计算机在新型墙体材料研发中的应用

张海利

【摘  要】 随着建筑行业的发展，新型墙体材料因其优异的性能而得到广泛应用。针对新型墙体材料研发存在的难题，计算机技术的引入为材料设计、制备、检测和应用等过程提供了有力支撑。计算机技术可以辅助材料性能预测、过程控制、质量检测等，实现墙体材料技术的智能化升级。文章通过分析计算机技术在材料领域的应用现状，提出针对性的技术优化策略，以期为计算机技术与新型墙体材料深度融合提供参考。

【关键词】 计算机；新型墙体材料；材料应用

一、计算机在新型墙体材料性能模拟中的应用

（一）计算机材料微观结构模拟分析

计算机材料微观结构模拟是研发新型墙体材料的重要手段。它通过建立材料组分的微观结构模型，采用分子动力学方法，模拟材料内部的结构组装过程和相互作用规律。与传统试验相比，计算机模拟可深入探索材料的微观形貌、相互作用力以及反应动力学特征，为设计新材料提供理论指导。例如，采用原子力场法，可以研究掺杂颗粒在水泥基体中的分散状态，预测其增强界面结合的作用机制，指导设计高强韧水泥基复合材料。通过模拟不同原料的微观结构和配比方案，可获得组分、制备条件与材料力学性能之间的定量关系，实现材料组分和工艺参数的优化设计。计算机模拟还可以考察材料的缺陷形成机理，预测其使用寿命，为质量控制提供理论依据。随着计算方法和软件工具的进一步发展，计算机材料微观结构模拟必将在新型墙体材料设计中发挥更大作用。

（二）计算机辅助材料宏观性能预测

在新型墙体材料设计中，仅依靠微观结构模拟还不能全面预测材料的宏观力学性能指标。计算机辅助材料宏觀性能预测可以很好地弥补这一不足。它通过建立计算机数学模型，结合材料试验数据，预测材料在实际使用环境下的整体响应。例如，可以通过有限元分析预测混凝土中的内部微裂缝演化过程，模拟不同配合比墙体的抗压强度；也可以通过几何非线性有限元法模拟墙体的应力应变关系、耐久性和使用寿命。借助计算机强大的信息处理能力，这些宏观数学模型可以实现多尺度耦合，从微观结构出发预测宏观性能。计算机模拟结果还可以作为优化墙体材料性能的重要依据。随着检测技术的进步和模型算法的改进，计算机辅助方法将使材料性能预测更加准确高效。

（三）材料设计优化技术

材料设计优化技术是计算机辅助新型墙体材料研发的关键技术之一。它通过采用多目标优化算法，在满足性能指标的前提下，寻找材料成分、配方、制备工艺等参数的最佳匹配方案。具体来说，需建立描述材料成分、结构、工艺和性能之间关系的数学模型，然后链接优化算法，以性能指标为目标，迭代寻找所有变量的最优取值。与传统的单因素试验反复对比不同，计算机优化可以同时考量多种变量对性能的影响，大大缩减设计周期。例如，可以同时求解出在规定原料条件下混凝土配比的优化方案。也可以优化界面处理工艺，以获得界面结合性能最大化；优化过程可以考虑多个约束条件和目标，以实现综合性能指标的最佳平衡。材料设计优化技术的应用，将有效指导新型墙体材料的配方和工艺研发，使性能水平达到理论极限。

二、计算机在新型墙体材料制备中的应用

（一）计算机控制的准确计量和搅拌

在新型墙体材料的制备过程中，计算机控制技术的应用可以极大地提高计量和搅拌的准确性与可靠性。一是采用自动称重传感器和控制器，实现各组分物料的准确计量。操作人员只需选择配方、原料即可自动称重完成，并传送到搅拌系统，避免人为误差。二是搅拌系统采用计算机数控，可以精确控制搅拌速率、搅拌时间及顺序等参数，保证各组分的均匀分散。三是计量和搅拌全过程实时监测，所有工艺数据自动录入计算机，并与设定值进行比较，如有偏差及时报警和调整，确保配料精度和配比均匀性。四是不同配方设定成程序存储在计算机中，操作时只需选择即可，避免复杂操作带来的失误。五是所有设备运转状态实时显示并存档，便于过程查验和质量追溯。采用智能化计量搅拌系统，可保证原料配比的高精度可控性，从而生产出性能稳定一致的新型墙体材料产品，实现制备工艺的智能化与标准化。

