智能建筑物与智能化材料.pptx

1,第8章 智能建筑物与智能化材料,2,Outline,智能建筑物 1 “智能建筑物”的由来及其概念 2 智能建筑物产生的背景 3 智能建筑物与工作环境 4 智能建筑物对城市与社会的影响 智能化材料 1 智能化材料的定义 2 具有自我诊断、预告破坏功能的材料 3 具有自我调整功能的材料,3,1.1“智能建筑物”的由来及其概念,最早诞生于20世纪80年代的美国。 1983年，在美国的康涅狄格州哈特福德市，建成了一座名为“城市空间大厦”的建筑物。美国UTBS公司(United Technologies Building System) 接管了这座大楼的空调、电梯、防火等建筑设备的运营管理工作，同时，用电脑、通讯设备为这座大楼的其他租用者进行通讯、信息服务。 该公司在为自己的业务进行广告宣传时, 将这座建筑物称为“智能建筑物”。,4,图8.1智能建筑物的概念图,信息交流系统、 办公自动化系统、 设备自动化系统 和防火、防范、 安全系统,5,智能建筑物的特征,第一，楼内配备自动化的电梯、照明、空调、排烟、防灾等建筑物运营管理系统； 第二，配备完善的办公设备，实现办公自动化； 第三，拥有完善的通讯系统，包括电话线路、光缆、数字通讯交换机、卫星通讯等设备，实现高度信息化。 高科技设备资源共享、节省设备投资，降低办公费用也是智能建筑物的特征之一。,6,1.2 智能建筑物产生的背景,1计算机、通讯等技术的快速发展 从20世纪70年代后期开始，高功能的个人微机及其配套使用的软件系统开始普及应用，价格大幅度降低； 在通讯技术方面出现了用于建筑物内的高功能数字通讯交换机，同时光导纤维、激光、卫星通讯、LAN系统等传送技术日益成熟；,机械、电讯、办公自动化等内部设施与高层建筑物相结合的产物,7,2通讯自由化,20世纪80年代以前，在美国计算机与通讯事业的融合曾受到严格的控制 1982年，通过美国司法部门的审议批准，美国的AT&T(电信电话公司)开始进入计算机领域，日本在1985年也实现了电电公司(电信电话公司，NTT)的民营化。 通讯自由化的社会体制，使得以建筑物为单位购入大容量的数字线路，然后在楼内再分为小用户，以较便宜的价格租给用户的管理体制得以实现。,8,3高层建筑大量建造,20世纪70年代在美国兴起建造高层建筑的热潮，一时间建造了大量的高层建筑乃至摩大大楼，出现了供大于求的局面，造成许多城市建筑物的空室率很高。 为了争取租用者，楼房的造型美观、设计合理之外，更主要的是提高使用功能，这些高层建筑多数是作为办公楼出租 提高办公效率、降低通讯费用、实现办公自动化，以及健康、舒适、安全的办公环境就成为主要的考虑项目,9,13 智能建筑物与工作环境,昏暗、狭窄、空气浑浊的办公室将使人整天处于压抑和忧郁状态，会严重影响人的身心健康，同时工作效率也不会高； 而宽敞、明亮、空气清新、温度适宜的工作环境将使人精神振奋，提高工作效率。 智能建筑物的出现从根本上改善了人类的工作环境，改变了传统的工作方式，极大地提高了工作效率。与此同时，也对人类的身体、思维方式、观念和情感产生一些负面的影响。,10,智能建筑物具有的特征,1智能化的建筑设备 (Building Automation) 现代化的空调、照明、电梯、排烟、防灾报警等自动控制系统 2发达的情报交流系统 (Telecommunication) 配备以数字交换机为中心的企业内综合通讯网LAN， 租用者可以廉价地获得各种通讯、信息服务，包括经济信息、专业文献等各种数据。 3高度的办公室自动化系统(Office Automation) 4资源、设备共享服务系统 5. 健康与环境对策,11,3高度的办公室自动化系统,办公室内实现终端机器网络化，具有高度的打字、印刷、电子通讯等办公自动化功能，具有文件数据共用，能完成高级科学技术计算、绘图等功能。同时，配备各种电视会议、人事管理、会客接待等办公自动化系统。 工作空间设施不再是传统的桌椅加文件柜，所考虑的因素也不再仅仅是办公面积，而要专虑诸多自动化设备的设置，设备之间、人与设备之间的关系，设备的设置方式对工作效率以及环境的影响等等，如图82所示，现代化办公室的空间设置应更加注重合理性和效率性，通常应考虑以下几个要素。,12,办公自动化办公室应考虑的因素,13,现代化办公空间具有的功能,14,(1)人的因素 独立进行工作时的私密性和办公空间开放性之间的关系，与他人交流的方便性、使用设备的效率性。 (2)机械因素： 要考虑设备的性质、设备之间的关系以及如何设置能发挥最大效率。 (3)环境因素： 要考虑设备对环境的影响、包括机器的噪音、空间的视觉效果，能源的消耗，机器吹出口对建筑物表面的污染，影响美观等因素，例如将打印机放入消音箱内，可减少噪音的影响。 同时还要考虑人与设备的关系，由于过多使用仪器设备对人的身体健康、精神状态以及相互交流欲望的影响等等。,15,4资源、设备共享服务系统,在智能建筑物中能够实现资源与设备共享，节省办公、通讯费用，该系统称为资源共享服务系统STS（shared tenant service） 即利用计算机、感知器、LAN等，将各种建筑设备及通讯设施综合化，向租用者提供舒适的工作环境，并节省办公和能源消费费用(包括空调、照明、电梯等)，并配备强大的建筑防灾系统，提高建筑物的综合安全性，例如火灾感知器、报警器，排烟装置、闭锁装置等，保证灾害发生时人员与设备的安全,16,5. 健康与环境对策,(1)噪音对策 传真、电话、计算机等现代化设备的频繁使用,首先要抑制噪音发生源，选择低噪音的电子或其他办公机器； 其次是抑制噪音的传递，噪音大的机器尽量设置在工作空间之外，必须设置在工作空间内的情况下，要采用消音箱将机器罩住； 第三就是要合理选择室内装修材料，例如地面铺地毯和吸音率高的岩棉系列顶棚材料更加有效；墙面最好采用吸音率高的板材；除此之外还可利用其他家具达到隔音、吸音的目的。 而对于不希望他人听到的谈话区域, 则要设置声音干扰系统，保证办公室内个别部位的私密性,17,18,(2)照明与视力健康 长时间持续面对计算机或其他图象终端VDT (visual display terminal)工作，对人的身体与视力健康损伤较大，与人之间的交流减少，精神上也容易产生疲劳和烦躁感。 因此，必须考虑自然采光与人工照明的合理设置，避免眩目强光以及光线灰暗，考虑计算机使用者视野范围内的灰度分布来配置照明、窗、机器等。 为恢复视力、调节体力和精神状态，希望在办公室内配置绿色植物、休息室及康复室等设施,19,14 智能建筑物对城市与社会的影响,1促进整个社会的智能化发展 将智能建筑物内的通讯系统、局域网络的思想扩展到一个城市、一个国家甚至整个世界，实现互联网，在全球范围内建立起信息高速公路，使人类迈进了信息化的社会。 2在宅勤务 未来的家庭住宅除了具有生活功能之外，还将设置住宅勤务终端、电话图文接收屏和信息网络系统，还设有供娱乐的家庭影院、保证家人健康的家庭诊疗站等，在住宅内可以进行办公、远程教育、医疗等活动，实现家庭住宅的信息化。 3电子化办公带来的诸问题 人们将从笔、纸等传统文具、手工抄写文件、建立档案、口头或纸张发送通知等工作方式转换为电脑打字、印刷、计算机存档、网络发布信息的现代化办公手段、以图象终端为中心的电子机器大量进入办公室 人们的工作时间将主要面对计算机屏幕，这种工作方式将给人们的身体健康、思想观念和管理方式带来很大影响,20,(1)身体健康问题 长时间使用计算机的工作人员多数反映眼睛疲劳，视力下降，肩酸背痛，以及 “空调病” 等 (2)脆弱性 计算机进行计算、绘图、文件管理等操作，既方便又高效，可随时进行数据的存储、读取、追加或者删除，大大提高了工作效率；通讯手段的发达使得人们获取信息和交流变得十分方便。但是这种现代化的工作方式和手段对于设备、电源的依赖性过强，一旦发生停电、计算机或网络故障等问题，即使时间很短，也会造成办公功能的全部瘫痪，这就是所谓现代化社会的“脆弱性” (3)人际关系日益冷淡 现代化办公室内的工作人员，各自面对计算机进行工作的时间日益增多，同僚之间的直接对话与交流日益减少，人际关系会发生疏远、淡漠等现象。,21,2 智能化材料 (Intelligent material),在建筑领域，借助于电子化设备可以将建筑物装配成智能建筑物。然而，这种智能化并非来自于构成建筑物的材料本身。 建筑物遭受的破坏通常不能预先为人们所知，给居住者带来不安全的因素，同时也难以有针对性地、及时地对接近破坏的部位进行必要的维修和保养。 智能化材料正是以建筑物的寿命预知和安全对策为目的开始研究的。 日本东京大学的武藤范雄先生、柳田博明先生、清水建设的杉田稔先生等研究者从1992年起即开始进行智能化材料的开发研究工作，并取得了初步成果。1993年4月在加拿大温哥华召开的ACI春季大会上，正式确立了智能化材料这个研究领域。