建筑智能材料：機遇與挑戰(zhàn)

建筑智能材料：機遇與挑戰(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、自適應材料和活性材料。

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

智能材料根據(jù)其響應的輸入類型和輸出類型進行分類。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。

建筑應用

由于21世紀不斷發(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度。這種材料的電導性可以在加載和卸載過程中發(fā)生變化，從而增強其電導性。

智能混凝土已被探索用于電磁屏蔽和道路應用，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設施，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、安全和降噪等領域得到應用。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輸?shù)膽儽O(jiān)測。

具有超彈性的智能材料可以用作加固元件來修復混凝土開裂。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)鍵基礎設施，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，因為其可以避免振動和環(huán)境壓力（如風或地震事件）的最壞影響。在這些建筑中，可以更好地監(jiān)測和評估反應。

主要挑戰(zhàn)

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

在建設成本、政府政策、維護、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行了幾項研究，暴露出對這個定義應該是什么缺乏共識。缺乏影響智能建筑范圍的普遍接受的具體標準。

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目的復雜性。

因此，這會導致更高的成本和更大的培訓需求。此外，由于智能建筑的獨特性和特點，可能需要更改設計。這也包括在項目設計過程中可能出現(xiàn)的不可預見的情況。

用戶期望與建筑元素設計之間也存在關(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，需要在項目設計期間進行管理。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，智能建筑項目的成本可能遠遠高于傳統(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設施管理領域，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設施的情況下建造的，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)可以幫助建造更堅固、更耐用的建筑，提供實時監(jiān)測機械應變、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調(diào)都不為過。

盡管存在一些障礙，但這些先進和創(chuàng)新材料在建筑行業(yè)的應用，為未來的城市設計和基礎設施項目提供了巨大的潛力。

隨著社會不斷發(fā)展以應對人口增長、快速城市化、氣候變化和不斷變化的消費者期望等關(guān)鍵問題，建筑行業(yè)也必須如此。如果開發(fā)和部署得當，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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