智能結(jié)構(gòu)在建筑工程中應用研究

陳燕友

（廣東理工學院）

1 引言

智能結(jié)構(gòu)在建筑工程領(lǐng)域?qū)儆谛屡d內(nèi)容，但智能結(jié)構(gòu)的科技感、使用優(yōu)勢和節(jié)能減排、綠色生態(tài)等特點，備受大眾關(guān)注和喜愛。近20年，建筑行業(yè)積極發(fā)展智能結(jié)構(gòu)，并開發(fā)出各類智能材料、智能化技術(shù)及設(shè)備等，還通過智能化手段實現(xiàn)智能生產(chǎn)，例如，通過智能化技術(shù)檢測混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫，智能化玻璃能根據(jù)外部陽光的變化自動調(diào)節(jié)室內(nèi)光線。這些材料和技術(shù)都具有仿生功能，被稱為智能材料和智能結(jié)構(gòu)。智能結(jié)構(gòu)中包含智能材料，隨著智能結(jié)構(gòu)被不斷應用于各類建筑施工中，將影響未來建筑工程的發(fā)展與構(gòu)成。本文重點討論了智能結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中的應用[1]。

2 智能建筑結(jié)構(gòu)的科技優(yōu)勢

智能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以促進建筑智能化的發(fā)展，如今，智能結(jié)構(gòu)被廣泛應用于建筑的通風、采光、保溫、隔熱、減振、降噪以及綠化中，切實得到了用戶的認可和青睞。智能結(jié)構(gòu)組織可以實現(xiàn)自然通風，不留死角，常見的手段是使用具有通風透氣性能的外墻材料，同時，采用浮筑樓面結(jié)構(gòu)，這樣不僅能實現(xiàn)保溫通風，還能隔絕外部熱量，夏季達到自然涼爽的效果。目前，常用的通風隔熱材料和結(jié)構(gòu)以智能玻璃幕墻為主，利用自然熱源、風源，提升建筑的使用舒適感，減少機械設(shè)備的使用，達到節(jié)能減排的效果[2]。

智能結(jié)構(gòu)是如何體現(xiàn)人體仿生工學的，設(shè)計人員將背景空調(diào)與個人空調(diào)相結(jié)合，人在時通風通電，人離開房間時就自然斷電。但要做到完全的自然通風，還要根據(jù)建筑施工地的自然環(huán)境、空氣質(zhì)量、溫度、濕度和風向等因素來設(shè)計智能結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代綠色經(jīng)濟的發(fā)展，為智能建筑的建設(shè)提供了良好的環(huán)境?，F(xiàn)代智能建筑講究以人為本，提升人們居住的舒適度，完善的智能結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)智能通風控制。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計是利用封閉式玻璃結(jié)構(gòu)和金屬幕墻來進行保溫的，但這種建筑隔熱效果差，造價成本高，夏季還要利用空調(diào)來維持低溫，不僅浪費自然光源，也浪費電力。智能建筑，以智能化的結(jié)構(gòu)合理利用自然光源，人工照明只起到輔助作用，有效減少了資源浪費。

總的來說，智能結(jié)構(gòu)是利用智能材料、科學的結(jié)構(gòu)設(shè)計來提升建筑整體節(jié)能減排的效果，創(chuàng)造更強的舒適性，以最小的投資換取最大的建筑結(jié)構(gòu)功能。

3 智能結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應用

3.1 以混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測為主的智能材料

世界經(jīng)濟快速發(fā)展所帶來的代價就是大量資源的消耗與浪費，很多資源已經(jīng)面臨枯竭，為此，世界各國積極響應，從社會生產(chǎn)、生活的各個方面來實現(xiàn)節(jié)能減排。發(fā)展智能建筑，降低能源消耗，是世界各國廣泛認可和支持的現(xiàn)代化建筑理念。建筑工程不單指房屋，還有橋梁、水電站及大型空間等各類工程結(jié)構(gòu)，如何延長這些建筑體的使用壽命，同時，減少資源消耗，降低建設(shè)成本，是現(xiàn)代智能建筑要積極思考的問題。

