土木类专业解读：建筑电气与智能化

一、建筑电气与智能化专业是什么？

建筑电气与智能化主要研究建筑物理环境和环境控制系统的基本知识，进行建筑设备系统的设计、调试和运行管理等方面的技能训练，实现室内环境设备和公共设施系统智能化。例如：楼道内光感声控的照明灯的设计，室内温度自动调节系统的研发，电力系统超负荷自动断电的设计等。

建筑电气与智能化属于土木类专业，基本修业年限为四年，授予工学学士学位。该专业要求学生具有建筑电气与智能化领域的基础理论、基本知识和基本技能，掌握电工电子技术、控制理论及技术、智能建筑环境学、网络与通信技术、建筑供配电与照明、建筑电气控制技术、建筑设备自动化、建筑物信息设施系统、公共安全技术、节能与新能源技术等专业知识，能够在建筑行业从事建筑电气和智能化领域的设计、安装、调试、运行、监理和管理等方面工作的应用型工程技术人才。

二、建筑电气与智能化专业学什么？

示例一（沈阳建筑大学）：电路、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电机与拖动、微机原理及接口技术、自动控制原理、数据通信与计算机网络、检测技术与智能仪表、土木工程概论、计算机控制技术、建筑智能环境学、通信网络工程、建筑设备自动化、建筑智能化系统集成技术等。

示例二（扬州大学）：电路分析基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、测试技术、自动控制原理、供配电工程、电力电子技术、建筑电气控制及可编程控制器、建筑电气照明技术、建筑视听系统、电梯控制技术、楼宇自动化技术、通讯与计算机网络技术等。

示例三（南京工程学院）：电路、电机学、工程电磁场、电子技术、电力电子技术、自动控制原理、微机原理及应用、高级语言程序设计、建筑供配电系统、建筑学基础、建筑电气设备概论、电梯控制技术、楼宇智能化系统、PLC技术与应用、建筑消防工程与监控系统、建筑智能化系统集成技术、电气工程施工与预算等。

示例四（东莞城市学院）：电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、建筑概论、微机原理与接口技术、计算机网络、传感器与检测技术、自动控制理论、建筑物信息设施系统、控制网络与应用、建筑设备自动化、建筑供配电与照明技术、智能建筑环境学、自动控制系统（含过程控制）、计算机控制技术等。

示例五（西安建筑科技大学）：大学外语、高等数学、大学物理、电路理论、微机原理与接口技术、建筑设备自动化、智能建筑环境学、建筑供配电及照明技术、综合布线、建筑电气施工与概预算、自动控制原理（含现代控制理论）、建筑物联网技术、运动控制与过程控制、智能建筑通信与网络工程、建筑安防与消防工程、计算机控制技术、现场总线与工业控制网络。

示例六（安徽建筑大学）：程序设计基础、电路、建筑设备、建筑智能环境学、自动控制原理、电子技术基础、计算机原理及应用、网络与通信基础、建筑电气控制技术、建筑供配电与照明、建筑设备自动化、建筑信息设施系统、公共安全技术、建筑电气工程设计、电气施工、智能化系统设计与集成、智能化工程管理、建筑组态技术、建筑节能技术、建筑物联网技术、BIM电气设计与创新等。

三、建筑电气与智能化专业干什么？

建筑电气与智能化专业学生毕业后，可在建筑设计、工业设计、建筑施工、消防、监理、建筑科研等单位从事建筑电气（含供配电、照明、消防、有线电视）设计、安全防范系统设计、楼宇自动化系统设计、电气工程预决算、建筑工程招投标、电气施工与管理、智能设备的维护与调试、智能楼宇管理等方面的工作，也可从事智能建筑相关的科学研究工作。

用于岩土和土木工程的电子纺织品小析

电子纺织品是一种在岩土工程和土木工程领域广泛应用的材料，其为智能多功能材料带来了全新的可能性。这些材料巧妙地结合了纺织品的柔软，以及可塑性与电子技术的功能，从而能够改善土木结构和地质工程的性能与监测能力。

