智能土木工程研究现状与应用分析_龙丽芳.pdf

研 发 应 用INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究117基金项目：1.广东理工学院创新强校基金项目“区域建设与人居环境保护协同创新团队”（项目编号：2022GKJTD001）；2.2022 年广东理工学院校级科技项目暨“创新强校工程”科研项目立项“祖先之翼明清时期肇庆府宗族祠堂建筑石雕艺术研究”（项目编号：2022GKJZD002）。作者简介：龙丽芳，女，广东肇庆人，高级工程师，研究方向：智能建筑与土木工程。智能土木工程研究现状与应用分析龙丽芳（广东理工学院，广东 肇庆 526100）摘要：信息技术和建筑材料的不断发展，促使建筑业不断转型，智能土木工程已经逐渐成为研究热点。智能土木工程通过将信息技术和新型材料应用到土木工程各个阶段和领域，实现土木工程信息化和智能化。综述了智能土木工程的研究概况，分析了智能材料、智能结构和智能施工的特征和相关应用，指出了当前智能土木工程发展不足，展望了智能土木工程的发展前景，为智能土木工程进一步发展提供参考。关键词：土木工程；智能材料；智能结构；智能建造一、引言随着计算机与互联网的发展，当今社会已经进入了互联信息时代。由此，土木工程领域也产生了很多新型学科，基于智能化发展的现代智能土木工程技术越来越受到国内外学者的密切关注1。智能土木工程是指利用智能材料，进行智能设计，开展智能施工，完成智能结构，并进行智能化的运维与防灾减灾。在每个阶段，“智能”的体现各不相同，如在智能材料的运用方面，主要依托于材料领域的革新，新型高性能得以涌现，进而运用到土木工程领域。而在智能结构领域，主要以土木工程结构为对象，打造高度智能化的智能结构体系，智能施工更多种多样。本文主要以智能材料、智能结构和智能施工为研究对象，分析了三者基本概念和当前应用，同时指出其局限性，并对未来发展作出了展望。二、智能材料研究现状与应用材料科学领域不断发展革新给土木工程领域带来了新的机遇。智能材料的概念在 20 世纪 90 年代被提出2，依托这一理念，建筑材料的性能与功能已经不再像过去一样仅仅考虑其强度、刚度等基本性能，同时对材料有了更高的要求，包括需要材料具有对环境感知能力、外力破坏下的记忆能力、不同环境下的适应能力，自我诊断和修复能力。同时，要求材料具有可调节性能，当前智能材料主要分为感知型智能材料、记忆型智能材料、自适应智能材料、自诊断与自修复智能材料。（一）感知型智能材料传统建筑材料往往只能被动适应外部环境，在后续的运营过程中无法具备感知能力，这就导致当外部环境发生较大变化时，原有材料无法再满足使用要求，或者发生脆性破坏。基于此需求，一系列的感知型智能材料应运而生。例如，通过在混凝土当中添加光导纤维的光纤维混凝土，或设置传感器的智能混凝土，如图 1 所示。通过在混凝土中设置传感器可让混凝土具备感知能力，提高混凝土材料的智能性，进而起到实时监测混凝土状态变化，对材料变形做出提前预警，预防脆性破坏等3。图 1 智能混凝土结构（二）记忆型智能材料一个建筑物使用年限往往较大，如何保证建筑在设计使用年限内具备良好的物理力学性能同样是关键的问题，而形状记忆合金的自我记忆和修复功能较好的提升建筑物的稳定性和耐久性，与这一需求契合度较高。形状记忆合金具备研 发 应 用产业创新研究 2023.1 第2 期118形状记忆效应和超弹性，具有比一般金属更大的变形恢复能力，会在温度变化下逐渐恢复变形，这也就是所谓的记忆性能4。基于这一理念，力学记忆合金等材料也在不断发展与应用当。图 2 为形状记忆合金垫层材料，通过在建筑当中应用形状记忆合金材料，可以有效提高建筑结构的抗震性能。