现代建筑结构中智能土木结构的应用分析

人们物质生活水平的不断提高，对于建筑物的实际需求逐渐开始呈现出智能化、多样化的发展趋势。为满足人们这一需求，需对当前的建筑结构加以改进和完善。现代大型建筑对于土木结构具有较高要求，其对于建筑的安全性、可靠性以及稳定性具有较为直接的影响。智能土木结构的应用，符合时代发展趋势，弥补了传统建筑结构的缺陷和不足，对于建筑物性能及质量的提升，具有至关重要的作用。

1 智能土木结构简述

智能化土木结构是科学技术以及现代化结构不断发展的重要产物。当前，人类已步入信息化社会，在生产信息材料的过程中，已逐步实现了制造、设计一体化。而这些变化的产生，也为土木工程师提供了创作灵感和动力源泉。近年来，人们在设计建筑结构的过程中，已不再将目光单纯局限于其承受力，而是要求其具有一定的分析能力、计算能力以及感知能力，通过这些能力的不断优化和调整，实现建筑结构的自我调节与控制。为此，设计师们也尝试通过传感器、信号放大器以及控制电路等，帮助建筑结构实现这一目标。所谓建筑结构智能化，即要求建筑物可进行自我诊断，并通过深入分析，完成自我调整，也就是所说的“自我修复能力”，具有该功能的建筑物可对自身结构的应力分布、刚度、强度等进行调节和改变，从而对建筑物整体加以完善。智能化的土木结构，赋予了建筑物一定的自我调节能力，而这也恰恰是其智能化的具体表现，其充分发挥了信息材料的优势与特征，符合当今时代人们对于建筑物的实际需求[1]。

2 智能土木结构分类

在具体应用过程中，智能土木结构通常可分为以下几类：第一，智能材料耦合结构。该结构充分运用了结构材料的部分特性，在对这些特性进行检测时，可对结构的变化特征加以明确，并以此实现结构的自我调整。第二，嵌入式智能土木结构。其主要原理为：将传感器放入钢筋混凝土中，通过一些材料仪器、计算机、软、硬件，对建筑物的结构进行优化和调整。具体实施过程中，该结构主要是在传统结构的基础上，实现了改进和调整，且无需对建筑物原有性能进行分析与研究，如此便可直接从传统结构过渡到智能化结构，充分满足了居民的实际需求。以上两类智能土木结构在某些方面存在一定差别，如嵌入式智能土木结构需充分借助信息材料，而智能材料耦合结构则比较关注建筑自身所使用的原料特性。但两者的终极目标基本保持一致。除以上提到的两种类型外，结合智能土木结构目的的差异性，还可进行详细划分，而这些结构均隶属于智能混凝土范围。从功能上看，可划分为应力应变自诊断、自愈合功能、自诊断功能、寿命预警功能以及损伤自我诊断功能等等。这种分类方式，一般可从名称上判断其结构性能，在具体应用过程中，设计人员可结合工程的实际需求，选择出最适宜的土木结构，从而最大限度的发挥其优势和特长[2]。

3 现代建筑结构中智能土木结构的应用现状

3.1 智能传感元件的应用

在土木工程中，技术人员时常会在建筑结构中添加传感元件，以此实现建筑物的健康检测，在保证结果精准性的同时，还需对建筑物的安全性、稳固性等进行综合评价，且同样需保证数据的精准性，从而对建筑物的实际使用寿命进行判断，最后做出相应的报废或维修处理。而对于某些大型的工程建筑而言，由于其建筑结构修建时间一般较长，且设备陈旧老化，若在此依然采取添加传感器的方式，则往往与实际情况不相符合。此时便需选择性能较强的传感器(如图1）进行结构检测，通过光纤智能材料等制作而成的传感器，具有十分强大的性能，将其应用于土木工程中，可起到事半功倍的检测效果，同时也为土木工程发展提供了新契机。

