淺談砌體結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計研究院 哈爾濱市 150000

摘要：砌體結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境是將人工智能的建模技術(shù)應(yīng)用到相關(guān)的計算程序和計算過程之中，最終實(shí)現(xiàn)用模擬再現(xiàn)和合理預(yù)測的方法完成對系統(tǒng)的工作行為進(jìn)行科學(xué)地分析。

關(guān)鍵詞：砌體結(jié)構(gòu)；智能技術(shù)；實(shí)驗(yàn)環(huán)境

砌體結(jié)構(gòu)在全球具有悠久的歷史，如兩千多年前建造的舉世聞名的萬里長城，古埃及的金字塔，春秋戰(zhàn)國時期建造的如今仍然起灌溉作用的都江堰水利工程等。近半個世紀(jì)以來，砌體結(jié)構(gòu)仍是我國建筑的主要類型，該結(jié)構(gòu)由過去的低多層發(fā)展至目前的高層建筑，如今，在辦公、住宅、廠房、影劇院、食堂、倉庫等建筑中廣泛采用磚墻、柱承重結(jié)構(gòu)。由此可以看出，砌體結(jié)構(gòu)作為最為普通但不可或缺的一種結(jié)構(gòu)形式必然還將得到更廣泛的應(yīng)用。在砌體結(jié)構(gòu)理論研究方面，我國取得了很多成果，但是砌體結(jié)構(gòu)在風(fēng)、洪水、爆炸荷載等面外水平荷載作用下的工作性能的研究仍處于定性分析階段。尤其在風(fēng)（尤其是臺風(fēng)）、洪水、突然性爆炸荷載、地震、撞擊等面外水平荷載作用下能夠引起砌體結(jié)構(gòu)的損壞和倒塌。例如，1990年浙江省遭到五次臺風(fēng)襲擊后，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在倒塌或嚴(yán)重?fù)p壞的房屋中，絕大部分是舊式木結(jié)構(gòu)及簡易磚混結(jié)構(gòu)；1992年8月，北京南沙灘一戶天然氣爆炸，使爆炸處樓板與墻板破壞嚴(yán)重；廣東茂名市經(jīng)常遭受臺風(fēng)、洪水、冰雹、山體滑坡等自然災(zāi)害襲擊，僅2001年遭受的一次強(qiáng)臺風(fēng)襲擊，全市倒塌磚混房屋兩萬多間；2008年的汶川大地震更是損失慘重，四川地震區(qū)的磚混結(jié)構(gòu)數(shù)量很多，震害也非常嚴(yán)重，大量磚混結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌，甚至是粉碎性倒塌，造成了慘重的人員損失。因此，研究砌體結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)，尤其是對抗風(fēng)、洪水、山體滑坡、爆炸及地震等面外荷載作用下的破壞機(jī)理及力學(xué)模式是十分必要的。

同時，雖然砌體結(jié)構(gòu)在過去和現(xiàn)在經(jīng)過了千年的漫長發(fā)展歷史，但是對其研究卻起步較晚，我國從20世紀(jì)60年代到70年代初才開始了有關(guān)砌體結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)和研究，每年為砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展投入了大量的研究經(jīng)費(fèi)，進(jìn)行了難以數(shù)記的試驗(yàn)，積累了浩瀚的試驗(yàn)記錄。同時，對各種工程結(jié)構(gòu)的實(shí)測也積累了大量的結(jié)構(gòu)損傷和破壞的記錄。然而，當(dāng)進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)時，雖然互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和廣泛科研合作與交流使人們能夠獲取大量過去的有關(guān)試驗(yàn)和實(shí)測資料，但是過去的試驗(yàn)和實(shí)測記錄只是作為一種潛在的參考，并不能直接用來對新模型進(jìn)行真正意義上的預(yù)測和分析，另一方面，實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計、檢測、維修、改造和加固還沒有充分地借鑒已有的試驗(yàn)和實(shí)測記錄。這樣，就造成大量的試驗(yàn)和實(shí)測記錄中包含的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)工作特性等寶貴資源的巨大浪費(fèi)。究其原因，主要在于目前還沒有簡便有效的分析技術(shù)，使人們能夠從試驗(yàn)和實(shí)測記錄中提取與模型有關(guān)的信息，對于新的模型預(yù)測出已有試驗(yàn)和實(shí)測記錄的結(jié)果。從結(jié)構(gòu)分析的角度來看，目前也沒有分析方法能夠直接地僅僅應(yīng)用試驗(yàn)和工程結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)就能預(yù)測結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。