（二）计算机监控的烘干和成型工艺

在新型墙体材料的制备中，将计算机监控技术运用于烘干和成型过程，可以有效改善工艺控制水平。烘干炉内设置多点温湿度传感器，实时监测炉内温度场和湿度分布，并与设定的烘干曲线进行比较，如有偏差，通过计算机控制系统自动调节加热方式和风机，可实现炉内温湿度的均匀性。材料在炉内的物性变化也可以通过在线检测装置监测，并反馈调控系统，精确控制烘干程度。成型过程中，压力、成型速度等参数也实现计算机监控，保证成型质量的稳定性。所有环节的工艺数据和设备运行状态都经计算机采集、记录和分析，并以曲线、表格等形式实时显示。借助大数据分析，可以持续优化工艺参数的匹配，消除试验过程的盲目性，将质量数据与产品信息相关联，可实现全过程质量追溯。

（三）智能化生产线的建立

针对新型墙体材料生产的小批量、多品种和精密控制的特点，建立智能化生产线是实现制造过程信息化、自动化的关键。首先，在软件层面构建数字化生产管理平台和质量信息系统，实现生产过程的信息化监控。其次，在关键工序实现传感器智能控制和机器人自动操作，如智能计量、搅拌、成型等，实现无人值守的自动化运行。再次，通过射频识别、条码等技术实现生产和质量信息的可追溯。另外，还要建设连续在线检测系统，如红外光谱在线分析成分等，实现过程质量的闭环控制。同时利用信息平台进行大数据分析，持续优化生产方案和管理决策。最后，生产线要实现产品快速更换，实现柔性生产。通过建设集成信息化、自动化、智能化等多项先进技术的新型生产线，不仅可以确保产品质量的高度一致性，还将大幅提升产能和资源利用效率，使新墙体材料产业实现智能化升级。

三、计算机在新型墙体材料检测中的应用

（一）计算机图像处理技术检测外观质量

在新型墙体材料的质量检测中，利用计算机图像处理技术可以实现对产品外观质量的快速精确评价。具体来说，首先通过高分辨率工业相机采集墙体制品的数码图像，然后通过图像预处理获得质量分析所需的视野和清晰度。其次，借助计算机软件提取图像纹理、颜色、瑕疵等关键信息，通过与标准样本的对比，检测出制品表面存在的缺陷，如裂痕、脱皮、坑洞等，并自动分析缺陷类型和规格尺寸。最后，经评判规则处理，可以得到制品外观质量的综合等级。相比传统的人工测量，采用计算机视觉技术可以实现全面、精确、快速的外观质量检测，不受人眼主观因素和疲劳影响。并且整个检测过程和结果都经计算机存储记录，为质量数据分析和质量系统优化提供数化依据。计算机视觉技术的应用，将大幅提高新型墙体材料外观质量的检测效率与可靠性，实现质量智能化监控。

（二）计算机控制性能检测

检测新型墙体材料的力学性能指标是评价产品品质的重要手段。采用计算机控制系统进行检测，可以实现测试过程的规范化和结果的精确化。具体来说，计算机先根据产品标准设定检测方案，包括检测项目、方法、加载方式等参数。检测系统各功能模块、传感器通过数字接口与计算机相连，测试加载、数据采集等动作都由计算机程序精确控制。在检测过程中，传感器实时采集各项数据，如应变、位移等，并由计算机进行记录和转换，利用已经建立好的计算模型，获得所需的力学性能指标数值。同时，计算机软件可以生成测试加载曲线、应变应力曲线等各种图表，直观显示测试全过程信息。相比手工操作，计算机控制提高检测的标准化程度，减少人为因素误差。借助计算机数据处理能力，测试结果会更加丰富准确。应用计算机技术提升墙体材料检测质量，是实现墙体材料性能评价和质量控制现代化的重要基础。