图 2 形状记忆合金垫层材料（三）自适应智能材料当前建筑不仅要满足正常使用功能，同时其舒适度的需求也在不断提升，这就要求建筑材料能够主动适应环境，能够有更好的采光性能与温度调节能力，如全息玻璃幕墙，智能调光玻璃幕墙、太阳能屋顶等5。全息玻璃幕墙，智能调光玻璃幕墙如图 3 所示，该类幕墙具备自适应能力和吸热能力，能够智能调节亮度、温度，适应不同环境和不同人群的需求，而太阳能屋顶能够吸收太阳能，有效节约能耗，降低碳排放，符合绿色可持续发展理念，同样是未来发展的一个趋势所在。图 3 智能调光玻璃（四）自诊断与自修复材料区别于常规产品，建筑产品由于其体量大和不可移动性，导致其维修较为困难。如果材料本身具备自我修复能力，则能够进一步提升建筑产品的适用性和耐久性，这一类可自诊断和自修复的材料包括压电材料、自修复聚合物等。压电材料如图 4 所示，该材料在受到外力作用时，会产生一定量的电压，通过对电压的量测，即可分析建筑变形比例，诊断建筑结构的病害。自修复聚合物是指能够自我进行修复的新型材料，将自修复聚合物应用于建筑领域，能够极大地提高建筑结构的安全性和耐久性，同时降低后期维护成本。图 4 压电材料总体来说，智能材料在土木工程当中的应用越来越广泛，这对提高土木工程结构的安全性、舒适性、耐久性和抗灾害性能意义重大，且能够降低土木工程结构后期维护成本。不过目前智能材料由于性能较为单一，成本高昂，应用较为受限，但是从长期的发展来看，智能材料的应用占比一定会越来越高，越来越多的智能材料将会被研发，并运用到土木工程领域当中。三、智能结构研究现状与应用基于智能材料的运用，土木工程结构的智能化也逐渐成为研究热点。与传统土木工程结构相比，土木工程智能结构通过传统土木工程与智能材料、自动控制、信息技术等的交叉和融合，使其不仅具有传统土木工程结构的安全性、舒适性和耐久性，还具有自感知、自适应、自控制和自修复特性。智能土木工程结构在大跨桥梁结构领域、道路工程领域、建筑结构、海洋平台结构等领域都有较大应用6。相较于智能材料的点状式运用，智能结构更倾向于将多个智能材料的点集进行并联，形成一个高度智能化的结构系统。智能结构在智能材料的基础上有了更高端的应用，此类结构除了具备常规结构基本的力学性能之外，还可以感知环境，提前预警，进行结构损伤识别并实现自我修复等功能。智能结构的核心思想为仿生体系，通常包括主结构、用于环境与自身监测的传感器，用于调节的控制与驱动器，智能土木工程结构如图 5 所示。图 5 智能土木工程结构示意图智能结构通常可分为材料耦合式智能结构和传感器嵌入式智能结构7。对于前者而言，此类结构尽可能材料本身性研 发 应 用INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究119能，以材料变化体现结构变化，同时进一步通过调节器与驱动器来进行自我调整与修复。后者通过将传感器植入结构当中，并在外部连接各类硬件设备，以实现结构的智能监测、预警、优化和调整，这种方法无需再次直接分析结构原有物理力学相关性能，可直接越过传统结构，实现结构的智能化发展与应用。总体来说，智能土木工程结构的核心理念即结构层面的检测、诊断、预警、修复。目前，发展将上述全部功能集成于一身的土木工程智能结构还很困难，但具有其中某项或某几项智能特性的土木工程结构已得到广泛和深入的研究。智能土木工程是减灾防灾的前沿问题，同时对于一些特殊结构，如超高层建筑、跨海大桥等，智能结构系统在结构健康监测与控制、结构损伤破坏预警等方面都表现出了良好的应用前景。四、智能施工研究现状与应用智能建造施工是一种创新的建造方式，该方式将信息技术与建筑施工有机融合，通过在施工阶段充分利用前沿技术，提高土木工程施工信息化水平，改进施工管理方式，提高施工水平，从而实现建筑施工质量安全控制和成本控制。智能建造施工技术主要包括 BIM 技术、GIS 技术、物联网技术等8。