图1 传感器

如在混凝土中接入光纤，并将其作为传感元件，实现建筑结构振动、变形、损伤、裂缝、锈蚀等方面的自动化预警、检测和控制，同时，也可在其中加入驱动元件，并将其与信息处理系统进行有效融合，从而形成智能化混凝土结构，实现建筑物的自检测、自修复和自诊断功能。目前，该技术在国外的实践应用已取得了十分显著的成果，而光纤材料也逐渐成为土木工程结构振动自控制和健康诊断中设计传感器的理想化材料。随着应用效果的不断提升，该材料目前还被广泛的应用于大坝工程的安全测定和健康监测，为建筑物的安全性和稳固性提供了良好的保障。

例如，广州市某钢铁房机建造于深厚软土地基上，主要是以淤泥质土为主，土质的力学性能较差，基坑挖深11m，H型钢约为25m。本次工程中，主要是采用了分布式光纤传感技术对H型钢进行优化和改造，以此提升其变形感知能力，并实现H型钢水平位置、弯矩以及应变等数据的实时获取，具体情况见图2。

图2 广州市某钢铁房地下支护结构光线监测实景图

3.2 现代建筑节能技术

智能土木结构的应用，为建筑物安全检测性能的提升提供了良好保障，同时也提供了大量的节能技术，可在今后的实践发展中加以推广。而通过该结构的应用，也提升了建筑工程师的节能意识。所谓节能建筑，即在建造和设计的过程中，均统一采用节能器具和材料，并通过智能土木结构的应用，赋予建筑物自我监测的能力，使其可灵活自如的应对外部环境变化，最大限度的降低能耗。智能土木结构的实际应用，为节能建筑提供了强大的技术支持，加快了绿色建筑目标的实现，为可持续发展型、环境友好型社会的建设奠定了良好基础[3]。

3.3 工程健康监测

将智能土木结构应用于建筑工程中，在健康检测和结构损伤等方面具有着至关重要的作用。在土木工程中，建筑物检测常以目测方式为主，同时还会辅助声发射、x射线、超声波等技术，通过该方式的应用，可有效避免很多缺陷问题，能够对建筑物结构的破损情况进行动态监测，不仅满足了人们的实际需求，同时也确保了检测结果的精准性和效率性。如建筑物在出现损伤时，其内部结构也会相应破裂，在外力作用的影响下，通常会加大损伤力度，而这些变化均会被传感器感知到，从而使工作人员可在第一时间对建筑的实际情况加以掌握和了解，并以此为基础采取针对性调整措施，有效避免建筑发生安全事故造成的人员伤亡问题。

大量调查数据显示，形状记忆合金具有较高的相变回复力，最高数值可达400MPa。以上述特性为基础，可开发出具有变形能力的被动耗能控制系统和记忆合金被动耗能器,以此实现土木工程结构的抗震控制。这些结构在具体应用的过程中，通常是安装在结构的底部或层间，如此当建筑结构出现形变时，便会迅速被耗能器所感知，从而可最大限度的消耗地震能量。据调查，在建筑结构中安装了记忆合金耗能器，大约有60%地震能量均可吸收，有效抑制了建筑结构的位移、变形等问题。目前，在国外很多国家，均开始将该设备应用于建筑物的防震、抗震设计中，效果显著。

4 提升智能土木结构应用效果的有效措施

4.1 提升智能传感水平

在现代建筑结构中，为了能够最大限度的提升智能土木结构的应用效果，首要工作便是提升智能传感技术水平。因此，有必要对传感元件的性能进行优化。站在仿生学的立场看，对于现代建筑而言，传感器则相当于其自身的某个器官。若想提高建筑物整体的感知能力，则必须对传感技术水平进行提升，从系统性方向入手，强化传感器的处理能力、识别能力以及感知能力，并在此基础上，增强其系统的灵敏度与可靠性。将智能传感元件应用于现代建筑工程中，应注意禁止对建筑外形造成影响，与此同时，还应确保建筑结构的相容性，不断提升其抗干扰能力[4]。

