新材料在超高層建筑中的應(yīng)用及節(jié)能設(shè)計(jì)研究

鄭衍旭，黃興超

（1浙江宏通建設(shè)有限公司,浙江杭州311700；2淳安縣住房保障和房屋征收服務(wù)中心,浙江杭州311700）

作為現(xiàn)代化城市的地標(biāo)性建筑,超高層建筑往往是一座城市的象征,某種程度上已經(jīng)成為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的衡量尺度。超高層建筑既可以緩解城市用地緊張的現(xiàn)狀,充分發(fā)揮“黃金地段”土地的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,也可以為城市創(chuàng)造新的人文景觀,豐富旅游景點(diǎn),促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]。近幾十年來,我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,超高層建筑隨之在各大城市相繼涌現(xiàn),并呈現(xiàn)出如火如荼的發(fā)展勢頭,不斷影響、改變著城市的整體景觀與文明形象,典型的諸如廣州西塔（432m）、上海中心（632m）、武漢綠地中心（606m）以及深圳平安國際金融中心（648m）等[3]。

超高層建筑的建造較大程度上依賴于新材料與新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,而超高層建筑的建設(shè)需求也在客觀上不斷催生著新型建筑材料的出現(xiàn)以及相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。對(duì)于超高層建筑而言,其建設(shè)中應(yīng)用的材料主要包括三種,即鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼-砼組合結(jié)構(gòu)[4]。其中,鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震優(yōu)良以及安拆快捷等優(yōu)勢,但其防火性能較差,且綜合造價(jià)成本偏高,使其在超高層的應(yīng)用受到限制?；炷两Y(jié)構(gòu)工藝成熟,抗壓能力好,取材便捷,后期維護(hù)費(fèi)用少,且隨著其強(qiáng)度等級(jí)的不斷提升,已成為超高層建筑建造中的主要材料。但混凝土自重較大,延性較差,且所制成的構(gòu)件尺寸大,不利于建筑空間的充分利用。而鋼-混組合結(jié)構(gòu)是將鋼材與混凝土結(jié)合應(yīng)用的一種新型構(gòu)造形式,又被稱為勁性結(jié)構(gòu),其能充分發(fā)揮兩種材料的各自特性,優(yōu)勢互補(bǔ),既有很強(qiáng)的承載能力,又能使自身尺寸盡量縮減,從而騰出更多的建筑使用空間。

隨著科技水平的進(jìn)步,擁有更高性能的新型建筑材料不斷出現(xiàn)。為將新材料合理應(yīng)用于當(dāng)下的超高層建筑建造之中,在保證超高層建筑功能與使用品質(zhì)的前提下,使超高層建筑的建造過程更加綠色環(huán)保、節(jié)能節(jié)材,本文總結(jié)介紹了高張力鋼、低屈服點(diǎn)鋼材、TMCP新型鋼材和SN鋼等高性能鋼材,高性能混凝土以及鋼管混凝土等幾種現(xiàn)代化新材料的應(yīng)用特性及其現(xiàn)狀,并指出了目前我國超高層建筑在節(jié)能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的不足,提出針對(duì)性的改進(jìn)方法,以期促進(jìn)我國超高層建筑建造的可持續(xù)發(fā)展。

1 超高層建筑中的新材料應(yīng)用

1.1 高性能鋼材

目前,我國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展,工業(yè)化生產(chǎn)水平不斷提高,促使鋼結(jié)構(gòu)材料在超高層建筑中得到廣泛應(yīng)用,尤其是大型結(jié)構(gòu)件中。但同時(shí),超高層建筑造型的多樣化及使用環(huán)境的復(fù)雜化,對(duì)其中所應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)性能也不斷提出新的要求,主要體現(xiàn)在抗震性、可焊性、可塑性以及強(qiáng)度等方面。在工程實(shí)踐中,較為普遍應(yīng)用的高性能鋼主要有以下幾種。

