新材料和新技術在建筑設計中的應用研究

【摘要】隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，新材料和新技術在建筑設計領域發(fā)揮了重要的作用。文中對建筑設計過程中新材料和新技術的廣泛應用進行了研究，深入剖析了新材料和新技術在實際工程上的應用原則、應用現(xiàn)狀和自身特性、產(chǎn)品使用的優(yōu)勢和缺點。通過調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，隨著新材料和新技術的不斷發(fā)展進步，不僅增加了建筑的美感，提高了建筑的功能性和實用性，還改善了人們的生活質(zhì)量，促進了人與自然和諧共生，實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的設計理念。

【關鍵詞】建筑設計；新技術；新材料

【中圖分類號】TU201 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2025）01-0112-04

0 引言

建筑設計行業(yè)作為建設領域當中的一員，面臨著產(chǎn)能過剩，資源不能合理分配和使用的問題。新材料和新技術的出現(xiàn)，能有效避免此類問題的發(fā)生。如何實現(xiàn)資源利用的最大化，保障居民的身心健康，是當今建筑設計行業(yè)的熱點問題。因此，在建筑設計過程中，充分利用新材料和新技術的優(yōu)勢，深入了解新材料和新技術的具體類型，并在實際工程中合理運用，提高建筑整體的設計質(zhì)量和社會經(jīng)濟效益，能為建筑設計行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更有效的幫助。

1 新材料和新技術在建筑設計中應用的原則

1）保護環(huán)境。在當今建設領域內(nèi)，重大的建筑設計項目無論從工業(yè)建筑到民用建筑，還是從公共建筑到居住建筑，建設規(guī)模普遍偏大，容易出現(xiàn)環(huán)境污染的問題。通過科技研發(fā)手段誕生的新材料和新技術能夠有效解決并改變工程施工過程對環(huán)境污染的現(xiàn)狀。因此，新材料和新技術應用于建筑設計中顯得至關重要，能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)環(huán)保的生態(tài)價值觀，為城鄉(xiāng)居民提供健康、宜居、舒適的生活環(huán)境，減少建設過程中的環(huán)境污染，促進城市的生態(tài)文明建設。建筑企業(yè)應加大對環(huán)境資源的保護力度，追求利益的同時能夠注重社會效益，加快調(diào)整企業(yè)發(fā)展模式，推動建設項目的良性循環(huán)[1]。

2）節(jié)約資源。新材料和新技術在建筑設計中的應用能夠減少資源浪費，實現(xiàn)資源的循環(huán)再利用。長久以來，人們對資源的開采一直在持續(xù)，從而導致資源的浪費，破壞資源的行為屢有發(fā)生。如今，隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，對空間環(huán)境和居住環(huán)境的要求越來越高，如果繼續(xù)使用高耗能的建筑材料和建筑技術，必然會使資源進一步被消耗，加劇了對建筑設計行業(yè)的抑制作用。因此要從融合新材料和新技術入手，加大推廣新材料和新技術的宣傳力度，優(yōu)化建設項目產(chǎn)業(yè)布局，合理控制工程造價，讓新材料和新技術在節(jié)約資源上發(fā)揮積極作用，提高資源的利用效率，爭取實現(xiàn)資源利用的社會效益和經(jīng)濟效益的最大化。

3）提高建筑的審美性。傳統(tǒng)的建筑設計中經(jīng)常會出現(xiàn)造型不時尚，設計語言不突出，空間利用率低等缺點。不但影響建筑的整體外觀效果，還影響了建筑與周圍環(huán)境的和諧共生，甚至影響建筑在社會生活中的影響力。而在建筑設計過程中，新材料和新技術的應用能顯著提升建筑物自身特色，通過抽象和結構的設計與周圍環(huán)境融為一體。提高建筑的保溫、采光、通風、防水、隔音、隔震等多方面的性能，能提升建筑的美感，體現(xiàn)建筑的應用價值，實現(xiàn)建筑技術和藝術價值的融合，為提高現(xiàn)代都市建筑在建筑設計行業(yè)內(nèi)的知名度提供有力的支持。

