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建筑智能材料：机遇与挑战

什么是智能材料？智能材料是近年来出现的创新材料，与传统材料相比，可为多个行业带来好处。智能材料的其他名称包括智能材料、自适应材料和活性材料。智能材料，与几个世纪以来在建筑等领域使用的传统材料的主要区别在于，其对环境变化和输入的响应能力。输入可以包括机械应变、磁场或电场的变化、温度、pH值、光和湿度。智能材料根据其响应的输入类型和输出类型进行分类。这些包括形状记忆合金、磁致伸缩材料、压电材料、电流变流体和电致变色材料。许多都是近几十年来发展起来的。建筑应用由于21世纪不断发展的建筑行业面临的主要挑战，在过去十年中，人们对智能材料的兴趣不断增长。目前，有几个创新研究领域生产新材料，这些材料可能会在不久的将来从根本上改变建筑物的建造方式。智能混凝土是混凝土和碳纤维的复合材料，可以检测微小的结构缺陷，并且与传统混凝土相比具有更高的强度。这种材料的电导性可以在加载和卸载过程中发生变化，从而增强其电导性。智能混凝土已被探索用于电磁屏蔽和道路应用，其可以用作智能交通传感器来监控人行道上的车辆流量和数量。此外，智能混凝土还可用于高速公路等基础设施，通过通电来融化积雪。智能材料已在建筑健康监测、振动控制、安全和降噪等领域得到应用。其用于提高居民和资产的效率和舒适度。嵌入式光纤已被探索用于海洋和铁路运输的应变监测。具有超弹性的智能材料可以用作加固元件来修复混凝土开裂。嵌入式光纤和智能材料可用于桥梁和海上石油钻井平台等关键基础设施，以监测问题区域并确保保持结构完整性。智能桥梁可以使用这些创新材料来建造，只需要较少的维护，因为其可以避免振动和环境压力（如风或地震事件）的最坏影响。在这些建筑中，可以更好地监测和评估反应。主要挑战虽然这是建筑行业中一个令人兴奋的创新领域，但在智能材料的广泛利用得到充分实现之前，前面的道路上仍然存在许多挑战。在建设成本、政府政策、维护、审批时间、系统优化、缺乏共识以及代表行业主要参与者不愿充分发挥智能材料潜力等方面存在一些障碍。近年来，对智能建筑的定义进行了几项研究，暴露出对这个定义应该是什么缺乏共识。缺乏影响智能建筑范围的普遍接受的具体标准。与此相关，根据Ghansah和Yang的研究，新材料、技术和方法的使用增加了智能建筑项目的复杂性。因此，这会导致更高的成本和更大的培训需求。此外，由于智能建筑的独特性和特点，可能需要更改设计。这也包括在项目设计过程中可能出现的不可预见的情况。用户期望与建筑元素设计之间也存在关系。这些期望，如舒适度、安全性、健康以及环境问题和好处，需要在项目设计期间进行管理。此外，必须考虑所有者的需求，例如投资回报率和成本最小化。由于多种因素，智能建筑项目的成本可能远远高于传统建筑，尽管一旦安装，智能系统和材料就可以提供潜在的长期成本节约。必须平衡这些成本，以确保最佳的成本效益。从2022年开始的研究发现，使用智能材料和建设智能建筑的主要障碍是政府政策。由于其固有的官僚主义，监管体系并不以促进创新和竞争力而闻名，有时会以相对缓慢的速度发展。与智能建筑概念相关的是智慧城市，其汇集了众多工业4.0技术和新的思维方式，以构成一个高效的城市地区，改善居民的生活。为了充分实现智慧城市的概念，政府政策必须集中于不断变化的智能基础设施管理领域，而这在一些关键方面迄今还有所欠缺。智能建筑在很大程度上是在没有必要的智能基础设施的情况下建造的，限制了该地区的潜力。再加上建筑行业对改变传统工作方式的抵制，这种做法并不以广泛培育创新而闻名。可以看出，如果智能材料要想在全球范围内得到应用，必须克服许多关键的建筑挑战。迈向建筑智能材料的未来智能材料和系统可以帮助建造更坚固、更耐用的建筑，提供实时监测机械应变、环境变化以及居住者的舒适度和安全性。这些好处对单个建筑和更广泛的智慧城市概念的重要性怎么强调都不为过。尽管存在一些障碍，但这些先进和创新材料在建筑行业的应用，为未来的城市设计和基础设施项目提供了巨大的潜力。随着社会不断发展以应对人口增长、快速城市化、气候变化和不断变化的消费者期望等关键问题，建筑行业也必须如此。如果开发和部署得当，智能材料可以帮助满足全球范围内的这些需求。