張海利

【摘? 要】 隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，新型墻體材料因其優(yōu)異的性能而得到廣泛應(yīng)用。針對新型墻體材料研發(fā)存在的難題，計算機(jī)技術(shù)的引入為材料設(shè)計、制備、檢測和應(yīng)用等過程提供了有力支撐。計算機(jī)技術(shù)可以輔助材料性能預(yù)測、過程控制、質(zhì)量檢測等，實現(xiàn)墻體材料技術(shù)的智能化升級。文章通過分析計算機(jī)技術(shù)在材料領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出針對性的技術(shù)優(yōu)化策略，以期為計算機(jī)技術(shù)與新型墻體材料深度融合提供參考。

【關(guān)鍵詞】 計算機(jī)；新型墻體材料；材料應(yīng)用

一、計算機(jī)在新型墻體材料性能模擬中的應(yīng)用

（一）計算機(jī)材料微觀結(jié)構(gòu)模擬分析

計算機(jī)材料微觀結(jié)構(gòu)模擬是研發(fā)新型墻體材料的重要手段。它通過建立材料組分的微觀結(jié)構(gòu)模型，采用分子動力學(xué)方法，模擬材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組裝過程和相互作用規(guī)律。與傳統(tǒng)試驗相比，計算機(jī)模擬可深入探索材料的微觀形貌、相互作用力以及反應(yīng)動力學(xué)特征，為設(shè)計新材料提供理論指導(dǎo)。例如，采用原子力場法，可以研究摻雜顆粒在水泥基體中的分散狀態(tài)，預(yù)測其增強界面結(jié)合的作用機(jī)制，指導(dǎo)設(shè)計高強韌水泥基復(fù)合材料。通過模擬不同原料的微觀結(jié)構(gòu)和配比方案，可獲得組分、制備條件與材料力學(xué)性能之間的定量關(guān)系，實現(xiàn)材料組分和工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。計算機(jī)模擬還可以考察材料的缺陷形成機(jī)理，預(yù)測其使用壽命，為質(zhì)量控制提供理論依據(jù)。隨著計算方法和軟件工具的進(jìn)一步發(fā)展，計算機(jī)材料微觀結(jié)構(gòu)模擬必將在新型墻體材料設(shè)計中發(fā)揮更大作用。

（二）計算機(jī)輔助材料宏觀性能預(yù)測

在新型墻體材料設(shè)計中，僅依靠微觀結(jié)構(gòu)模擬還不能全面預(yù)測材料的宏觀力學(xué)性能指標(biāo)。計算機(jī)輔助材料宏觀性能預(yù)測可以很好地彌補這一不足。它通過建立計算機(jī)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合材料試驗數(shù)據(jù)，預(yù)測材料在實際使用環(huán)境下的整體響應(yīng)。例如，可以通過有限元分析預(yù)測混凝土中的內(nèi)部微裂縫演化過程，模擬不同配合比墻體的抗壓強度；也可以通過幾何非線性有限元法模擬墻體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、耐久性和使用壽命。借助計算機(jī)強大的信息處理能力，這些宏觀數(shù)學(xué)模型可以實現(xiàn)多尺度耦合，從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)預(yù)測宏觀性能。計算機(jī)模擬結(jié)果還可以作為優(yōu)化墻體材料性能的重要依據(jù)。隨著檢測技術(shù)的進(jìn)步和模型算法的改進(jìn)，計算機(jī)輔助方法將使材料性能預(yù)測更加準(zhǔn)確高效。

（三）材料設(shè)計優(yōu)化技術(shù)

材料設(shè)計優(yōu)化技術(shù)是計算機(jī)輔助新型墻體材料研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通過采用多目標(biāo)優(yōu)化算法，在滿足性能指標(biāo)的前提下，尋找材料成分、配方、制備工藝等參數(shù)的最佳匹配方案。具體來說，需建立描述材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝和性能之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，然后鏈接優(yōu)化算法，以性能指標(biāo)為目標(biāo)，迭代尋找所有變量的最優(yōu)取值。與傳統(tǒng)的單因素試驗反復(fù)對比不同，計算機(jī)優(yōu)化可以同時考量多種變量對性能的影響，大大縮減設(shè)計周期。例如，可以同時求解出在規(guī)定原料條件下混凝土配比的優(yōu)化方案。也可以優(yōu)化界面處理工藝，以獲得界面結(jié)合性能最大化；優(yōu)化過程可以考慮多個約束條件和目標(biāo)，以實現(xiàn)綜合性能指標(biāo)的最佳平衡。材料設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，將有效指導(dǎo)新型墻體材料的配方和工藝研發(fā)，使性能水平達(dá)到理論極限。