技术纺织品与砖石结构的抗震加固

利用技术纺织品对砖石结构进行抗震加固被认为是一种有效的方法，尤其适用于历史建筑。这些纺织品能够增加结构的延性，提高其在地震中承受动态荷载的能力。

目前存在两种主要的加固策略，即加固带和全覆盖纺织品。

首先，加固带通常采用网格状或交叉模式制作，许多国家的建筑法规都要求使用加固带。

加固带通常由高强度、高刚度的材料（如碳纤维）制成，旨在沿着其长度承载荷载，并通过树脂（如环氧树脂）与基础结构形成牢固的粘结。

另一种策略是采用宽面或全覆盖纺织品，使用双轴或多轴纺织品结构来在多个方向上承载荷载。虽然这种策略在研究项目中还不常见，但正在不断发展当中。

全覆盖解决方案使用低成本的柔性高强度纤维织物，通过提高结构的延性来耗散能量。因此，全覆盖解决方案采用环氧灰浆覆盖纺织品，形成纺织复合材料与基础结构相结合。

在这种应用中，通常使用编织结构的纺织品。

相较于编织织物，非编织织物（NCFs）采用一种独特的纺织结构，表现出卓越的机械性能（强度）。其构造由纵向排列的长纤维层或多层组成，并通过次要的非结构线固定在一起。

通过缝合过程，可以实现多种纤维方向，超越了传统编织织物的限制。

NCFs具有沿不同纱线方向的定向强度特性，在高性能应用中具有很大优势。此外，它们可以利用多个方向实现准各向异性增强，对于主要受载方向未知的应用非常有益。

通过定制纤维结构，可以实现更优化的性能，进而实现重量和成本的节约。

因为非编织织物（NCF）没有褶皱，所以非常适合嵌入光学传感器纤维。这样做可以降低光纤弯曲和光信号损失的风险，确保传感器的正常运行。

与传统编织结构相比，NCF能够通过将多层材料缝合在一起，制造出所需厚度的织物。

这种织物可以包括嵌入在0°方向上的光学传感器纤维。因此，只需一种织物就能够达到所需的功能。此外，缝合设计可以使织物保持稳定，即使是开放结构。

图1展示了意大利Selcom Multiaxial Technology生产的三种NCF纺织品的示例。

图1

图1a是双轴结构，纬向为碳纤维，经向为玻璃纤维。图1b是三轴结构，纤维按±45°和90°排列。图1c是四轴混合织物，纤维方向为±45°/0°/90°，适合与流动性更高的树脂结合使用。

在图2中展示了一种用于加固砖石墙壁的NCF结构，其中嵌入了光学传感器。

图2

这些纺织品经过STFI进行设计和优化，并在卡尔斯鲁厄理工学院进行了120多次墙体测试，以评估其在各种荷载条件和不同灰浆类型下的性能。

在制造这些结构的过程中，质量检查是非常重要的，并且在最终交付给客户之前进行。质量检查使用了类似于现场传感器测试的设备，用于验证嵌入在结构中的传感器的完整性，就像图3所示的那样。

图3

土工织物和土工格栅

土工布是一种用于各种地质技术应用的织物，包括道路和铁路路堤、土堤和海岸防护结构。

这些织物被设计用于多种基本功能，如过滤、排水、土壤层分离、加固和稳定，因此土工布应用本质上是多功能的。

为了满足预期应用的严格要求，即经济性和耐久性，土工布通常采用塑料材料制造。

最常用的塑料材料包括聚丙烯和聚酯，但也会使用其他材料，如聚乙烯、聚酰胺（尼龙）、聚偏二氯乙烯，甚至玻璃纤维（用于道路基底）。

土工布的缝纫线通常由上述任何一种聚合物制成。选择合适的缝纫线材料对于确保土工布的性能和耐久性非常重要，因为它需要与土工布的织物材料具有良好的相容性和相似的性能特点。

