EPFL的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了新的方法來(lái)設(shè)計(jì)和控制能夠自動(dòng)適應(yīng)載荷的土木結(jié)構(gòu)。目的是減少建筑部門對(duì)環(huán)境的影響。為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前的環(huán)境挑戰(zhàn)，建筑業(yè)必須找到新的建筑方式。ENAC應(yīng)用計(jì)算和力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(IMAC)的科學(xué)家，研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Gennaro Senatore說(shuō)：“建筑業(yè)是最大的原材料消費(fèi)國(guó)，占全球能源需求的三分之一以上。” “在整個(gè)使用壽命期間，內(nèi)置環(huán)境最多可導(dǎo)致總CO 2排放的40-50%。”

如此高的數(shù)字部分是由于應(yīng)用于大多數(shù)土木工程結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐。土木結(jié)構(gòu)通常旨在承受最壞的載荷事件，而這種載荷在實(shí)踐中很少發(fā)生：強(qiáng)風(fēng)，地震，暴風(fēng)雪和大人群。

解決方案在于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)以確保在變化的負(fù)載條件下滿足強(qiáng)度和可維護(hù)性要求。Senatore解釋說(shuō)：“自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可以在接近設(shè)計(jì)極限的條件下運(yùn)行，這意味著它們可以比傳統(tǒng)的被動(dòng)結(jié)構(gòu)更好地工作，并且更具可持續(xù)性。”

在這項(xiàng)工作中采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是使結(jié)構(gòu)的整個(gè)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(wù)期間的感測(cè)，控制和致動(dòng)的能量，以及用于材料和建筑的能量，即體現(xiàn)的能量。

通過(guò)形狀控制適應(yīng)不斷變化的載荷條件

為了確定其設(shè)計(jì)方法和控制優(yōu)化系統(tǒng)的可行性，IMAC團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)以人行天橋形式的原型。它可以被動(dòng)地承受普通負(fù)載，并且如果負(fù)載增加到某個(gè)激活閾值以上，則結(jié)構(gòu)可以通過(guò)形狀變化適應(yīng)最佳配置。

Prabhata Reksowardojo說(shuō)：“每個(gè)結(jié)構(gòu)元件都裝有應(yīng)變傳感器，并且光學(xué)跟蹤系統(tǒng)監(jiān)視結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。已經(jīng)采用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)提高所施加載荷位置和強(qiáng)度的檢測(cè)精度。”成功捍衛(wèi)了他的博士學(xué)位 幾天前與此項(xiàng)目有關(guān)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(jié)構(gòu)控制為最佳形狀，該形狀隨外部負(fù)載的變化而變化。”

如果斷電怎么辦?Senatore解釋說(shuō)：“該結(jié)構(gòu)不會(huì)塌陷，因?yàn)榧词乖跊](méi)有主動(dòng)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(huì)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(zhì)量

行人天橋長(zhǎng)6.6 m，寬1 m，深僅16 cm。Reksowardojo說(shuō)：“它的結(jié)構(gòu)非常細(xì)長(zhǎng)，跨度與深度之比是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的三倍。” 該比率指示無(wú)源結(jié)構(gòu)在負(fù)載下的行為。比率越高，結(jié)構(gòu)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(guò)主動(dòng)控制來(lái)減少撓度的能力可以實(shí)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)，例如超細(xì)長(zhǎng)的自適應(yīng)建筑物和橋梁。

Reksowardojo說(shuō)：“該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)旨在通過(guò)形狀控制來(lái)抵消載荷的影響。” 使IMAC結(jié)構(gòu)具有創(chuàng)新性的部分原因在于，它可以通過(guò)大型形狀重新配置來(lái)適應(yīng)載荷。這種結(jié)構(gòu)調(diào)整會(huì)導(dǎo)致在強(qiáng)載荷事件下應(yīng)力的均勻化，非受控狀態(tài)和受控狀態(tài)之間的平均應(yīng)力會(huì)大幅降低(最高37%)。因此，由于能夠在負(fù)載下改變形狀，該結(jié)構(gòu)需要較小的質(zhì)量和所體現(xiàn)的能量。

高影響力

自適應(yīng)結(jié)構(gòu)為工程結(jié)構(gòu)提供了剛度控制設(shè)計(jì)的替代方法。精心設(shè)計(jì)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)在滿足安全關(guān)鍵要求的同時(shí)，所需的材料和能源也大大減少。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受強(qiáng)而罕見(jiàn)的載荷(例如暴風(fēng)雨)支配時(shí)，自適應(yīng)結(jié)構(gòu)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(gè)吸引人的選擇，可以優(yōu)化高密度城市的空間。

Senatore說(shuō)：“研究表明，用這種方法生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)可節(jié)省多達(dá)70%的實(shí)際能耗，但要消耗一定量的運(yùn)行能量。” “通過(guò)用較小的運(yùn)營(yíng)份額代替較大的實(shí)際份額來(lái)推遲能源使用，有助于進(jìn)一步減少溫室氣體排放，因?yàn)殡S著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)能源生產(chǎn)的碳足跡可能會(huì)減少。”

“低這種組合的能量需求以及超纖細(xì)的設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)工程獨(dú)特，從而創(chuàng)造建筑環(huán)境和整個(gè)社會(huì)的高沖擊的潛力，”塞納托雷說(shuō)。

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