超高层建筑新材料的选择及其在节能设计中的应用

摘要：在科学利用城市空间，塑造良好城市形象中超高层建筑发挥了重要作用，这也是其它普通建筑不能比拟的。正是这样，我国近些年来出现大量该类型建筑，不仅推动了经济的发展，还相应扩大了应用范围。同时，新材料与新工艺的出现也一定程度强化了建筑的节能设计。本文针对超高层建筑，提出了选择新材料与节能设计的必要性，讨论了建筑设计存在的缺陷，并指出节能设计中应用新材料的情况。

关键词：超高层建筑；新材料选择；节能设计；应用

超高层建筑已经成为经济发展的现代化标志，其不仅提高了城市的综合实力，还推动了社会经济的发展，扩大了商业活动，节省了土地资源，因此在我国的日常生活大量出现了这些建筑。但是，我们必须高度关注在这部分建筑出现过程中注意采取节能理念及应用新材料。只有如此，才可以有效推动这类型建筑的健康发展。

一、选择新材料与节能设计的必要性

在超高层建筑中钢与混凝土是两种最关键的材料，随着不断创新的结构设计理念，一定程度上也改变了这些材料的功能。钢结构凭借较大强度、均匀的材料以及良好的塑性等优势在建筑中得到广泛应用。但是，利用纯钢结构的建筑一定高度时，必将发生综合刚性严重不足、抗侧移能力相对较差等缺陷，即便是采取了支撑与减震系统，也不能防止在强风与地震影响下摇晃顶部。同时，这一结构高温性能差异问题也是严重不足之处，较大程度威胁了这类建筑火灾时的人员安全，比如飞机撞击的世贸中心，爆炸燃烧的过程中因为高温带来建筑物的倒塌。既然这种纯钢结构已经无法有效达到建筑的使用需求，则需要寻找一种高性价比的结构材料，不仅需要解决结构缺陷，还可以体现出最佳的经济效果。此时混凝土材料再一次出现，并逐步提高了自身性能，相应强化了结构的强度、抗震性能等，从而使其形成更好应用。随着不断增加的楼层高度，采取一般的结构，必将需要对柱的截面积有效扩大，产生抗震能力不佳的短柱。这部分尺寸较大的柱子消耗大部分空间，影响了利用空间效率。基于上述原因，联系目前大力提倡的节能理念，应不断选择全新材料设计结构体系。

超高层建筑模式凭借其高效聚集的优势最大程度节约了土地资源，同时促进了城市化发展速度，为居民创造了更多的优秀聚集地，使其呈现出现代化特点，自身功能也遭遇一定约束[1]。首先就是在确保材料质量的过程中必须满足高度要求，设计过程中围绕能耗节省理念，只有这样才可以发展多元化经济。

二、建筑设计存在的缺陷

（一）参数控制不足

根据我国建筑建筑节能设计分析，大多数单位使用的优化围护结构的模拟能耗软件，都不能真正反映随高度形成的气象参数变化特点，也不能合理分析沿高度改变的围护结构表面热交换能力差异。这就导致消耗能量不够准确，更无从谈起节能设计配电设备。由于计算方面存在的约束，大多数施工中，在计算建筑规模中不能获得模拟范围，所以不能科学设计建筑自身节能[2]。

（二）材料选择限制

我国目前在节能设计中还仅停留在一般节能上，制定这样的目标与我国实际发展特点不符。需要结合本地区经济发展特点，联系我国建筑节能特点，才可以获得最佳的节能设计效果。

三、节能设计中应用新材料

（一）高性能钢铁

超高层建筑在二十世纪八十年末开始出现，并相应产生了大跨结构。这项建筑也对新材料的选择应用产生更高的要求，比如强度相对较高、低区强比、窄区服等具有抗震特点的钢材，加工操作尺寸准确，较强持久性的钢铁等。实际可以划分为以下几种：第一，高张力钢，这一材料拥有较高的屈服点，相应强化了钢结构强度，同时提升了抗弯水平。另外，在操作中，使钢结构产生较强的可焊接性。在频繁发生地震的国家，这一材料可以提升安全性。因此也要求拥有极致的屈服点和抗压能力，同时确保可塑性。第二，屈服点偏低的钢材，研发与应用这种类型的钢材，科学应用在拥有耐震设计要求的建筑中。可以借助隔震、抗震技术降低地震影响建筑物的程度，由于其结构的特殊性还可以适当吸收能量，提升建筑安全水平，避免較大程度破坏结构，因此需要在特殊位置放置这些可以吸震的材料。第三，TMCP钢。高层化和大跨度建筑物要求其必须采取强度和断面较大的钢材，通过特殊冶炼方式，加入一定的碳元素，提升其强度，但对其有效增强的过程中，相应也降低可焊性。为了解决这一缺陷，有关人员对TMCP结构进行了创新研究，其主要是经过加热处理获得，并且应用十分广泛[3]。第四，SN钢，在超高层建筑中必须使用优良弹性与可塑性钢，对地震有效抵抗。SN钢正好达到这一需求，并体现出较强的经济性。

（二）钢筋混凝土

为了对外墙保温性能有效提高，以及保证屋面的热工性能。可以使用钢筋混凝土开展设计。同时，综合保温隔热工艺，将保温层设置在外墙和屋面等位置，全面彰显节能的思想。通常建筑保温形式包括内外保温和自保温。在内部保温中，彰显节能效果的关键参数是热桥。对此，在选择材料过程中，可以使用混凝土粗骨料，从而有效降低传热系数，有效避免出现热桥效应，最大程度提升了保温功能。

（三）钢管混凝土

大规模应用强度较大的钢材，可以制作小且薄的构件截面，但是这样必定降低刚度以及发生局部屈曲。对这一问题有效解决可以通过使用这一材料，这也是第四种结构体系。这一体系具体是将混凝土填充在圆形或多边形钢管内部使其形成柱子或钢结构的梁，进一步达到较好的连接作用，体现出较大刚度和耐久性意义，并具有较强的变形能力。因此，这一体系广泛应用在超高层建筑中。其主要优点是，在钢管中填充混凝土，在压力与弯度的共同影响下，横向产生扩散，进一步遭遇横向钢管限制[4]。所以，需要不断提升混凝土强度与变形能力。另一方面，由于填充混凝土，一定程度抑制了局部发生的屈曲。如此，混凝土柱可以有效强化高张力钢的强度。

四、结束语

我国当前科学技术发展速度惊人，在设计和试验过程中出现了大量的新材料。在现代化建筑领域，必须积极创新，敢于使用全新的技术和材料，通过在节能设计中应用新材料，相应提高建筑的建设质量。在节能设计过程中，应全面考虑阳光、通风和绿化设计影响建筑的情况，通过不断改进附近环境，提升利用空间视屏，帮助人类利用建筑全面结束大自然。采取现代化工具设计建筑能耗，从而达到节能目标。

参考文献：

[1]徐进，罗智星.超高层建筑的绿色设计对策初探—以广州及其周边地区为例 [J].建筑与文化，2016（1）：65-67.

[2]张龙革，刘国霞.浅析超高层建筑新材料的选择与节能设计[J].今日科苑，2015（12）：138.

[3]安国文.超高层建筑节能设计若干问题浅析[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2015（12）：158.

[4]吴佳南.基于低碳理念的厦门地区住宅建筑方案设计研究[D].华侨大学，2015：2-6.

（作者单位：陕西中轻轻工业工程院有限公司）