淺談在建筑工程中對土建技術的探析(1)

許麗君

摘要：現代結構是傳統結構的功能的升華。現代結構在土木結構中的應用便稱之為現代土木結構。

關鍵詞：建筑工程;土建技術;探析

1.現代土木結構的概念

現代材料技術的發展進步促使了人類社會進入了信息時代，信息材料的生產業已實現設計制造一體化。人們開始嘗試將傳感器、驅動材料緊密地融合于結構中，同時將各種控制電路、邏輯電路、信號放大器、功率放大器以及現代計算機集成于結構大系統中。通過力、熱、光、化學、電磁等激勵和控制，使結構不僅有承受建筑荷載的能力，還具有自感知、自分析計算、自推理及自我控制的能力。具體說來，結構將能進行參數（如應變、損傷、溫度、壓力、聲音、化學反應）的檢測及檢測數據的傳輸，具有一定的數據實時計算處理能力，包括人工智能診斷推理，以及初步改變結構應力分布、強度、剛度、形狀位置等能力，簡言之，即使結構具有自診斷、自學習、自適應、自修復的能力。這就是現代土木結構概念的形成過程。

2.建筑工程土建技術常見的問題

土建工程施工項目的質量問題主要表現在引發質量問題的因素復雜，從而增加了對質量問題的性質、危害的分析、判斷和處理的復雜性。比如盲目套用圖紙，結構方案不正確，計算簡圖與實際受力不符;荷載取值過小，內力分析有誤，結構的剛度、強度、穩定性差;施工偷工減料、不按圖施工、施工質量低劣;或是建筑材料及制品不合格，擅自代用材料等原因所造成。由此可見，即使同一性質的質量問題，原因有時截然不同。所以，在處理質量問題時，必須深入地進行調查研究，針對其質量問題的特征作具體分析。

3.現代土木結構技術分析

3.1結構智能化

傳統的土木結構是一種被動結構，一經設計、制造完成后，其性能及使用狀態將很大程度上存在著不可預知性和不可控制性，這就給結構的使用和維護帶來不便。為了解決這一問題，發展出了在線監測結構，它賦予傳統土木結構以在線監測機制，從而為探知結構內部性能打開了窗口，使人員可以方便地了解結構內部物理、力學場的演變情況，這就是結構智能化的第一層次。在在線監測結構的基礎上，進一步增加了監測數據的智能處理機制，使得結構具有自感知、自診斷、自推理的能力，從而使結構實現了第二層次的智能化。

3.2現代土木結構分類

現代土木結構按其材料可分為兩種類型，分述如下。

3.2.1嵌入式現代土木結構

在基體材料如鋼結構、鋼筋混凝土結構中嵌入具有傳感、動作和控制處理功能的材料或儀器，并集成進現代計算機硬件軟件技術，由傳感元件采集和檢測結構內部信息，由計算機對這些信息進行加工處理，并將處理結果通知控制處理器，由控制處理器指揮、激勵驅動元件執行相應動作。

3.2.2基體、智能材料耦合結構

某些結構材料本身就具有智能功能，它們能夠隨著自身力學、物理狀態的改變而改變自身的一些其它性能。

按照結構智能化目的的不同，又可將其分為如下幾類：①具有裂縫自診斷和自愈合功能的智能混凝土結構;②具有應力應變狀態自診斷功能的智能混凝土結構;③具有變形、損傷自診斷功能的智能混凝土結構;④具有疲勞壽命預報能力的現代土木結構;⑤具有監測鋼筋或鋼構件銹蝕狀態能力的現代土木結構;⑥具有感知和自我調節功能的智能減振（橋梁）結構。

3.3現代土木結構的研究內容

3.3.1智能化設計

現代土木結構的首要研究內容就是對傳統結構智能化的概念設計策略性研究。需要針對結構類型及其重要性的不同，以及現有工藝技術水平和經濟資金情況等多個方面因素，合理地確定智能化目標，在兼顧技術先進性、實用性和經濟節省的前提下采用合理功能層次的現代土木結構。確定了智能化目標以后，就需要著手做一些準備工作，它們是：對結構在使用中可能發生的各種行為進行預測，對結構在力學物理環境下出現的各種反應進行預估，以確定結構中需要實現智能化監控的部位，確定整體監控方案。

3.3.2由傳感元件實現智能控制

另外一項重要研究內容就是傳感元件。感覺是現代土木結構的基礎性功能，它利用在傳統建筑材料中埋入傳感元件（或利用傳感、結構耦合材料）來采集各種信息，經過處理分析，才可實現自診斷、自驅動等智能控制功能。有鑒于此，應對傳感元件提出一些特殊要求如下：

①尺寸細微，不影響結構外形;②與基體結構耦合良好，對原結構材料強度影響很小;③性能穩定可靠，耐久性好，與基體結構有著相同的使用壽命;④傳感的覆蓋面要寬;⑤信號頻率響應范圍要寬;⑥能與結構上其它電氣設備兼容;⑦抗外界干擾能力強;⑧能在結構的使用溫度及濕度范圍內正常工作。

可列入研究范圍的元件有：光導纖維，壓電陶瓷，電阻應變絲，疲勞壽命絲，銹蝕傳感器，碳纖維等。

3.3.3作動材料分析

現代土木結構的最終目標是實現結構的智能控制，而控制是由作動材料實現的。利用某些存在物理耦合現象的材料，尤其是機械量與電、熱、磁、光等非機械量的耦合材料，作為結構的作動件。可以通過控制非機械量的變化來獲取結構特性（形狀、剛度、位置、應力應變狀態、頻率、阻尼、摩阻等）的改變，從而達到作動目的。對它的要求主要有：①與基體結構耦合良好，結合強度高;②作動元件本身的靜強度和疲勞強度高;③驅動方法簡單安全，對基體結構無影響，激勵能量小;④激勵后能產生高效穩定的控制，反復激勵下性能穩定;⑤頻率響應范圍寬，響應速度快，并可控制;常用的作動材料有記憶型合金、壓電材料、記憶聚合物以及聚合膠體等。目前有關作動元件的研究正在一些領域展開，如董聰、Crawlay等人評述了幾種常用作動/傳感材料的性能。

4.結論

正如建筑業是國民經濟各部門原動力一樣，現代土木結構及智能建筑不僅對于未來土木界的發展意義重大，而且對于目前主要的高科技領域而言也具有重要的意義，它的研發及實現必將進一步帶動其它高科技領域的進一步提高，是土木工程界的知識經濟。

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