摘要： 本文回顧了有關(guān)“智能材料結(jié)構(gòu)”在土木領(lǐng)域的最新進展，明確地涵定了“智能土木結(jié)構(gòu)”的基本概念及其 發(fā)展 過程，較為系統(tǒng)地闡述了構(gòu)成其 理論 體系的有關(guān) 內(nèi)容 及 問題 。提出了結(jié)構(gòu)智能化三水準概念及智能土木結(jié)構(gòu)的分類 方法 ，建議了今后 研究 的策略及幾個主要方向。關(guān)鍵詞： 智能土木結(jié)構(gòu)，智能材料，自診斷智能土木結(jié)構(gòu)，智能控制，嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)1.引言 建筑起初是為了滿足人類生活的舒適要求和安全要求而產(chǎn)生的。原始 時代 的建筑物是利用天然材料制造而成的能蔽風(fēng)雨防侵襲的封閉空間。隨著 社會 生產(chǎn)力水平的不斷發(fā)展，人類對建筑的要求也日益復(fù)雜和多樣化，結(jié)構(gòu)作為建筑的核心骨架，人們也對其提出了更高水平的要求。 現(xiàn)代 大型建筑物如高層建筑、大跨橋梁、大型水壩、地下建筑等都要求其土木結(jié)構(gòu)能提供更高的強度，以及更好的可靠性、耐久性及安全性。同時，在現(xiàn)代社會中，這些大型建筑物在整個國民 經(jīng)濟 中所發(fā)揮的作用已日益重要，這也尤其要求它們應(yīng)具有更強的防止災(zāi)害的能力。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多通過提高建筑材料的物理力學(xué)性能、采用合理的結(jié)構(gòu)形式、加強施工管理以及定期結(jié)構(gòu)評估與維護等傳統(tǒng)手段來達到并滿足這些要求。然而，這些傳統(tǒng)的手段均屬一種消極的、被動的方式：一旦建筑物被建成并投入使用，人們便失去了對結(jié)構(gòu)的全面控制，結(jié)構(gòu)失效、結(jié)構(gòu)災(zāi)害的發(fā)生便不以其設(shè)計者、建造者、使用者的意志為轉(zhuǎn)移了，人們對它的預(yù)測及防范工作都將是一件十分困難的事情。另外，若單純地依靠以往那種要求保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強度及延性的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計理念，當結(jié)構(gòu)所處環(huán)境因素超越某種程度以后，就會將既不經(jīng)濟，又達不到預(yù)期的效果。考察眾多建筑災(zāi)害實例，人們發(fā)現(xiàn)，在整個建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命期內(nèi)，都有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。其原因在于：1）由于結(jié)構(gòu)抗力的衰減、正常范圍內(nèi)的損傷積累而致使的強度及可靠性的降低；2）由于材料的老化、腐蝕及力學(xué)性能的劣化（如徐變等）而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)耐久性失效；3）由于施工質(zhì)量和使用不當而給結(jié)構(gòu)造成的隱患以及損害；4）由于結(jié)構(gòu)長期遭受動荷載作用而造成的疲勞失效；5）由于偶然的超載（如地震荷載、爆炸沖擊荷載等）造成的破壞。以上這些原因都對結(jié)構(gòu)的強度及安全性提出傳統(tǒng)設(shè)計方法無法滿足的要求。因而，對建筑結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測進而由結(jié)構(gòu)自身作出智能化反應(yīng)就顯得十分必要了。2.智能土木結(jié)構(gòu)（IntelligentCivilStructure）概念的形成及研究現(xiàn)狀 2.1智能土木結(jié)構(gòu)（IntelligentCivilStructure）概念的形成現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展進步促使了人類社會進入了信息時代，信息材料的生產(chǎn)業(yè)已實現(xiàn)設(shè)計制造一體化。各種具有信息采集及傳輸功能的材料及元器件正逐漸地進入土木工程師的視野。人們開始嘗試將傳感器、驅(qū)動材料緊密地融合于結(jié)構(gòu)中，同時將各種控制電路、邏輯電路、信號放大器、功率放大器以及現(xiàn)代 計算 機集成于結(jié)構(gòu)大系統(tǒng)中。