1.1 砌體結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的概念

砌體結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境是由已有的具有代表性的試驗(yàn)和實(shí)測記錄，適當(dāng)?shù)闹悄芗夹g(shù)數(shù)字模型和匹配準(zhǔn)側(cè)共同組成，由于它能同真正的實(shí)驗(yàn)環(huán)境起到同樣的作用——預(yù)測系統(tǒng)在一定的實(shí)驗(yàn)條件下的反應(yīng)，因而稱其為砌體結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

砌體結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境將人工智能的建模技術(shù)應(yīng)用到相關(guān)的計算程序和計算過程之中，全面地利用了外部的物質(zhì)，能量，信息三個層次的內(nèi)容，把形式化和物化的知識作為資源，建立起完善的知識庫來分析問題，處理問題，最終實(shí)現(xiàn)用模擬再現(xiàn)和合理預(yù)測的方法完成對系統(tǒng)的工作行為進(jìn)行科學(xué)地分析。

砌體結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的概念是最近幾年智能技術(shù)在結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)用研究中提出來的。周廣春教授[1]在此之前提出了剛度與強(qiáng)度修正系數(shù)，并將其應(yīng)用在砌體墻板的破壞模式和破壞荷載當(dāng)中，取得了良好的效果。此組系數(shù)取自一個基礎(chǔ)墻板（標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)墻板）被測試的各個局部區(qū)域，應(yīng)用匹配技術(shù)使之應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)的各個類似區(qū)域，從而使結(jié)構(gòu)的破壞模式和破壞荷載的有限元預(yù)測結(jié)果更接近實(shí)際。匹配類似區(qū)域的過程采用了細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)，很快發(fā)現(xiàn)這個新的技術(shù)可以基于一個基礎(chǔ)墻板的破壞模式，直接（不用任何傳統(tǒng)技術(shù)）預(yù)測出其他具有不同邊界條件和不同幾何形狀結(jié)構(gòu)的破壞模式。周廣春教授還提出了廣義墻板的概念，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)的破壞模式與其相應(yīng)的破壞荷載能夠用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型聯(lián)系起來，初步實(shí)現(xiàn)了基于已有的試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用智能技術(shù)同時預(yù)測結(jié)構(gòu)的破壞模式和破壞荷載目標(biāo)。同時，迅猛發(fā)展的人工智能技術(shù)，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，細(xì)胞自動機(jī)，基因遺傳算法，支持向量機(jī)和數(shù)字模擬技術(shù)，以及這些技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程研究中的應(yīng)用，奠定了構(gòu)造砌體結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的堅(jiān)定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和智能化實(shí)驗(yàn)室的概念，它們雖然都是應(yīng)用了計算機(jī)技術(shù)解決的實(shí)際的問題和方法，但卻有著本質(zhì)上的區(qū)別。

智能化實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)已應(yīng)用在生活中的許多領(lǐng)域[2-3]。

1.建筑智能化實(shí)驗(yàn)室：是由樓宇自動化控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議控制，用以實(shí)現(xiàn)建筑物的信息交換和共享，更好地完成能源管理，建筑物性能檢測，增強(qiáng)設(shè)備和其他樓宇設(shè)備的診斷能力，包括火災(zāi)探測，消防和救護(hù)系統(tǒng)地結(jié)合。

2.智能通信實(shí)驗(yàn)室：為保證語音，數(shù)據(jù)，圖像傳輸，同時與外部通信網(wǎng)相連，與世界各地互通信息，智能通信試驗(yàn)室應(yīng)包括電話網(wǎng)提供支持的語音功能，由電視網(wǎng)提供支持的視頻功能，由計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)提供支持的數(shù)據(jù)功能。

