計算機在新型墻體材料研發中的應用

張海利

【摘? 要】 隨著建筑行業的發展，新型墻體材料因其優異的性能而得到廣泛應用。針對新型墻體材料研發存在的難題，計算機技術的引入為材料設計、制備、檢測和應用等過程提供了有力支撐。計算機技術可以輔助材料性能預測、過程控制、質量檢測等，實現墻體材料技術的智能化升級。文章通過分析計算機技術在材料領域的應用現狀，提出針對性的技術優化策略，以期為計算機技術與新型墻體材料深度融合提供參考。

【關鍵詞】 計算機；新型墻體材料；材料應用

一、計算機在新型墻體材料性能模擬中的應用

（一）計算機材料微觀結構模擬分析

計算機材料微觀結構模擬是研發新型墻體材料的重要手段。它通過建立材料組分的微觀結構模型，采用分子動力學方法，模擬材料內部的結構組裝過程和相互作用規律。與傳統試驗相比，計算機模擬可深入探索材料的微觀形貌、相互作用力以及反應動力學特征，為設計新材料提供理論指導。例如，采用原子力場法，可以研究摻雜顆粒在水泥基體中的分散狀態，預測其增強界面結合的作用機制，指導設計高強韌水泥基復合材料。通過模擬不同原料的微觀結構和配比方案，可獲得組分、制備條件與材料力學性能之間的定量關系，實現材料組分和工藝參數的優化設計。計算機模擬還可以考察材料的缺陷形成機理，預測其使用壽命，為質量控制提供理論依據。隨著計算方法和軟件工具的進一步發展，計算機材料微觀結構模擬必將在新型墻體材料設計中發揮更大作用。

（二）計算機輔助材料宏觀性能預測

在新型墻體材料設計中，僅依靠微觀結構模擬還不能全面預測材料的宏觀力學性能指標。計算機輔助材料宏觀性能預測可以很好地彌補這一不足。它通過建立計算機數學模型，結合材料試驗數據，預測材料在實際使用環境下的整體響應。例如，可以通過有限元分析預測混凝土中的內部微裂縫演化過程，模擬不同配合比墻體的抗壓強度；也可以通過幾何非線性有限元法模擬墻體的應力應變關系、耐久性和使用壽命。借助計算機強大的信息處理能力，這些宏觀數學模型可以實現多尺度耦合，從微觀結構出發預測宏觀性能。計算機模擬結果還可以作為優化墻體材料性能的重要依據。隨著檢測技術的進步和模型算法的改進，計算機輔助方法將使材料性能預測更加準確高效。

（三）材料設計優化技術

材料設計優化技術是計算機輔助新型墻體材料研發的關鍵技術之一。它通過采用多目標優化算法，在滿足性能指標的前提下，尋找材料成分、配方、制備工藝等參數的最佳匹配方案。具體來說，需建立描述材料成分、結構、工藝和性能之間關系的數學模型，然后鏈接優化算法，以性能指標為目標，迭代尋找所有變量的最優取值。與傳統的單因素試驗反復對比不同，計算機優化可以同時考量多種變量對性能的影響，大大縮減設計周期。例如，可以同時求解出在規定原料條件下混凝土配比的優化方案。也可以優化界面處理工藝，以獲得界面結合性能最大化；優化過程可以考慮多個約束條件和目標，以實現綜合性能指標的最佳平衡。材料設計優化技術的應用，將有效指導新型墻體材料的配方和工藝研發，使性能水平達到理論極限。

二、計算機在新型墻體材料制備中的應用

（一）計算機控制的準確計量和攪拌

在新型墻體材料的制備過程中，計算機控制技術的應用可以極大地提高計量和攪拌的準確性與可靠性。一是采用自動稱重傳感器和控制器，實現各組分物料的準確計量。操作人員只需選擇配方、原料即可自動稱重完成，并傳送到攪拌系統，避免人為誤差。二是攪拌系統采用計算機數控，可以精確控制攪拌速率、攪拌時間及順序等參數，保證各組分的均勻分散。三是計量和攪拌全過程實時監測，所有工藝數據自動錄入計算機，并與設定值進行比較，如有偏差及時報警和調整，確保配料精度和配比均勻性。四是不同配方設定成程序存儲在計算機中，操作時只需選擇即可，避免復雜操作帶來的失誤。五是所有設備運轉狀態實時顯示并存檔，便于過程查驗和質量追溯。采用智能化計量攪拌系統，可保證原料配比的高精度可控性，從而生產出性能穩定一致的新型墻體材料產品，實現制備工藝的智能化與標準化。