通過力、熱、光、化學(xué)、電磁等激勵和控制，使結(jié)構(gòu)不僅有承受建筑荷載的能力，還具有自感知、自 分析 計算、自推理及自我控制的能力。具體說來，結(jié)構(gòu)將能進行參數(shù)（如應(yīng)變、損傷、溫度、壓力、聲音、化學(xué)反應(yīng)）的檢測及檢測數(shù)據(jù)的傳輸，具有一定的數(shù)據(jù)實時計算處理能力，包括人工智能診斷推理，以及初步改變結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、強度、剛度、形狀位置等能力，簡言之，即使結(jié)構(gòu)具有自診斷、自 學(xué)習(xí) 、自適應(yīng)、自修復(fù)的能力。這就是智能土木結(jié)構(gòu)概念的形成過程。文獻 將智能結(jié)構(gòu)定義為：“將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）具有人們期望的智能功能，這種結(jié)構(gòu)稱之為智能材料結(jié)構(gòu)”。可見，智能結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能的升華。智能結(jié)構(gòu)在土木結(jié)構(gòu)中的 應(yīng)用 便稱之為智能土木結(jié)構(gòu)。2.2研究現(xiàn)狀如前所述，智能土木結(jié)構(gòu)概念是為了解決評估結(jié)構(gòu)強度、完整性、安全性及耐久性問題而提出的。對土木建筑結(jié)構(gòu)的性能進行監(jiān)測及預(yù)報，不僅會大大減小維修費用，而且能增強預(yù)測的能力。近來出現(xiàn)的無損檢測技術(shù)均不能對結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，也不能很好地預(yù)報結(jié)構(gòu)的破損情況和進行完整性的評估。這些方法的致命缺點是預(yù)報方式是自外而內(nèi)的，從信息傳播角度看，難免會夾雜進種種干擾信息，從而使檢測結(jié)果失真、低效率，甚至?xí)��?dǎo)致完全錯誤的檢測結(jié)果。在結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋入傳感器，組成 網(wǎng)絡(luò) ，就可實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的性能，這就是智能土木結(jié)構(gòu)的自內(nèi)而外的預(yù)報方式。智能土木結(jié)構(gòu)在這些方面有很好的應(yīng)用前景， 目前 主要應(yīng)用于高層建筑、橋梁、大壩等工程領(lǐng)域。美國80年代中后期開始在多座橋梁上布設(shè)監(jiān)測傳感器，用驗證設(shè)計中的一些假定，監(jiān)視施工質(zhì)量和服役安全狀態(tài)，如在佛羅里達州的SunshineSkywayBridge橋上就安裝了數(shù)百個傳感器[2].英國80年代后期開始研究和安裝大型橋梁的監(jiān)測儀器和設(shè)備。在我國，香港的LantanFixedCrossingBridge、青馬大橋，以及大陸的虎門橋、江陰長江大橋也都在施工期間裝設(shè)了傳感系統(tǒng)，用以于監(jiān)測建成后大橋的服役安全狀態(tài)[3].1993年加拿大在Calgary建造的BeddingTrail大橋上首次成功地布置了光纖布拉格光柵傳感器，用以監(jiān)測橋梁內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)。在其它土木工程領(lǐng)域，如在采油平臺、大壩、船閘等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中也曾嘗試布置傳感器來構(gòu)建智能結(jié)構(gòu)。同樣，近年來發(fā)展起來的高性能、大規(guī)模分布式智能傳感元器件也為民用建筑及結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，智能大廈在我國已如雨后春筍般地涌現(xiàn)。在民用建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面，對結(jié)構(gòu)的智能振動控制方面的研究已有近30年的 歷史 了[4].3.