二、計算機(jī)在新型墻體材料制備中的應(yīng)用

（一）計算機(jī)控制的準(zhǔn)確計量和攪拌

在新型墻體材料的制備過程中，計算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用可以極大地提高計量和攪拌的準(zhǔn)確性與可靠性。一是采用自動稱重傳感器和控制器，實現(xiàn)各組分物料的準(zhǔn)確計量。操作人員只需選擇配方、原料即可自動稱重完成，并傳送到攪拌系統(tǒng)，避免人為誤差。二是攪拌系統(tǒng)采用計算機(jī)數(shù)控，可以精確控制攪拌速率、攪拌時間及順序等參數(shù)，保證各組分的均勻分散。三是計量和攪拌全過程實時監(jiān)測，所有工藝數(shù)據(jù)自動錄入計算機(jī)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，如有偏差及時報警和調(diào)整，確保配料精度和配比均勻性。四是不同配方設(shè)定成程序存儲在計算機(jī)中，操作時只需選擇即可，避免復(fù)雜操作帶來的失誤。五是所有設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)實時顯示并存檔，便于過程查驗和質(zhì)量追溯。采用智能化計量攪拌系統(tǒng)，可保證原料配比的高精度可控性，從而生產(chǎn)出性能穩(wěn)定一致的新型墻體材料產(chǎn)品，實現(xiàn)制備工藝的智能化與標(biāo)準(zhǔn)化。

（二）計算機(jī)監(jiān)控的烘干和成型工藝

在新型墻體材料的制備中，將計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)運用于烘干和成型過程，可以有效改善工藝控制水平。烘干爐內(nèi)設(shè)置多點溫濕度傳感器，實時監(jiān)測爐內(nèi)溫度場和濕度分布，并與設(shè)定的烘干曲線進(jìn)行比較，如有偏差，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)加熱方式和風(fēng)機(jī)，可實現(xiàn)爐內(nèi)溫濕度的均勻性。材料在爐內(nèi)的物性變化也可以通過在線檢測裝置監(jiān)測，并反饋調(diào)控系統(tǒng)，精確控制烘干程度。成型過程中，壓力、成型速度等參數(shù)也實現(xiàn)計算機(jī)監(jiān)控，保證成型質(zhì)量的穩(wěn)定性。所有環(huán)節(jié)的工藝數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)都經(jīng)計算機(jī)采集、記錄和分析，并以曲線、表格等形式實時顯示。借助大數(shù)據(jù)分析，可以持續(xù)優(yōu)化工藝參數(shù)的匹配，消除試驗過程的盲目性，將質(zhì)量數(shù)據(jù)與產(chǎn)品信息相關(guān)聯(lián)，可實現(xiàn)全過程質(zhì)量追溯。

（三）智能化生產(chǎn)線的建立

針對新型墻體材料生產(chǎn)的小批量、多品種和精密控制的特點，建立智能化生產(chǎn)線是實現(xiàn)制造過程信息化、自動化的關(guān)鍵。首先，在軟件層面構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)管理平臺和質(zhì)量信息系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的信息化監(jiān)控。其次，在關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)傳感器智能控制和機(jī)器人自動操作，如智能計量、攪拌、成型等，實現(xiàn)無人值守的自動化運行。再次，通過射頻識別、條碼等技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)和質(zhì)量信息的可追溯。另外，還要建設(shè)連續(xù)在線檢測系統(tǒng)，如紅外光譜在線分析成分等，實現(xiàn)過程質(zhì)量的閉環(huán)控制。同時利用信息平臺進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)方案和管理決策。最后，生產(chǎn)線要實現(xiàn)產(chǎn)品快速更換，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。通過建設(shè)集成信息化、自動化、智能化等多項先進(jìn)技術(shù)的新型生產(chǎn)線，不僅可以確保產(chǎn)品質(zhì)量的高度一致性，還將大幅提升產(chǎn)能和資源利用效率，使新墻體材料產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)智能化升級。