通过使用相同类型的聚合物材料制造缝纫线，可以确保在使用过程中缝线与土工布的织物部分之间具有良好的粘合和结合。

这有助于提高土工布的强度和稳定性，确保其在各种地质技术应用中的有效性和耐久性。

通过利用经编织技术构造土工布，可以更容易地加入加固和传感器，从而为多功能土工布（MFGs）的设计创造新的机会。

图4展示了意大利Alpe Adria Textil生产的一个MFG产品的示例。在这个特定的例子中，土工布结构是一个网格，由0°方向的经纱和90°方向的纬纱组成。

图4

此外，经纱具有显著比纬纱更高的线密度，是织物的主要承载组件。沿经纱方向排列的传感纤维被纳入结构中，不仅起到支撑作用，还保护它们免受外部环境的影响。

嵌入智能纺织品的传感器

智能纺织系统被描述为在其周围环境发生变化或接收到外部信号时能够产生预期且可利用反应的纺织系统。从这个定义可以看出，智能纺织品的一个显著特点就是它们具备感知能力。

在过去的十年里，各个领域如生物医学、建筑、远程辅助、体育和健身等，已经开发出了许多创新的智能纺织品监测系统，其中利用内嵌传感器的智能纺织品得到了广泛应用。

尤其是在建筑领域，特别是土木工程和地质技术应用中，将光纤传感器整合到功能增强的技术纺织结构中，引起了科学研究的高度关注。

光纤传感器在土木工程应用中具有多个优势。它们本身具备安全性，不导电，重量轻，对电磁辐射不敏感。且在面对恶劣的环境时，它们非常坚固，并且可以轻松地融入纺织结构中。

光纤传感器可以测量各种物理参数或功能，如应变、应力、负荷、温度、位移、pH值、裂纹检测和压力，使其非常适合用于结构健康监测（SHM）应用。

光纤传感器可以按照其感测位置的不同进行广义分类，分为内部和外部光纤传感器。

外部传感器仅仅是使用光纤作为将光传输到（和从）外部光学设备进行感测的工具。相反，内部传感器受到干扰，从而改变光纤内部的某些特性。

光纤传感器的工作原理可以分为四类：强度调制、相位调制、偏振调制和波长调制。在每种情况下，要感知的物理参数或效应都会调制传感光纤的传输特性。

智能纺织品已经在各个领域找到了广泛的应用，其中聚合物光纤（POF）传感器在土木工程方面显示出了极高的适用性。这些传感器结合了弹性和坚固性的独特特点。

POF传感器采用光时域反射技术（OTDR），其主要优势在于能够广泛测量应变范围，超过40%。然而，测量长度受到限制，通常在几百米内。

因此，这些传感器特别适用于检测长度最多为几百米的结构中的高应变情况。空间分辨率在20厘米到1米之间变化，具体取决于待测事件的距离。

这种传感器类型的典型应用包括监测边坡、堤坝、路堤、砖石结构等机械变形情况。

在光纤长度约为100米的范围内，通常采用标准聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）POF进行分布式应变检测。这些光纤的衰减相对较高，约为150 dB/km，并且具有直径可达1毫米的大芯径。

它们表现出高度的变形敏感性、强大的耐久性和出色的变形能力，并且由于其广阔的内核尺寸和数值孔径，连接起来十分便捷。

最近，基于聚（全氟丁基乙烯醚）（也称为CYTOP）的低损耗全氟化（PF）渐变折射率（GI）POF类型已经开发出来，实现了更高的空间分辨率测量和扩展的测量长度达到500米。

POF传感器具有与纺织机械兼容的优点，可以在制造纺织品结构（例如多轴织物）的过程中实现无缝集成。

光时域反射技术（OTDR）是一项在电信行业广泛使用的技术，用于故障分析和基于散射的光纤传感器。近来，该技术已被应用于多模标准POF，以实现应变传感应用。

尽管光纤芯的尺寸较大导致了明显的模态色散，但在结构健康监测（SHM）应用中已经取得了令人鼓舞的成果。在这种情况下，OTDR传感器利用在光纤的一端发射短脉冲光，然后监测光纤中的回波光信号。

记录回波信号随时间的变化，并将其转换为距离测量结果。当光纤长度中存在应变或缺陷等扰动时，这些扰动会导致相应位置处的回波信号损失或峰值反射，从而进行检测和定位。

智能多功能技术纺织品

POLYTECT（授权协议NMP2-CT-2006-026789）是一个由欧盟资助的大型合作项目，旨在通过工业生产多功能技术纺织品，为岩土工程和砖石应用提供加固和监测能力。

