構中安裝光纖，作為傳感元件，實時評價、診斷和控制結構強度、裂縫、施工質量、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為一體，組成一個具有智能功能的混凝土結構，從而達到混凝土結構的自我修復、自我檢測、自適應以及自我診斷等目的。在20世紀80年代，美國以將光纖維材料運用到橋梁的振動監測方面，國內也在類似的健康監測與安全評定系統中應用光纖材料，進行結構監測[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，倉面尺寸為32×20m，高程為140.56m，薄層澆筑層為1.5m，并且在底部設置有蛇形冷卻水管，因此需要應用大面積混凝土分布式光纖傳感監測技術實現混凝土施工期與運行期的溫度場監測，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，壩體內部總共敷設81.1m的傳感光纜，在確保混凝土溫度值監測結果的同時，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，能夠吸收60%的地震能量，相變回復能力達400MPa，得到廣泛應用，但為了提高監測的結果，大部分的形狀記憶合金被動耗能器往往安裝于建筑結構的層間和底部，方便耗能器準確的監測到建筑結構的層間變形情況[7]。例如在建筑抗震結構體系中應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，安裝到建筑結構底層與基礎頂面之間，在結構底層上使用拉索固定，另一端的拉索固定中基礎頂層上，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與馬氏體逆向完成溫度的SMA合金絲，這樣建筑結構體系一旦受到震動，可有足夠的初始剛度來抵御側向變向，讓建筑結構處在彈性工作狀態，而在強震的情況下，SMA拉索能夠保持一個滯回耗能狀態，借助拉索的超彈性變形耗散地震動能量，減小對建筑上部結構的地震反應，確保建筑結構整體的安全性，如果智能抗震耗能體系在振動結束后出現因摩擦力形成的殘余變形，可利用常溫馬氏體狀態的溫度控制器來增加拉索的溫度，借助形狀記憶效應讓結構復位。

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生變化，讓建筑結構適應不同的地震波，并避開共振，從而達到隔震智能性的目的。

5 智能土木結構在現代建筑結構中的具體應用——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。因此在土木智能結構設計的過程中，不僅需要結合屋頂的美觀與綠化，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備，以快速吸收、利用自然界的熱能量和物質。此外，為了避免這些設施遭到破壞，還需采取相應的措施來處理。

5.2 墻體

在民用建筑結構設計方面，墻體除了起到隔斷與承重作用外，還可在建筑墻體內部預留各種型號不同的接線口，方便在墻體內部空間安裝各種控制設施、重力與震動傳感器[8]。例如在墻體智能化設計方面，使用鍍鋅鋼絲網作為墻體網格，利用引線連接敏感柵電阻元件和測量電路，并在鍍鋅鋼絲網中安裝電阻式應變傳感器，一旦墻體遭受到外界環境的損壞時，電阻式應變傳感器就會接收重力與振動信號，形成蜂鳴警告，經A/D轉換器進行數據預處理后，向物業管理平臺與消控中心提交控制系統的數據分析處理結果，管理人員就能通過監控界面上獲取相應的預警信號，準確找出遭到破壞的墻體位置和對應業主信號，及時采取相應的措施來處理，避免事件進一步惡化。

5.3 地面

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

5.4 天花板

智能民用建筑內的天花板作用是輔助照明燈具、消防噴灑、排氣出風設施和煙霧傳感設施等出口、走向的布設，保證室內裝修的美觀性[9]。例如在頂棚綜合布線方面，為實現智能土木結構的設計，需要根據《住宅設計規范》的相關要求，將普通住宅層高設為2.8m，住宅頂棚綜合布線應根據天花板的吊裝高度，設為2.5～2.7m，且考慮到各種管線、照明系統、煙感溫感報警器、自動噴淋、送風和回風口等設備設施的布置，需要將智能化住宅的層高控制在3.0～3.3m內，然后開鑿線槽綜合走線，從而達到住宅智能化設計的目的。

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，在這一區域的智能化設計過程中，為了營造良好的活動空間，設計師需要根據限定的空間，通過變化標高與應用不同的墻體來創造一定的封閉空間。但考慮到建筑物外部空間具有的流動性與開敞性特性，在實際設計時，設計師需要通過獨特的空間布置來設計不同空間的應用功能，營造舒適的空間環境。此外，在建筑物外部空間設計方面，由于外部空間容易受日照范圍、生活習俗與城市規劃的影響，給業主帶來不同的感受，設計師在設計時，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出不同的空間形態，填補已有室內空間的先天缺陷，豐富建筑物外部空間，實現外部空間層次感不同的體現[10]。

6 結束語

綜上所述，智能土木結構，成為土木工程界的知識經濟，它的應用有利于實現建筑的小型化、高功率化與多功能化，通過建筑結構的復合控制、耦合連接元件、傳感和驅動系統對建筑結構進行監控，對有效利用太陽能、風振與抵御地震等方面起到促進作用，為人們的工作、生活提供安全、舒適的環境。但要想提高智能土木結構的作用，還需將智能土木結構技術靈活運用到現代建筑結構設計中，實現結構管理、控制的智能化。

參考文獻：

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[9]王世濤，陳瑞.談現代建筑結構中智能土木結構的應用[J].城市建設理論研究（電子版），2015（16）：5624.

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