智能土木結(jié)構(gòu)理論的體系構(gòu)成 3.1結(jié)構(gòu)智能化歷程的層次劃分傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)是一種被動結(jié)構(gòu)，一經(jīng)設(shè)計、制造完成后，其性能及使用狀態(tài)將很大程度上存在著不可預(yù)知性和不可控制性，這就給結(jié)構(gòu)的使用和維護帶來不便。為了解決這一問題，發(fā)展出了在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)，它賦予傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)以在線監(jiān)測機制，從而為探知結(jié)構(gòu)內(nèi)部性能打開了窗口，使人員可以方便地了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部物理、力學(xué)場的演變情況，這就是結(jié)構(gòu)智能化的第一層次。在在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步增加了監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能處理機制，使得結(jié)構(gòu)具有自感知、自診斷、自推理的能力，從而使結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了第二層次的智能化。進一步在結(jié)構(gòu)中引入自適應(yīng)及自動控制機制，即根據(jù)自診斷自推理的成果，由在結(jié)構(gòu)中耦合的作動系統(tǒng)做出必要的反應(yīng)，從而實現(xiàn)智能控制結(jié)構(gòu)，這就是第三層次的智能化。比如，對結(jié)構(gòu)的開裂、變形行為，結(jié)構(gòu)的銹蝕、老化、損傷行為，以及結(jié)構(gòu)的動力振動行為做出抑制性控制，在更高層次上對結(jié)構(gòu)起到保護和維修作用�？梢�，在結(jié)構(gòu)智能化演化過程中，按其智能化程度的不同可劃分為如下三個層次：22第一層次：自感知土木結(jié)構(gòu)（Self-sensoryCivilStructure），它是智能結(jié)構(gòu)的最低級形式；22第二層次：自診斷智能土木結(jié)構(gòu)（IntelligentSelf-diagnosticCivilStructure），具有對前一層次結(jié)果的智能化加工處理，包括結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)物理場的自我計算，對結(jié)構(gòu)特定目標參數(shù)的自我診斷，以及以做出結(jié)構(gòu)自身行為的應(yīng)對策略為目標的自我推理等功能。22第三層次：智能控制土木結(jié)構(gòu)（IntelligentControlCivilStructure），它是智能土木結(jié)構(gòu)的最高形式。3.23.2智能土木結(jié)構(gòu)分類智能土木結(jié)構(gòu)按其材料可分為兩種類型，分述如下：1）嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)：在基體材料如鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中嵌入具有傳感、動作和控制處理功能的材料或儀器，并集成進現(xiàn)代計算機硬件軟件技術(shù)，由傳感元件采集和檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，由計算機對這些信息進行加工處理，并將處理結(jié)果通知控制處理器，由控制處理器指揮、激勵驅(qū)動元件執(zhí)行相應(yīng)動作。其工作原理如圖（2）所示。屬于這種類型的智能結(jié)構(gòu)只需對傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)加以改進即可，無須額外研究結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)力學(xué)性能，易于做到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與智能結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)過渡，故而成為研究的焦點。2）基體、智能材料耦合結(jié)構(gòu)：某些結(jié)構(gòu)材料本身就具有智能功能，它們能夠隨著自身力學(xué)、物理狀態(tài)的改變而改變自身的一些其它性能。如碳纖維混凝土材料能隨自身受力情況而改變其導(dǎo)電性能，只要探測到這一改變，便可以間接獲得結(jié)構(gòu)的內(nèi)部力學(xué)信息。