淺談在建筑工程中對(duì)土建技術(shù)的探析(1)

許麗君

摘要：現(xiàn)代結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能的升華。現(xiàn)代結(jié)構(gòu)在土木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用便稱之為現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：建筑工程;土建技術(shù);探析

1.現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)的概念

現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步促使了人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，信息材料的生產(chǎn)業(yè)已實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化。人們開始嘗試將傳感器、驅(qū)動(dòng)材料緊密地融合于結(jié)構(gòu)中，同時(shí)將各種控制電路、邏輯電路、信號(hào)放大器、功率放大器以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)集成于結(jié)構(gòu)大系統(tǒng)中。通過力、熱、光、化學(xué)、電磁等激勵(lì)和控制，使結(jié)構(gòu)不僅有承受建筑荷載的能力，還具有自感知、自分析計(jì)算、自推理及自我控制的能力。具體說來，結(jié)構(gòu)將能進(jìn)行參數(shù)（如應(yīng)變、損傷、溫度、壓力、聲音、化學(xué)反應(yīng)）的檢測(cè)及檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，具有一定的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算處理能力，包括人工智能診斷推理，以及初步改變結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、強(qiáng)度、剛度、形狀位置等能力，簡(jiǎn)言之，即使結(jié)構(gòu)具有自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自修復(fù)的能力。這就是現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)概念的形成過程。

2.建筑工程土建技術(shù)常見的問題

土建工程施工項(xiàng)目的質(zhì)量問題主要表現(xiàn)在引發(fā)質(zhì)量問題的因素復(fù)雜，從而增加了對(duì)質(zhì)量問題的性質(zhì)、危害的分析、判斷和處理的復(fù)雜性。比如盲目套用圖紙，結(jié)構(gòu)方案不正確，計(jì)算簡(jiǎn)圖與實(shí)際受力不符;荷載取值過小，內(nèi)力分析有誤，結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性差;施工偷工減料、不按圖施工、施工質(zhì)量低劣;或是建筑材料及制品不合格，擅自代用材料等原因所造成。由此可見，即使同一性質(zhì)的質(zhì)量問題，原因有時(shí)截然不同。所以，在處理質(zhì)量問題時(shí)，必須深入地進(jìn)行調(diào)查研究，針對(duì)其質(zhì)量問題的特征作具體分析。

3.現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

3.1結(jié)構(gòu)智能化

傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)是一種被動(dòng)結(jié)構(gòu)，一經(jīng)設(shè)計(jì)、制造完成后，其性能及使用狀態(tài)將很大程度上存在著不可預(yù)知性和不可控制性，這就給結(jié)構(gòu)的使用和維護(hù)帶來不便。為了解決這一問題，發(fā)展出了在線監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，它賦予傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)以在線監(jiān)測(cè)機(jī)制，從而為探知結(jié)構(gòu)內(nèi)部性能打開了窗口，使人員可以方便地了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部物理、力學(xué)場(chǎng)的演變情況，這就是結(jié)構(gòu)智能化的第一層次。在在線監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能處理機(jī)制，使得結(jié)構(gòu)具有自感知、自診斷、自推理的能力，從而使結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了第二層次的智能化。

3.2現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)分類

現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)按其材料可分為兩種類型，分述如下。

3.2.1嵌入式現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)

在基體材料如鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中嵌入具有傳感、動(dòng)作和控制處理功能的材料或儀器，并集成進(jìn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件軟件技術(shù)，由傳感元件采集和檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，由計(jì)算機(jī)對(duì)這些信息進(jìn)行加工處理，并將處理結(jié)果通知控制處理器，由控制處理器指揮、激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

3.2.2基體、智能材料耦合結(jié)構(gòu)

某些結(jié)構(gòu)材料本身就具有智能功能，它們能夠隨著自身力學(xué)、物理狀態(tài)的改變而改變自身的一些其它性能。

按照結(jié)構(gòu)智能化目的的不同，又可將其分為如下幾類：①具有裂縫自診斷和自愈合功能的智能混凝土結(jié)構(gòu);②具有應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)自診斷功能的智能混凝土結(jié)構(gòu);③具有變形、損傷自診斷功能的智能混凝土結(jié)構(gòu);④具有疲勞壽命預(yù)報(bào)能力的現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu);⑤具有監(jiān)測(cè)鋼筋或鋼構(gòu)件銹蝕狀態(tài)能力的現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu);⑥具有感知和自我調(diào)節(jié)功能的智能減振（橋梁）結(jié)構(gòu)。

