摘要：本文回顧了有關“智能材料結構”在土木領域的最新進展，明確地涵定了“智能土木結構”的基本概念及其發(fā)展過程，較為系統(tǒng)地闡述了構成其理論體系的有關內(nèi)容及問題。提出了結構智能化三水準概念及智能土木結構的分類方法，建議了今后研究的策略及幾個主要方向。
關鍵詞：智能土木結構，智能材料，自診斷智能土木結構，智能控制，嵌入式智能土木結構
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雜和多樣化，結構作為建筑的核心骨架，人們也對其提出了更高水平的要求?，F(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構能提供更高的強度，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具有更強的防止災害的能力。
傳統(tǒng)的結構大多通過提高建筑材料的物理力學性能、采用合理的結構形式、加強施工管理以及定期結構評估與維護等傳統(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，人們便失去了對結構的全面控制，結構失效、結構災害的發(fā)生便不以其設計者、建造者、使用者的意志為轉移了，人們對它的預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構具有足夠的剛度、強度及延性的傳統(tǒng)結構工程設計理念，當結構所處環(huán)境因素超越某種程度以后，就會將既不經(jīng)濟，又達不到預期的效果。
考察眾多建筑災害實例，人們發(fā)現(xiàn)，在整個建筑結構的設計壽命期內(nèi)，都有可能發(fā)生結構失效。其原因在于：
1）由于結構抗力的衰減、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、腐蝕及力學性能的劣化（如徐變等）而導致的結構耐久性失效；
3）由于施工質(zhì)量和使用不當而給結構造成的隱患以及損害；
4）由于結構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構的強度及安全性提出傳統(tǒng)設計方法無法滿足的要求。因而，對建筑結構進行實時監(jiān)測進而由結構自身作出智能化反應就顯得十分必要了。
2.智能土木結構（IntelligentCivilStructure）概念的形成及研究現(xiàn)狀
2.1智能土木結構（IntelligentCivilStructure）概念的形成
現(xiàn)代材料技術的發(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、驅動材料緊密地融合于結構中，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)代計算機集成于結構大系統(tǒng)中。通過力、熱、光、化學、電磁等激勵和控制，使結構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，結構將能進行參數(shù)（如應變、損傷、溫度、壓力、聲音、化學反應）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，以及初步改變結構應力分布、強度、剛度、形狀位置等能力，簡言之，即使結構具有自診斷、自學習、自適應、自修復的能力。這就是智能土木結構概念的形成過程。
文獻將智能結構定義為：“將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構件（結構）具有人們期望的智能功能，這種結構稱之為智能材料結構”?？梢?，智能結構是傳統(tǒng)結構的功能的升華。智能結構在土木結構中的應用便稱之為智能土木結構。
2.2研究現(xiàn)狀
如前所述，智能土木結構概念是為了解決評估結構強度、完整性、安全性及耐久性問題而提出的。對土木建筑結構的性能進行監(jiān)測及預報，不僅會大大減小維修費用，而且能增強預測的能力。近來出現(xiàn)的無損檢測技術均不能對結構進行實時監(jiān)測，也不能很好地預報結構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，從而使檢測結果失真、低效率，甚至會導致完全錯誤的檢測結果。在結構內(nèi)部埋入傳感器，組成網(wǎng)絡，就可實時監(jiān)測結構的性能，這就是智能土木結構的自內(nèi)而外的預報方式。智能土木結構在這些方面有很好的應用前景，目前主要應用于高層建筑、橋梁、大壩等工程領域。
美國80年代中后期開始在多座橋梁上布設監(jiān)測傳感器，用驗證設計中的一些假定，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).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)部的應變狀態(tài)。
在其它土木工程領域，如在采油平臺、大壩、船閘等大體積混凝土結構中也曾嘗試布置傳感器來構建智能結構。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構的智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供了基礎，智能大廈在我國已如雨后春筍般地涌現(xiàn)。在民用建筑結構的應用方面，對結構的智能振動控制方面的研究已有近30年的歷史了.
關鍵詞：智能土木結構，智能材料，自診斷智能土木結構，智能控制，嵌入式智能土木結構
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雜和多樣化，結構作為建筑的核心骨架，人們也對其提出了更高水平的要求?，F(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構能提供更高的強度，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具有更強的防止災害的能力。
傳統(tǒng)的結構大多通過提高建筑材料的物理力學性能、采用合理的結構形式、加強施工管理以及定期結構評估與維護等傳統(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，人們便失去了對結構的全面控制，結構失效、結構災害的發(fā)生便不以其設計者、建造者、使用者的意志為轉移了，人們對它的預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構具有足夠的剛度、強度及延性的傳統(tǒng)結構工程設計理念，當結構所處環(huán)境因素超越某種程度以后，就會將既不經(jīng)濟，又達不到預期的效果。
考察眾多建筑災害實例，人們發(fā)現(xiàn)，在整個建筑結構的設計壽命期內(nèi)，都有可能發(fā)生結構失效。其原因在于：
1）由于結構抗力的衰減、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、腐蝕及力學性能的劣化（如徐變等）而導致的結構耐久性失效；
3）由于施工質(zhì)量和使用不當而給結構造成的隱患以及損害；
4）由于結構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構的強度及安全性提出傳統(tǒng)設計方法無法滿足的要求。因而，對建筑結構進行實時監(jiān)測進而由結構自身作出智能化反應就顯得十分必要了。
2.智能土木結構（IntelligentCivilStructure）概念的形成及研究現(xiàn)狀
2.1智能土木結構（IntelligentCivilStructure）概念的形成
現(xiàn)代材料技術的發(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、驅動材料緊密地融合于結構中，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)代計算機集成于結構大系統(tǒng)中。通過力、熱、光、化學、電磁等激勵和控制，使結構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，結構將能進行參數(shù)（如應變、損傷、溫度、壓力、聲音、化學反應）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，以及初步改變結構應力分布、強度、剛度、形狀位置等能力，簡言之，即使結構具有自診斷、自學習、自適應、自修復的能力。這就是智能土木結構概念的形成過程。
文獻將智能結構定義為：“將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構件（結構）具有人們期望的智能功能，這種結構稱之為智能材料結構”?？梢?，智能結構是傳統(tǒng)結構的功能的升華。智能結構在土木結構中的應用便稱之為智能土木結構。
2.2研究現(xiàn)狀
如前所述，智能土木結構概念是為了解決評估結構強度、完整性、安全性及耐久性問題而提出的。對土木建筑結構的性能進行監(jiān)測及預報，不僅會大大減小維修費用，而且能增強預測的能力。近來出現(xiàn)的無損檢測技術均不能對結構進行實時監(jiān)測，也不能很好地預報結構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，從而使檢測結果失真、低效率，甚至會導致完全錯誤的檢測結果。在結構內(nèi)部埋入傳感器，組成網(wǎng)絡，就可實時監(jiān)測結構的性能，這就是智能土木結構的自內(nèi)而外的預報方式。智能土木結構在這些方面有很好的應用前景，目前主要應用于高層建筑、橋梁、大壩等工程領域。
美國80年代中后期開始在多座橋梁上布設監(jiān)測傳感器，用驗證設計中的一些假定，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).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)部的應變狀態(tài)。
在其它土木工程領域，如在采油平臺、大壩、船閘等大體積混凝土結構中也曾嘗試布置傳感器來構建智能結構。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構的智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供了基礎，智能大廈在我國已如雨后春筍般地涌現(xiàn)。在民用建筑結構的應用方面，對結構的智能振動控制方面的研究已有近30年的歷史了.