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【摘要】 本文回顾了有关“智能材料结构”在土木领域的最新进展，明确地涵定了“智能土木结构”的基本概念及其发展过程，较为系统地阐述了构成其理论体系的有关内容及问题。提出了结构智能化三水准概念及智能土木结构的分类方法，建议了今后研究的策略及几个主要方向。
【关键词】 智能土木结构 智能材料 自诊断智能土木结构 智能控制 嵌入式智能土木结构
建筑起初是为了满足人类生活的舒适要求和安全要求而产生的。原始时代的建筑物是利用天然材料制造而成的能蔽风雨防侵袭的封闭空间。随着社会生产力水平的不断发展，人类对建筑的要求也日益复杂和多样化，结构作为建筑的核心骨架，人们也对其提出了更高水平的要求。现代大型建筑物如高层建筑、大跨桥梁、大型水坝、地下建筑等都要求其土木结构能提供更高的强度，以及更好的可靠性、耐久性及安全性。同时，在现代社会中，这些大型建筑物在整个国民经济中所发挥的作用已日益重要，这也尤其要求它们应具有更强的防止灾害的能力。
传统的结构大多通过提高建筑材料的物理力学性能、采用合理的结构形式、加强施工管理以及定期结构评估与维护等传统手段来达到并满足这些要求。然而，这些传统的手段均属一种消极的、被动的方式：一旦建筑物被建成并投入使用，人们便失去了对结构的全面控制，结构失效、结构灾害的发生便不以其设计者、建造者、使用者的意志为转移了，人们对它的预测及防范工作都将是一件十分困难的事情。另外，若单纯地依靠以往那种要求保证结构具有足够的刚度、强度及延性的传统结构工程设计理念，当结构所处环境因素超越某种程度以后，就会将既不经济，又達不到预期的效果。
1. 智能土木结构 概念的形成及研究现状
1.1智能土木结构 概念的形成
现代材料技术的发展进步促使了人类社会进入了信息时代，信息材料的生产业已实现设计制造一体化。各种具有信息采集及传输功能的材料及元器件正逐渐地进入土木工程师的视野。人们开始尝试将传感器、驱动材料紧密地融合于结构中，同时将各种控制电路、逻辑电路、信号放大器、功率放大器以及现代计算机集成于结构大系统中。通过力、热、光、化学、电磁等激励和控制，使结构不仅有承受建筑荷载的能力，还具有自感知、自分析计算、自推理及自我控制的能力。具体说来，结构将能进行参数（如应变、损伤、温度、压力、声音、化学反应）的检测及检测数据的传输，具有一定的数据实时计算处理能力，包括人工智能诊断推理，以及初步改变结构应力分布、强度、刚度、形状位置等能力，简言之，即使结构具有自诊断、自学习、自适应、自修复的能力。这就是智能土木结构概念的形成过程。
文献将智能结构定义为：“将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件（结构）具有人们期望的智能功能，这种结构称之为智能材料结构”。可见，智能结构是传统结构的功能的升华。智能结构在土木结构中的应用便称之为智能土木结构。
1.2研究现状
如前所述，智能土木结构概念是为了解决评估结构强度、完整性、安全性及耐久性问题而提出的。对土木建筑结构的性能进行监测及预报，不仅会大大减小维修费用，而且能增强预测的能力。近来出现的无损检测技术均不能对结构进行实时监测，也不能很好地预报结构的破损情况和进行完整性的评估。这些方法的致命缺点是预报方式是自外而内的，从信息传播角度看，难免会夹杂进种种干扰信息，从而使检测结果失真、低效率，甚至会导致完全错误的检测结果。在结构内部埋入传感器，组成网络，就可实时监测结构的性能，这就是智能土木结构的自内而外的预报方式。智能土木结构在这些方面有很好的应用前景，目前主要应用于高层建筑、桥梁、大坝等工程领域。
