智能土木工程研究现状与应用分析

智能土木工程研究现状与应用分析
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
随着计算机与互联网的发展，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。

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。

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。

1、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。

对建
筑材料的性能与功能已经有了更高的要求，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。

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。

1.1 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。

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
1.2 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。

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。

例如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。

1.3 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。

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。

1.4 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。

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。

2、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。

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。

对于前者而言，此类结构尽可能材料本身性能，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，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。

3、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。

3.1 BIM 技术
BIM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。

3.2 GIS 技术
GIS 技术作为一种空间信息系统，近年来发展迅速。

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。

3.3 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。

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。

4、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：
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