纺织材料在建筑领域得到广泛运用，它们在砖石应用中的重要性不断增加。这是因为纺织品提供了一种无侵入的加固技术，能够为结构（无论是已经受损还是完好无损）提供支撑。

常见的应用场景包括局部裂缝修复、关键墙体的强化以及对现有柱子进行包裹。在岩土工程和砖石应用中，纺织材料能够提高结构在使用条件下的性能，并为地震、滑坡、事故或其他突发加载条件下的结构提供保护。

在纺织材料中嵌入不同类型的传感器具有几个重要的优势，尤其是在进行结构健康监测方面。这些传感器可以测量事件发生之前或之后的数据，从而帮助采取预防措施或评估结构的状态。

通过随时间的推移进行测量，可以追踪结构性能的变化，以便在适当的时候进行维护和修复措施的启动。

总结而言，POLYTECT项目主要取得了以下成果：

首先，该项目开发了一系列新颖的传感器，其中包括光纤传感器、压电传感器、化学传感器以及敏感纺织纤维（涂层）。这些传感器的研发不仅突破了传统传感技术的限制，而且在性能和灵敏度上都有了显著的提升。

其次，该项目研发了先进的传感器询问系统和数据处理技术，使得传感器能够高效地采集数据，并进行准确的分析和处理。这项技术的创新为实时监测和控制系统提供了可靠的基础。

此外，POLYTECT项目还成功开发了基于纳米颗粒的砂浆和胶粘剂。这种新型材料不仅具有优异的黏结性能，还具备出色的耐久性和适应性，为建筑和工程领域的应用提供了更广阔的可能性。

该项目还将传感器集成到经编纺织品中，包括二维和绳状结构，用于岩土工程和砖石应用。通过这种集成，传感器可以实现与结构紧密的连接，并能够实时监测和评估其性能和健康状况。

最后，POLYTECT项目引入了一种多功能纺织品，广泛应用于建筑领域。这些纺织品在砖石结构中起到了至关重要的作用，不仅增加了结构的韧性和强度，还能够监测多种参数，如应力、变形、加速度、水位变化和孔压等。

除此之外，这些纺织品还能够探测液体和化学物质的存在，采用创新的解决方案进行结构健康测量。这种多功能纺织品为建筑结构的设计、监测和维护提供了全新的途径。

它们能够以全方位的方式提供关键信息，帮助工程师和维护人员更好地了解结构的状况，并及时采取必要的措施，确保结构的安全性和可靠性。

在这个项目中，尽管研究和开发了各种类型的传感器和解决方案，但其中最引人注目，且值得深入研究的成果是其开发了一种名为“地震壁纸” 的智能复合材料的概念，用于加固、强化、监测和管理易受地震影响的土木基础设施。

在这个概念中，使用的是多轴纺织结构、玻璃、聚合物或混合纺织品等材料，而不是价格昂贵且并非适用于所有应用的碳纤维材料。

为了增强纺织品与砂浆的粘结界面，必须在碱性环境（水泥砂浆）中对纺织品进行涂层处理。然后，使用砂浆化合物将纺织品应用于建筑结构。

这种复合地震壁纸被设计成一种全覆盖或大面积加固解决方案，用于加固未加固的砖石建筑和结构。（图5）

图5

也就是说，即使在出现裂缝后，这种复合壁纸可以保持脆弱和易塌陷的墙壁连接。这些复合材料还内置了传感器，可以在地震发生之前、期间和之后进行测量。

工程师可以利用这些数据来操控新建筑的结构，评估和量化强化措施的效益，并协助长期管理建筑物。就地震壁纸的组件来说，包括外部砂浆保护层、防腐蚀涂层、纤维增强层、传感器和砂浆衬垫。

通过这些组件的协同作用，工程师能够更好地了解和控制建筑结构在地震中的行为，从而采取适当的措施来保护人们的生命和财产安全。

这些地震壁纸可以覆盖在现有结构上，也可以直接应用于新建筑，提供全面的加固和监测解决方案，以增加建筑的抗震性能并评估结构的健康状况。

综上所述，这些电子、智能多功能技术的纺织品，不仅能够携带和传输关于嵌入结构状态的信息，还具备传感器和通信能力，甚至可以具备自修复的特性。

然而，要充分实现这些潜力，人们仍然需要解决一些技术整合、标准制定和商业模式等方面的挑战，以促进电子纺织品在市场上的应用和推广。

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