智能土木结构在现代建筑结构中的应用研究

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摘要： 智能土木结构作为现代建筑结构中新兴的仿生结构体系，因其自身具备的多样化与智能化等优势，能够通过通讯技术和计算机技術自动监控建筑结构中的各种设备，合理优化信息资源，为住户提供相应的信息服务，提高了建筑结构的整体性能，得到广泛应用，获得支持与认可，并在现代化建筑结构设计中发挥越来越重要的作用。本文主要研究了智能土木结构在现代建筑结构中的应用，希望能为现代智能建筑结构设计提供借鉴。

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.

关键词： 智能土木结构；现代建筑结构；应用

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

中图分类号：TU3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）14-0244-03

0 引言

以往的建筑物结构均是通过提升建筑物材料的质量与定期组织维修，才能提升建筑物的安全性、稳定性和可靠性，满足人们对现代化建筑物的使用需要，但是这些处理模式属于消极应对方式，并不能彻底解决实质性问题。加上这些处理模式如果没有严格根据规程对建筑物结构进行控制，一旦建筑物结构的某个环节出现失误，势必为国家带来巨大的经济损失。因此在现代建筑结构设计中，如何实现对建筑物结构的智能化控制，是值得探讨的问题。

1 智能土木结构的概述

设计师在进行土木工程结构设计中，不断尝试将建筑物的结构设计成一个能够承受一定压力，且具备感知、计算与分析能力的结构，以调整、控制建筑物中的传感器、信号放大器与控制电路，从而满足建筑物自身的自诊断需要，并通过自身的分析，做出自我调整，以改变建筑结构的强度、结构应力分布与刚度，提高建筑物的自我修复能力，让建筑物的功能更加完善，以提高建筑结构的使用性能，这就是建筑结构的智能化。可见土木结构智能化的应用，使得建筑物结构本身具备较强的自我调节能力，这是智能化土木结构的体现，主要是在以往建筑物结构的基础上，集控制、管理、维护和通信为一体，对建筑使用进行安全检查、环境监控和报警监视，从而营造一个高效、舒适与便利的居住环境[1]。

2 智能土木结构的分类

在现代建筑结构中应用智能土木结构，根据使用的形式，可细分为嵌入式智能土木结构和智能材料耦合结构等两大类，其中智能材料耦合结构，即通过结构材料的某些特性进行监测，了解材料结构的特性发生了何种变化，方便及时做出相应的调整。而嵌入式智能土木结构则是将传感器安装到钢筋混凝土中，利用计算机软硬件和其他材料仪器来调整建筑物的结构。这种结构设计模式能够在传统建筑的基础上作出改进，不需要研究与分析建筑物的其他性能，就能从传统结构实现智能化结构的过渡。虽然前者与后者之间的区别是利用对象不同，前者过于依赖建筑物本身材料使用的特性，而后者则是依赖信息材料，但是最终的目的是相同。此外，根据目的的不同，智能土木结构都可归类为智能混凝土结构，依据特有功能的分类，可分成自诊断、疲劳寿命预报能力、自愈合功能、应力应变自诊断功能、变形及损伤自诊断功能。因此在实际使用的过程中，设计师需要依据现代建筑结构的特性与具体需要，选择相应的结构，这也是现代建筑结构中智能土木结构分类细致的特性[2]。

3 智能土木结构在现代建筑结构中的应用研究现状

对于智能土木结构的运用，在高层建筑、大坝与桥梁中获得了广阔的发展前景。具体体现为：在20世纪八十年代，美国在佛罗里达州的Sunshine Skyway Bridge桥梁上开始尝试安装监测传感器，用于验证设计中的假定，对施工质量与服役安全状态进行监测。八十年代后期，英国开始尝试在大型桥梁上安装监测仪器与设备，我国也在江阴长江大桥、香港的Lantan Fixed Crossing Bridge、虎门桥和青马大桥等工程项目中安装了传感系统，对建成后的桥梁服役安全状态进行监测。直到1993年后，加拿大在Calgary建设的Bedding Trail桥梁上第一次成功地安装了光纤布拉格光栅传感器，负责对桥梁内部的应变状态进行监测。在采油平台、船闸与大坝等大面积混凝土结构中也开始尝试安装传感器，实现了建筑结构的智能化。尤其是在近年来科学技术迅猛发展的背景下，大规模分布式智能传感元器件的广泛运用，为民用建筑结构的智能监测系统的发展提供了技术支撑，使得智能大厦在国内如同雨后春笋般崛起[3]。

