超高層建筑新材料的選擇及其在節(jié)能設(shè)計中的應用

鐘 巖

(山東華邦建設(shè)集團有限公司 山東 濰坊 262500)

1 選擇新材料與節(jié)能設(shè)計的必要性

鋼和混凝土是超高層建筑中最為關(guān)鍵的兩類材料，經(jīng)過現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，兩種材料的功能也在不斷改變。鋼結(jié)構(gòu)的強度較大，材料較為均勻，塑形較好，已經(jīng)廣泛地應用于建筑行業(yè)當中。但是純鋼結(jié)構(gòu)的建筑綜合剛性不足、抗側(cè)移能力差是鋼結(jié)構(gòu)建筑的最為明顯的缺陷，即使增加了減震系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)也難以有效抵抗強風、地震等影響。同時，鋼結(jié)構(gòu)缺乏穩(wěn)定的高溫性能差異，這就增加了建筑火災安全隱患，一旦發(fā)生火災后果嚴重。在傳統(tǒng)建筑設(shè)計施工中，如果樓層高度增加，為了保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性需要擴大柱的界面劑，但是同時會導致大部分空間被消耗，對建筑空間利用效率產(chǎn)生不良影響[1]。

2 節(jié)能設(shè)計中應用新材料

2.1 高性能鋼鐵

早在20世紀八十年代末就已經(jīng)逐漸出現(xiàn)超高層建筑，大跨度結(jié)構(gòu)也隨之產(chǎn)生。超高層建筑對材料的選擇標準更高，無論是強度還是抗屈服性能方面的要求都在不斷提高。鋼材作為超高層建筑中必不可少的材料，其性能關(guān)系著建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，為此，要保證選擇的鋼材持久性強、抗震性能優(yōu)、加工尺寸準確。在具體施工中，常見的有四種高性能鋼鐵。

(1)高張力鋼。此類材料的屈服點較高，比普通鋼材的強度更高，同時抗彎水平得到顯著提升。在操作中，能夠通過焊接連接高張力鋼。此材料的安全性較好，可塑性強，屈服點和抗壓能力好，在地震多發(fā)國家有著廣泛的應用。

(2)屈服點偏低的鋼材。在超高層建筑中應用此類鋼材能夠充分發(fā)揮鋼材的抗震性能、隔震性能，有助于提高超高層建筑物抵抗地震的能力，并且可以吸收能力將超高層建筑安全水平提升，避免地震發(fā)生時對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，所以，這些吸能材料能夠防止于特殊位置。

(3)TMCP鋼。超高層建筑和大跨度的建筑對剛才的強度和斷面要求較高，為了提高其強度往往會在冶煉鋼材過程中加入一定量的碳元素，但是同時其焊接性也降低。為了將這一缺陷改善，TMCP鋼材應運而生。TMCP鋼材在使用中需要加熱處理并且其憑借著良好的強度和較大的斷面已經(jīng)廣泛地應用于超高層建筑當中。

(4)SN鋼。該鋼材憑借這自身可塑性和彈性較好在超高層建筑中應用廣泛。SN鋼材構(gòu)造的超高層建筑抵抗地震能力較強，并且經(jīng)濟性較好[2]。

2.2 保溫系統(tǒng)

合理利用鋼筋混凝土能夠達到提高外墻保溫性能和屋面熱工性能的效果。在外墻、屋面等外圍結(jié)構(gòu)中綜合應用保溫隔熱工藝可以將節(jié)能思想充分體現(xiàn)出來。一般情況下，內(nèi)外保溫和自保溫是建筑常用的保溫形式。內(nèi)部保溫中熱橋是評價節(jié)能效果的關(guān)鍵參數(shù)，為此，在保溫材料選擇過程中需要充分做好混凝土粗骨料的選擇，將導熱系數(shù)盡量降低，盡量避免熱橋效應的出現(xiàn)，將建筑結(jié)構(gòu)的保溫功能最大程度地提升。