三、計算機(jī)在新型墻體材料檢測中的應(yīng)用

（一）計算機(jī)圖像處理技術(shù)檢測外觀質(zhì)量

在新型墻體材料的質(zhì)量檢測中，利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)可以實現(xiàn)對產(chǎn)品外觀質(zhì)量的快速精確評價。具體來說，首先通過高分辨率工業(yè)相機(jī)采集墻體制品的數(shù)碼圖像，然后通過圖像預(yù)處理獲得質(zhì)量分析所需的視野和清晰度。其次，借助計算機(jī)軟件提取圖像紋理、顏色、瑕疵等關(guān)鍵信息，通過與標(biāo)準(zhǔn)樣本的對比，檢測出制品表面存在的缺陷，如裂痕、脫皮、坑洞等，并自動分析缺陷類型和規(guī)格尺寸。最后，經(jīng)評判規(guī)則處理，可以得到制品外觀質(zhì)量的綜合等級。相比傳統(tǒng)的人工測量，采用計算機(jī)視覺技術(shù)可以實現(xiàn)全面、精確、快速的外觀質(zhì)量檢測，不受人眼主觀因素和疲勞影響。并且整個檢測過程和結(jié)果都經(jīng)計算機(jī)存儲記錄，為質(zhì)量數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量系統(tǒng)優(yōu)化提供數(shù)化依據(jù)。計算機(jī)視覺技術(shù)的應(yīng)用，將大幅提高新型墻體材料外觀質(zhì)量的檢測效率與可靠性，實現(xiàn)質(zhì)量智能化監(jiān)控。

（二）計算機(jī)控制性能檢測

檢測新型墻體材料的力學(xué)性能指標(biāo)是評價產(chǎn)品品質(zhì)的重要手段。采用計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測，可以實現(xiàn)測試過程的規(guī)范化和結(jié)果的精確化。具體來說，計算機(jī)先根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定檢測方案，包括檢測項目、方法、加載方式等參數(shù)。檢測系統(tǒng)各功能模塊、傳感器通過數(shù)字接口與計算機(jī)相連，測試加載、數(shù)據(jù)采集等動作都由計算機(jī)程序精確控制。在檢測過程中，傳感器實時采集各項數(shù)據(jù)，如應(yīng)變、位移等，并由計算機(jī)進(jìn)行記錄和轉(zhuǎn)換，利用已經(jīng)建立好的計算模型，獲得所需的力學(xué)性能指標(biāo)數(shù)值。同時，計算機(jī)軟件可以生成測試加載曲線、應(yīng)變應(yīng)力曲線等各種圖表，直觀顯示測試全過程信息。相比手工操作，計算機(jī)控制提高檢測的標(biāo)準(zhǔn)化程度，減少人為因素誤差。借助計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力，測試結(jié)果會更加豐富準(zhǔn)確。應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)提升墻體材料檢測質(zhì)量，是實現(xiàn)墻體材料性能評價和質(zhì)量控制現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。

（三）智能化快速檢測技術(shù)

針對新型墻體材料檢測周期長、效率低的問題，發(fā)展智能化快速檢測技術(shù)是必要的。建立便攜式快速檢測設(shè)備，現(xiàn)場快速進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)預(yù)檢，如無線X射線熒光裝置快速檢測 ，便攜式紅外光譜儀快速分析化學(xué)成分。開發(fā)基于特異性快速響應(yīng)的傳感器，如表面等離子體共振技術(shù)檢測重金屬，能在幾分鐘內(nèi)完成檢測。構(gòu)建以微流控芯片為基礎(chǔ)的Lab-on-a-Chip檢測系統(tǒng)，利用毛細(xì)管電泳、色譜芯片整合多項檢測功能，實現(xiàn)新型墻體材料成分、功能性質(zhì)的快速多項聯(lián)合檢測。建立以仿生識別技術(shù)為基礎(chǔ)的智能分析方法，如人工嗅覺技術(shù)快速判斷VOC揮發(fā)性有機(jī)物含量。利用三維打印技術(shù)，快速定制各類模擬環(huán)境，進(jìn)行墻體材料的快速性能體檢。利用知識庫和大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)智能化快速分析判定。通過構(gòu)建集成多種前沿技術(shù)的智能快檢平臺，可實現(xiàn)對新型墻體材料的快速、高效、準(zhǔn)確的智能化檢測與評價。

