現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用分析

人們物質(zhì)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(xiàn)出智能化、多樣化的發(fā)展趨勢。為滿足人們這一需求，需對當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)加以改進和完善?，F(xiàn)代大型建筑對于土木結(jié)構(gòu)具有較高要求，其對于建筑的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性具有較為直接的影響。智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，符合時代發(fā)展趨勢，彌補了傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的缺陷和不足，對于建筑物性能及質(zhì)量的提升，具有至關(guān)重要的作用。

1 智能土木結(jié)構(gòu)簡述

智能化土木結(jié)構(gòu)是科學(xué)技術(shù)以及現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的重要產(chǎn)物。當(dāng)前，人類已步入信息化社會，在生產(chǎn)信息材料的過程中，已逐步實現(xiàn)了制造、設(shè)計一體化。而這些變化的產(chǎn)生，也為土木工程師提供了創(chuàng)作靈感和動力源泉。近年來，人們在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)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(yōu)化和調(diào)整，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的自我調(diào)節(jié)與控制。為此，設(shè)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)這一目標(biāo)。所謂建筑結(jié)構(gòu)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(diào)整，也就是所說的“自我修復(fù)能力”，具有該功能的建筑物可對自身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、剛度、強度等進行調(diào)節(jié)和改變，從而對建筑物整體加以完善。智能化的土木結(jié)構(gòu)，賦予了建筑物一定的自我調(diào)節(jié)能力，而這也恰恰是其智能化的具體表現(xiàn)，其充分發(fā)揮了信息材料的優(yōu)勢與特征，符合當(dāng)今時代人們對于建筑物的實際需求[1]。

2 智能土木結(jié)構(gòu)分類

在具體應(yīng)用過程中，智能土木結(jié)構(gòu)通常可分為以下幾類：第一，智能材料耦合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)充分運用了結(jié)構(gòu)材料的部分特性，在對這些特性進行檢測時，可對結(jié)構(gòu)的變化特征加以明確，并以此實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自我調(diào)整。第二，嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和調(diào)整。具體實施過程中，該結(jié)構(gòu)主要是在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了改進和調(diào)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(tǒng)結(jié)構(gòu)過渡到智能化結(jié)構(gòu)，充分滿足了居民的實際需求。以上兩類智能土木結(jié)構(gòu)在某些方面存在一定差別，如嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)需充分借助信息材料，而智能材料耦合結(jié)構(gòu)則比較關(guān)注建筑自身所使用的原料特性。但兩者的終極目標(biāo)基本保持一致。除以上提到的兩種類型外，結(jié)合智能土木結(jié)構(gòu)目的的差異性，還可進行詳細(xì)劃分，而這些結(jié)構(gòu)均隸屬于智能混凝土范圍。從功能上看，可劃分為應(yīng)力應(yīng)變自診斷、自愈合功能、自診斷功能、壽命預(yù)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(jié)構(gòu)性能，在具體應(yīng)用過程中，設(shè)計人員可結(jié)合工程的實際需求，選擇出最適宜的土木結(jié)構(gòu)，從而最大限度的發(fā)揮其優(yōu)勢和特長[2]。

3 現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 智能傳感元件的應(yīng)用

在土木工程中，技術(shù)人員時常會在建筑結(jié)構(gòu)中添加傳感元件，以此實現(xiàn)建筑物的健康檢測，在保證結(jié)果精準(zhǔn)性的同時，還需對建筑物的安全性、穩(wěn)固性等進行綜合評價，且同樣需保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，從而對建筑物的實際使用壽命進行判斷，最后做出相應(yīng)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(jié)構(gòu)修建時間一般較長，且設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(fā)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(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)振動、變形、損傷、裂縫、銹蝕等方面的自動化預(yù)警、檢測和控制，同時，也可在其中加入驅(qū)動元件，并將其與信息處理系統(tǒng)進行有效融合，從而形成智能化混凝土結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)建筑物的自檢測、自修復(fù)和自診斷功能。目前，該技術(shù)在國外的實踐應(yīng)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(jié)構(gòu)振動自控制和健康診斷中設(shè)計傳感器的理想化材料。隨著應(yīng)用效果的不斷提升，該材料目前還被廣泛的應(yīng)用于大壩工程的安全測定和健康監(jiān)測，為建筑物的安全性和穩(wěn)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(zhì)土為主，土質(zhì)的力學(xué)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(shù)對H型鋼進行優(yōu)化和改造，以此提升其變形感知能力，并實現(xiàn)H型鋼水平位置、彎矩以及應(yīng)變等數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)光線監(jiān)測實景圖