（1）高張力鋼。高張力鋼也即所謂的高強(qiáng)度鋼,具有較高的屈服點(diǎn),且比普通鋼材強(qiáng)度更大。同時(shí),其不僅只是強(qiáng)度高,還包括優(yōu)良的韌性、焊接性、抗彎能力以及加工性等特性[5]。在實(shí)踐中,該類鋼材可允許通過焊接實(shí)現(xiàn)連接,所形成的結(jié)構(gòu)塑性好,在易發(fā)生地震的地區(qū)適用性突出。

（2）低屈服點(diǎn)鋼材（阻尼器鋼材）。在超高層建筑中,阻尼器的應(yīng)用越來越發(fā)揮出“定海神針”的作用,其能夠通過一定幅度的晃動(dòng),吸收高樓所受到的荷載力,包括強(qiáng)風(fēng)、地震等,從而使建筑本身保持穩(wěn)定。阻尼器大多采用特制鋼材制成,要求此類鋼材屈服點(diǎn)較低,在進(jìn)入塑性變形階段前即發(fā)生屈服,從而保證足夠的變形能力用以消耗外部能量。故此,低屈服點(diǎn)鋼材應(yīng)運(yùn)而生,其主要被用于制造阻尼器內(nèi)芯,也被稱為阻尼器鋼材[6]。該類鋼材的應(yīng)用能有效提升超高層建筑的抗震能力。

（3）TMCP新型鋼材。所謂TMCP,指Thermo-Mechanical Control Process,即“熱機(jī)械控制過程”。此類鋼材主要是在壓延過程中采取受控?zé)彳垼醇訜崤c壓軋）后,再實(shí)施聯(lián)機(jī)快冷工藝而成型?？炖涞倪^程可使得鋼材以位錯(cuò)形式儲(chǔ)存部分能量,提升強(qiáng)度,并可于受熱高溫條件下釋放該能量,減少淬硬性,增強(qiáng)韌性、加工性與可焊性[7]。TMCP新型鋼材憑借其優(yōu)異的強(qiáng)度與可焊性,在強(qiáng)度要求高、斷面大以及尺寸厚的場合中得到了較多應(yīng)用。

（4）SN鋼。SN鋼是一種新型的建筑用結(jié)構(gòu)鋼材。該鋼材通過特殊的工藝措施制成,顯著提升了鋼材強(qiáng)度及韌性,同時(shí)具備優(yōu)異的可焊性及抗震性,因此在超高層建筑中應(yīng)用廣泛[8]。目前,SN鋼材已經(jīng)占據(jù)日本建筑結(jié)構(gòu)用鋼的主流市場,其建造的超高層建筑適用于地震多發(fā)地區(qū),且綜合成本較低。

1.2 高性能混凝土（HPC）

隨著國家對(duì)綠色低碳理念的日益重視,超高層建筑建造過程中的綠色與節(jié)能要求也逐步提高。而高性能混凝土很好地響應(yīng)了綠色節(jié)能要求,其在配比中盡量省去水泥熟料的摻入,取而代之的是加入了更多的粉煤灰、硅灰等工業(yè)廢料,利于碳排放的減少與環(huán)境保護(hù),因此在超高層建筑中具有良好的適用性[9]。混凝土為取得高性能,最主要的途徑是在配制時(shí)摻入新型高性能減水劑與礦物質(zhì)超細(xì)粉。新型高性能減水劑的應(yīng)用可降低水灰比,使混凝土和易性及流動(dòng)性更加優(yōu)異,與此同時(shí)使塌落度進(jìn)一步提高,能保證混凝土實(shí)現(xiàn)更好的密實(shí)性。而礦物質(zhì)超細(xì)粉的加入,不僅能通過推動(dòng)水化反應(yīng),進(jìn)而提升混凝土的密實(shí)性,而且可以優(yōu)化混凝土的界面構(gòu)造,將材料孔隙盡量充填,從而提升強(qiáng)度,延長其耐久性。