（一）BIM 技术BIM（building information modeling）技术通过对施工项目进行系统性建模和信息化表达，可形成建筑项目全信息 5D模型指导施工，在施工前，可通过三维漫游和施工模拟进行场地布置优化和工期优化。在施工期间，可实时通过模型展示项目下一阶段施工要点，实现高效信息化管理，同时可以通过碰撞检验，对建筑机电设备进行优化，避免在后期施工阶段出现碰撞而返工，该技术应用前景十分广泛。（二）GIS 技术GIS 技术（geographic information systems）作为一种空间信息系统，近年来发展迅速9。该技术以地理空间数据为基础，可实时提供动态和多空间的地理信息。在建筑领域，该技术可实现建筑施工的各阶段信息共享、建筑项目场地内三维可视化、建筑施工精细化管理和安全风险管理。同时 GIS技术可与 BIM 技术有机结合，实现土木工程 3DGIS 呈现，同时大大拓展 BIM 技术的应用领域和周期，进一步提升建筑施工的智能性。（三）物联网技术物联网技术起源于传媒领域，可通过信息传感设备，以约定协议，将物体连接互联网，进而通过信息的交换和频繁通信，实现物体的识别、定位、跟踪和监管10。在建造施工领域，物联网技术可实现人力、机械和物体的泛在连接。通过信息传感设备将物体的信息进行交换传输，实现建筑施工的实时追踪、监控。同时物联网技术赋能全生命周期管控的工地系统的出现，使得建筑施工的管理更加科学高效。除此之外，智能建造施工还包括人工智能技术和大数据与云计算技术等一系列信息技术。土木工程施工阶段是土木工程建设的核心阶段，以往的土木工程施工往往存在着各主体沟通复杂、施工组织设计不合理、施工周期长且不稳定的问题，伴随着施工的智能化，势必推动建造施工的安全、文明、规范和高效，从而提高土木工程的行业水准。五、结语智能土木工程是一个宏观的概念，其智能性不仅体现在智能材料、智能结构和智能施工上，还包括智能设计、智能运维、智能防灾减灾等。可见，“智能”在土木工程的任何一环均可得到发展与体现。虽然目前智能土木工程的案例还比较有限，土木工程智能性还较为单一，但是未来土木工程必然向智能化方向发展，从而打造行业规范化、信息共享高效化的智能土木工程产业群。参考文献：1 徐阳，金晓威，李惠.土木工程智能科学与技术研究现状及展望 J.建筑结构学报，2022，43（09）：23-35.2 王兆利，高倩，赵铁军.智能建筑材料 J.山东建材，2002（01）：56-57.3 马衍轩，于霞，徐亚茜，李梦瑶，赵飞，张鹏，彭帅.智能纤维混凝土的力场损伤响应、监测与修复研究进展 J.材料导报，2021，35（19）：19081-19090.4 朱虹，刘子卿，董志强，等.基于铁基形状记忆合金的新型预应力技术及其工程应用 J.东南大学学报（自然科学版），2022，52（02）：402-416.5 丁志强，王保栋，王昌，张健健.全玻璃幕墙成像技术在塔身整体成像系统中的应用 J.建筑施工，2016，38（12）：1740-1741.6 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 J.建筑结构学报，2005（03）：1-8+29.7 王琛，樊健生.基于深度学习的土木工程结构全过程响应智能计算框架 J.建筑结构学报，2023，44（01）：259-268.DOI：10.14006/j.jzjgxb.2021.0560.8 刘占省，孙啸涛，史国梁.智能建造在土木工程施工中的应用综述 J.施工技术（中英文），2021，50（13）：40-53.9 金蕾.GIS 技术在土木工程工程测绘中的应用 J.工业建筑，2021，51（08）：260.10 孙群.简析物联网技术在土木工程施工中的实施要点 J.四川水泥，2016（08）：219.