按照結(jié)構(gòu)智能化目的的不同，又可將其分為如下幾類：1）具有裂縫自診斷和自愈合功能的智能混凝土結(jié)構(gòu)；2）具有應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)自診斷功能的智能混凝土結(jié)構(gòu)；3）具有變形、損傷自診斷功能的智能混凝土結(jié)構(gòu)；4）具有疲勞壽命預(yù)報能力的智能土木結(jié)構(gòu)；5）具有監(jiān)測鋼筋或鋼構(gòu)件銹蝕狀態(tài)能力的智能土木結(jié)構(gòu)；6）具有感知和自我調(diào)節(jié)功能的智能減振（橋梁）結(jié)構(gòu)；3.3智能土木結(jié)構(gòu)的 研究  內(nèi)容 3.3.1智能化策略性研究智能土木結(jié)構(gòu)的首要研究內(nèi)容就是對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能化的概念設(shè)計策略性研究。需要針對結(jié)構(gòu)類型及其重要性的不同，以及現(xiàn)有工藝技術(shù)水平和 經(jīng)濟 資金情況等多個方面因素，合理地確定智能化目標，在兼顧技術(shù)先進性、實用性和經(jīng)濟節(jié)省的前提下采用合理功能層次的智能土木結(jié)構(gòu)。確定了智能化目標以后，就需要著手做一些準備工作，它們是：對結(jié)構(gòu)在使用中可能發(fā)生的各種行為進行預(yù)測，對結(jié)構(gòu)在力學(xué)物理環(huán)境下出現(xiàn)的各種反應(yīng)進行預(yù)估，以確定結(jié)構(gòu)中需要實現(xiàn)智能化監(jiān)控的部位，確定整體監(jiān)控方案。3.3.2傳感元件（Sensor）研究另外一項重要研究內(nèi)容就是傳感元件。感覺是智能土木結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性功能，它利用在傳統(tǒng)建筑材料中埋入傳感元件（或利用傳感、結(jié)構(gòu)耦合材料）來采集各種信息，經(jīng)過處理 分析 ，才可實現(xiàn)自診斷、自驅(qū)動等智能控制功能。有鑒于此，應(yīng)對傳感元件提出一些特殊要求如下：1）尺寸細微，不 影響 結(jié)構(gòu)外形；2）與基體結(jié)構(gòu)耦合良好，對原結(jié)構(gòu)材料強度影響很��；3）性能穩(wěn)定可靠，耐久性好，與基體結(jié)構(gòu)有著相同的使用壽命；4）傳感的覆蓋面要寬；5）信號頻率響應(yīng)范圍要寬；6）能與結(jié)構(gòu)上其它電氣設(shè)備兼容；7）抗外界干擾能力強；8）能在結(jié)構(gòu)的使用溫度及濕度范圍內(nèi)正常工作�？闪腥胙芯糠秶�的元件有：光導(dǎo)纖維，壓電陶瓷，電阻應(yīng)變絲，疲勞壽命絲，銹蝕傳感器，碳纖維等。3.3.3作動材料（Actuator）研究智能土木結(jié)構(gòu)的最終目標是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能控制，而控制是由作動材料實現(xiàn)的。利用某些存在物理耦合現(xiàn)象的材料，尤其是機械量與電、熱、磁、光等非機械量的耦合材料，作為結(jié)構(gòu)的作動件。可以通過控制非機械量的變化來獲取結(jié)構(gòu)特性（形狀、剛度、位置、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、頻率、阻尼、摩阻等）的改變，從而達到作動目的。對它的要求主要有：1）與基體結(jié)構(gòu)耦合良好，結(jié)合強度高；2）作動元件本身的靜強度和疲勞強度高；3）驅(qū)動 方法 簡單安全，對基體結(jié)構(gòu)無影響，激勵能量��；4）激勵后能產(chǎn)生高效穩(wěn)定的控制，反復(fù)激勵下性能穩(wěn)定；5）頻率響應(yīng)范圍寬，響應(yīng)速度快，并可控制；常用的作動材料有記憶型合金、壓電材料、記憶聚合物以及聚合膠體等。 目前 有關(guān)作動元件的研究正在一些領(lǐng)域展開，如董聰、Crawlay等人評述了幾種常用作動/傳感材料的性能。3.3.4智能結(jié)構(gòu)信息處理智能土木結(jié)構(gòu)要成為有機的整體，還須借助于信息的流動控制及加工處理。只有使信息在環(huán)境、結(jié)構(gòu)、傳感器、信息處理中樞及作動系統(tǒng)之間有序地流動，并同時進行加工處理，方可使結(jié)構(gòu)具有智能功能。