4）提高建筑的功能性和實用性。建筑功能的合理劃分是衡量建筑設計水平的重要標準，建筑的實用性是作為建筑功能性運用的具體體現(xiàn)。首先，在多個大空間的鋼結構中，選用高科技的建筑新材料可以使空間之間進行轉換，提高空間的利用率。其次，采用高科技技術手段提升大跨度建筑的實用性。例如，承重采用Y形柱、三叉柱、樹形柱等多種截面柱子技術形式，雨棚采用索殼、三向張弦拱等新型鋼結構體系[2]，屋頂選用鋼箱梁和錐形鋼管柱支撐等。再次，建筑使用新型玻璃幕墻和直徑6 mm穿孔鋁板內(nèi)襯鋁背板的組合材料提高建筑的入口識別功能。室內(nèi)空間不設置柱子，利用梁到高位的設計手法，增加房間儲物的實用功能等。新材料和新技術的應用極大地提高了建筑功能性和實用性，為建筑設計創(chuàng)新提供了便利的條件。

5）提高建筑的經(jīng)濟性。新材料和新技術在建筑設計中的應用要注重經(jīng)濟性，在滿足功能性和實用性的同時，嚴格遵循降低全生命周期運營成本的原則。合理選擇性能高效、價格合理的新型建筑材料。

采用先進的裝配式工藝技術，數(shù)字智能技術、BIM技術、新型外墻節(jié)能技術及AI輔助設計等提高建筑設計水平，縮短施工工期，降低人工作業(yè)成本并提高管理效率。

在新材料和新技術使用過程中，加強日常巡檢和新材料的保養(yǎng)，降低日常維護費用，延長建筑的耐久性，提高建筑壽命。還可以利用本地資源，對新材料和新技術實現(xiàn)本土化改造，降低遠程加工和運輸成本。

6）提高建筑的安全性。新材料和新技術在建筑設計中的應用，要始終把安全放在首位，確保使用過程中的安全性。在新材料方面，應選用抗震、韌度高、抗老化、防水性好、保溫效果明顯的建筑材料，以應對地震、山洪、暴雨等大自然突發(fā)狀況以及人為破壞帶來的影響；在新技術方面，需確保新技術對建筑設計帶來的正面效應，通過檢驗新技術已在項目中應用的實例來保證建筑的整體安全性。施工過程中，監(jiān)理單位要做好監(jiān)督檢查工作，施工單位要建立完善的安全管理制度，加強日常巡檢，及時消除風險隱患。

7）順應新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展需要。建筑領域產(chǎn)品和技術手段日新月異，建筑設計行業(yè)要想長久保持生命力和活力，就要在觀念和技術上緊跟時代。新材料和新技術的應用順應時代發(fā)展需要，積極實現(xiàn)傳統(tǒng)設計和傳統(tǒng)工藝向數(shù)字化高科技轉型發(fā)展邁進，通過不斷地迭代更新，提高建筑設計的科學性、理論性、實踐性、穩(wěn)定性。

2 新材料和新技術在建筑設計中的應用現(xiàn)狀

新材料和新技術在建筑設計應用過程中，需要對建筑材料的研發(fā)、試驗、投入使用投入更多的資金。在倡導綠色建筑發(fā)展的今天，對建筑設計、建筑形式和建筑技術提出了更高的要求，在一定程度上推動了建筑設計行業(yè)的發(fā)展，但也將建筑設計中的建筑技術、建筑工藝和建筑材料的使用方面的問題凸顯出來。

為加快建設項目中新材料和新技術的落實，要求建筑設計人員在短期內(nèi)必須了解并掌握新材料的特性、使用范圍、使用期限以及新技術的使用方法、使用流程，掌握圖紙上的技術參數(shù)和樣本數(shù)據(jù)，了解現(xiàn)場施工技術特點、技術手冊。對建筑設計人員來說，盡管已具備一定設計經(jīng)驗，并了解新材料和新技術，但從建設項目的實施情況來看，還存在一定差距。主要原因在于建筑設計過程中對新材料和新技術的理解存在不同，規(guī)范和標準之間存在一些分歧，學習培訓時間短且個人學習領悟能力有所不同，所以短時間內(nèi)無法做到統(tǒng)一，對新材料和新技術的使用造成一定限制。如不考慮后果強行在工程中應用，會對工程質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，可能會產(chǎn)生二次返工、重新設計的情況[3]。進而導致設計效率降低，施工工期延長，項目不能按時竣工，同時在經(jīng)濟上也會造成不可挽回的損失。這些后果會與建筑設計新材料和新技術的創(chuàng)新理念相悖。所以建筑設計中應針對新材料和新技術的應用展開重點性培訓，加強設計人員的實踐環(huán)節(jié)，掌握新材料和新技術的參數(shù)要翔實完整，提供的圖紙和數(shù)據(jù)要符合國標和行標規(guī)定，還要調(diào)整項目的工程進度，使新材料和新技術的價值發(fā)揮到最大。