在其它土木工程领域，如在采油平台、大坝、船闸等大体积混凝土结构中也曾尝试布置传感器来构建智能结构。同样，近年来发展起来的高性能、大规模分布式智能传感元器件也为民用建筑及结构的智能监测系统的发展提供了基础，智能大厦在我国已如雨后春笋般地涌现。在民用建筑结构的应用方面，对结构的智能振动控制方面的研究已有近30年的历史了。
1.3智能结构信息处理
智能土木结构要成为有机的整体，还须借助于信息的流动控制及加工处理。只有使信息在环境、结构、传感器、信息处理中枢及作动系统之间有序地流动，并同时进行加工处理，方可使结构具有智能功能。
由此可见，应首先对数据采集予以研究。这包括各种传感器信号的A/D转换以及数据处理通讯接口软硬件的研制，作为一种尝试，笔者利用传统结构实验装置，实现了单片机应变仪与微机在线通讯的硬件组建及计算机数据接受软件的开发，初步的结果表明，建立土木结构在线监测是完全可以做得到的。
其次，应着重研究输入到计算机中的数据的智能化处理算法，以及相应软件的开发。算法的核心目标应为对结构内部力学、物理场的全面计算。在此，应注意算法的快速性，避免因算法过于复杂而失去了智能结构的机敏、实时特性。
接着，应对结构的健康诊断及安全评定方法予以研究。包括结构的数学建模，参数空间的模式识别，损伤评定，体系可靠性分析，以及人工智能的应用。
最后需要研究的是结构控制机理、结构局部损伤修复方法、结构振动控制机理等问题。
2.结论及研究建议
智能土木结构是材料科学、计算机科学、自动控制技术发展到一定程度的产物。它涉及到结构和建造的重大变革，涉及到当今土木工程、材料科学、自动控制、计算机软硬件技术、信息通讯、人工智能等众多领域内的前沿技术。正如建筑业是国民经济各部门原动力一样，智能土木结构及智能建筑不仅对于未来土木界的发展意义重大，而且对于目前主要的高科技领域而言也具有重要的意义，它的研发及实现必将进一步带动其它高科技领域的进一步提高，是土木工程界的知识经济。毋须置言，对它的研究工作应首先要求结构工程师投入极大的努力，更新观念，注意吸取其它领域的思想，成为智能土木结构研究的主体，同时还需结构工程师同相关领域的专业人员紧密配合，建立科学化的研究管理机制，才能完成这个系统工程。
（作者单位：长江大学城市建设土木工程11003班）
【关键词】 智能土木结构 智能材料 自诊断智能土木结构 智能控制 嵌入式智能土木结构
建筑起初是为了满足人类生活的舒适要求和安全要求而产生的。原始时代的建筑物是利用天然材料制造而成的能蔽风雨防侵袭的封闭空间。随着社会生产力水平的不断发展，人类对建筑的要求也日益复杂和多样化，结构作为建筑的核心骨架，人们也对其提出了更高水平的要求。现代大型建筑物如高层建筑、大跨桥梁、大型水坝、地下建筑等都要求其土木结构能提供更高的强度，以及更好的可靠性、耐久性及安全性。同时，在现代社会中，这些大型建筑物在整个国民经济中所发挥的作用已日益重要，这也尤其要求它们应具有更强的防止灾害的能力。
传统的结构大多通过提高建筑材料的物理力学性能、采用合理的结构形式、加强施工管理以及定期结构评估与维护等传统手段来达到并满足这些要求。然而，这些传统的手段均属一种消极的、被动的方式：一旦建筑物被建成并投入使用，人们便失去了对结构的全面控制，结构失效、结构灾害的发生便不以其设计者、建造者、使用者的意志为转移了，人们对它的预测及防范工作都将是一件十分困难的事情。另外，若单纯地依靠以往那种要求保证结构具有足够的刚度、强度及延性的传统结构工程设计理念，当结构所处环境因素超越某种程度以后，就会将既不经济，又達不到预期的效果。
1. 智能土木结构 概念的形成及研究现状
1.1智能土木结构 概念的形成