其信息流動可如下圖所示：由此可見，應(yīng)首先對數(shù)據(jù)采集予以研究。這包括各種傳感器信號的A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)處理通訊接口軟硬件的研制[8].作為一種嘗試，筆者利用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗裝置，實現(xiàn)了單片機應(yīng)變儀與微機在線通訊的硬件組建及 計算 機數(shù)據(jù)接受軟件的開發(fā)，初步的結(jié)果表明，建立土木結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測是完全可以做得到的。其次，應(yīng)著重研究輸入到計算機中的數(shù)據(jù)的智能化處理算法，以及相應(yīng)軟件的開發(fā)。算法的核心目標應(yīng)為對結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)、物理場的全面計算。在此，應(yīng)注意算法的快速性，避免因算法過于復(fù)雜而失去了智能結(jié)構(gòu)的機敏、實時特性[9].接著，應(yīng)對結(jié)構(gòu)的健康診斷及安全評定方法予以研究。包括結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)建模，參數(shù)空間的模式識別，損傷評定，體系可靠性分析，以及人工智能的 應(yīng)用 。最后需要研究的是結(jié)構(gòu)控制機理、結(jié)構(gòu)局部損傷修復(fù)方法、結(jié)構(gòu)振動控制機理等 問題 。4.結(jié)論及研究建議 智能土木結(jié)構(gòu)是材料 科學(xué) 、計算機科學(xué)、自動控制技術(shù) 發(fā)展 到一定程度的產(chǎn)物。它涉及到結(jié)構(gòu)和建造的重大變革，涉及到當今土木工程、材料科學(xué)、自動控制、計算機軟硬件技術(shù)、信息通訊、人工智能等眾多領(lǐng)域內(nèi)的前沿技術(shù)。正如建筑業(yè)是國民經(jīng)濟各部門原動力一樣，智能土木結(jié)構(gòu)及智能建筑不僅對于未來土木界的發(fā)展意義重大，而且對于目前主要的高 科技 領(lǐng)域而言也具有重要的意義，它的研發(fā)及實現(xiàn)必將進一步帶動其它高科技領(lǐng)域的進一步提高，是土木工程界的知識經(jīng)濟。毋須置言，對它的研究工作應(yīng)首先要求結(jié)構(gòu)工程師投入極大的努力，更新觀念，注意吸取其它領(lǐng)域的思想，成為智能土木結(jié)構(gòu)研究的主體，同時還需結(jié)構(gòu)工程師同相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人員緊密配合，建立科學(xué)化的研究管理機制，才能完成這個系統(tǒng)工程。在具體的研究中，筆者給出了幾點建議，謹供業(yè)內(nèi) 參考 ：1）對于土木工程中普遍使用鋼筋混凝土（包括RC，PC，PPC）、鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，建議以嵌入式智能結(jié)構(gòu)的研究為重點。這樣做的好處在于能最大限度地利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu) 理論 知識，使研究的重點放在未知的附加智能化功能的研究上來，同時還能使智能化經(jīng)濟可行，也可做到工藝水平的傳統(tǒng)與未來的連續(xù)。另外，這種思路還可以利用現(xiàn)有土木結(jié)構(gòu)實驗的裝置和方法。2）對嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)，研究出一種高效、實時的力學(xué)計算算法將是一項迫在眉睫的任務(wù)，只有利用監(jiān)測傳感系統(tǒng)所得到的信息進行全面實時計算，方可對結(jié)構(gòu)有全面及時的了解，才能為其后的信息流動打下基礎(chǔ)。這就需要對復(fù)雜的非線性有限元加以改進，使其勝任在線、實時、精確的計算工作。3）對于房建領(lǐng)域，可以將智能結(jié)構(gòu)體系納入業(yè)已實現(xiàn)的智能建筑大系統(tǒng)中，使建筑從3A變?yōu)?A，即建筑設(shè)備自動化、辦公自動化、通訊自動化及本文論述的建筑結(jié)構(gòu)自動化（智能土木結(jié)構(gòu)）、四個系統(tǒng)共用一個綜合布線系統(tǒng)及中央監(jiān)控中樞，從而實現(xiàn)建筑物的全面擬智能生命化。