3 新材料在建筑設計中的應用

建筑新材料層出不窮，這些新材料在建筑設計行業(yè)中發(fā)揮了重要的作用。具有輕質(zhì)量高強度、高韌性、能提高承載力的特點。在力學性能方面如抗拉、抗壓、抗剪切，為結構設計優(yōu)化提供了更多的選擇。在實用功能方面，如可再生、節(jié)能環(huán)保、吸聲隔熱、改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

3.1 碳纖維復合材料

隨著大跨度建筑的不斷涌現(xiàn)，鋼材作為主要的建筑結構材料，在建筑設計中起到安全、適用、美觀的作用。然而作為傳統(tǒng)建筑材料的鋼材也隨著人們對建筑空間的要求越來越高，對建筑的審美能力也越來越強，它的局限性也日益凸顯。而碳纖維復合材料的出現(xiàn)，為大跨度建筑設計提供了無限的可能性[4]。碳纖維是非常重要的無機高性能纖維，具有高強度、高硬度、低質(zhì)量、耐沖擊等優(yōu)異的力學性能。其比重不到普通鋼材的1/4，抗拉強度一般在3 500 MPa以上，是普通鋼材的7倍～9倍，抗拉彈性模量為230～430 GPa亦高于普通鋼材。因此，碳纖維復合材料的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2 000 MPa/（g .cm-3）以上，而Q235鋼的比強度僅為59 MPa/（g .cm-3），因此其比模量也比普通鋼材高。相比傳統(tǒng)普通鋼鐵材料，一體化的碳纖維復合材料結構密度更低、質(zhì)量更輕、強度更高，因此可以在建筑設計中應用。碳纖維復合材料制造的碳纖維索在大跨度空間體系中扮演拉索或吊索的角色，也可用于拱結構的錨索。在新建大型乃至巨型工程中，碳纖維筋可以替代混凝土結構中的鋼筋，提高其結構壽命，同時在鋼筋密集的加肋和箍筋部位使用，可以減少鋼筋使用量，而且方便支模施工，提高工程質(zhì)量。在空間造型上，利用碳纖維復合材料的抗拉強度高和輕盈的特點可以營造橢圓形、雙曲線形、拋物線形、不規(guī)則三維曲面等空間形式。在結構加固過程中，使用碳纖維增強混凝土外墻墻板可以減少40%的重量。在加固構件形狀復雜情況下，可以選擇布狀的碳纖維復合材料。若采取嵌入的方式加固需采用條帶形的碳纖維復合材料。若對豎向的柱子和水平的樓板采取加固措施，應選擇柔性好的柵格復合材料。在保證建筑空間和結構安全的前提下，兼顧考慮經(jīng)濟因素的限制，適當使用碳纖維復合材料能起到節(jié)能環(huán)保的作用。

另外，碳纖維復合材料的耐腐蝕性、耐候性、耐高溫更強。利用基體樹脂和增強纖維的界面相容性試驗可以使碳纖維復合材料在極端惡劣的環(huán)境中長期保持穩(wěn)定。如跨海橋梁的基礎、大型人防地下工程等，對基體添加改善耐腐蝕性的助劑，或在長期暴露在陽光下的大型建筑外部添加紫外線吸收劑，屋頂和外墻表面添加吸收紫外線的透明薄膜，或者改進材料工藝制作方法，如通過高溫固化使材料固化完全，加壓固化減少碳纖維復合材料的微孔和控制孔隙率，碳纖維復合材料的特性會得到充分發(fā)揮。因此碳纖維復合材料在建筑設計中具有廣闊的應用前景。

3.2 可再生材料

在如今倡導可持續(xù)發(fā)展和綠色低碳生活的時代，可再生能源是涉及城市發(fā)展建設的必備要素之一，進而可再生材料作為可再生能源中的重要組成部分，也成為建筑設計中的核心創(chuàng)新點。研究和推廣可再生建筑材料的使用，對推動建筑行業(yè)的綠色轉型具有重要意義[5]。