（二）計算機監控的烘干和成型工藝

在新型墻體材料的制備中，將計算機監控技術運用于烘干和成型過程，可以有效改善工藝控制水平。烘干爐內設置多點溫濕度傳感器，實時監測爐內溫度場和濕度分布，并與設定的烘干曲線進行比較，如有偏差，通過計算機控制系統自動調節加熱方式和風機，可實現爐內溫濕度的均勻性。材料在爐內的物性變化也可以通過在線檢測裝置監測，并反饋調控系統，精確控制烘干程度。成型過程中，壓力、成型速度等參數也實現計算機監控，保證成型質量的穩定性。所有環節的工藝數據和設備運行狀態都經計算機采集、記錄和分析，并以曲線、表格等形式實時顯示。借助大數據分析，可以持續優化工藝參數的匹配，消除試驗過程的盲目性，將質量數據與產品信息相關聯，可實現全過程質量追溯。

（三）智能化生產線的建立

針對新型墻體材料生產的小批量、多品種和精密控制的特點，建立智能化生產線是實現制造過程信息化、自動化的關鍵。首先，在軟件層面構建數字化生產管理平臺和質量信息系統，實現生產過程的信息化監控。其次，在關鍵工序實現傳感器智能控制和機器人自動操作，如智能計量、攪拌、成型等，實現無人值守的自動化運行。再次，通過射頻識別、條碼等技術實現生產和質量信息的可追溯。另外，還要建設連續在線檢測系統，如紅外光譜在線分析成分等，實現過程質量的閉環控制。同時利用信息平臺進行大數據分析，持續優化生產方案和管理決策。最后，生產線要實現產品快速更換，實現柔性生產。通過建設集成信息化、自動化、智能化等多項先進技術的新型生產線，不僅可以確保產品質量的高度一致性，還將大幅提升產能和資源利用效率，使新墻體材料產業實現智能化升級。

三、計算機在新型墻體材料檢測中的應用

（一）計算機圖像處理技術檢測外觀質量

在新型墻體材料的質量檢測中，利用計算機圖像處理技術可以實現對產品外觀質量的快速精確評價。具體來說，首先通過高分辨率工業相機采集墻體制品的數碼圖像，然后通過圖像預處理獲得質量分析所需的視野和清晰度。其次，借助計算機軟件提取圖像紋理、顏色、瑕疵等關鍵信息，通過與標準樣本的對比，檢測出制品表面存在的缺陷，如裂痕、脫皮、坑洞等，并自動分析缺陷類型和規格尺寸。最后，經評判規則處理，可以得到制品外觀質量的綜合等級。相比傳統的人工測量，采用計算機視覺技術可以實現全面、精確、快速的外觀質量檢測，不受人眼主觀因素和疲勞影響。并且整個檢測過程和結果都經計算機存儲記錄，為質量數據分析和質量系統優化提供數化依據。計算機視覺技術的應用，將大幅提高新型墻體材料外觀質量的檢測效率與可靠性，實現質量智能化監控。

（二）計算機控制性能檢測

檢測新型墻體材料的力學性能指標是評價產品品質的重要手段。采用計算機控制系統進行檢測，可以實現測試過程的規范化和結果的精確化。具體來說，計算機先根據產品標準設定檢測方案，包括檢測項目、方法、加載方式等參數。檢測系統各功能模塊、傳感器通過數字接口與計算機相連，測試加載、數據采集等動作都由計算機程序精確控制。在檢測過程中，傳感器實時采集各項數據，如應變、位移等，并由計算機進行記錄和轉換，利用已經建立好的計算模型，獲得所需的力學性能指標數值。同時，計算機軟件可以生成測試加載曲線、應變應力曲線等各種圖表，直觀顯示測試全過程信息。相比手工操作，計算機控制提高檢測的標準化程度，減少人為因素誤差。借助計算機數據處理能力，測試結果會更加豐富準確。應用計算機技術提升墻體材料檢測質量，是實現墻體材料性能評價和質量控制現代化的重要基礎。