,22,21 智能化材料的定义,智能化材料，即材料本身具有自我诊断、预告破坏的功能；具有根据外界的作用情况进行自我调节的功能，在即将破坏时具有自我修复的功能以及可重复利用性。 自我诊断功能与预告破坏功能:当材料的内部发生某种异常变化时，材料本身能够将信息传送给人类，例如位移、变形、破坏程度、剩余寿命等，以便人们及时采取措施 自我调节功能: 材料能够根据外部荷载的大小、形状需求等，对自身的承载能力、变形性能等进行自我调整，符合外部作用的需要 自我修复功能: 具有类似于自然生物的自我生长、新陈代谢的功能，材料本身对遭受破坏或伤害的部位能够进行自我修复,23,2.2 具有自我诊断、预告破坏功能的材料,生物体的功能之一就是向外界传达自身的异常状态 目前建筑物所使用的承重材料主要有钢材、木材、石材、混凝土以及钢材和混凝土的组合材料，这些材料的弹性模量大，即刚度较大，在外力作用下的变形几乎用肉眼看不出来，多数材料在接近极限荷载则发生突然破坏，使得人们无法进行破坏前的预防。 钢筋混凝土中的钢筋缺点是腐蚀使得表面的保护层胀裂，并失去与混凝土之间的粘结力，最终使结构物遭受破坏 为了使材料具有预告破坏的功能，日本学者杉田稔根据材料的电特性对于材料截面的变化非常敏感这一性质，以纤维增强混凝土材料为对象进行了智能化研究。,24,各种纤维增强塑料的拉伸特性,25,智能化复合纤维材料,碳纤维纤维材料微小的截面变化将通过其导电性明显地反映出来。 变换点A点为碳纤维的断裂点，B点为最大荷重点。从断裂点A到最大承载点B，纤维材料还可充分保持承载力，但是通过电阻值的突变向人们预告该材料已经接近破坏。,聚丙烯腈-高弹性碳纤维,26,材料受荷载的记忆功能,对3种纤维增强材料进行加载试验同时记录其应变-残留电阻值曲线。 利用应变-残留电阻值曲线，测定该材料的残留电阻值，即能判断该材料曾经受过多大的应力，产生过多大的应变。,27,23 具有自我调整功能的材料,人的手指如果经常握笔写字或弹琴等，在手指上会生出硬茧。这说明人体的某个部位会产生局部硬化，以适应这种外力的作用，这种功能叫做“适应性硬化”。 目前，这种具有“适应性硬化”功能的建筑材料还没有研制出来。但是工业上已经将具有适应性硬化功能的材料应用于机器人、机器手等部件。 自动生产线上常用的机器手通常用柔软的橡胶材料制作，由于机器手经常用于重复性的握或磨等工作，容易在局部破损，以前是在经常受压、受磨的部位嵌入硬质材料，以解决局部破损问题，但是这种硬质材料的使用往往会影响机器手的灵敏程度。 如果采用具有适应性硬化功能的材料，则机器手就象人手一样，随着外部作用的频繁程度逐步硬化，适应客观的需要,(1)能够硬化的材料,28,具有适应性硬化功能的人工手指材料,在A微管内填充有不饱和聚酯树脂和硬化触媒混合物；在B微管内填充该类树脂的促硬剂。 如果该人工手指的某个部位经常受到挤压或摩擦，相当于握笔写字或抓握东西，则相当于在局部施加压力，如图88(b)所示，则该部位内的微管在外力作用下破裂，A、B两种微管内的树脂液和促硬剂混合而发生硬化，即如图88(c)所示,29,(2)软硬可变的材料,可制作出形状可变的弹性机械或建筑构件, 既方便使用，又能够节省大量空间和资源。 例如，大型卡车的车厢如果其形状是可变的，就可以解决前后轮内轮差过大的问题，弯曲的隧道、桥梁以及道路也就不需要开拓过多的剩余宽度，可减小建设量； 土木、建筑工程中的临时设施、抢修材料及构件，例如脚手架、大坝临时增高材料、临时性桥梁等，如果采用软硬可变的材料制造，则在不用时可以用较小的车间保存、使用时恢复正常的刚度，方便使用，又可减轻大量库存压力。,30,软硬可变材料的开发构想,如图89所示一根圆形截面的棒材，是将若干根很细的弹性管结成一束，外部用很强的薄膜包起来组成的构件，一端封闭、另一端与加压源连接。加压源由液体贮存器、激励器(泵)及感知器构成。,今后的研究方问是如何将这种构思在材料的微观组织内得以实现，制造出就像海洋中的海绵质体一样的材料，体内充满液体变硬，反之则变软，而且这种变化的感知系统来自于体内,31,(3)刚度呈阶段性变化的材料,建筑设计中总是以最大荷载、最苛刻的环境条件作为设计的依据，才能保证安全，但造成强度浪费 研究者构想出刚度呈阶段性变化的材料，即根据外部因素作用的情况，材料或构件调整自身的刚度。,荷载传递到内侧钢管上， 外侧钢管不承受荷载， 复合钢管的总体抗弯刚度：,t: 钢管厚度 d1: 直径,32,分别在管1和管2上施加正、负电压(如果