1）可再生石塊。主要分為兩類：①回收利用舊材料。建筑壽命到期或者是被廢棄拆除后產(chǎn)生的建筑砌塊，這些砌塊多帶抹灰或石塊等。施工現(xiàn)場通過簡單的篩選、歸類整理、清理加工等程序，在保證砌塊能繼續(xù)使用并完整的條件下，投放到新的建設項目中。②制作再生砌塊。建筑拆除后為混凝土廢渣，需要到加工廠進行清理粉碎，加入膠凝材料后形成新的砌塊。這兩種可再生石塊可以在建筑設計中采用原級和降級應用。原級應用主要應用在結構承重部位或外墻圍護部位。降級應用主要應用在建筑構件和裝飾構件等非結構承重部位，而且能達到多樣化的制作效果。

2）竹。竹是一種快速生長的可再生材料，具有極高的強度和韌性，抗拉強度比普通鋼材高，防腐性能好、耐久性優(yōu)越。竹可用于搭建輕型的房屋，室內(nèi)裝飾材質(zhì)利用其特有的紋理，可增添建筑的美感和質(zhì)感且冬暖夏涼，隔熱吸聲能力強，能減少能源消耗實現(xiàn)環(huán)保低碳。

3）環(huán)保麥秸和木材。麥秸能加工成環(huán)保墻磚。木材在保證防火的前提下，不僅結構性能良好，還能吸收CO2，減少室內(nèi)污染。

3.3 新材料性能的優(yōu)化

新材料通過改性可以優(yōu)化材料性能。對混凝土進行納米改性[6]，引入納米管、納米纖維等納米材料，可大幅提高混凝土的強度、耐久性、自修復能力等性能。

新型環(huán)保納米水泥基復合材料，通過在水泥基體中引入納米SiO2、納米ZnO等多種納米顆粒，使復合材料具有優(yōu)異的強度、抗?jié)B性、抗菌性等性能，該材料已在實踐中得到應用。

3.4 其他類型新材料

①外墻相變蓄能材料，如真空絕熱板、空心陶瓷微珠板等可以減少室內(nèi)熱損失。外墻斷橋鋁包木特種節(jié)能門窗傳熱系數(shù)小于0.8 W/（m2 .K）；②特種石膏具有可塑性強、適應性強，可以通過添加劑，保證物理的性能同時能提高石膏強度；③再生塑料由回收的廢塑料制成，耐久性高且成本低；④多孔新型材料和生物基新型吸聲材料，可以改善建筑聲環(huán)境；⑤利用鋼渣制成的無機彩色人工真石、木塑復合材料、固廢再生泡沫混凝土；⑥新型復合材料可以智能調(diào)光玻璃既能調(diào)節(jié)室內(nèi)采光，又能起到節(jié)能保溫的作用。智能化外墻板能實現(xiàn)熱量、電力等多種功能的整合；⑦水泥基滲透結晶型防水材料，對混凝土基體可進行永久性防水防滲保護；⑧低輻射雙鋼化中空玻璃幕墻，熱工性能優(yōu)異。

4 新技術在建筑設計中的應用

4.1 智能化設計系統(tǒng)

智能化設計系統(tǒng)將智能化貫穿于建筑的全生命周期，利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析、先進的算法[7]，實現(xiàn)精細化管理，提升建筑的運行效益，降低建筑的運營成本。通過搭建高效、精準的設計平臺，利用人工智能與建筑師的協(xié)同方案制作，為建筑設計的創(chuàng)新，實現(xiàn)從想象空間到設計圖紙最后到項目的具體實施提供了完美的解決方案。建筑設計過程具有開放性思維的特點，智能化設計系統(tǒng)能為建筑設計提供不同的概念方案。通過對比這些方案，可以隨時調(diào)整設計參數(shù)，輸入不同的設計數(shù)據(jù)，生成不同的場地模型、建筑單體模型、虛擬交通流線、功能分區(qū)，形成若干個功能房間組成的建筑平面，進而根據(jù)平面的變化衍生出各種剖面形式，外觀立面效果圖及鳥瞰圖，為設計師節(jié)省了大量的手繪時間，更為設計師提供了更多的靈感空間，使建筑設計思維能持續(xù)保持下去。

