智能与高效的体现:自适应建筑模型

对于每个工程师来说，尤其是建筑设计方面，追求完美的设计是每个工程师的职业信仰,也是对于公众和社会的责任与义务的体现。比如加拿大的工程师们流行戴“工程师之戒(Iron Ring，又译作铁戒，耻辱之戒)”，今天以建筑结构设计为例向大家介绍一种新颖的想法：自适应建筑模型。

首先我们都清楚建筑在设计时都会有一定的承重考虑，但是实际上很多建筑并不经常使用或者处于承重状态。比如大型的体育场馆每年举办赛事的场数是一定的，每年大概的使用时间是20到30天，每次聚集观众的时间大概几个小时，也就是说大部分时间的闲置的。下图是建筑所需能量的曲线图：

图1：建筑模型与所需能量的关系

首先是建筑材料和搭建的能量，我们称为“内含能（embodied energy）”，另一种是建筑操作的能量，我们称为“运行能（operational energy）”，对于传统建筑而言几乎都是被动建筑，蕴含的都是“内含能”，但是太灵活的设计可靠性不足，因此我们需要实现两者之间的最优点。

来自伦敦大学建筑结构实验室的Gennaro Senatore设计了一个自适应结构模型，它是一个6米长的悬空桁架，主要集成了10个电子制动器、45个应变计传感器和5个驱动板卡，这个系统能够自动检测承重，比如我们在一端放置100kg的物体，在制动器没有激活的情况下，桁架弯曲下降的幅度大约是170mm，当我们而制动器充能，下降的幅度大约只有2mm，这其实就是自适应结构灵活性的一种体现。

图2：制动器未激活（a）和激活（b）状态下承重效果对比

这个自适应模型系统的控制系统采用的是NI CompactRIO cRIO-9024控制器，集成的是Xilinx Virtex-5 FPGA器件，提供丰富的可重配置I/O接口，是嵌入式实时类检测与控制应用的理想选择，外设通信接口包括2个以太网接口、1个USB2.0接口和1个串口。对于大型建筑而言可能就需要设计更多的子系统，所有的控制和数据通信需要通过网络，这也是工业物联网（IIoT）涉足建筑设计的一个切入点。该项目在2017 NI工程技术峰会期间获得了工业机械和控制类别最具影响力奖项。