4 智能土木结构应用的技术分析

4.1 电（磁）流变体

电（磁）流变体，称为ER，属于可控流体。主要通过导电、不导磁的母液、固体电解质颗粒与磁性颗粒制作成悬浮液，在电场与磁场的作用下，让ER和MR的固体颗粒组成纤维状的链体，横架在电场和磁场中，组成屈服剪应力的粘塑性体。因其设计方便、出力大，被应用到土木工程结构的振动控制领域。目前应用电（磁）流变体进行结构振动控制，开展了许多研究，已经研制出了许多减振控制器，同时对结构控制方法也进行了一系列的探索研究。例如Lord公司生产了双推杆式MR流体阻尼器，驱动力为20t；在大跨度结构振动控制方面，开展了桥梁MR阻尼器的振动性能试验研究，有效控制了桥面和桥墩之间的位移，提高了建筑物结构设计的抗震性能[4]。

4.2 愈合材料

愈合材料主要包括3类：内置纤维胶液管自修复混凝土、形状记忆合金智能自修复混凝土和内置胶囊自修复混凝土等，由于材料中的混凝土及其结构具有良好的环境适应性，在遭到损伤后，能够自动修复，是解决建筑结构中混凝土材料损伤的有效技术手段。但对于如何快速地修复混凝土材料的损伤和进行混凝土自修复等方面的研究，是近年来随着机敏混凝土与仿生混凝土研究热的兴起，才引起人们的关注。例如在智能混凝土中应用仿生学，将化学粘结剂添加到内置玻璃纤维管与空心胶囊，一旦出现裂缝，玻璃纤维管与空心胶囊就会破碎，内部的化学粘结剂便会随着裂缝排出体外，当遇到空气后就会凝结，减缓与阻止裂缝扩大，同时保护建筑结构内部的钢筋，防止钢筋遇到空气、水发生锈蚀。

4.3 磁致伸缩材料

以磁致伸缩材料制作成驱动器，应用到主动隔震中，能够让自由度平台的振动降至到30dB。在我国近年来对于磁致伸缩材料的研究中，许多研究人员采用超磁致伸缩材料制作成主动振动控制器，并加以试验分析，自由度平台振动降至40dB。但我国当前对其研究仅限制在航空、微制造、军事和机械等领域中，研发的控制器仅限制在控制小型结构、器械等方面，对于大型土木工程结构的控制方面有待进一步的研发[5]。如表1所示。

4.4 壓电材料

研究员先后应用压电陶瓷作为加速度驱动体育传感器，对任意负载激励下压电层与结构的主动振动控制、主动阻尼、被动阻尼问题进行相应研究，研究员甚至依据经典复合板理论，使用加速度反馈控制方法，通过压电传感元件实现对复合材料层合梁的主动阻尼控制进行了试验研究。目前我国将压电堆技术与压电材料运用到土木工程的抗震抗风、静变形控制能、安全评定、噪声主动控制、自适应修复与健康监测等方面中，获得了良好的控制效果。如表2所示。