在結構優(yōu)化設計方面，基于先進的參數(shù)化設計和拓撲計算，為設計師提供不同結構設計的可行性和穩(wěn)定性，智能化系統(tǒng)能根據(jù)應力傳遞原理，通過系統(tǒng)的分析和演繹各種受力條件下的結構變形情況，結合新材料優(yōu)異的性能，建立力學模型，對結構失穩(wěn)的具體表現(xiàn)列表分析，實現(xiàn)結構設計的優(yōu)化組合。例如屋面跨度最大的北京大興鋼結構航站樓設計，就是通過智能化系統(tǒng)，利用有限元結構分析軟件對鋼屋面進行了靜力學和動力分析，然后采用拓撲算法，優(yōu)化屋面結構鋼梁布置，確定巨型鋼梁走向，最后通過參數(shù)化設計對每根鋼梁的截面尺寸進行優(yōu)化，保證鋼梁的強度和剛度，做到結構整體性能的最優(yōu)化。

4.2 BIM技術

BIM技術，即建筑信息模型技術，在建筑領域數(shù)字化設計系統(tǒng)中被廣泛應用，在建筑設計行業(yè)已被應用于工業(yè)項目和民用項目中[8]。BIM技術為建筑設計提供了直觀的操作界面，建筑師擺脫了對傳統(tǒng)設計軟件的依賴度，把二維平面設計轉換到三維空間模型中。BIM軟件不僅能對建筑外觀進行直觀的觀察，更可以對建筑的內(nèi)部結構、功能房間布局、機電設備布置情況等進行深入研究。在傳統(tǒng)的設計流程中，因為二維軟件自身的局限性，難以將全部信息表達在圖紙上，各專業(yè)之間因為信息的不對稱造成圖紙表達不準確，在圖紙修改和設計變更的時候增加出錯頻率，進而耗費時間。BIM技術的應用依托全信息模型，設計師可以充分掌握建筑的數(shù)據(jù)和參數(shù)，通過虛擬建模和仿真分析，不僅是設計師，其他相關人員也能更好地理解和參與設計過程。BIM技術的支持可實時預覽和修改功能，可以保證設計師快速調(diào)整設計，提高工作效率。BIM技術還能在進行各專業(yè)的碰撞檢測同時提供優(yōu)化的解決方案，提高了設計準確性、完整性和可靠性。在建筑施工階段實現(xiàn)精確施工，減少返工。在運營維護階段對建筑情況實施監(jiān)控。

4.3 3D打印技術

3D打印技術，即增材制造技術，是一種通過逐層堆積材料來構建三維物體的技術[9]。近年來在建筑室內(nèi)裝修設計中取得了一定的突破。設計師可以根據(jù)客戶的需要完成比如旋轉樓梯、異形欄桿、后現(xiàn)代主義裝飾壁畫、不規(guī)則柱子、曲面梁、弧形樓板等特殊的裝飾構件和結構構件。3D打印技術以數(shù)字模型為基礎，采用的材料包括光敏樹脂材料、聚碳酸酯材料、不銹鋼材料、陶瓷材料、生物材料、橡膠材料、石墨烯材料、低碳高分子材料等，二者融合可以精確地制作出室內(nèi)工藝品，為建筑裝修設計增添藝術氛圍。

3D打印技術還可以快速制作建筑模型。模型分為“原坯”工作模型和展示模型，工作模型可以分段加工和拆卸，幫助設計師快速構建設計思維。完成初步方案后，建筑師進行展示模型的設計，以便最終審定方案時使用。展示模型要求接近建筑真實的比例，對建筑的造型進行打磨，推敲建筑的色彩關系，強調(diào)建筑的質(zhì)感，融入具體的環(huán)境之中，虛擬想象進入建筑后的感受。在重要的內(nèi)部房間，利用3D打印技術完成室內(nèi)設計、結構布局和細部構造節(jié)點做法。展示模型還要融入夜景設計，模擬室內(nèi)外燈光，根據(jù)使用的需要和環(huán)境的特點完善創(chuàng)作立意和構思。

5 結語

新材料和新技術的應用成為未來建筑設計行業(yè)發(fā)展的核心動力，為建筑設計行業(yè)帶來了革命性的變化。這有助于提升建筑的整體質(zhì)量和收益，還能有效解決建設過程中的資源浪費、環(huán)境污染等問題。盡管新材料和新技術的應用在現(xiàn)階段還存在一些不足，但通過現(xiàn)代化科技手段的不斷研究和創(chuàng)新，將會有更多的新材料和新技術在建筑設計中被應用，實現(xiàn)綠色環(huán)保的、可持續(xù)發(fā)展的設計理念。

參考文獻

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[作者簡介]吳荻（1979—），男，吉林永吉人，本科，高級工程師。研究方向：建筑設計。