建筑智能材料：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

什么是智能材料？

智能材料是近年來出現(xiàn)的創(chuàng)新材料，與傳統(tǒng)材料相比，可為多個行業(yè)帶來好處。智能材料的其他名稱包括智能材料、自適應(yīng)材料和活性材料。

智能材料，與幾個世紀(jì)以來在建筑等領(lǐng)域使用的傳統(tǒng)材料的主要區(qū)別在于，其對環(huán)境變化和輸入的響應(yīng)能力。輸入可以包括機(jī)械應(yīng)變、磁場或電場的變化、溫度、pH值、光和濕度。

智能材料根據(jù)其響應(yīng)的輸入類型和輸出類型進(jìn)行分類。這些包括形狀記憶合金、磁致伸縮材料、壓電材料、電流變流體和電致變色材料。許多都是近幾十年來發(fā)展起來的。

建筑應(yīng)用

由于21世紀(jì)不斷發(fā)展的建筑行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)，在過去十年中，人們對智能材料的興趣不斷增長。目前，有幾個創(chuàng)新研究領(lǐng)域生產(chǎn)新材料，這些材料可能會在不久的將來從根本上改變建筑物的建造方式。

智能混凝土是混凝土和碳纖維的復(fù)合材料，可以檢測微小的結(jié)構(gòu)缺陷，并且與傳統(tǒng)混凝土相比具有更高的強(qiáng)度。這種材料的電導(dǎo)性可以在加載和卸載過程中發(fā)生變化，從而增強(qiáng)其電導(dǎo)性。

智能混凝土已被探索用于電磁屏蔽和道路應(yīng)用，其可以用作智能交通傳感器來監(jiān)控人行道上的車輛流量和數(shù)量。此外，智能混凝土還可用于高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施，通過通電來融化積雪。

智能材料已在建筑健康監(jiān)測、振動控制、安全和降噪等領(lǐng)域得到應(yīng)用。其用于提高居民和資產(chǎn)的效率和舒適度。嵌入式光纖已被探索用于海洋和鐵路運(yùn)輸?shù)膽?yīng)變監(jiān)測。

具有超彈性的智能材料可以用作加固元件來修復(fù)混凝土開裂。嵌入式光纖和智能材料可用于橋梁和海上石油鉆井平臺等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，以監(jiān)測問題區(qū)域并確保保持結(jié)構(gòu)完整性。

智能橋梁可以使用這些創(chuàng)新材料來建造，只需要較少的維護(hù)，因?yàn)槠淇梢员苊庹駝雍铜h(huán)境壓力（如風(fēng)或地震事件）的最壞影響。在這些建筑中，可以更好地監(jiān)測和評估反應(yīng)。

主要挑戰(zhàn)

雖然這是建筑行業(yè)中一個令人興奮的創(chuàng)新領(lǐng)域，但在智能材料的廣泛利用得到充分實(shí)現(xiàn)之前，前面的道路上仍然存在許多挑戰(zhàn)。

在建設(shè)成本、政府政策、維護(hù)、審批時間、系統(tǒng)優(yōu)化、缺乏共識以及代表行業(yè)主要參與者不愿充分發(fā)揮智能材料潛力等方面存在一些障礙。

近年來，對智能建筑的定義進(jìn)行了幾項(xiàng)研究，暴露出對這個定義應(yīng)該是什么缺乏共識。缺乏影響智能建筑范圍的普遍接受的具體標(biāo)準(zhǔn)。

與此相關(guān)，根據(jù)Ghansah和Yang的研究，新材料、技術(shù)和方法的使用增加了智能建筑項(xiàng)目的復(fù)雜性。

因此，這會導(dǎo)致更高的成本和更大的培訓(xùn)需求。此外，由于智能建筑的獨(dú)特性和特點(diǎn)，可能需要更改設(shè)計(jì)。這也包括在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)的不可預(yù)見的情況。

用戶期望與建筑元素設(shè)計(jì)之間也存在關(guān)系。這些期望，如舒適度、安全性、健康以及環(huán)境問題和好處，需要在項(xiàng)目設(shè)計(jì)期間進(jìn)行管理。此外，必須考慮所有者的需求，例如投資回報率和成本最小化。

由于多種因素，智能建筑項(xiàng)目的成本可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑，盡管一旦安裝，智能系統(tǒng)和材料就可以提供潛在的長期成本節(jié)約。必須平衡這些成本，以確保最佳的成本效益。

從2022年開始的研究發(fā)現(xiàn)，使用智能材料和建設(shè)智能建筑的主要障礙是政府政策。由于其固有的官僚主義，監(jiān)管體系并不以促進(jìn)創(chuàng)新和競爭力而聞名，有時會以相對緩慢的速度發(fā)展。

與智能建筑概念相關(guān)的是智慧城市，其匯集了眾多工業(yè)4.0技術(shù)和新的思維方式，以構(gòu)成一個高效的城市地區(qū)，改善居民的生活。

為了充分實(shí)現(xiàn)智慧城市的概念，政府政策必須集中于不斷變化的智能基礎(chǔ)設(shè)施管理領(lǐng)域，而這在一些關(guān)鍵方面迄今還有所欠缺。智能建筑在很大程度上是在沒有必要的智能基礎(chǔ)設(shè)施的情況下建造的，限制了該地區(qū)的潛力。

再加上建筑行業(yè)對改變傳統(tǒng)工作方式的抵制，這種做法并不以廣泛培育創(chuàng)新而聞名?？梢钥闯?，如果智能材料要想在全球范圍內(nèi)得到應(yīng)用，必須克服許多關(guān)鍵的建筑挑戰(zhàn)。

邁向建筑智能材料的未來

智能材料和系統(tǒng)可以幫助建造更堅(jiān)固、更耐用的建筑，提供實(shí)時監(jiān)測機(jī)械應(yīng)變、環(huán)境變化以及居住者的舒適度和安全性。這些好處對單個建筑和更廣泛的智慧城市概念的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。

盡管存在一些障礙，但這些先進(jìn)和創(chuàng)新材料在建筑行業(yè)的應(yīng)用，為未來的城市設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目提供了巨大的潛力。

隨著社會不斷發(fā)展以應(yīng)對人口增長、快速城市化、氣候變化和不斷變化的消費(fèi)者期望等關(guān)鍵問題，建筑行業(yè)也必須如此。如果開發(fā)和部署得當(dāng)，智能材料可以幫助滿足全球范圍內(nèi)的這些需求。

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