這些智能化實(shí)驗(yàn)室的共同特點(diǎn)就是利用了現(xiàn)代的控制技術(shù)和通信技術(shù)，通

過信息的共享和交流實(shí)現(xiàn)自動化。提高了效率，節(jié)省了人力。但在這些系統(tǒng)中，輸入和輸出是固定不變的。對應(yīng)何種情況應(yīng)有什么樣的輸出是由專業(yè)人員預(yù)先設(shè)定好的。而在智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，由于細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)等智能技術(shù)的應(yīng)用，輸出是由組成模型的各個因素共同影響的，是多種多樣的。它的目的不是實(shí)現(xiàn)自動化，而是代替部分實(shí)驗(yàn)。無論從手段還是目的上來看，都與智能化實(shí)驗(yàn)室有著本質(zhì)上的區(qū)別。

1.2 構(gòu)成智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要素

1.大量的覆蓋有關(guān)領(lǐng)域代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)測結(jié)果。科學(xué)數(shù)據(jù)共享是一個對科技發(fā)展具有積極推動作用的重大戰(zhàn)略問題，多年來一直是科學(xué)家們夢寐以求的愿望，也是近年來科學(xué)界不斷努力推動的一項(xiàng)重大事業(yè)。數(shù)據(jù)共享的不斷發(fā)展為砌體結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的數(shù)據(jù)提供了來源，是其能夠應(yīng)用到越來越廣泛的領(lǐng)域中。

2.科學(xué)合理的數(shù)字模式。數(shù)字模式的建立主要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，細(xì)胞自動機(jī)，基因遺傳算法和支持向量機(jī)等智能技術(shù)構(gòu)建起描述結(jié)構(gòu)和構(gòu)件有關(guān)性質(zhì)——構(gòu)件的物理尺寸，材料性質(zhì)，約束條件等等——的數(shù)字模式，并將相應(yīng)的試驗(yàn)和實(shí)測記錄提供的大量的信息——破壞模式，破壞荷載等等——與所建立的數(shù)字模式聯(lián)系起來。對擬試驗(yàn)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)（新構(gòu)件或結(jié)構(gòu)）建立描述其有關(guān)性質(zhì)的智能技術(shù)數(shù)字模式，要求與砌體結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的數(shù)字模型相統(tǒng)一。

3.匹配準(zhǔn)側(cè)。建立起實(shí)驗(yàn)環(huán)境與新結(jié)構(gòu)或構(gòu)件類似性質(zhì)的匹配準(zhǔn)側(cè)。這樣，就可以從已有的實(shí)驗(yàn)和實(shí)測記錄中選擇最優(yōu)的一個或幾個為出發(fā)點(diǎn)，對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的破壞模式及破壞荷載進(jìn)行預(yù)測。

1.3智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的意義

研發(fā)出充分利用已有試驗(yàn)和實(shí)測記錄的結(jié)構(gòu)智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境取代部分昂貴的試驗(yàn)，并且開發(fā)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，具有非常可觀的經(jīng)濟(jì)價值和極富創(chuàng)新意義的理論價值。研究極具挑戰(zhàn)性，每次進(jìn)展都要提出新的概念和方法，需要創(chuàng)新地應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，細(xì)胞自動機(jī)，基因遺傳算法，支持向量機(jī)等智能技術(shù)，以及智能技術(shù)與傳統(tǒng)分析技術(shù)的結(jié)合的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]G.C.Zhou.Application of Stiffness/Strength Corrector and Cellular Automata in Predicting Failure Load and Failure Pattern of Laterally Loaded Masonry Panels.University of Plymouth，Plymouth，UK.2002

[2]王奇，母文平.智能建筑實(shí)驗(yàn)室安全防范系統(tǒng)設(shè)計.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2006年，04期

[3]顏凌云.智能建筑通信實(shí)驗(yàn)室設(shè)計方案探討.高等建筑教育.2005年04期

作者簡介：

谷爽（1983——），女（漢），黑龍江，工程師，碩士，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計