现代材料技术的发展进步促使了人类社会进入了信息时代，信息材料的生产业已实现设计制造一体化。各种具有信息采集及传输功能的材料及元器件正逐渐地进入土木工程师的视野。人们开始尝试将传感器、驱动材料紧密地融合于结构中，同时将各种控制电路、逻辑电路、信号放大器、功率放大器以及现代计算机集成于结构大系统中。通过力、热、光、化学、电磁等激励和控制，使结构不仅有承受建筑荷载的能力，还具有自感知、自分析计算、自推理及自我控制的能力。具体说来，结构将能进行参数（如应变、损伤、温度、压力、声音、化学反应）的检测及检测数据的传输，具有一定的数据实时计算处理能力，包括人工智能诊断推理，以及初步改变结构应力分布、强度、刚度、形状位置等能力，简言之，即使结构具有自诊断、自学习、自适应、自修复的能力。这就是智能土木结构概念的形成过程。
文献将智能结构定义为：“将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件（结构）具有人们期望的智能功能，这种结构称之为智能材料结构”。可见，智能结构是传统结构的功能的升华。智能结构在土木结构中的应用便称之为智能土木结构。
1.2研究现状
如前所述，智能土木结构概念是为了解决评估结构强度、完整性、安全性及耐久性问题而提出的。对土木建筑结构的性能进行监测及预报，不仅会大大减小维修费用，而且能增强预测的能力。近来出现的无损检测技术均不能对结构进行实时监测，也不能很好地预报结构的破损情况和进行完整性的评估。这些方法的致命缺点是预报方式是自外而内的，从信息传播角度看，难免会夹杂进种种干扰信息，从而使检测结果失真、低效率，甚至会导致完全错误的检测结果。在结构内部埋入传感器，组成网络，就可实时监测结构的性能，这就是智能土木结构的自内而外的预报方式。智能土木结构在这些方面有很好的应用前景，目前主要应用于高层建筑、桥梁、大坝等工程领域。
在其它土木工程领域，如在采油平台、大坝、船闸等大体积混凝土结构中也曾尝试布置传感器来构建智能结构。同样，近年来发展起来的高性能、大规模分布式智能传感元器件也为民用建筑及结构的智能监测系统的发展提供了基础，智能大厦在我国已如雨后春笋般地涌现。在民用建筑结构的应用方面，对结构的智能振动控制方面的研究已有近30年的历史了。
1.3智能结构信息处理
智能土木结构要成为有机的整体，还须借助于信息的流动控制及加工处理。只有使信息在环境、结构、传感器、信息处理中枢及作动系统之间有序地流动，并同时进行加工处理，方可使结构具有智能功能。
由此可见，应首先对数据采集予以研究。这包括各种传感器信号的A/D转换以及数据处理通讯接口软硬件的研制，作为一种尝试，笔者利用传统结构实验装置，实现了单片机应变仪与微机在线通讯的硬件组建及计算机数据接受软件的开发，初步的结果表明，建立土木结构在线监测是完全可以做得到的。
其次，应着重研究输入到计算机中的数据的智能化处理算法，以及相应软件的开发。算法的核心目标应为对结构内部力学、物理场的全面计算。在此，应注意算法的快速性，避免因算法过于复杂而失去了智能结构的机敏、实时特性。
接着，应对结构的健康诊断及安全评定方法予以研究。包括结构的数学建模，参数空间的模式识别，损伤评定，体系可靠性分析，以及人工智能的应用。
最后需要研究的是结构控制机理、结构局部损伤修复方法、结构振动控制机理等问题。
2.结论及研究建议
智能土木结构是材料科学、计算机科学、自动控制技术发展到一定程度的产物。它涉及到结构和建造的重大变革，涉及到当今土木工程、材料科学、自动控制、计算机软硬件技术、信息通讯、人工智能等众多领域内的前沿技术。正如建筑业是国民经济各部门原动力一样，智能土木结构及智能建筑不仅对于未来土木界的发展意义重大，而且对于目前主要的高科技领域而言也具有重要的意义，它的研发及实现必将进一步带动其它高科技领域的进一步提高，是土木工程界的知识经济。毋须置言，对它的研究工作应首先要求结构工程师投入极大的努力，更新观念，注意吸取其它领域的思想，成为智能土木结构研究的主体，同时还需结构工程师同相关领域的专业人员紧密配合，建立科学化的研究管理机制，才能完成这个系统工程。
（作者单位：长江大学城市建设土木工程11003班）