（三）智能化快速检测技术

针对新型墙体材料检测周期长、效率低的问题，发展智能化快速检测技术是必要的。建立便携式快速检测设备，现场快速进行关键指标预检，如无线X射线荧光装置快速检测 ，便携式红外光谱仪快速分析化学成分。开发基于特异性快速响应的传感器，如表面等离子体共振技术检测重金属，能在几分钟内完成检测。构建以微流控芯片为基础的Lab-on-a-Chip检测系统，利用毛细管电泳、色谱芯片整合多项检测功能，实现新型墙体材料成分、功能性质的快速多项联合检测。建立以仿生识别技术为基础的智能分析方法，如人工嗅觉技术快速判断VOC挥发性有机物含量。利用三维打印技术，快速定制各类模拟环境，进行墙体材料的快速性能体检。利用知识库和大数据分析实现智能化快速分析判定。通过构建集成多种前沿技术的智能快检平台，可实现对新型墙体材料的快速、高效、准确的智能化检测与评价。

四、计算机在新型墙体材料施工中的应用

（一）数字化墙体设计

数字化技术的应用极大地推动了墙体设计方式的转变。采用参数化墙体家族建模技术，根据项目需要输入功能参数，自动生成墙体设计模型，大幅提高了设计效率。基于BIM技术的全生命周期数字化设计平台，可以实现墙体的信息化协同设计，进行性能仿真分析，优化设计方案。利用VR/AR技术，设计人员可以沉浸式体验数字化墙体模型，进行虚实结合的设计评估。应用人工智能算法，进行设计方案自动生成和优化，可实现智能化设计。借助3D打印技术，可以快速打印设计方案的墙体样品，以便直观评估。实施数字孪生技术，与实际施工连成数字闭环，可实现设计模型与实际情况的动态反馈对比。数字技术为墙体设计提供强大工具，不仅极大地提高设计效率，更实现了精益求精的智能设计，将推动墙体技术不断进步。

（二）虚拟现实辅助施工

虚拟现实（VR）技术为新型墙体材料的施工提供了有效支持。工程师可以依托三维墙体BIM模型到虚拟环境，身临其境检查设计细节，发现问题及早修改，利用VR进行虚拟装配试验，检验节点处理、管线穿透等构造的合理性。通过虚拟仿真施工，提前熟悉工序步骤，制订最优施工方案。对操作人员进行虚拟培训，重复模拟施工过程，提高实际施工技能。现场辅助，将虚拟模型与实际工程进行匹配，精确定位施工要求。通过头戴显示设备，工作人员可得到虚拟辅助信息， 提高施工精度。集成远程专家指导系统，对施工现场进行远程虚拟监控，发挥专家支撑作用。施工质量可以与虚拟模型进行比对，发现问题及时纠正。虚拟现实技术为新型墙体材料施工提供设计评估、方案优化、人员培训、质量控制等全面支持，将推动墙体材料施工进入智能化新阶段。

（三）计算机监控的质量管理

在新型墙体材料施工过程中，应用计算机监控技术进行智能化质量管理，可以有效提高施工质量。通过二维码、RFID等技术对材料进行标识，实现信息化管理，随时掌握材料流向和使用情况。在备料、搅拌等环节设置在线检测装置，监测材料成分及性能，实现全过程质量监控。施工过程中安装摄像头等传感器，采集施工数据，判断施工质量是否符合规范要求。以BIM为基础，现场扫描取得的实际施工情况与数字模型进行对比，检查施工质量并反馈纠正。通过VR设备，对操作人员进行在线技能培训与评估，保证操作掌握程度。使用无人机、机器人等进行巡检，快速发现施工缺陷。云平台集成各类监控数据，进行汇总分析，为质量管理提供决策依据。实现质量信息与材料供应商、施工单位的联网，强化责任追溯。计算机监控技术的全面应用，将使新型墙体材料施工实现精确化、规范化、智能化。

五、结语

综上所述，加强计算机技术与材料科学的跨学科合作，构建标准化检测平台，完善数据共享体系，加大前沿技术引入，以及建立高素质的人才队伍，都是实现计算机技术在新型墙体材料领域深入应用的关键措施。只有系统性推进各项工作，充分发挥计算机技术的支撑作用，才能加快我国新型墙体材料技术水平的提升，促进建筑行业的可持续发展。

参考文献：

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