作為建筑結(jié)構(gòu)本身，其使用效果和壽命與建筑體的自然環(huán)境、施工材料、技術(shù)和設(shè)計水平有直接聯(lián)系，在各大歷史事件中，由于建筑材料和設(shè)計結(jié)構(gòu)不科學而導致的建筑災難并不少見，這些災難一旦發(fā)生，將會發(fā)生不可挽回的損失，因此，如何實現(xiàn)建筑體的自感知、自診斷、自適應及自修復能力，是避免和預防這些災難發(fā)生的重要手段。從西方國家開始，智能材料系統(tǒng)得到了美國各部門的重視，提出了機敏材料、機敏材料與結(jié)構(gòu)、自適應材料與結(jié)構(gòu)和智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)等名稱，這些材料預示著智能材料的全面發(fā)展[3]。

目前，我國的建筑多為混凝土鋼筋建筑，混凝土結(jié)構(gòu)的施工養(yǎng)護對延長其使用壽命和提升安全穩(wěn)定性有直接影響。尤其是大體積的混凝土，在養(yǎng)護過程中，它會釋放出大量熱量，導致混凝土因為溫差而產(chǎn)生裂縫，為了預防裂縫，可以在混凝土內(nèi)部放置光纖溫度感知器，以隨時監(jiān)測混凝土的溫度,幫助養(yǎng)護人員及時掌握溫度數(shù)據(jù)，及時處理裂縫等問題。監(jiān)測裂縫可以使用安置光纖溫度感知器,如果要定位裂縫，可以使用多模光纖。

混凝土的質(zhì)量對建筑整體結(jié)構(gòu)的安全性有至關(guān)重要的影響，美國和日本已經(jīng)在使用光纖定位和感知監(jiān)測技術(shù)，隨著科技的發(fā)展，人們已研發(fā)出更為先進的光纖智能監(jiān)測結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光纖變形感知器的多樣化，也實現(xiàn)重力壩橫縫的三向位移監(jiān)測,這種技術(shù)已應用在了我國三峽大壩工程建設(shè)中。

3.2 智能土木結(jié)構(gòu)

隨著人們對生活要求和城市環(huán)境的不斷提升，為了滿足人類的各種需求，建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展形勢。社會的進步要求建筑行業(yè)也能緊跟腳步，提升建筑的安全性、可靠性和舒適度，并針對不同的用戶、不同的城市建設(shè)要求，發(fā)展全新的智能化建筑結(jié)構(gòu)。對工程建筑來說，材料和結(jié)構(gòu)是體現(xiàn)建筑特點和使用功能的基本內(nèi)容。除了混凝土結(jié)構(gòu)，我國常見的還有土木結(jié)構(gòu)。智能化土木結(jié)構(gòu)主要用于土木建筑體中。智能結(jié)構(gòu)集合了驅(qū)動器、主結(jié)構(gòu)、傳感器和控制器，可以促進建筑更好地適應環(huán)境，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)自動監(jiān)控、損傷自修復的功能，同時，提高建筑的自我保護機制，在遇到災害時，智能結(jié)構(gòu)可以起到維護作用。網(wǎng)絡(luò)信息和計算機時代的到來，已經(jīng)實現(xiàn)了生活智能化，智慧城市的建設(shè)需要智能建筑的協(xié)調(diào)發(fā)展，為此，作為建筑人員，尤其是土木工程師，應積極應用和研究智能仿生材料，并將其應用到土木結(jié)構(gòu)的建筑中[4]。

