陳燕友

（廣東理工學院）

1 引言

智能結構在建筑工程領域屬于新興內容，但智能結構的科技感、使用優(yōu)勢和節(jié)能減排、綠色生態(tài)等特點，備受大眾關注和喜愛。近20年，建筑行業(yè)積極發(fā)展智能結構，并開發(fā)出各類智能材料、智能化技術及設備等，還通過智能化手段實現(xiàn)智能生產(chǎn)，例如，通過智能化技術檢測混凝土結構中的裂縫，智能化玻璃能根據(jù)外部陽光的變化自動調節(jié)室內光線。這些材料和技術都具有仿生功能，被稱為智能材料和智能結構。智能結構中包含智能材料，隨著智能結構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)展與構成。本文重點討論了智能結構在現(xiàn)代建筑中的應用[1]。

2 智能建筑結構的科技優(yōu)勢

智能結構的優(yōu)化可以促進建筑智能化的發(fā)展，如今，智能結構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。智能結構組織可以實現(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，采用浮筑樓面結構，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構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，減少機械設備的使用，達到節(jié)能減排的效果[2]。

智能結構是如何體現(xiàn)人體仿生工學的，設計人員將背景空調與個人空調相結合，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、空氣質量、溫度、濕度和風向等因素來設計智能結構。

現(xiàn)代綠色經(jīng)濟的發(fā)展，為智能建筑的建設提供了良好的環(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，完善的智能結構可以實現(xiàn)智能通風控制。傳統(tǒng)的建筑設計是利用封閉式玻璃結構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，以智能化的結構合理利用自然光源，人工照明只起到輔助作用，有效減少了資源浪費。

總的來說，智能結構是利用智能材料、科學的結構設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構功能。

3 智能結構在建筑工程中的應用

3.1 以混凝土結構監(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構，如何延長這些建筑體的使用壽命，同時，減少資源消耗，降低建設成本，是現(xiàn)代智能建筑要積極思考的問題。

作為建筑結構本身，其使用效果和壽命與建筑體的自然環(huán)境、施工材料、技術和設計水平有直接聯(lián)系，在各大歷史事件中，由于建筑材料和設計結構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、機敏材料與結構、自適應材料與結構和智能材料系統(tǒng)與結構等名稱，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，混凝土結構的施工養(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。

混凝土的質量對建筑整體結構的安全性有至關重要的影響，美國和日本已經(jīng)在使用光纖定位和感知監(jiān)測技術，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)測結構，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,這種技術已應用在了我國三峽大壩工程建設中。

3.2 智能土木結構

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，建筑結構呈現(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、不同的城市建設要求，發(fā)展全新的智能化建筑結構。對工程建筑來說，材料和結構是體現(xiàn)建筑特點和使用功能的基本內容。除了混凝土結構，我國常見的還有土木結構。智能化土木結構主要用于土木建筑體中。智能結構集合了驅動器、主結構、傳感器和控制器，可以促進建筑更好地適應環(huán)境，實現(xiàn)建筑結構自動監(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，智能結構可以起到維護作用。網(wǎng)絡信息和計算機時代的到來，已經(jīng)實現(xiàn)了生活智能化，智慧城市的建設需要智能建筑的協(xié)調發(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構的建筑中[4]。

在提出智能結構建筑理念后，智能土木結構也隨之出現(xiàn)。為了更好地解決土木結構中的施工難題，促進土木結構的完整性、耐久性、強度和安全性等，同時，降低建設成本，提升使用舒適度，減少后期的維修費用，延長土木結構建筑的壽命，有必要在土木結構建筑中增強其預測能力，使用智能結構勢在必行。比如，智能土木結構可以實現(xiàn)自動預報，和智能混凝土結構相同，在土木結構中安裝一些傳感器，這些傳感器有計算機和網(wǎng)絡控制，對土木結構內部實施監(jiān)控和預測。這種智能結構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)代化建設和提升智能結構的普及率，如今，土木智能結構已經(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，對發(fā)展智能建筑、建設智慧城市起到積極作用。

3.2.1 智能傳感元件在現(xiàn)代建筑結構中的應用

在土木結構中，利用智能傳感器能實現(xiàn)精確、及時的內部結構安全性監(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、比較老舊的土木結構建筑，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，跟蹤建筑內部結構的損傷變化，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

智能土木結構在實現(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，智能結構也是建筑施工節(jié)能技術的良好體現(xiàn)。目前，現(xiàn)代智能結構已經(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，使用智能土木結構加強監(jiān)測，及時調整外部結構，提升土木結構的節(jié)能減排功效。

3.3 智能結構在家電設備方面的發(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)境的光線質量來調節(jié)，在有人和沒人的環(huán)境中，自動識別光線需求，開關關閉或者打開，以此實現(xiàn)減少能源消耗、提升照明水平的目的。通過智能化結構，優(yōu)化設計方案、合理選擇光源、提高照明質量。

3.3.2 在給排水系統(tǒng)的應用

智能結構建筑中，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，及時調整給排水方式，在忙時自動調整水壓和供水量，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，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)鞲衅鳎瑸榱吮ＷC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、關防火門等，開啟防火設備，同時，通過網(wǎng)絡信息系統(tǒng)，將火情傳遞到有關部門，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和電子信息技術探測并指示非法進入或試圖非法進入設防區(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。智能結構是一個完整的、復雜的建筑基體，包含了智能材料、智能技術等，利用各種智能元件，實現(xiàn)了智能結構的組成，在建筑工程中得到了廣泛的使用。為了促進智能結構的發(fā)展，國家積極推動科技進步，鼓勵創(chuàng)新和提升智能結構生產(chǎn)力，同時，智能結構本身具有的節(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。

本文通過對智能結構的各種應用，希望在人們的日常生活中，能夠形成智能建筑、智能結構的概念，從而推動了整個建筑行業(yè)的智能化發(fā)展。雖然我國的智能結構建筑興起較晚，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。