四、計算機(jī)在新型墻體材料施工中的應(yīng)用

（一）數(shù)字化墻體設(shè)計

數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用極大地推動了墻體設(shè)計方式的轉(zhuǎn)變。采用參數(shù)化墻體家族建模技術(shù)，根據(jù)項目需要輸入功能參數(shù)，自動生成墻體設(shè)計模型，大幅提高了設(shè)計效率?；贐IM技術(shù)的全生命周期數(shù)字化設(shè)計平臺，可以實現(xiàn)墻體的信息化協(xié)同設(shè)計，進(jìn)行性能仿真分析，優(yōu)化設(shè)計方案。利用VR/AR技術(shù)，設(shè)計人員可以沉浸式體驗數(shù)字化墻體模型，進(jìn)行虛實結(jié)合的設(shè)計評估。應(yīng)用人工智能算法，進(jìn)行設(shè)計方案自動生成和優(yōu)化，可實現(xiàn)智能化設(shè)計。借助3D打印技術(shù)，可以快速打印設(shè)計方案的墻體樣品，以便直觀評估。實施數(shù)字孿生技術(shù)，與實際施工連成數(shù)字閉環(huán)，可實現(xiàn)設(shè)計模型與實際情況的動態(tài)反饋對比。數(shù)字技術(shù)為墻體設(shè)計提供強大工具，不僅極大地提高設(shè)計效率，更實現(xiàn)了精益求精的智能設(shè)計，將推動墻體技術(shù)不斷進(jìn)步。

（二）虛擬現(xiàn)實輔助施工

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)為新型墻體材料的施工提供了有效支持。工程師可以依托三維墻體BIM模型到虛擬環(huán)境，身臨其境檢查設(shè)計細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)問題及早修改，利用VR進(jìn)行虛擬裝配試驗，檢驗節(jié)點處理、管線穿透等構(gòu)造的合理性。通過虛擬仿真施工，提前熟悉工序步驟，制訂最優(yōu)施工方案。對操作人員進(jìn)行虛擬培訓(xùn)，重復(fù)模擬施工過程，提高實際施工技能。現(xiàn)場輔助，將虛擬模型與實際工程進(jìn)行匹配，精確定位施工要求。通過頭戴顯示設(shè)備，工作人員可得到虛擬輔助信息， 提高施工精度。集成遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)系統(tǒng)，對施工現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程虛擬監(jiān)控，發(fā)揮專家支撐作用。施工質(zhì)量可以與虛擬模型進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為新型墻體材料施工提供設(shè)計評估、方案優(yōu)化、人員培訓(xùn)、質(zhì)量控制等全面支持，將推動墻體材料施工進(jìn)入智能化新階段。

（三）計算機(jī)監(jiān)控的質(zhì)量管理

在新型墻體材料施工過程中，應(yīng)用計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行智能化質(zhì)量管理，可以有效提高施工質(zhì)量。通過二維碼、RFID等技術(shù)對材料進(jìn)行標(biāo)識，實現(xiàn)信息化管理，隨時掌握材料流向和使用情況。在備料、攪拌等環(huán)節(jié)設(shè)置在線檢測裝置，監(jiān)測材料成分及性能，實現(xiàn)全過程質(zhì)量監(jiān)控。施工過程中安裝攝像頭等傳感器，采集施工數(shù)據(jù)，判斷施工質(zhì)量是否符合規(guī)范要求。以BIM為基礎(chǔ)，現(xiàn)場掃描取得的實際施工情況與數(shù)字模型進(jìn)行對比，檢查施工質(zhì)量并反饋糾正。通過VR設(shè)備，對操作人員進(jìn)行在線技能培訓(xùn)與評估，保證操作掌握程度。使用無人機(jī)、機(jī)器人等進(jìn)行巡檢，快速發(fā)現(xiàn)施工缺陷。云平臺集成各類監(jiān)控數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總分析，為質(zhì)量管理提供決策依據(jù)。實現(xiàn)質(zhì)量信息與材料供應(yīng)商、施工單位的聯(lián)網(wǎng)，強化責(zé)任追溯。計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的全面應(yīng)用，將使新型墻體材料施工實現(xiàn)精確化、規(guī)范化、智能化。

五、結(jié)語

綜上所述，加強計算機(jī)技術(shù)與材料科學(xué)的跨學(xué)科合作，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化檢測平臺，完善數(shù)據(jù)共享體系，加大前沿技術(shù)引入，以及建立高素質(zhì)的人才隊伍，都是實現(xiàn)計算機(jī)技術(shù)在新型墻體材料領(lǐng)域深入應(yīng)用的關(guān)鍵措施。只有系統(tǒng)性推進(jìn)各項工作，充分發(fā)揮計算機(jī)技術(shù)的支撐作用，才能加快我國新型墻體材料技術(shù)水平的提升，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳華，楊立新. 建筑材料設(shè)計優(yōu)化的計算機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 建筑技術(shù)，2021，52（07）：787-791.

［2］ 郭曉明，葉優(yōu). 建筑材料檢測信息化技術(shù)發(fā)展趨勢［J］. 住宅與房地產(chǎn)，2022（03）：115-117.

［3］ 董祥，田啟星. 從上海奧林匹克花園項目探討新型墻體材料的發(fā)展［J］. 磚瓦，2010（02）：3-6.