智能结构在建筑工程中应用研究

陈燕友

（广东理工学院）

1 引言

智能结构在建筑工程领域属于新兴内容，但智能结构的科技感、使用优势和节能减排、绿色生态等特点，备受大众关注和喜爱。近20年，建筑行业积极发展智能结构，并开发出各类智能材料、智能化技术及设备等，还通过智能化手段实现智能生产，例如，通过智能化技术检测混凝土结构中的裂缝，智能化玻璃能根据外部阳光的变化自动调节室内光线。这些材料和技术都具有仿生功能，被称为智能材料和智能结构。智能结构中包含智能材料，随着智能结构被不断应用于各类建筑施工中，将影响未来建筑工程的发展与构成。本文重点讨论了智能结构在现代建筑中的应用[1]。

2 智能建筑结构的科技优势

智能结构的优化可以促进建筑智能化的发展，如今，智能结构被广泛应用于建筑的通风、采光、保温、隔热、减振、降噪以及绿化中，切实得到了用户的认可和青睐。智能结构组织可以实现自然通风，不留死角，常见的手段是使用具有通风透气性能的外墙材料，同时，采用浮筑楼面结构，这样不仅能实现保温通风，还能隔绝外部热量，夏季达到自然凉爽的效果。目前，常用的通风隔热材料和结构以智能玻璃幕墙为主，利用自然热源、风源，提升建筑的使用舒适感，减少机械设备的使用，达到节能减排的效果[2]。

智能结构是如何体现人体仿生工学的，设计人员将背景空调与个人空调相结合，人在时通风通电，人离开房间时就自然断电。但要做到完全的自然通风，还要根据建筑施工地的自然环境、空气质量、温度、湿度和风向等因素来设计智能结构。

现代绿色经济的发展，为智能建筑的建设提供了良好的环境。现代智能建筑讲究以人为本，提升人们居住的舒适度，完善的智能结构可以实现智能通风控制。传统的建筑设计是利用封闭式玻璃结构和金属幕墙来进行保温的，但这种建筑隔热效果差，造价成本高，夏季还要利用空调来维持低温，不仅浪费自然光源，也浪费电力。智能建筑，以智能化的结构合理利用自然光源，人工照明只起到辅助作用，有效减少了资源浪费。

总的来说，智能结构是利用智能材料、科学的结构设计来提升建筑整体节能减排的效果，创造更强的舒适性，以最小的投资换取最大的建筑结构功能。

3 智能结构在建筑工程中的应用

3.1 以混凝土结构监测为主的智能材料

世界经济快速发展所带来的代价就是大量资源的消耗与浪费，很多资源已经面临枯竭，为此，世界各国积极响应，从社会生产、生活的各个方面来实现节能减排。发展智能建筑，降低能源消耗，是世界各国广泛认可和支持的现代化建筑理念。建筑工程不单指房屋，还有桥梁、水电站及大型空间等各类工程结构，如何延长这些建筑体的使用寿命，同时，减少资源消耗，降低建设成本，是现代智能建筑要积极思考的问题。

作为建筑结构本身，其使用效果和寿命与建筑体的自然环境、施工材料、技术和设计水平有直接联系，在各大历史事件中，由于建筑材料和设计结构不科学而导致的建筑灾难并不少见，这些灾难一旦发生，将会发生不可挽回的损失，因此，如何实现建筑体的自感知、自诊断、自适应及自修复能力，是避免和预防这些灾难发生的重要手段。从西方国家开始，智能材料系统得到了美国各部门的重视，提出了机敏材料、机敏材料与结构、自适应材料与结构和智能材料系统与结构等名称，这些材料预示着智能材料的全面发展[3]。

目前，我国的建筑多为混凝土钢筋建筑，混凝土结构的施工养护对延长其使用寿命和提升安全稳定性有直接影响。尤其是大体积的混凝土，在养护过程中，它会释放出大量热量，导致混凝土因为温差而产生裂缝，为了预防裂缝，可以在混凝土内部放置光纤温度感知器，以随时监测混凝土的温度,帮助养护人员及时掌握温度数据，及时处理裂缝等问题。监测裂缝可以使用安置光纤温度感知器,如果要定位裂缝，可以使用多模光纤。

