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    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)算與力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（IMAC）的科學(xué)家、該研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Gennaro Senatore說(shuō)：“建筑業(yè)是原材料的最大消費(fèi)國(guó)，占全球能源需求的三分之一以上。”建筑環(huán)境在其整個(gè)使用壽命中造成了高達(dá)40-50%的總二氧化碳排放量。”

這一數(shù)字之所以如此之高，部分原因在于大多數(shù)土木工程結(jié)構(gòu)都采用了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。土木結(jié)構(gòu)通常被設(shè)計(jì)成能夠承受最壞情況下的荷載事件，這些事件實(shí)際上很少發(fā)生：強(qiáng)風(fēng)、地震、暴風(fēng)雪和大量人群。

    解決方案在于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)變化的荷載條件，以確保滿(mǎn)足強(qiáng)度和可用性要求。”自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可以在接近設(shè)計(jì)極限的情況下運(yùn)行，這意味著它們可以比傳統(tǒng)被動(dòng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得更好、更可持續(xù)，”Senatore解釋道。

    本工作采用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是將結(jié)構(gòu)的全壽命能量需求最小化，其中包括操作所用的能量，例如在服務(wù)期間用于傳感、控制和驅(qū)動(dòng)的能量，以及用于材料和建筑的能量，稱(chēng)為內(nèi)含能源。

    通過(guò)形狀控制來(lái)適應(yīng)不斷變化的載荷條件

    為了驗(yàn)證其設(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?yàn)樾问降臉訖C(jī)。它可以被動(dòng)地承受普通載荷，當(dāng)載荷增加到一定的激活閾值以上時(shí)，結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)改變形狀來(lái)適應(yīng)最佳結(jié)構(gòu)。

    控制系統(tǒng)包括一系列傳感器、控制單元和執(zhí)行器。”每個(gè)結(jié)構(gòu)單元都裝有應(yīng)變傳感器和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。“機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)被用來(lái)提高應(yīng)用負(fù)載位置和強(qiáng)度的檢測(cè)精度，”IMAC的博士助理Arka Prabhata Reksowardojo說(shuō)，他幾天前成功地為與該項(xiàng)目相關(guān)的博士論文進(jìn)行了辯護(hù)。”控制單元處理從傳感器接收到的信息，并命令執(zhí)行器伸展和收縮，從而將結(jié)構(gòu)控制到隨外部負(fù)載變化而變化的最佳形狀。”

    如果停電怎么辦？”結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)有足夠的承載能力，即使沒(méi)有主動(dòng)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。然而，正常使用的極限，例如撓度，可能會(huì)被超過(guò)，”Senatore解釋道

較小的內(nèi)含能量和質(zhì)量

    這座人行天橋長(zhǎng)6.6米，寬1米，只有16厘米深。”它有一個(gè)非常纖細(xì)的結(jié)構(gòu)，跨度和深度比是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的三倍，”Reksowardojo說(shuō)。這個(gè)比率表明了被動(dòng)結(jié)構(gòu)在荷載作用下的行為。比率越高，結(jié)構(gòu)就越像塑料尺在我們手中彎曲變形。相反，通過(guò)主動(dòng)控制減少撓度的能力使新型結(jié)構(gòu)，如超長(zhǎng)自適應(yīng)建筑和橋梁成為可能。

    Reksowardojo說(shuō)：“設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)形狀控制來(lái)抵消荷載的影響。”。IMAC結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的部分原因在于它可以通過(guò)大的形狀重構(gòu)來(lái)適應(yīng)負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)導(dǎo)致在強(qiáng)荷載作用下應(yīng)力的均勻化，非控制狀態(tài)和受控狀態(tài)之間的平均應(yīng)力顯著降低（高達(dá)37%）。因此，由于結(jié)構(gòu)能夠在荷載作用下改變形狀，因此需要較小的質(zhì)量和內(nèi)含能量。

高沖擊潛力

    自適應(yīng)結(jié)構(gòu)為工程結(jié)構(gòu)的剛度控制設(shè)計(jì)提供了一種替代方案。設(shè)計(jì)良好的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足安全關(guān)鍵要求的同時(shí)，所需的材料和能源資源要少得多。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由強(qiáng)而罕見(jiàn)的荷載（如暴風(fēng)雪）控制時(shí)，自適應(yīng)結(jié)構(gòu)尤其適用。高層建筑和細(xì)長(zhǎng)建筑尤其能從中受益，為城市規(guī)劃者在高密度城市中優(yōu)化空間提供了一個(gè)有吸引力的選擇。

    Senatore說(shuō)：“研究表明，用這種方法生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)物，在消耗一定數(shù)量的操作能量的情況下，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)70%的節(jié)能效果。”由于技術(shù)進(jìn)步，未來(lái)能源生產(chǎn)的碳足跡可能會(huì)減少，因此，通過(guò)用較小的運(yùn)營(yíng)份額取代較大的具體份額來(lái)推遲能源使用，有助于進(jìn)一步減少溫室氣體排放。”

Senatore說(shuō)：“這種低能耗和超薄設(shè)計(jì)的結(jié)合在結(jié)構(gòu)工程中是獨(dú)一無(wú)二的，從而為建筑環(huán)境和整個(gè)社會(huì)創(chuàng)造了巨大的影響潛力。”。