高性能混凝土的準(zhǔn)確定義,目前行業(yè)內(nèi)尚未取得統(tǒng)一,但其基本特性得到廣泛共識(shí)：組分中含有高效減水劑與礦物質(zhì)細(xì)粉料；免振自密實(shí)；早期強(qiáng)度高、體積穩(wěn)定性好；在不良環(huán)境條件下長期強(qiáng)度好；韌性優(yōu)異。自發(fā)明以來,C60與C80強(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土已得到普遍實(shí)踐,如橋梁工程、船舶制造以及高層建筑等。目前,C90、C150甚至是C230強(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土也已配制成功,并在具體的工程建設(shè)中展開了局部運(yùn)用。隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的深入與發(fā)展,超高層建筑發(fā)展迅猛；而高性能混凝土憑借其優(yōu)異的綜合性能,如高強(qiáng)度與高流態(tài)、可泵送性好與密實(shí)度高等,必將在城市超高層建筑領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。

1.3 鋼管混凝土（CFT）

在超高層建筑中,高張力鋼,即高強(qiáng)度鋼材的使用,雖使得構(gòu)件在保證承載能力的前提下,自身尺寸與截面得到了有效壓縮,但隨著帶來的是局部屈曲以及剛度降低顯著等弊端。針對(duì)該缺陷問題,鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)形式可以作為解決方案之一。鋼管混凝土的截面形式多樣,既可以為方形、矩形,也可以為圓形或多邊形。其主要是通過將混凝土灌注于不同截面形狀的鋼管內(nèi)部而形成,相互協(xié)調(diào)制約,從而達(dá)到共同受載的目的。在受力機(jī)理方面,外部圍合的鋼管對(duì)其內(nèi)部的混凝土起到套箍約束效果,使混凝土三向受壓,并具備更優(yōu)異的變形性能及更高的抗壓強(qiáng)度[10]。

鋼管混凝土具備優(yōu)異的力學(xué)性能,如輕質(zhì)高強(qiáng)、延性佳、抗沖擊性好、耐疲勞等,同時(shí)在工程建設(shè)中的可操作性良好,能達(dá)到節(jié)省工期、提高效率、安裝輕便等目的。大多情況下,鋼管自身即具備橫向箍筋與縱向主筋的功能,也直接是混凝土的灌注模板,因此該結(jié)構(gòu)形式一般不再另外配筋和配模?；炷猎诠こ虘?yīng)用中,其破壞大多為脆性模式,強(qiáng)度等級(jí)越高,脆性特征越突出。這在對(duì)抗震有較高要求的超高層建筑中是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亟需改進(jìn)的問題。而采用鋼管混凝土形式,混凝土受到鋼管套箍作用,在受地震力作用時(shí)將先產(chǎn)生順鋼管的塑性變形,并呈現(xiàn)鼓曲形態(tài),破壞模式也由原先的脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?破壞前有明顯的特征,有利于結(jié)構(gòu)安全。

在超高層建筑的建造中,鋼管混凝土柱的應(yīng)用形式較為靈活,具備很強(qiáng)的替代性。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中,鋼管混凝土柱可以替代鋼柱,從而降低風(fēng)致振動(dòng)與鋼材使用量；在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中,鋼管混凝土柱可以在某些部分場合取代鋼筋混凝土柱,在避免脆性破壞問題的同時(shí),能夠減少柱體自身尺寸,拓寬結(jié)構(gòu)空間,突破超高層建筑中常規(guī)的結(jié)構(gòu)底部“胖柱”設(shè)計(jì)形式。

2 超高層建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)能參數(shù)優(yōu)化

當(dāng)前我國城市中的超高層建筑項(xiàng)目日益增多,但在前期的建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)階段存在一定的不足。在開展節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)充分考慮自然條件。區(qū)別于一般的高層建筑,超高層建筑的高空往往超過100m,其高空環(huán)境下的氣象參數(shù)存在較大的不確定性與變動(dòng)[11],但不少設(shè)計(jì)人員未對(duì)超高層建筑的高空環(huán)境與高度因素進(jìn)行全面考量,未能合理預(yù)估風(fēng)速影響、氣溫降低、太陽輻射等影響,導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)缺失或計(jì)算錯(cuò)漏情況?，F(xiàn)階段,較多的模擬軟件在測定當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境參數(shù)變化曲線方面也存在不同程度的缺陷,計(jì)算結(jié)果失真、不準(zhǔn)確現(xiàn)象較為常見。由此導(dǎo)致無法精確預(yù)估超高層建筑的表面熱交換能力,內(nèi)部的能力消耗情況也存在偏差,最終造成超高層建筑的內(nèi)部機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等存在針對(duì)性不足的問題。