混凝土的质量对建筑整体结构的安全性有至关重要的影响，美国和日本已经在使用光纤定位和感知监测技术，随着科技的发展，人们已研发出更为先进的光纤智能监测结构，实现了光纤变形感知器的多样化，也实现重力坝横缝的三向位移监测,这种技术已应用在了我国三峡大坝工程建设中。

3.2 智能土木结构

随着人们对生活要求和城市环境的不断提升，为了满足人类的各种需求，建筑结构呈现多样化的发展形势。社会的进步要求建筑行业也能紧跟脚步，提升建筑的安全性、可靠性和舒适度，并针对不同的用户、不同的城市建设要求，发展全新的智能化建筑结构。对工程建筑来说，材料和结构是体现建筑特点和使用功能的基本内容。除了混凝土结构，我国常见的还有土木结构。智能化土木结构主要用于土木建筑体中。智能结构集合了驱动器、主结构、传感器和控制器，可以促进建筑更好地适应环境，实现建筑结构自动监控、损伤自修复的功能，同时，提高建筑的自我保护机制，在遇到灾害时，智能结构可以起到维护作用。网络信息和计算机时代的到来，已经实现了生活智能化，智慧城市的建设需要智能建筑的协调发展，为此，作为建筑人员，尤其是土木工程师，应积极应用和研究智能仿生材料，并将其应用到土木结构的建筑中[4]。

在提出智能结构建筑理念后，智能土木结构也随之出现。为了更好地解决土木结构中的施工难题，促进土木结构的完整性、耐久性、强度和安全性等，同时，降低建设成本，提升使用舒适度，减少后期的维修费用，延长土木结构建筑的寿命，有必要在土木结构建筑中增强其预测能力，使用智能结构势在必行。比如，智能土木结构可以实现自动预报，和智能混凝土结构相同，在土木结构中安装一些传感器，这些传感器有计算机和网络控制，对土木结构内部实施监控和预测。这种智能结构也被广泛应用于高层建筑、桥梁和大坝等各类工程中。

为了适应现代化建设和提升智能结构的普及率，如今，土木智能结构已经应用到民用建筑中，且在高层建筑中也得到了广泛的应用。这些智能检测系统都能为智能建筑发展建立坚实的基础，对发展智能建筑、建设智慧城市起到积极作用。

3.2.1 智能传感元件在现代建筑结构中的应用

在土木结构中，利用智能传感器能实现精确、及时的内部结构安全性监测功能，还能对建筑物整体的稳定性和使用评价进行监测，以此获得建筑物的评价等级数据，施工管理人员根据数据分析的结果，决定对建筑物进行维修还是报废，这样有利于提升建筑物的安全性和延长使用寿命，并减少人力、物力在监测维护过程中的浪费，降低管理成本。尤其是对一些大型的、比较老旧的土木结构建筑，利用智能传感器进行监测，不仅能解决建筑体不易实施人工监测和维护的难题，还对我国历史文化建筑、优秀建筑群等建筑维护监测，具有非常积极的意义[5]。

3.2.2 建筑工程健康监测的具体实施过程

在传统土木监测工作中，一般采取目测的方法进行监控，此外，还会利用声发射、超声波以及X射线等无损性的检测，但这些方法都无法深入建筑内部，解决实际问题，操作起来也比较复杂，造价成本较高。现代建筑的智能化体现，主要是在对建筑的实时监测，加上人们对建筑物的使用要求不断提高，智能化健康监测还能满足人们对建筑整体的了解程度，提升检测效率和检测准确率。实时健康监测，跟踪建筑内部结构的损伤变化，保证工作人员可以及时准确地对建筑物进行维护，并采取一些措施来避免建筑物事故的发生。