4.2 智能控制集成发展

若将建筑物比作人体，则智能控制系统就是人的大脑神经中枢系统，其作为一个核心部分，不仅操控着运动系统程序和感觉系统，同时也直接影响着整个神经的协调功能和运转功能。将该智能集成系统安装于建筑智能土木结构中，可大幅度提升建筑物的外部抵抗能力，如风暴、降雨等等，使其在第一时间做出相应反应，最大限度的避免人员伤亡，并降低经济损失。基于上述情况，我国相关技术部门应重点对智能控制系统进行研究与开发，并加大推广应用力度，以此为基础，实现整个建筑环境的优化控制，为建筑结构的稳固性、安全性提供有力保障。

4.3 大力发展节能新技术

随着社会经济的不断增长，生态能源短缺、环境污染恶化问题日益严重，威胁着人们的生存和发展环境。近年来，人们对于节能环保理念的重视程度越来越高。在此环境背景下，绿色建筑应运而生，但在我国目前的现代化建筑结构中，节能新技术尚未实现普及，应用率有待提升，且能源浪费问题仍较为常见。为此，应加大节能技术的开发和创新力度，增强技术人员的创新意识，从而使节能新技术可与现代智能土木结构相互适应，为绿色建筑的发展提供便利条件。具体分析如下：首先，在将节能技术应用于现代建筑结构中时，应保证其定位的精准性，在确保建筑结构正常运行的同时，最大限度的减少浪费，降低能源消耗。其次，结合建筑结构的实际情况和具体要求，有针对性的引进节能新技术和新理念，以此提升技术的成效性和适应性。最后，在具体应用过程中，还应充分考虑建筑物的外部环境变化，并结合其具体情况，对节能技术进行及时更新和调整，从而最大限度的发挥其节能环保性能，为绿色建筑发展提供有力保障[5]。

智能土木结构是一种新兴的结构类型，其在现代建筑结构中的实践应用，虽具有良好效果，但从整体角度看，由于该结构应用目前尚处于初级发展阶段，故在个别领域仍存在较多缺陷和问题，如应用技术水平低、结构选择不当等等，限制和影响了智能土木结构应用优势和价值的充分发挥。为避免上述问题的发生，技术人员应加大对该结构的研究力度，并对其适用条件、类型、结构内涵等进行综合分析，结合建筑物规模、性质以及功能的不同，选择合理的土木结构类型，以此提升应用效果。另外，智能土木结构的应用，还可提供节能技术，实现了建筑物的环保生态功能，与此同时，也大幅度降低了能源消耗。在进行节能技术研究的过程中，可提高风能、地热能以及太阳能的应用效率，最大限度降低化石燃料的应用率，避免环境污染问题的发生，从而为城市环境的改善贡献应有的力量。

5 结 语

随着科技的发展以及智能化技术的不断普及，给人们的日常生活、生产带来了极大改变。智能化土木结构集合了各种先进技术和材料，将其应用于现代建筑结构中，可大幅度提升建筑物的安全性和健康检测能力，并可满足人们对于建筑物的多元化需求。本文主要对智能土木结构及其分类进行了分析，并阐述了其在现代建筑结构中的应用现状，最后提出几点提升应用效果的有效措施，以期为绿色建筑的发展以及环境友好型社会建设提供支持和保障。

[1]严先辉.浅析智能材料在土木工程结构振动控制中的应用[J].四川水泥,2016,4412:297.

[2]宁学前.智能材料在土木工程结构振动控制中的应用[J].科技资讯,2015,02:38-156.

[3]欧进萍.土木工程结构用智能感知材料、传感器与健康监测系统的研发现状[J].功能材料信息,2014,054:12-22.

[4]李宏男,李军,宋钢兵.采用压电智能材料的土木工程结构控制研究进展[N].建筑结构学报,2015,403:1-8+29.

[5]任勇生.智能材料在土木结构监测和振动控制中的应用[N].太原理工大学学报,2015,105:486-493.