（三）智能化快速檢測技術

針對新型墻體材料檢測周期長、效率低的問題，發展智能化快速檢測技術是必要的。建立便攜式快速檢測設備，現場快速進行關鍵指標預檢，如無線X射線熒光裝置快速檢測 ，便攜式紅外光譜儀快速分析化學成分。開發基于特異性快速響應的傳感器，如表面等離子體共振技術檢測重金屬，能在幾分鐘內完成檢測。構建以微流控芯片為基礎的Lab-on-a-Chip檢測系統，利用毛細管電泳、色譜芯片整合多項檢測功能，實現新型墻體材料成分、功能性質的快速多項聯合檢測。建立以仿生識別技術為基礎的智能分析方法，如人工嗅覺技術快速判斷VOC揮發性有機物含量。利用三維打印技術，快速定制各類模擬環境，進行墻體材料的快速性能體檢。利用知識庫和大數據分析實現智能化快速分析判定。通過構建集成多種前沿技術的智能快檢平臺，可實現對新型墻體材料的快速、高效、準確的智能化檢測與評價。

四、計算機在新型墻體材料施工中的應用

（一）數字化墻體設計

數字化技術的應用極大地推動了墻體設計方式的轉變。采用參數化墻體家族建模技術，根據項目需要輸入功能參數，自動生成墻體設計模型，大幅提高了設計效率。基于BIM技術的全生命周期數字化設計平臺，可以實現墻體的信息化協同設計，進行性能仿真分析，優化設計方案。利用VR/AR技術，設計人員可以沉浸式體驗數字化墻體模型，進行虛實結合的設計評估。應用人工智能算法，進行設計方案自動生成和優化，可實現智能化設計。借助3D打印技術，可以快速打印設計方案的墻體樣品，以便直觀評估。實施數字孿生技術，與實際施工連成數字閉環，可實現設計模型與實際情況的動態反饋對比。數字技術為墻體設計提供強大工具，不僅極大地提高設計效率，更實現了精益求精的智能設計，將推動墻體技術不斷進步。

（二）虛擬現實輔助施工

虛擬現實（VR）技術為新型墻體材料的施工提供了有效支持。工程師可以依托三維墻體BIM模型到虛擬環境，身臨其境檢查設計細節，發現問題及早修改，利用VR進行虛擬裝配試驗，檢驗節點處理、管線穿透等構造的合理性。通過虛擬仿真施工，提前熟悉工序步驟，制訂最優施工方案。對操作人員進行虛擬培訓，重復模擬施工過程，提高實際施工技能。現場輔助，將虛擬模型與實際工程進行匹配，精確定位施工要求。通過頭戴顯示設備，工作人員可得到虛擬輔助信息， 提高施工精度。集成遠程專家指導系統，對施工現場進行遠程虛擬監控，發揮專家支撐作用。施工質量可以與虛擬模型進行比對，發現問題及時糾正。虛擬現實技術為新型墻體材料施工提供設計評估、方案優化、人員培訓、質量控制等全面支持，將推動墻體材料施工進入智能化新階段。

（三）計算機監控的質量管理

在新型墻體材料施工過程中，應用計算機監控技術進行智能化質量管理，可以有效提高施工質量。通過二維碼、RFID等技術對材料進行標識，實現信息化管理，隨時掌握材料流向和使用情況。在備料、攪拌等環節設置在線檢測裝置，監測材料成分及性能，實現全過程質量監控。施工過程中安裝攝像頭等傳感器，采集施工數據，判斷施工質量是否符合規范要求。以BIM為基礎，現場掃描取得的實際施工情況與數字模型進行對比，檢查施工質量并反饋糾正。通過VR設備，對操作人員進行在線技能培訓與評估，保證操作掌握程度。使用無人機、機器人等進行巡檢，快速發現施工缺陷。云平臺集成各類監控數據，進行匯總分析，為質量管理提供決策依據。實現質量信息與材料供應商、施工單位的聯網，強化責任追溯。計算機監控技術的全面應用，將使新型墻體材料施工實現精確化、規范化、智能化。

五、結語

綜上所述，加強計算機技術與材料科學的跨學科合作，構建標準化檢測平臺，完善數據共享體系，加大前沿技術引入，以及建立高素質的人才隊伍，都是實現計算機技術在新型墻體材料領域深入應用的關鍵措施。只有系統性推進各項工作，充分發揮計算機技術的支撐作用，才能加快我國新型墻體材料技術水平的提升，促進建筑行業的可持續發展。

參考文獻：

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