3.2.3 现代建筑节能支持

智能土木结构在实现安全、健康监测的同时，减少了人力、物力和资源的浪费，节省了后期施工维护和管理的成本，因此，智能结构也是建筑施工节能技术的良好体现。目前，现代智能结构已经在工程建筑中得到了广泛应用，较多建筑师也开始重视节能建筑的理念，在工程立项、设计以及最后的施工维护中都提出了节能减排的概念，积极采用节能型的材料和器具，使用智能土木结构加强监测，及时调整外部结构，提升土木结构的节能减排功效。

3.3 智能结构在家电设备方面的发展和应用

3.3.1 在照明系统中的应用

现代智能化建筑物可以实现照明系统的智能化监控。整栋楼的照明控制系统可以根据人类的需求，自动实现节能减排的功能，提升用户使用的舒适性，将智能元件作为监控楼宇照明系统的主要设备，通过红外热释电传感器，声音传感器及光线传感器等，监测不同环境下的照明需求，例如，白天和晚上的光线强弱，会根据外部环境的光线质量来调节，在有人和没人的环境中，自动识别光线需求，开关关闭或者打开，以此实现减少能源消耗、提升照明水平的目的。通过智能化结构，优化设计方案、合理选择光源、提高照明质量。

3.3.2 在给排水系统的应用

智能结构建筑中，给排水的智能化配置是通过智能化元件对给排水系统做实时监控的，将监控数据传递到监控中心，主要目的是根据用户用水量的变化，及时调整给排水方式，在忙时自动调整水压和供水量，确保用户的用水体验，在闲时则保持稳定供水，节省资源。针对自动排水，系统会根据排水情况，自动识别是否需要做异常情况维护，如果有异常情况，系统会发出报警信号，控制中心会自动根据水箱和水池的高、低水位信号来控制水泵的启、停及进水控制阀的开关，当遇到险情或突发意外，备用水阀门将自动打开，满足用水和排水需求。

3.3.3 在火险报警预防中的应用

防火是保障楼宇安全，保护人民生命财产不受损失的重要工作。在现代智能化建筑中，主要利用火险传感器，加强建筑的防火监控，常见的智能化元件包括感烟传感器、感温传感器以及紫外线火焰传感器，为了保证传感器的精确性，维护人员应在敏感地带安装多种类型的传感器，避免误报或假报的情况发生。如果发生火情，智能系统会自动报警，并及时采取防火措施，例如，洒水、关防火门等，开启防火设备，同时，通过网络信息系统，将火情传递到有关部门，以便及时控制火灾。

3.3.4 在安防中的应用

安保系统主要起协助作用，通过安保系统，提升建筑物的安全性，并及时准确地向安保中心汇报情况。目前，常用的是入侵报警系统，它主要利用传感器技术和电子信息技术探测并指示非法进入或试图非法进入设防区域的行为，对入侵行为发出报警和预防信号[6]。

4 结语

由于经济的发展推动科技的进步、人类生活水平的提高和城市化的发展，人们开始对更舒适、更简约和更绿色的生活方式产生兴趣，对于智能建筑提出了更多、更高的要求。智能结构是一个完整的、复杂的建筑基体，包含了智能材料、智能技术等，利用各种智能元件，实现了智能结构的组成，在建筑工程中得到了广泛的使用。为了促进智能结构的发展，国家积极推动科技进步，鼓励创新和提升智能结构生产力，同时，智能结构本身具有的节能减排、绿色生态和降低成本等各方面的优势，不仅具备良好的发展环境，还具备广阔的发展前景。

本文通过对智能结构的各种应用，希望在人们的日常生活中，能够形成智能建筑、智能结构的概念，从而推动了整个建筑行业的智能化发展。虽然我国的智能结构建筑兴起较晚，但在强大科技力量的支持下，已经实现了智能化技术水平的不断提升。我国的建筑行业正在朝向智能化的道路发展，必须要以发展的眼光与时俱进。