超高層建筑新材料的選擇及其在節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

許忱

摘要：在科學(xué)利用城市空間，塑造良好城市形象中超高層建筑發(fā)揮了重要作用，這也是其它普通建筑不能比擬的。正是這樣，我國(guó)近些年來(lái)出現(xiàn)大量該類型建筑，不僅推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還相應(yīng)擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。同時(shí)，新材料與新工藝的出現(xiàn)也一定程度強(qiáng)化了建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)。本文針對(duì)超高層建筑，提出了選擇新材料與節(jié)能設(shè)計(jì)的必要性，討論了建筑設(shè)計(jì)存在的缺陷，并指出節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)用新材料的情況。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；新材料選擇；節(jié)能設(shè)計(jì)；應(yīng)用

超高層建筑已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)代化標(biāo)志，其不僅提高了城市的綜合實(shí)力，還推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，擴(kuò)大了商業(yè)活動(dòng)，節(jié)省了土地資源，因此在我國(guó)的日常生活大量出現(xiàn)了這些建筑。但是，我們必須高度關(guān)注在這部分建筑出現(xiàn)過(guò)程中注意采取節(jié)能理念及應(yīng)用新材料。只有如此，才可以有效推動(dòng)這類型建筑的健康發(fā)展。

一、選擇新材料與節(jié)能設(shè)計(jì)的必要性

在超高層建筑中鋼與混凝土是兩種最關(guān)鍵的材料，隨著不斷創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，一定程度上也改變了這些材料的功能。鋼結(jié)構(gòu)憑借較大強(qiáng)度、均勻的材料以及良好的塑性等優(yōu)勢(shì)在建筑中得到廣泛應(yīng)用。但是，利用純鋼結(jié)構(gòu)的建筑一定高度時(shí)，必將發(fā)生綜合剛性嚴(yán)重不足、抗側(cè)移能力相對(duì)較差等缺陷，即便是采取了支撐與減震系統(tǒng)，也不能防止在強(qiáng)風(fēng)與地震影響下?lián)u晃頂部。同時(shí)，這一結(jié)構(gòu)高溫性能差異問(wèn)題也是嚴(yán)重不足之處，較大程度威脅了這類建筑火災(zāi)時(shí)的人員安全，比如飛機(jī)撞擊的世貿(mào)中心，爆炸燃燒的過(guò)程中因?yàn)楦邷貛?lái)建筑物的倒塌。既然這種純鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法有效達(dá)到建筑的使用需求，則需要尋找一種高性價(jià)比的結(jié)構(gòu)材料，不僅需要解決結(jié)構(gòu)缺陷，還可以體現(xiàn)出最佳的經(jīng)濟(jì)效果。此時(shí)混凝土材料再一次出現(xiàn)，并逐步提高了自身性能，相應(yīng)強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、抗震性能等，從而使其形成更好應(yīng)用。隨著不斷增加的樓層高度，采取一般的結(jié)構(gòu)，必將需要對(duì)柱的截面積有效擴(kuò)大，產(chǎn)生抗震能力不佳的短柱。這部分尺寸較大的柱子消耗大部分空間，影響了利用空間效率。基于上述原因，聯(lián)系目前大力提倡的節(jié)能理念，應(yīng)不斷選擇全新材料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體系。

超高層建筑模式憑借其高效聚集的優(yōu)勢(shì)最大程度節(jié)約了土地資源，同時(shí)促進(jìn)了城市化發(fā)展速度，為居民創(chuàng)造了更多的優(yōu)秀聚集地，使其呈現(xiàn)出現(xiàn)代化特點(diǎn)，自身功能也遭遇一定約束[1]。首先就是在確保材料質(zhì)量的過(guò)程中必須滿足高度要求，設(shè)計(jì)過(guò)程中圍繞能耗節(jié)省理念，只有這樣才可以發(fā)展多元化經(jīng)濟(jì)。

二、建筑設(shè)計(jì)存在的缺陷

（一）參數(shù)控制不足

根據(jù)我國(guó)建筑建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分析，大多數(shù)單位使用的優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬能耗軟件，都不能真正反映隨高度形成的氣象參數(shù)變化特點(diǎn)，也不能合理分析沿高度改變的圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面熱交換能力差異。這就導(dǎo)致消耗能量不夠準(zhǔn)確，更無(wú)從談起節(jié)能設(shè)計(jì)配電設(shè)備。由于計(jì)算方面存在的約束，大多數(shù)施工中，在計(jì)算建筑規(guī)模中不能獲得模擬范圍，所以不能科學(xué)設(shè)計(jì)建筑自身節(jié)能[2]。

（二）材料選擇限制

我國(guó)目前在節(jié)能設(shè)計(jì)中還僅停留在一般節(jié)能上，制定這樣的目標(biāo)與我國(guó)實(shí)際發(fā)展特點(diǎn)不符。需要結(jié)合本地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，聯(lián)系我國(guó)建筑節(jié)能特點(diǎn)，才可以獲得最佳的節(jié)能設(shè)計(jì)效果。