在提出智能結(jié)構(gòu)建筑理念后，智能土木結(jié)構(gòu)也隨之出現(xiàn)。為了更好地解決土木結(jié)構(gòu)中的施工難題，促進土木結(jié)構(gòu)的完整性、耐久性、強度和安全性等，同時，降低建設(shè)成本，提升使用舒適度，減少后期的維修費用，延長土木結(jié)構(gòu)建筑的壽命，有必要在土木結(jié)構(gòu)建筑中增強其預測能力，使用智能結(jié)構(gòu)勢在必行。比如，智能土木結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)自動預報，和智能混凝土結(jié)構(gòu)相同，在土木結(jié)構(gòu)中安裝一些傳感器，這些傳感器有計算機和網(wǎng)絡(luò)控制，對土木結(jié)構(gòu)內(nèi)部實施監(jiān)控和預測。這種智能結(jié)構(gòu)也被廣泛應用于高層建筑、橋梁和大壩等各類工程中。

為了適應現(xiàn)代化建設(shè)和提升智能結(jié)構(gòu)的普及率，如今，土木智能結(jié)構(gòu)已經(jīng)應用到民用建筑中，且在高層建筑中也得到了廣泛的應用。這些智能檢測系統(tǒng)都能為智能建筑發(fā)展建立堅實的基礎(chǔ)，對發(fā)展智能建筑、建設(shè)智慧城市起到積極作用。

3.2.1 智能傳感元件在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應用

在土木結(jié)構(gòu)中，利用智能傳感器能實現(xiàn)精確、及時的內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測功能，還能對建筑物整體的穩(wěn)定性和使用評價進行監(jiān)測，以此獲得建筑物的評價等級數(shù)據(jù)，施工管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，決定對建筑物進行維修還是報廢，這樣有利于提升建筑物的安全性和延長使用壽命，并減少人力、物力在監(jiān)測維護過程中的浪費，降低管理成本。尤其是對一些大型的、比較老舊的土木結(jié)構(gòu)建筑，利用智能傳感器進行監(jiān)測，不僅能解決建筑體不易實施人工監(jiān)測和維護的難題，還對我國歷史文化建筑、優(yōu)秀建筑群等建筑維護監(jiān)測，具有非常積極的意義[5]。

3.2.2 建筑工程健康監(jiān)測的具體實施過程

在傳統(tǒng)土木監(jiān)測工作中，一般采取目測的方法進行監(jiān)控，此外，還會利用聲發(fā)射、超聲波以及X射線等無損性的檢測，但這些方法都無法深入建筑內(nèi)部，解決實際問題，操作起來也比較復雜，造價成本較高?，F(xiàn)代建筑的智能化體現(xiàn)，主要是在對建筑的實時監(jiān)測，加上人們對建筑物的使用要求不斷提高，智能化健康監(jiān)測還能滿足人們對建筑整體的了解程度，提升檢測效率和檢測準確率。實時健康監(jiān)測，跟蹤建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷變化，保證工作人員可以及時準確地對建筑物進行維護，并采取一些措施來避免建筑物事故的發(fā)生。

3.2.3 現(xiàn)代建筑節(jié)能支持

智能土木結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)安全、健康監(jiān)測的同時，減少了人力、物力和資源的浪費，節(jié)省了后期施工維護和管理的成本，因此，智能結(jié)構(gòu)也是建筑施工節(jié)能技術(shù)的良好體現(xiàn)。目前，現(xiàn)代智能結(jié)構(gòu)已經(jīng)在工程建筑中得到了廣泛應用，較多建筑師也開始重視節(jié)能建筑的理念，在工程立項、設(shè)計以及最后的施工維護中都提出了節(jié)能減排的概念，積極采用節(jié)能型的材料和器具，使用智能土木結(jié)構(gòu)加強監(jiān)測，及時調(diào)整外部結(jié)構(gòu)，提升土木結(jié)構(gòu)的節(jié)能減排功效。

3.3 智能結(jié)構(gòu)在家電設(shè)備方面的發(fā)展和應用

3.3.1 在照明系統(tǒng)中的應用

現(xiàn)代智能化建筑物可以實現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化監(jiān)控。整棟樓的照明控制系統(tǒng)可以根據(jù)人類的需求，自動實現(xiàn)節(jié)能減排的功能，提升用戶使用的舒適性，將智能元件作為監(jiān)控樓宇照明系統(tǒng)的主要設(shè)備，通過紅外熱釋電傳感器，聲音傳感器及光線傳感器等，監(jiān)測不同環(huán)境下的照明需求，例如，白天和晚上的光線強弱，會根據(jù)外部環(huán)境的光線質(zhì)量來調(diào)節(jié)，在有人和沒人的環(huán)境中，自動識別光線需求，開關(guān)關(guān)閉或者打開，以此實現(xiàn)減少能源消耗、提升照明水平的目的。通過智能化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計方案、合理選擇光源、提高照明質(zhì)量。

