EPFL的科學家們開發(fā)了新的方法來設計和控制能夠自動適應載荷的土木結構。目的是減少建筑部門對環(huán)境的影響。為了應對當前的環(huán)境挑戰(zhàn)，建筑業(yè)必須找到新的建筑方式。ENAC應用計算和力學實驗室(IMAC)的科學家，研究項目負責人Gennaro Senatore說：“建筑業(yè)是最大的原材料消費國，占全球能源需求的三分之一以上。” “在整個使用壽命期間，內置環(huán)境最多可導致總CO 2排放的40-50%。”

如此高的數(shù)字部分是由于應用于大多數(shù)土木工程結構的傳統(tǒng)設計實踐。土木結構通常旨在承受最壞的載荷事件，而這種載荷在實踐中很少發(fā)生：強風，地震，暴風雪和大人群。

解決方案在于自適應結構，該結構能夠適應以確保在變化的負載條件下滿足強度和可維護性要求。Senatore解釋說：“自適應結構可以在接近設計極限的條件下運行，這意味著它們可以比傳統(tǒng)的被動結構更好地工作，并且更具可持續(xù)性。”

在這項工作中采用的設計標準是使結構的整個生命周期的能量需求最小化，其中包括用于操作的能量，例如用于服務期間的感測，控制和致動的能量，以及用于材料和建筑的能量，即體現(xiàn)的能量。

通過形狀控制適應不斷變化的載荷條件

為了確定其設計方法和控制優(yōu)化系統(tǒng)的可行性，IMAC團隊開發(fā)了一個以人行天橋形式的原型。它可以被動地承受普通負載，并且如果負載增加到某個激活閾值以上，則結構可以通過形狀變化適應最佳配置。

Prabhata Reksowardojo說：“每個結構元件都裝有應變傳感器，并且光學跟蹤系統(tǒng)監(jiān)視結構運動。已經采用機器學習來提高所施加載荷位置和強度的檢測精度。”成功捍衛(wèi)了他的博士學位 幾天前與此項目有關的論文。“控制單元處理從傳感器接收的信息，并命令執(zhí)行器伸展和收縮，從而將結構控制為最佳形狀，該形狀隨外部負載的變化而變化。”

如果斷電怎么辦?Senatore解釋說：“該結構不會塌陷，因為即使在沒有主動系統(tǒng)參與的情況下，它也具有足夠的承載能力。但是，可能會超出諸如撓度之類的可使用性極限。”

較小的體現(xiàn)的能量和質量

行人天橋長6.6 m，寬1 m，深僅16 cm。Reksowardojo說：“它的結構非常細長，跨度與深度之比是傳統(tǒng)結構的三倍。” 該比率指示無源結構在負載下的行為。比率越高，結構變形就越多，就像在我們手中彎曲的塑料尺一樣。取而代之的是，通過主動控制來減少撓度的能力可以實現(xiàn)新型結構，例如超細長的自適應建筑物和橋梁。

Reksowardojo說：“該結構的設計旨在通過形狀控制來抵消載荷的影響。” 使IMAC結構具有創(chuàng)新性的部分原因在于，它可以通過大型形狀重新配置來適應載荷。這種結構調整會導致在強載荷事件下應力的均勻化，非受控狀態(tài)和受控狀態(tài)之間的平均應力會大幅降低(最高37%)。因此，由于能夠在負載下改變形狀，該結構需要較小的質量和所體現(xiàn)的能量。

高影響力

自適應結構為工程結構提供了剛度控制設計的替代方法。精心設計的自適應結構在滿足安全關鍵要求的同時，所需的材料和能源也大大減少。當結構設計受強而罕見的載荷(例如暴風雨)支配時，自適應結構特別適合。高層和苗條的建筑尤其可以從這種方法中受益，這為城市規(guī)劃人員提供了一個吸引人的選擇，可以優(yōu)化高密度城市的空間。

Senatore說：“研究表明，用這種方法生產的結構可節(jié)省多達70%的實際能耗，但要消耗一定量的運行能量。” “通過用較小的運營份額代替較大的實際份額來推遲能源使用，有助于進一步減少溫室氣體排放，因為隨著技術的進步，未來能源生產的碳足跡可能會減少。”

“低這種組合的能量需求以及超纖細的設計是結構工程獨特，從而創(chuàng)造建筑環(huán)境和整個社會的高沖擊的潛力，”塞納托雷說。

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