3.2 現(xiàn)代建筑節(jié)能技術(shù)

智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(jié)能技術(shù)，可在今后的實踐發(fā)展中加以推廣。而通過該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，也提升了建筑工程師的節(jié)能意識。所謂節(jié)能建筑，即在建造和設(shè)計的過程中，均統(tǒng)一采用節(jié)能器具和材料，并通過智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，賦予建筑物自我監(jiān)測的能力，使其可靈活自如的應(yīng)對外部環(huán)境變化，最大限度的降低能耗。智能土木結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用，為節(jié)能建筑提供了強大的技術(shù)支持，加快了綠色建筑目標(biāo)的實現(xiàn)，為可持續(xù)發(fā)展型、環(huán)境友好型社會的建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)[3]。

3.3 工程健康監(jiān)測

將智能土木結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑工程中，在健康檢測和結(jié)構(gòu)損傷等方面具有著至關(guān)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(fā)射、x射線、超聲波等技術(shù)，通過該方式的應(yīng)用，可有效避免很多缺陷問題，能夠?qū)ㄖ锝Y(jié)構(gòu)的破損情況進行動態(tài)監(jiān)測，不僅滿足了人們的實際需求，同時也確保了檢測結(jié)果的精準(zhǔn)性和效率性。如建筑物在出現(xiàn)損傷時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會相應(yīng)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(chǔ)采取針對性調(diào)整措施，有效避免建筑發(fā)生安全事故造成的人員傷亡問題。

大量調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，形狀記憶合金具有較高的相變回復(fù)力，最高數(shù)值可達(dá)400MPa。以上述特性為基礎(chǔ)，可開發(fā)出具有變形能力的被動耗能控制系統(tǒng)和記憶合金被動耗能器,以此實現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)的抗震控制。這些結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用的過程中，通常是安裝在結(jié)構(gòu)的底部或?qū)娱g，如此當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(jù)調(diào)查，在建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的位移、變形等問題。目前，在國外很多國家，均開始將該設(shè)備應(yīng)用于建筑物的防震、抗震設(shè)計中，效果顯著。

4 提升智能土木結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果的有效措施

4.1 提升智能傳感水平

在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中，為了能夠最大限度的提升智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果，首要工作便是提升智能傳感技術(shù)水平。因此，有必要對傳感元件的性能進行優(yōu)化。站在仿生學(xué)的立場看，對于現(xiàn)代建筑而言，傳感器則相當(dāng)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(shù)水平進行提升，從系統(tǒng)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(chǔ)上，增強其系統(tǒng)的靈敏度與可靠性。將智能傳感元件應(yīng)用于現(xiàn)代建筑工程中，應(yīng)注意禁止對建筑外形造成影響，與此同時，還應(yīng)確保建筑結(jié)構(gòu)的相容性，不斷提升其抗干擾能力[4]。

4.2 智能控制集成發(fā)展

若將建筑物比作人體，則智能控制系統(tǒng)就是人的大腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)，其作為一個核心部分，不僅操控著運動系統(tǒng)程序和感覺系統(tǒng)，同時也直接影響著整個神經(jīng)的協(xié)調(diào)功能和運轉(zhuǎn)功能。將該智能集成系統(tǒng)安裝于建筑智能土木結(jié)構(gòu)中，可大幅度提升建筑物的外部抵抗能力，如風(fēng)暴、降雨等等，使其在第一時間做出相應(yīng)反應(yīng)，最大限度的避免人員傷亡，并降低經(jīng)濟損失?；谏鲜銮闆r，我國相關(guān)技術(shù)部門應(yīng)重點對智能控制系統(tǒng)進行研究與開發(fā)，并加大推廣應(yīng)用力度，以此為基礎(chǔ)，實現(xiàn)整個建筑環(huán)境的優(yōu)化控制，為建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性、安全性提供有力保障。