3.3.2 在給排水系統(tǒng)的應用

智能結(jié)構(gòu)建筑中，給排水的智能化配置是通過智能化元件對給排水系統(tǒng)做實時監(jiān)控的，將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳遞到監(jiān)控中心，主要目的是根據(jù)用戶用水量的變化，及時調(diào)整給排水方式，在忙時自動調(diào)整水壓和供水量，確保用戶的用水體驗，在閑時則保持穩(wěn)定供水，節(jié)省資源。針對自動排水，系統(tǒng)會根據(jù)排水情況，自動識別是否需要做異常情況維護，如果有異常情況，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，控制中心會自動根據(jù)水箱和水池的高、低水位信號來控制水泵的啟、停及進水控制閥的開關(guān)，當遇到險情或突發(fā)意外，備用水閥門將自動打開，滿足用水和排水需求。

3.3.3 在火險報警預防中的應用

防火是保障樓宇安全，保護人民生命財產(chǎn)不受損失的重要工作。在現(xiàn)代智能化建筑中，主要利用火險傳感器，加強建筑的防火監(jiān)控，常見的智能化元件包括感煙傳感器、感溫傳感器以及紫外線火焰?zhèn)鞲衅?，為了保證傳感器的精確性，維護人員應在敏感地帶安裝多種類型的傳感器，避免誤報或假報的情況發(fā)生。如果發(fā)生火情，智能系統(tǒng)會自動報警，并及時采取防火措施，例如，灑水、關(guān)防火門等，開啟防火設(shè)備，同時，通過網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，將火情傳遞到有關(guān)部門，以便及時控制火災。

3.3.4 在安防中的應用

安保系統(tǒng)主要起協(xié)助作用，通過安保系統(tǒng)，提升建筑物的安全性，并及時準確地向安保中心匯報情況。目前，常用的是入侵報警系統(tǒng)，它主要利用傳感器技術(shù)和電子信息技術(shù)探測并指示非法進入或試圖非法進入設(shè)防區(qū)域的行為，對入侵行為發(fā)出報警和預防信號[6]。

4 結(jié)語

由于經(jīng)濟的發(fā)展推動科技的進步、人類生活水平的提高和城市化的發(fā)展，人們開始對更舒適、更簡約和更綠色的生活方式產(chǎn)生興趣，對于智能建筑提出了更多、更高的要求。智能結(jié)構(gòu)是一個完整的、復雜的建筑基體，包含了智能材料、智能技術(shù)等，利用各種智能元件，實現(xiàn)了智能結(jié)構(gòu)的組成，在建筑工程中得到了廣泛的使用。為了促進智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展，國家積極推動科技進步，鼓勵創(chuàng)新和提升智能結(jié)構(gòu)生產(chǎn)力，同時，智能結(jié)構(gòu)本身具有的節(jié)能減排、綠色生態(tài)和降低成本等各方面的優(yōu)勢，不僅具備良好的發(fā)展環(huán)境，還具備廣闊的發(fā)展前景。

本文通過對智能結(jié)構(gòu)的各種應用，希望在人們的日常生活中，能夠形成智能建筑、智能結(jié)構(gòu)的概念，從而推動了整個建筑行業(yè)的智能化發(fā)展。雖然我國的智能結(jié)構(gòu)建筑興起較晚，但在強大科技力量的支持下，已經(jīng)實現(xiàn)了智能化技術(shù)水平的不斷提升。我國的建筑行業(yè)正在朝向智能化的道路發(fā)展，必須要以發(fā)展的眼光與時俱進。