智能土木工程研究现状与应用分析_龙丽芳.pdf
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1、研 发 应 用INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究117基金项目:1.广东理工学院创新强校基金项目“区域建设与人居环境保护协同创新团队”(项目编号:2022GKJTD001);2.2022 年广东理工学院校级科技项目暨“创新强校工程”科研项目立项“祖先之翼明清时期肇庆府宗族祠堂建筑石雕艺术研究”(项目编号:2022GKJZD002)。作者简介:龙丽芳,女,广东肇庆人,高级工程师,研究方向:智能建筑与土木工程。智能土木工程研究现状与应用分析龙丽芳(广东理工学院,广东 肇庆 526100)摘要:信息技术和建筑材料的不断发展,促使建筑业不断转型,智能土木工程已经逐渐成为研究热点。
2、智能土木工程通过将信息技术和新型材料应用到土木工程各个阶段和领域,实现土木工程信息化和智能化。综述了智能土木工程的研究概况,分析了智能材料、智能结构和智能施工的特征和相关应用,指出了当前智能土木工程发展不足,展望了智能土木工程的发展前景,为智能土木工程进一步发展提供参考。关键词:土木工程;智能材料;智能结构;智能建造一、引言随着计算机与互联网的发展,当今社会已经进入了互联信息时代。由此,土木工程领域也产生了很多新型学科,基于智能化发展的现代智能土木工程技术越来越受到国内外学者的密切关注1。智能土木工程是指利用智能材料,进行智能设计,开展智能施工,完成智能结构,并进行智能化的运维与防灾减灾。在每
3、个阶段,“智能”的体现各不相同,如在智能材料的运用方面,主要依托于材料领域的革新,新型高性能得以涌现,进而运用到土木工程领域。而在智能结构领域,主要以土木工程结构为对象,打造高度智能化的智能结构体系,智能施工更多种多样。本文主要以智能材料、智能结构和智能施工为研究对象,分析了三者基本概念和当前应用,同时指出其局限性,并对未来发展作出了展望。二、智能材料研究现状与应用材料科学领域不断发展革新给土木工程领域带来了新的机遇。智能材料的概念在 20 世纪 90 年代被提出2,依托这一理念,建筑材料的性能与功能已经不再像过去一样仅仅考虑其强度、刚度等基本性能,同时对材料有了更高的要求,包括需要材料具有对
4、环境感知能力、外力破坏下的记忆能力、不同环境下的适应能力,自我诊断和修复能力。同时,要求材料具有可调节性能,当前智能材料主要分为感知型智能材料、记忆型智能材料、自适应智能材料、自诊断与自修复智能材料。(一)感知型智能材料传统建筑材料往往只能被动适应外部环境,在后续的运营过程中无法具备感知能力,这就导致当外部环境发生较大变化时,原有材料无法再满足使用要求,或者发生脆性破坏。基于此需求,一系列的感知型智能材料应运而生。例如,通过在混凝土当中添加光导纤维的光纤维混凝土,或设置传感器的智能混凝土,如图 1 所示。通过在混凝土中设置传感器可让混凝土具备感知能力,提高混凝土材料的智能性,进而起到实时监测混
5、凝土状态变化,对材料变形做出提前预警,预防脆性破坏等3。图 1 智能混凝土结构(二)记忆型智能材料一个建筑物使用年限往往较大,如何保证建筑在设计使用年限内具备良好的物理力学性能同样是关键的问题,而形状记忆合金的自我记忆和修复功能较好的提升建筑物的稳定性和耐久性,与这一需求契合度较高。形状记忆合金具备研 发 应 用产业创新研究 2023.1 第2 期118形状记忆效应和超弹性,具有比一般金属更大的变形恢复能力,会在温度变化下逐渐恢复变形,这也就是所谓的记忆性能4。基于这一理念,力学记忆合金等材料也在不断发展与应用当。图 2 为形状记忆合金垫层材料,通过在建筑当中应用形状记忆合金材料,可以有效提高
6、建筑结构的抗震性能。图 2 形状记忆合金垫层材料(三)自适应智能材料当前建筑不仅要满足正常使用功能,同时其舒适度的需求也在不断提升,这就要求建筑材料能够主动适应环境,能够有更好的采光性能与温度调节能力,如全息玻璃幕墙,智能调光玻璃幕墙、太阳能屋顶等5。全息玻璃幕墙,智能调光玻璃幕墙如图 3 所示,该类幕墙具备自适应能力和吸热能力,能够智能调节亮度、温度,适应不同环境和不同人群的需求,而太阳能屋顶能够吸收太阳能,有效节约能耗,降低碳排放,符合绿色可持续发展理念,同样是未来发展的一个趋势所在。图 3 智能调光玻璃(四)自诊断与自修复材料区别于常规产品,建筑产品由于其体量大和不可移动性,导致其维修较
7、为困难。如果材料本身具备自我修复能力,则能够进一步提升建筑产品的适用性和耐久性,这一类可自诊断和自修复的材料包括压电材料、自修复聚合物等。压电材料如图 4 所示,该材料在受到外力作用时,会产生一定量的电压,通过对电压的量测,即可分析建筑变形比例,诊断建筑结构的病害。自修复聚合物是指能够自我进行修复的新型材料,将自修复聚合物应用于建筑领域,能够极大地提高建筑结构的安全性和耐久性,同时降低后期维护成本。图 4 压电材料总体来说,智能材料在土木工程当中的应用越来越广泛,这对提高土木工程结构的安全性、舒适性、耐久性和抗灾害性能意义重大,且能够降低土木工程结构后期维护成本。不过目前智能材料由于性能较为单
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