3.3現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容

3.3.1智能化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)的首要研究?jī)?nèi)容就是對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能化的概念設(shè)計(jì)策略性研究。需要針對(duì)結(jié)構(gòu)類型及其重要性的不同，以及現(xiàn)有工藝技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)資金情況等多個(gè)方面因素，合理地確定智能化目標(biāo)，在兼顧技術(shù)先進(jìn)性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)節(jié)省的前提下采用合理功能層次的現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)。確定了智能化目標(biāo)以后，就需要著手做一些準(zhǔn)備工作，它們是：對(duì)結(jié)構(gòu)在使用中可能發(fā)生的各種行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)在力學(xué)物理環(huán)境下出現(xiàn)的各種反應(yīng)進(jìn)行預(yù)估，以確定結(jié)構(gòu)中需要實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控的部位，確定整體監(jiān)控方案。

3.3.2由傳感元件實(shí)現(xiàn)智能控制

另外一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容就是傳感元件。感覺是現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性功能，它利用在傳統(tǒng)建筑材料中埋入傳感元件（或利用傳感、結(jié)構(gòu)耦合材料）來采集各種信息，經(jīng)過處理分析，才可實(shí)現(xiàn)自診斷、自驅(qū)動(dòng)等智能控制功能。有鑒于此，應(yīng)對(duì)傳感元件提出一些特殊要求如下：

①尺寸細(xì)微，不影響結(jié)構(gòu)外形;②與基體結(jié)構(gòu)耦合良好，對(duì)原結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度影響很小;③性能穩(wěn)定可靠，耐久性好，與基體結(jié)構(gòu)有著相同的使用壽命;④傳感的覆蓋面要寬;⑤信號(hào)頻率響應(yīng)范圍要寬;⑥能與結(jié)構(gòu)上其它電氣設(shè)備兼容;⑦抗外界干擾能力強(qiáng);⑧能在結(jié)構(gòu)的使用溫度及濕度范圍內(nèi)正常工作。

可列入研究范圍的元件有：光導(dǎo)纖維，壓電陶瓷，電阻應(yīng)變絲，疲勞壽命絲，銹蝕傳感器，碳纖維等。

3.3.3作動(dòng)材料分析

現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能控制，而控制是由作動(dòng)材料實(shí)現(xiàn)的。利用某些存在物理耦合現(xiàn)象的材料，尤其是機(jī)械量與電、熱、磁、光等非機(jī)械量的耦合材料，作為結(jié)構(gòu)的作動(dòng)件。可以通過控制非機(jī)械量的變化來獲取結(jié)構(gòu)特性（形狀、剛度、位置、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、頻率、阻尼、摩阻等）的改變，從而達(dá)到作動(dòng)目的。對(duì)它的要求主要有：①與基體結(jié)構(gòu)耦合良好，結(jié)合強(qiáng)度高;②作動(dòng)元件本身的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高;③驅(qū)動(dòng)方法簡(jiǎn)單安全，對(duì)基體結(jié)構(gòu)無影響，激勵(lì)能量小;④激勵(lì)后能產(chǎn)生高效穩(wěn)定的控制，反復(fù)激勵(lì)下性能穩(wěn)定;⑤頻率響應(yīng)范圍寬，響應(yīng)速度快，并可控制;常用的作動(dòng)材料有記憶型合金、壓電材料、記憶聚合物以及聚合膠體等。目前有關(guān)作動(dòng)元件的研究正在一些領(lǐng)域展開，如董聰、Crawlay等人評(píng)述了幾種常用作動(dòng)/傳感材料的性能。

4.結(jié)論

正如建筑業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)各部門原動(dòng)力一樣，現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)及智能建筑不僅對(duì)于未來土木界的發(fā)展意義重大，而且對(duì)于目前主要的高科技領(lǐng)域而言也具有重要的意義，它的研發(fā)及實(shí)現(xiàn)必將進(jìn)一步帶動(dòng)其它高科技領(lǐng)域的進(jìn)一步提高，是土木工程界的知識(shí)經(jīng)濟(jì)。

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