4.3 大力發(fā)展節(jié)能新技術(shù)

隨著社會經(jīng)濟的不斷增長，生態(tài)能源短缺、環(huán)境污染惡化問題日益嚴(yán)重，威脅著人們的生存和發(fā)展環(huán)境。近年來，人們對于節(jié)能環(huán)保理念的重視程度越來越高。在此環(huán)境背景下，綠色建筑應(yīng)運而生，但在我國目前的現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)中，節(jié)能新技術(shù)尚未實現(xiàn)普及，應(yīng)用率有待提升，且能源浪費問題仍較為常見。為此，應(yīng)加大節(jié)能技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)新力度，增強技術(shù)人員的創(chuàng)新意識，從而使節(jié)能新技術(shù)可與現(xiàn)代智能土木結(jié)構(gòu)相互適應(yīng)，為綠色建筑的發(fā)展提供便利條件。具體分析如下：首先，在將節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中時，應(yīng)保證其定位的精準(zhǔn)性，在確保建筑結(jié)構(gòu)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(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的實際情況和具體要求，有針對性的引進節(jié)能新技術(shù)和新理念，以此提升技術(shù)的成效性和適應(yīng)性。最后，在具體應(yīng)用過程中，還應(yīng)充分考慮建筑物的外部環(huán)境變化，并結(jié)合其具體情況，對節(jié)能技術(shù)進行及時更新和調(diào)整，從而最大限度的發(fā)揮其節(jié)能環(huán)保性能，為綠色建筑發(fā)展提供有力保障[5]。

智能土木結(jié)構(gòu)是一種新興的結(jié)構(gòu)類型，其在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的實踐應(yīng)用，雖具有良好效果，但從整體角度看，由于該結(jié)構(gòu)應(yīng)用目前尚處于初級發(fā)展階段，故在個別領(lǐng)域仍存在較多缺陷和問題，如應(yīng)用技術(shù)水平低、結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)?shù)鹊?，限制和影響了智能土木結(jié)構(gòu)應(yīng)用優(yōu)勢和價值的充分發(fā)揮。為避免上述問題的發(fā)生，技術(shù)人員應(yīng)加大對該結(jié)構(gòu)的研究力度，并對其適用條件、類型、結(jié)構(gòu)內(nèi)涵等進行綜合分析，結(jié)合建筑物規(guī)模、性質(zhì)以及功能的不同，選擇合理的土木結(jié)構(gòu)類型，以此提升應(yīng)用效果。另外，智能土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，還可提供節(jié)能技術(shù)，實現(xiàn)了建筑物的環(huán)保生態(tài)功能，與此同時，也大幅度降低了能源消耗。在進行節(jié)能技術(shù)研究的過程中，可提高風(fēng)能、地?zé)崮芤约疤柲艿膽?yīng)用效率，最大限度降低化石燃料的應(yīng)用率，避免環(huán)境污染問題的發(fā)生，從而為城市環(huán)境的改善貢獻應(yīng)有的力量。

5 結(jié) 語

隨著科技的發(fā)展以及智能化技術(shù)的不斷普及，給人們的日常生活、生產(chǎn)帶來了極大改變。智能化土木結(jié)構(gòu)集合了各種先進技術(shù)和材料，將其應(yīng)用于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及其分類進行了分析，并闡述了其在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后提出幾點提升應(yīng)用效果的有效措施，以期為綠色建筑的發(fā)展以及環(huán)境友好型社會建設(shè)提供支持和保障。

[1]嚴(yán)先輝.淺析智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用[J].四川水泥,2016,4412:297.

[2]寧學(xué)前.智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用[J].科技資訊,2015,02:38-156.

[3]歐進萍.土木工程結(jié)構(gòu)用智能感知材料、傳感器與健康監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)控制研究進展[N].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2015,403:1-8+29.

[5]任勇生.智能材料在土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測和振動控制中的應(yīng)用[N].太原理工大學(xué)學(xué)報,2015,105:486-493.