顧名思義,對(duì)于超高層建筑而言,高度是其區(qū)別于常規(guī)建筑的最顯著的特征。在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將高度這一核心理念作為節(jié)能設(shè)計(jì)的首要因素,充分掌握建筑當(dāng)?shù)貐^(qū)域高空中的溫度、濕度變化特點(diǎn)以及四季氣候更替規(guī)律,正確設(shè)置模擬軟件參數(shù),從而計(jì)算得出符合客觀條件的超高層建筑環(huán)境影響曲線,以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)超高層建筑合理的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

目前,我國的超高層建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在較大的滯后現(xiàn)象,如在超高層建筑的遮陽與通風(fēng)等方面,相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范基本為空白,無法起到有效的指導(dǎo)功能。由于超高層建筑發(fā)展迅猛,且高空環(huán)境對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的影響研究未能及時(shí)取得有借鑒性的成果,導(dǎo)致常規(guī)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的適用性存在打折,其基于整體建模的能耗推斷方式也難以滿足超高層建筑龐大的參數(shù)使用需求。因此,在當(dāng)前的超高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過程中,不能一味參考目前的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)當(dāng)深入考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際自然環(huán)境條件,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用條件與計(jì)算過程做出有效判斷,明確通風(fēng)、采光、制冷以及配電等的適用性,從而保證超高層建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)質(zhì)量與使用功能。

2.3 超高層建筑的布局設(shè)計(jì)

目前,我國的超高層建筑大多是單體式設(shè)計(jì)形式,其布局設(shè)計(jì)的合理性直接影響通風(fēng)與采光效率,因此在超高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮布局設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)能效果的影響。與此同時(shí),超高層建筑結(jié)構(gòu)高度在100m以上,該條件下的風(fēng)速相比地面更大,應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)壓對(duì)建筑頂部的幕墻穩(wěn)定性、窗戶啟閉以及冬季保溫等的影響,在布局設(shè)計(jì)時(shí)需要調(diào)查當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件,總結(jié)風(fēng)向、風(fēng)速等大小與頻次,綜合考慮門窗的開啟方式以及戶型朝向等[12]。

另外,為更好地提升超高層建筑的節(jié)能效果,還可在垂直空間方面展開節(jié)能優(yōu)化布置。如在超高層建筑的周圍表面實(shí)施綠色植被的種植設(shè)計(jì),不僅能起到環(huán)境綠化的功能,還可凈化局部城市空氣質(zhì)量；又如在超高層建筑的樓頂種植綠植,實(shí)現(xiàn)城市屋頂綠化[13],或于建筑向陽面布局設(shè)計(jì)光能轉(zhuǎn)換設(shè)備,將太陽能充分轉(zhuǎn)化為電能等。

3 結(jié)束語

在超高層建筑的建造過程中,新型節(jié)能建筑材料的應(yīng)用既是新時(shí)代的環(huán)保趨勢,也是可持續(xù)發(fā)展理念的必然需求。當(dāng)前,高性能鋼材、高性能混凝土以及鋼管混凝土等新材料的應(yīng)用,對(duì)于超高層建筑的節(jié)能效果實(shí)現(xiàn)具有直接的影響。另外,在超高層建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)方面,應(yīng)當(dāng)充分權(quán)衡自然環(huán)境因素,如風(fēng)速、光照以及綠化等的影響,通過合理布局,充分利用自然條件,從而實(shí)現(xiàn)建筑與自然的融合。

在未來的超高層建筑設(shè)計(jì)與施工過程中,應(yīng)勇于創(chuàng)新,積極采用新材料,通過更加先進(jìn)的現(xiàn)代化軟件與計(jì)算工具,將更加符合節(jié)能要求的現(xiàn)代化新材料因地制宜地選擇應(yīng)用于超高層建筑之中,實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)、綠色施工與綠色運(yùn)維。