在原有的混凝土结构中安装光纤，作为传感元件，实时评价、诊断和控制结构强度、裂缝、施工质量、损伤、钢筋腐蚀以及变形等情况，并增加形状记忆合金，集控制元件与信息处理系统为一体，组成一个具有智能功能的混凝土结构，从而达到混凝土结构的自我修复、自我检测、自适应以及自我诊断等目的。在20世纪80年代，美国以将光纤维材料运用到桥梁的振动监测方面，国内也在类似的健康监测与安全评定系统中应用光纤材料，进行结构监测[6]。例如在我国三峡工程最后一个大面积浇筑坝段——左厂14坝，考虑到该部位属于塔带机，仓面尺寸为32×20m，高程为140.56m，薄层浇筑层为1.5m，并且在底部设置有蛇形冷却水管，因此需要应用大面积混凝土分布式光纤传感监测技术实现混凝土施工期与运行期的温度场监测，选用直径为3mm的50m多模单芯不锈钢铠装光缆作为传感光缆，坝体内部总共敷设81.1m的传感光缆，在确保混凝土温度值监测结果的同时，避免混凝土浇筑过程中损伤传感光缆。

4.6 形状记忆合金

形状记忆合金被动耗能器因其自身具有相变伪弹性的特点，能够吸收60%的地震能量，相变回复能力达400MPa，得到广泛应用，但为了提高监测的结果，大部分的形状记忆合金被动耗能器往往安装于建筑结构的层间和底部，方便耗能器准确的监测到建筑结构的层间变形情况[7]。例如在建筑抗震结构体系中应用一种有形状记忆合金与叠层橡胶支座共同组成的智能抗震耗能体系，安装到建筑结构底层与基础顶面之间，在结构底层上使用拉索固定，另一端的拉索固定中基础顶层上，并在每一根拉索上安装温度控制器，同时在拉索中安装常温马氏体状态与马氏体逆向完成温度的SMA合金丝，这样建筑结构体系一旦受到震动，可有足够的初始刚度来抵御侧向变向，让建筑结构处在弹性工作状态，而在强震的情况下，SMA拉索能够保持一个滞回耗能状态，借助拉索的超弹性变形耗散地震动能量，减小对建筑上部结构的地震反应，确保建筑结构整体的安全性，如果智能抗震耗能体系在振动结束后出现因摩擦力形成的残余变形，可利用常温马氏体状态的温度控制器来增加拉索的温度，借助形状记忆效应让结构复位。

此外，一旦SMA拉索的工作温度改变，隔震层的水平刚度也会发生变化，让建筑结构适应不同的地震波，并避开共振，从而达到隔震智能性的目的。

5 智能土木结构在现代建筑结构中的具体应用——以民用建筑为例

5.1 屋顶

民用建筑物的屋顶均是直接平面敞开，方便直接与大自然的空间接触。因此在土木智能结构设计的过程中，不仅需要结合屋顶的美观与绿化，还需充分考虑智能建筑的屋顶上安装太阳能电池板、降水收集装置和热能利用装置等设备，以快速吸收、利用自然界的热能量和物质。此外，为了避免这些设施遭到破坏，还需采取相应的措施来处理。

5.2 墙体

在民用建筑结构设计方面，墙体除了起到隔断与承重作用外，还可在建筑墙体内部预留各种型号不同的接线口，方便在墙体内部空间安装各种控制设施、重力与震动传感器[8]。例如在墙体智能化设计方面，使用镀锌钢丝网作为墙体网格，利用引线连接敏感栅电阻元件和测量电路，并在镀锌钢丝网中安装电阻式应变传感器，一旦墙体遭受到外界环境的损坏时，电阻式应变传感器就会接收重力与振动信号，形成蜂鸣警告，经A/D转换器进行数据预处理后，向物业管理平台与消控中心提交控制系统的数据分析处理结果，管理人员就能通过监控界面上获取相应的预警信号，准确找出遭到破坏的墙体位置和对应业主信号，及时采取相应的措施来处理，避免事件进一步恶化。