2.3 鋼管混凝土

鋼材是現(xiàn)如今建筑行業(yè)必不可少的材料之一，為了貫徹節(jié)能理念，可以將構(gòu)件截面盡量減小減薄，但是這種方式會對鋼材剛度產(chǎn)生不良影響，在應用中可能出現(xiàn)局部屈曲的問題。利用第四種結(jié)構(gòu)體系能夠有效解決這一問題，也就是鋼管混凝土解耦股。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要是在圓形或者多邊形鋼管內(nèi)部灌注混凝土材料保證其形成穩(wěn)定、高強度的結(jié)構(gòu)，將連接效果提升，并且將剛度和耐久性提升，此結(jié)構(gòu)的抗變形能力較強，所以在超高層建筑中有著較為廣泛的應用。此結(jié)構(gòu)需要將混凝土填充到鋼管中，當鋼管混凝土受到壓力和彎度的影響，力會擴散向橫向位置，限制了橫向鋼管，所以，需要進一步將混凝土強度和變形能力提升。此外，該結(jié)構(gòu)可以將局部屈曲問題有效抑制，達到高張力鋼強度提升的效果[3]。

3 我國超高層建筑新材料在節(jié)能方面的應用

3.1 節(jié)能優(yōu)化的技術(shù)分析

建筑高度的變化必然會對新材料節(jié)能參數(shù)等相關(guān)指標產(chǎn)生一定的影響，進而對整個超高層建筑的安全性能產(chǎn)生影響，增加建筑物的整體能耗，這是不可避免的問題。當建筑高度達到一百米以上后那么基本不會發(fā)生較大的太陽輻射變化，但是其他變化較大的因素隨之出現(xiàn)，比如風、溫度。當前我國很多設(shè)計人員都無法充分對天氣變化實際規(guī)律有準確實時的反應，所以從節(jié)能角度來看，難以對建筑物周圍表面熱量交換差別進行判定，這就導致難以合理地配置制冷、配電、空調(diào)等設(shè)備。

3.2 節(jié)能設(shè)計標準的分析

當前建筑行業(yè)中節(jié)能設(shè)計標準在逐漸提高，超高層建筑物的節(jié)能設(shè)計仍然無法和普通建筑媲美。相關(guān)工作人員在設(shè)計超高層建筑過程中需要對建筑物基本條件標準進行深入考慮，比如建筑物通風、節(jié)能等，明確標準是否適用于超高層建筑物，在計算和判斷超高層建筑物所用標準時也要充分結(jié)合實際情況[4]。

4 超高層建筑新材料的應用及節(jié)能措施

某超高層建筑為商住小區(qū)，共計5座樓宇，所有建筑物均為地上32層地下一層共計33層，建筑總面積為101450m2。小區(qū)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)均為剪力墻，工程設(shè)計中選用的材料為高性能鋼材和混凝土等，具體材料應用和節(jié)能設(shè)計如下。

(1)高性能鋼的應用。工程所用鋼材包括三種，分別為高張力鋼、TMCP鋼、SN鋼。本工程采用的高張力鋼材的屈服點≥400，可以將發(fā)生局部屈曲的問題有效降低，實現(xiàn)建筑材料節(jié)約以及節(jié)能優(yōu)化的目的。TMCP鋼屈服點為490n/mm2，在設(shè)計中降低了含碳量從而增強了鋼材的可焊性，避免浪費鋼材。SN鋼共包括a、b、c三類，采用的鋼板厚度至少為490n/mm2，SN鋼材的可焊性強有著十分便捷的加工方式。

(2)鋼筋混凝土。該工程外墻采用了200mm厚度的混合砂漿、30mm厚度的保溫板、20mm厚的水泥砂漿。內(nèi)墻采用的是10mm厚的混合砂漿、10mm厚的保溫板和200mm的鋼筋混凝土墻。

(3)鋼管混凝土。該工程外墻梁部所用鋼管混凝土為200mm的厚度。

工程使用一年后評價其節(jié)能效果，發(fā)現(xiàn)不存在裂縫、變形等情況，利用率高且穩(wěn)定性強，節(jié)能效果良好[5]。

在超高層建筑中合理應用新材料并且通過合理設(shè)計能夠提高建筑物的節(jié)能效果，符合未來建筑行業(yè)發(fā)展趨勢，值得在未來進一步推廣節(jié)能新材料和新技術(shù)。