自适应结构减少了建筑物的碳足迹

EPFL的科学家们开发了新的方法来设计和控制能够自动适应载荷的土木结构。目的是减少建筑部门对环境的影响。为了应对当前的环境挑战，建筑业必须找到新的建筑方式。ENAC应用计算和力学实验室(IMAC)的科学家，研究项目负责人Gennaro Senatore说：“建筑业是最大的原材料消费国，占全球能源需求的三分之一以上。” “在整个使用寿命期间，内置环境最多可导致总CO 2排放的40-50%。”

如此高的数字部分是由于应用于大多数土木工程结构的传统设计实践。土木结构通常旨在承受最坏的载荷事件，而这种载荷在实践中很少发生：强风，地震，暴风雪和大人群。

解决方案在于自适应结构，该结构能够适应以确保在变化的负载条件下满足强度和可维护性要求。Senatore解释说：“自适应结构可以在接近设计极限的条件下运行，这意味着它们可以比传统的被动结构更好地工作，并且更具可持续性。”

在这项工作中采用的设计标准是使结构的整个生命周期的能量需求最小化，其中包括用于操作的能量，例如用于服务期间的感测，控制和致动的能量，以及用于材料和建筑的能量，即体现的能量。

通过形状控制适应不断变化的载荷条件

为了确定其设计方法和控制优化系统的可行性，IMAC团队开发了一个以人行天桥形式的原型。它可以被动地承受普通负载，并且如果负载增加到某个激活阈值以上，则结构可以通过形状变化适应最佳配置。

Prabhata Reksowardojo说：“每个结构元件都装有应变传感器，并且光学跟踪系统监视结构运动。已经采用机器学习来提高所施加载荷位置和强度的检测精度。”成功捍卫了他的博士学位 几天前与此项目有关的论文。“控制单元处理从传感器接收的信息，并命令执行器伸展和收缩，从而将结构控制为最佳形状，该形状随外部负载的变化而变化。”

如果断电怎么办?Senatore解释说：“该结构不会塌陷，因为即使在没有主动系统参与的情况下，它也具有足够的承载能力。但是，可能会超出诸如挠度之类的可使用性极限。”

较小的体现的能量和质量

行人天桥长6.6 m，宽1 m，深仅16 cm。Reksowardojo说：“它的结构非常细长，跨度与深度之比是传统结构的三倍。” 该比率指示无源结构在负载下的行为。比率越高，结构变形就越多，就像在我们手中弯曲的塑料尺一样。取而代之的是，通过主动控制来减少挠度的能力可以实现新型结构，例如超细长的自适应建筑物和桥梁。

Reksowardojo说：“该结构的设计旨在通过形状控制来抵消载荷的影响。” 使IMAC结构具有创新性的部分原因在于，它可以通过大型形状重新配置来适应载荷。这种结构调整会导致在强载荷事件下应力的均匀化，非受控状态和受控状态之间的平均应力会大幅降低(最高37%)。因此，由于能够在负载下改变形状，该结构需要较小的质量和所体现的能量。

高影响力

自适应结构为工程结构提供了刚度控制设计的替代方法。精心设计的自适应结构在满足安全关键要求的同时，所需的材料和能源也大大减少。当结构设计受强而罕见的载荷(例如暴风雨)支配时，自适应结构特别适合。高层和苗条的建筑尤其可以从这种方法中受益，这为城市规划人员提供了一个吸引人的选择，可以优化高密度城市的空间。

Senatore说：“研究表明，用这种方法生产的结构可节省多达70%的实际能耗，但要消耗一定量的运行能量。” “通过用较小的运营份额代替较大的实际份额来推迟能源使用，有助于进一步减少温室气体排放，因为随着技术的进步，未来能源生产的碳足迹可能会减少。”

“低这种组合的能量需求以及超纤细的设计是结构工程独特，从而创造建筑环境和整个社会的高冲击的潜力，”塞纳托雷说。

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