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【摘 要】智能土木结构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、信急通讯、人工智能等众多领域内的前沿技术。智能土木结构及智能建筑不仅对未来工程界的发展意义重大，而且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。
【关键词】土木结构；智能控制
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被动的方式—一旦建筑物被建成并投人使用，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，就会既不经济，又达不到预期的效果。考察众多建筑灾害实例，人们发现，在整个建筑结构的设计寿命期内都有可能发生结构失效。其原因在于：(1)由于结构抗力的衰减、正常范围内的损伤积累而导致的强度及可靠性的降低；(2)由于材料的老化、腐蚀及力学性能的劣化（如徐变）而导致的结构耐久性失效；(3)由于施工质量和使用不当而给结构造成的隐患以及损害；(4)由于结构长期遭受动荷载作用而造成的疲劳失效；(5)由于偶然的超载（如地震荷载、爆炸冲击荷载等）造成的破坏。以上这些原因都对结构的强度及安全性提出传统设计方法无法满足的要求。因而，对建筑结构进行实时监测进而由结构自身做出智能化反应就显得十分必要了。
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人了信息时代。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人结构工程师的视野。人们开始尝试将传感器、驱动材料紧密地融合于结构中，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、化学反应等）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。
文献中将智能结构定义为：“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。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。在结构内部埋人传感器，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。英国80年代后期开始研究和安装大型桥梁的监测仪器和设备在我国，香港的Lantan Fixed Crossing Bridge青马大桥，以及大陆的虎门桥、江阴长江大桥也都在施工期间装设了传感系统，监测建成后大桥的服役安全状态。近年来发展起来的高性能、大规模分布式智能传感元器件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出来。
2.智能土木结构理论的体系构成
传统的土木结构是一种被动结构，一经设计、制造完成后，其性能及使用状态将很大程度上存在着不可预知性和不可控制性，这就给结构的使用和维护带来不便。为了解决这一问题发展出了在线监测结构，它赋予传统土木结构以在线监测机制，从而为探知结构内部性能打开了窗口，使人员可以方便地了解结构内部物理、力学场的演变情况，这就是结构智能化的第一层次。在在线监测结构的基础上，进一步增加了监测数据的智能处理机制，使得结构具有自感知、自诊断、自推理的能力，从而使结构实现了第二层次的智能化。进一步在结构中引人自适应及自动控制机制，即根据自诊断自推理的成果，由在结构中耦合的动作系统做出必要的反应，从而实现智能控制结构，这就是第三层次的智能化。比如，对结构的开裂、变形行为，结构的锈蚀、老化、损伤行为，以及结构的动力振动行为作出抑制性控制，在更高层次上对结构起到保护和维修作用。
可见，在结构智能化演化过程中，按其智能化程度的不同可划分为三个层次：第一层次：自感知土木结构，它是智能结构的最低级形式；第二层次：自诊断智能土木结构，具有对前一层次结果的智能化加工处理，包括结构内部力学物理场的自我计算，对结构特定目标参数的自我诊断，以及以做出结构自身行为的应对策略为目标的自我推理等功能。第三层次：智能控制土木结构，它是智能土木结构的最高形式。
3.智能土木结构分类
智能土木结构按其材料可分为两种类型：嵌入式智能土木结构，基体、智能材料藕合结构。
3.1嵌入式智能土木结构
在基体材料如钢结、钢筋混凝土结构中嵌入具有传感、动作和控制处理功能的材料或仪器，并集成进现代计算机硬件软件技术，由传感元件采集和检测结构内部信息，由计算机对这些信息进行加工处理，并将处理结果通知控制处理器，由控制处理器指挥、激励驱动元件执行相应动作。
结构只需对传统土木结构加以改进即可，无需额外研究结构的传统力学性能，易于做到传统结构与智能结构的平稳过渡，故而成为研究的焦点。
3.2基体、智能材料藕合结构
某些结构材料本身就具有智能功能，它们能够随着自身力学、物理状态的改变而改变自身的一些其它性能。如碳纤维混凝土材料能随自身受力情况而改变其导电性能，只要探测到这一改变，便可以间接获得结构的内部力学信息。
按照结构智能化目的的不同，又可将其分为如下几类：（l）具有裂缝自诊断和自愈合功能的智能混凝土结构；（2）俱有应力应变状态自诊断功能的智能混凝土结构；（3）具有变形、损伤自診断功能的智能混凝土结构；（4）具有疲劳寿命预报能力的智能土木结构；（5）具有监测钢筋或钢构件锈蚀状态能力的智能土木结构；（6）具有感知和自我调节功能的智能减振结构。
4.结论及研究建议
4.1对于土木工程中普遍使用钢筋混凝土、钢结构的现状，建议以嵌入式智能结构的研究为重点这样做的好处在于能最大限度地利用现有的结构理沦知识，使研究的重点放在未知的附加智能化功能的研究上来。
4.2对嵌入式智能土木结构，研究出一种高效、实时的力学计算算法将是一项迫在眉睫的任务，只有利用监测传感系统所得到的信息进行全面实时计算，方可对结构有全面及时的了解，才能为其后的信息流动打下基础。
4.3对于房建领域，可以将智能结构体系纳人业已实现的智能建筑大系统中，使建筑从3A变为4A，即建筑设备自动化、办公自动化、通讯自动化及本文论述的建筑结构自动化（智能土木结构）：四个系统共用一个综合布线系统及中央监控中枢，从而实现建筑物的全面拟智能生命化。
【参考文献】
［１］陶宝棋.智能材料结构［M］.国防工业出版社.1997:415-426.
［２］建筑抗震设计规范(2008 年版)(GB50011—2001).北京:中国建筑工业出版社.2008.