三、節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)用新材料

（一）高性能鋼鐵

超高層建筑在二十世紀(jì)八十年末開(kāi)始出現(xiàn)，并相應(yīng)產(chǎn)生了大跨結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)建筑也對(duì)新材料的選擇應(yīng)用產(chǎn)生更高的要求，比如強(qiáng)度相對(duì)較高、低區(qū)強(qiáng)比、窄區(qū)服等具有抗震特點(diǎn)的鋼材，加工操作尺寸準(zhǔn)確，較強(qiáng)持久性的鋼鐵等。實(shí)際可以劃分為以下幾種：第一，高張力鋼，這一材料擁有較高的屈服點(diǎn)，相應(yīng)強(qiáng)化了鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)提升了抗彎水平。另外，在操作中，使鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較強(qiáng)的可焊接性。在頻繁發(fā)生地震的國(guó)家，這一材料可以提升安全性。因此也要求擁有極致的屈服點(diǎn)和抗壓能力，同時(shí)確保可塑性。第二，屈服點(diǎn)偏低的鋼材，研發(fā)與應(yīng)用這種類型的鋼材，科學(xué)應(yīng)用在擁有耐震設(shè)計(jì)要求的建筑中。可以借助隔震、抗震技術(shù)降低地震影響建筑物的程度，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性還可以適當(dāng)吸收能量，提升建筑安全水平，避免較大程度破壞結(jié)構(gòu)，因此需要在特殊位置放置這些可以吸震的材料。第三，TMCP鋼。高層化和大跨度建筑物要求其必須采取強(qiáng)度和斷面較大的鋼材，通過(guò)特殊冶煉方式，加入一定的碳元素，提升其強(qiáng)度，但對(duì)其有效增強(qiáng)的過(guò)程中，相應(yīng)也降低可焊性。為了解決這一缺陷，有關(guān)人員對(duì)TMCP結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新研究，其主要是經(jīng)過(guò)加熱處理獲得，并且應(yīng)用十分廣泛[3]。第四，SN鋼，在超高層建筑中必須使用優(yōu)良彈性與可塑性鋼，對(duì)地震有效抵抗。SN鋼正好達(dá)到這一需求，并體現(xiàn)出較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。

（二）鋼筋混凝土

為了對(duì)外墻保溫性能有效提高，以及保證屋面的熱工性能。可以使用鋼筋混凝土開(kāi)展設(shè)計(jì)。同時(shí)，綜合保溫隔熱工藝，將保溫層設(shè)置在外墻和屋面等位置，全面彰顯節(jié)能的思想。通常建筑保溫形式包括內(nèi)外保溫和自保溫。在內(nèi)部保溫中，彰顯節(jié)能效果的關(guān)鍵參數(shù)是熱橋。對(duì)此，在選擇材料過(guò)程中，可以使用混凝土粗骨料，從而有效降低傳熱系數(shù)，有效避免出現(xiàn)熱橋效應(yīng)，最大程度提升了保溫功能。

（三）鋼管混凝土

大規(guī)模應(yīng)用強(qiáng)度較大的鋼材，可以制作小且薄的構(gòu)件截面，但是這樣必定降低剛度以及發(fā)生局部屈曲。對(duì)這一問(wèn)題有效解決可以通過(guò)使用這一材料，這也是第四種結(jié)構(gòu)體系。這一體系具體是將混凝土填充在圓形或多邊形鋼管內(nèi)部使其形成柱子或鋼結(jié)構(gòu)的梁，進(jìn)一步達(dá)到較好的連接作用，體現(xiàn)出較大剛度和耐久性意義，并具有較強(qiáng)的變形能力。因此，這一體系廣泛應(yīng)用在超高層建筑中。其主要優(yōu)點(diǎn)是，在鋼管中填充混凝土，在壓力與彎度的共同影響下，橫向產(chǎn)生擴(kuò)散，進(jìn)一步遭遇橫向鋼管限制[4]。所以，需要不斷提升混凝土強(qiáng)度與變形能力。另一方面，由于填充混凝土，一定程度抑制了局部發(fā)生的屈曲。如此，混凝土柱可以有效強(qiáng)化高張力鋼的強(qiáng)度。

四、結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度驚人，在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了大量的新材料。在現(xiàn)代化建筑領(lǐng)域，必須積極創(chuàng)新，敢于使用全新的技術(shù)和材料，通過(guò)在節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)用新材料，相應(yīng)提高建筑的建設(shè)質(zhì)量。在節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)全面考慮陽(yáng)光、通風(fēng)和綠化設(shè)計(jì)影響建筑的情況，通過(guò)不斷改進(jìn)附近環(huán)境，提升利用空間視屏，幫助人類利用建筑全面結(jié)束大自然。采取現(xiàn)代化工具設(shè)計(jì)建筑能耗，從而達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐進(jìn)，羅智星.超高層建筑的綠色設(shè)計(jì)對(duì)策初探—以廣州及其周邊地區(qū)為例 [J].建筑與文化，2016（1）：65-67.

[2]張龍革，劉國(guó)霞.淺析超高層建筑新材料的選擇與節(jié)能設(shè)計(jì)[J].今日科苑，2015（12）：138.

[3]安國(guó)文.超高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)若干問(wèn)題淺析[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2015（12）：158.

[4]吳佳南.基于低碳理念的廈門(mén)地區(qū)住宅建筑方案設(shè)計(jì)研究[D].華僑大學(xué)，2015：2-6.

（作者單位：陜西中輕輕工業(yè)工程院有限公司）