5.3 地面

民用建筑内的地面设计，往往使用预制线槽、地毯地面与架空地面的楼板面层等设计方法来设计。其中架空地面布线的操作简单，地下空间容量较大，有足够的空间布设强弱电走线，适用于已有建筑结构的改造施工。预制线槽的楼板面层设计，有利于设计者在民用建筑室内任何一个位置安装走线接口，并且这种结构设计不会形成高低落差，操作简单、方便，在楼板面层下方10cm的位置内可以合理布置管道与走线。而方块地毯的地面结构设计，可在地毯下方安装布线系统，结合系统对建筑物层高的影响，通过扁平线设计的方式来连接设备，减少建筑电气线路交叉点的分支线路，方便日后维护与管理。但需要注意的是，在安装布线结构、电气设施与室内其他家具时，必须做好电气设备的防静电屏蔽工作，提高设施使用的安全性。

5.4 天花板

智能民用建筑内的天花板作用是辅助照明灯具、消防喷洒、排气出风设施和烟雾传感设施等出口、走向的布设，保证室内装修的美观性[9]。例如在顶棚综合布线方面，为实现智能土木结构的设计，需要根据《住宅设计规范》的相关要求，将普通住宅层高设为2.8m，住宅顶棚綜合布线应根据天花板的吊装高度，设为2.5～2.7m，且考虑到各种管线、照明系统、烟感温感报警器、自动喷淋、送风和回风口等设备设施的布置，需要将智能化住宅的层高控制在3.0～3.3m内，然后开凿线槽综合走线，从而达到住宅智能化设计的目的。

5.5 建筑物外部空间

民用建筑的外部空间是开放的外部空间，在这一区域的智能化设计过程中，为了营造良好的活动空间，设计师需要根据限定的空间，通过变化标高与应用不同的墙体来创造一定的封闭空间。但考虑到建筑物外部空间具有的流动性与开敞性特性，在实际设计时，设计师需要通过独特的空间布置来设计不同空间的应用功能，营造舒适的空间环境。此外，在建筑物外部空间设计方面，由于外部空间容易受日照范围、生活习俗与城市规划的影响，给业主带来不同的感受，设计师在设计时，需要利用空间不同尺寸的差异将民用建筑的外部空间展现出不同的空间形态，填补已有室内空间的先天缺陷，丰富建筑物外部空间，实现外部空间层次感不同的体现[10]。

6 结束语

综上所述，智能土木结构，成为土木工程界的知识经济，它的应用有利于实现建筑的小型化、高功率化与多功能化，通过建筑结构的复合控制、耦合连接元件、传感和驱动系统对建筑结构进行监控，对有效利用太阳能、风振与抵御地震等方面起到促进作用，为人们的工作、生活提供安全、舒适的环境。但要想提高智能土木结构的作用，还需将智能土木结构技术灵活运用到现代建筑结构设计中，实现结构管理、控制的智能化。

参考文献：

[1]曾数名.土木工程智能结构体系的研究与发展[J].城市建设理论研究（电子版），2016（11）：2770.

[2]李广.民用建筑中土木智能结构体系设计应用[J].建筑工程技术与设计，2013（2）：82.

[3]吴海华.现代建筑结构中智能土木结构的应用[J].硅谷，2015（4）：139.

[4]马烨烽.智能土木结构在现代建筑中的应用[J].建筑知识：学术刊，2013（B06）：388.

[5]李沁羽.智能土木建筑技术的发展与应用[J].科技创新导报，2013（19）：46.

[6]赵成功，牛涌.仿生智能混凝土在实际工程中的运用[J].城市建设理论研究（电子版），2014（36）：9974-9975.

[7]陈铁.智能土木结构在现代建筑结构中的应用分析[J].建筑工程技术与设计，2015（10）：2315.

[8]王杉杉.试析现代建筑结构中智能土木结构的应用[J].工程技术：全文版，2016（11）：246.

[9]王世涛，陈瑞.谈现代建筑结构中智能土木结构的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2015（16）：5624.

[10]孙建平.基于现代建筑结构中智能土木结构的应用研究[J].城市建设理论研究（电子版），2015（20）：5544.

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