［３］高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002).北京:中国建筑工业出版社,2002.
【关键词】土木结构；智能控制
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被动的方式—一旦建筑物被建成并投人使用，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，就会既不经济，又达不到预期的效果。考察众多建筑灾害实例，人们发现，在整个建筑结构的设计寿命期内都有可能发生结构失效。其原因在于：(1)由于结构抗力的衰减、正常范围内的损伤积累而导致的强度及可靠性的降低；(2)由于材料的老化、腐蚀及力学性能的劣化（如徐变）而导致的结构耐久性失效；(3)由于施工质量和使用不当而给结构造成的隐患以及损害；(4)由于结构长期遭受动荷载作用而造成的疲劳失效；(5)由于偶然的超载（如地震荷载、爆炸冲击荷载等）造成的破坏。以上这些原因都对结构的强度及安全性提出传统设计方法无法满足的要求。因而，对建筑结构进行实时监测进而由结构自身做出智能化反应就显得十分必要了。
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人了信息时代。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人结构工程师的视野。人们开始尝试将传感器、驱动材料紧密地融合于结构中，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、化学反应等）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。
文献中将智能结构定义为：“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。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。在结构内部埋人传感器，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。英国80年代后期开始研究和安装大型桥梁的监测仪器和设备在我国，香港的Lantan Fixed Crossing Bridge青马大桥，以及大陆的虎门桥、江阴长江大桥也都在施工期间装设了传感系统，监测建成后大桥的服役安全状态。近年来发展起来的高性能、大规模分布式智能传感元器件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出来。
2.智能土木结构理论的体系构成
传统的土木结构是一种被动结构，一经设计、制造完成后，其性能及使用状态将很大程度上存在着不可预知性和不可控制性，这就给结构的使用和维护带来不便。为了解决这一问题发展出了在线监测结构，它赋予传统土木结构以在线监测机制，从而为探知结构内部性能打开了窗口，使人员可以方便地了解结构内部物理、力学场的演变情况，这就是结构智能化的第一层次。在在线监测结构的基础上，进一步增加了监测数据的智能处理机制，使得结构具有自感知、自诊断、自推理的能力，从而使结构实现了第二层次的智能化。进一步在结构中引人自适应及自动控制机制，即根据自诊断自推理的成果，由在结构中耦合的动作系统做出必要的反应，从而实现智能控制结构，这就是第三层次的智能化。比如，对结构的开裂、变形行为，结构的锈蚀、老化、损伤行为，以及结构的动力振动行为作出抑制性控制，在更高层次上对结构起到保护和维修作用。
可见，在结构智能化演化过程中，按其智能化程度的不同可划分为三个层次：第一层次：自感知土木结构，它是智能结构的最低级形式；第二层次：自诊断智能土木结构，具有对前一层次结果的智能化加工处理，包括结构内部力学物理场的自我计算，对结构特定目标参数的自我诊断，以及以做出结构自身行为的应对策略为目标的自我推理等功能。第三层次：智能控制土木结构，它是智能土木结构的最高形式。
3.智能土木结构分类
智能土木结构按其材料可分为两种类型：嵌入式智能土木结构，基体、智能材料藕合结构。
3.1嵌入式智能土木结构
在基体材料如钢结、钢筋混凝土结构中嵌入具有传感、动作和控制处理功能的材料或仪器，并集成进现代计算机硬件软件技术，由传感元件采集和检测结构内部信息，由计算机对这些信息进行加工处理，并将处理结果通知控制处理器，由控制处理器指挥、激励驱动元件执行相应动作。
结构只需对传统土木结构加以改进即可，无需额外研究结构的传统力学性能，易于做到传统结构与智能结构的平稳过渡，故而成为研究的焦点。
3.2基体、智能材料藕合结构
某些结构材料本身就具有智能功能，它们能够随着自身力学、物理状态的改变而改变自身的一些其它性能。如碳纤维混凝土材料能随自身受力情况而改变其导电性能，只要探测到这一改变，便可以间接获得结构的内部力学信息。
按照结构智能化目的的不同，又可将其分为如下几类：（l）具有裂缝自诊断和自愈合功能的智能混凝土结构；（2）俱有应力应变状态自诊断功能的智能混凝土结构；（3）具有变形、损伤自診断功能的智能混凝土结构；（4）具有疲劳寿命预报能力的智能土木结构；（5）具有监测钢筋或钢构件锈蚀状态能力的智能土木结构；（6）具有感知和自我调节功能的智能减振结构。
4.结论及研究建议
4.1对于土木工程中普遍使用钢筋混凝土、钢结构的现状，建议以嵌入式智能结构的研究为重点这样做的好处在于能最大限度地利用现有的结构理沦知识，使研究的重点放在未知的附加智能化功能的研究上来。
4.2对嵌入式智能土木结构，研究出一种高效、实时的力学计算算法将是一项迫在眉睫的任务，只有利用监测传感系统所得到的信息进行全面实时计算，方可对结构有全面及时的了解，才能为其后的信息流动打下基础。
4.3对于房建领域，可以将智能结构体系纳人业已实现的智能建筑大系统中，使建筑从3A变为4A，即建筑设备自动化、办公自动化、通讯自动化及本文论述的建筑结构自动化（智能土木结构）：四个系统共用一个综合布线系统及中央监控中枢，从而实现建筑物的全面拟智能生命化。
【参考文献】
［１］陶宝棋.智能材料结构［M］.国防工业出版社.1997:415-426.
［２］建筑抗震设计规范(2008 年版)(GB50011—2001).北京:中国建筑工业出版社.2008.
［３］高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002).北京:中国建筑工业出版社,2002.